管片拼裝機(jī)提升系統(tǒng)同步性能分析與試驗(yàn)研究

李 杰，張 鑫，馬 超，楊 龍，郭京波

(1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043 )

0 引言

管片拼裝機(jī)在盾構(gòu)法施工中起著至關(guān)重要的作用，其主要功能是將預(yù)制的混凝土管片安裝到已開挖的隧道表面。管片拼裝機(jī)提升系統(tǒng)的執(zhí)行元件是2個(gè)單活塞桿液壓缸，雙缸的同步性能直接影響管片的拼裝質(zhì)量[1-2]。當(dāng)雙缸存在較大的位移差時(shí)，提升系統(tǒng)易出現(xiàn)卡頓、卡死等現(xiàn)象，造成管片發(fā)生錯(cuò)臺(tái)、開裂崩缺和滲透水的狀況，嚴(yán)重影響管片的拼裝質(zhì)量、效率和隧道的耐久性。因此，提高雙缸的同步性能，能夠提升管片拼裝質(zhì)量，縮短管片拼裝時(shí)間，減少隧道施工成本，保證隧道的使用壽命[3-6]。

管片拼裝機(jī)提升系統(tǒng)的同步性能是管片拼裝質(zhì)量的主要決定因素，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)管片拼裝提升系統(tǒng)做了大量的研究工作。郭凱峰等[7]針對(duì)管片拼裝機(jī)液壓提升系統(tǒng)的振動(dòng)問題，研究了提升系統(tǒng)的頻域特性，并利用MATLAB軟件繪制出液壓元件在不同工況下的曲線圖，最終得出振動(dòng)原因并提出解決方案；石云飛等[8]針對(duì)提升系統(tǒng)的同步性，采用特殊PID(proportion integral derivative)控制器適時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，并通過對(duì)控制模型的聯(lián)合仿真，證明該P(yáng)ID控制器可有效提高提升系統(tǒng)的同步性；卞永明等[9]采用同步PID算法對(duì)矩形盾構(gòu)管片立柱提升進(jìn)行控制，結(jié)果表明該算法可有效減小立柱提升系統(tǒng)的同步誤差；Bu等[10]為實(shí)現(xiàn)管片拼裝機(jī)提升系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)，提出了一種冗余驅(qū)動(dòng)式機(jī)構(gòu)，分析表明該機(jī)構(gòu)可有效提高提升系統(tǒng)的同步性；彭雄斌等[11]針對(duì)管片拼裝機(jī)提升系統(tǒng)雙缸同步問題，提出了一種模糊PID控制方案，并與常規(guī)PID的控制性能進(jìn)行比較，試驗(yàn)表明，采用模糊PID控制提升系統(tǒng)時(shí)，雙缸同步精度較高；Kassem等[12]為研究2個(gè)提升液壓缸的同步性能，提出了基于模糊邏輯控制器的交叉耦合控制技術(shù)，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方案的可行性；Hong等[13]為改善雙缸提升系統(tǒng)的同步性能，提出一種非線性算法，設(shè)計(jì)了外環(huán)同步控制器和內(nèi)回路控制器，并通過試驗(yàn)證明了該方法的有效性；郭強(qiáng)等[14]對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出提升液壓缸所受力矩隨液壓缸伸出距離的增大而增大；蘇麗達(dá)等[15]建立并分析了φ6.28 m盾構(gòu)使用的管片拼裝機(jī)模型，得出提升系統(tǒng)液壓缸端部的受力情況；Yao等[16]建立了雙缸同步控制系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)的模糊PID控制器與全解耦補(bǔ)償方法相結(jié)合，對(duì)液壓缸的同步性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)控制精度較高；Bao等[17]建立了柔性提升系統(tǒng)的控制方程，并推導(dǎo)出消除振動(dòng)的控制器，結(jié)果表明該控制器可有效消除提升系統(tǒng)的振動(dòng)能量；Han等[18]為提高液壓缸的控制精度，在液壓控制回路中插入低通濾波器，并在AMESim軟件中進(jìn)行仿真驗(yàn)證；Meng等[19]為確保雙缸同步，開發(fā)了一種魯棒同步控制器，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了魯棒同步控制器的有效性；Kam等[20]將反饋線性化補(bǔ)償和干擾觀測(cè)器的控制方法應(yīng)用于提升液壓缸的同步控制，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的正確性。

上述對(duì)提升系統(tǒng)的研究多集中在控制系統(tǒng)和控制方案方面，或是使用單一仿真軟件對(duì)提升系統(tǒng)的同步性能進(jìn)行分析。管片拼裝系統(tǒng)復(fù)雜，由機(jī)械、液壓和控制系統(tǒng)協(xié)同作用，因此在研究管片拼裝機(jī)提升系統(tǒng)同步性能時(shí)，將機(jī)械、液壓系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，可更為深入地分析提升系統(tǒng)的同步性能。因管片拼裝機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸較大，對(duì)其性能的研究需要耗費(fèi)大量的人力、物力及財(cái)力。為降低成本并達(dá)到研究目的，本文依托河北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2018018)，在設(shè)計(jì)出φ900 mm管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)三維模型的基礎(chǔ)上，建立提升液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用機(jī)液聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)的同步性能進(jìn)行仿真分析，并在液壓試驗(yàn)臺(tái)上搭建雙缸提升系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)機(jī)液聯(lián)合仿真結(jié)果的正確性，并得出雙缸負(fù)載是影響提升系統(tǒng)同步性能的重要因素。

1 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)管片拼裝要求，設(shè)計(jì)了φ900 mm管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)4部分?？梢詫?shí)現(xiàn)管片的識(shí)別、抓取、粗調(diào)定位、姿態(tài)調(diào)整和固定。管片的姿態(tài)調(diào)整包括平移、旋轉(zhuǎn)、升降、俯仰、橫搖和偏轉(zhuǎn)6種動(dòng)作，這6種動(dòng)作與管片的6個(gè)自由度一一對(duì)應(yīng)。管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)三維模型及提升機(jī)構(gòu)如圖1所示?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)相互協(xié)調(diào)完成管片拼裝。工作原理為真空吸盤吸緊管片，2個(gè)提升液壓缸帶動(dòng)提升導(dǎo)向柱在提升導(dǎo)向套中運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提升管片，回轉(zhuǎn)支撐安裝盤在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下將管片由底部0°旋轉(zhuǎn)到頂部180°的指定位置，2個(gè)提升液壓缸伸出，將管片頂向已開挖好的隧道內(nèi)壁[21-22]。

表1 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of segment erector test platform

1—提升液壓缸;2—滑動(dòng)軸承柱;3—橫梁;4—滾珠絲杠;5—提升橫梁;6—微調(diào)油缸;7—微調(diào)平臺(tái);8—真空吸盤;9—管片;10—偏轉(zhuǎn)油缸;11—提升導(dǎo)向柱;12—提升導(dǎo)向套;13—外圈2;14—外圈1;15—滾珠絲杠電機(jī);16—回轉(zhuǎn)支撐安裝盤;17—回轉(zhuǎn)系統(tǒng)伺服電機(jī);18—減速器;19—撐板。(a) 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)

(b) 提升機(jī)構(gòu)圖1 φ900mm管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)三維模型及提升機(jī)構(gòu)Fig.1 3D model of φ900 mm segment erector test platform and lifting mechanism

1.2 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)液壓提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)

管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)的雙缸提升系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)組成，主要包括液壓泵、電磁比例換向閥、平衡閥、分流集流閥及2個(gè)相同的雙作用單活塞桿液壓缸等。液壓提升原理如圖2所示。

1—液壓泵;2—電磁換向閥;3—液壓缸;4—分流集流閥;5—平衡閥;6—溢流閥。圖2 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)液壓提升原理Fig.2 Hydraulic lifting principle of segment erector test platform

外部電機(jī)帶動(dòng)液壓泵從油箱吸入液壓油，溢流閥負(fù)責(zé)調(diào)整提升系統(tǒng)的壓力值，電磁換向閥通過調(diào)整閥芯的位置控制2個(gè)液壓缸的升降，2個(gè)平衡閥組成1個(gè)平衡閥組，在液壓缸伸長和縮回時(shí)起到平衡及液壓鎖的作用，避免油缸出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。分流集流閥利用同一油源向2個(gè)執(zhí)行元件等流量供油并等流量收集液壓油，從而保證雙缸同步運(yùn)動(dòng)。

分流集流閥結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，是兼?zhèn)浞至鏖y和集流閥功能的液壓元件，按等流量對(duì)執(zhí)行元件供油和回油，使執(zhí)行元件保持相同的運(yùn)動(dòng)速度。在管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，同步元件選用分流集流閥，以保證2個(gè)液壓缸的同步運(yùn)動(dòng)。分流集流閥的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—固定節(jié)流口Ⅰ;2—右閥芯;3—閥體;4—右彈簧;5—可變節(jié)流口Ⅰ;6—調(diào)節(jié)彈簧;7—可變節(jié)流口Ⅱ;8—左彈簧;9—左閥芯;10—固定節(jié)流口Ⅱ。圖3 分流集流閥的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of dividing-combining valve

一般情況下，分流集流閥的分流誤差為1%～3%[23]。等量分流集流閥的分流誤差

(1)

式中：q0為進(jìn)口流量，L/min；q3、q4為流經(jīng)左右2個(gè)液壓缸的流量,L/min。

1.2.2 管片拼裝機(jī)提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)的受力分析如圖4所示。

圖4 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)的受力分析Fig.4 Stress analysis of lifting system of segment erector test platform

將管片、提升橫梁以及液壓缸的活塞桿視為一個(gè)整體，可得到關(guān)系式：

(2)

式中：θc為提升橫梁的轉(zhuǎn)角，rad；a1、a2分別為2個(gè)液壓缸活塞桿到提升橫梁質(zhì)心的距離，mm；xc為提升橫梁質(zhì)心的振動(dòng)位移，mm；y1、y2為左右2個(gè)液壓缸的位移，mm。

一般認(rèn)為提升系統(tǒng)的激振源是簡諧振動(dòng)[24]，建立管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

(3)

式中：mt為提升橫梁及管片等部件的等效質(zhì)量，kg；Fk1、Fk2分別為2個(gè)液壓缸的液壓彈簧力，N；Ff1、Ff2分別為2個(gè)液壓缸的摩擦力，N；Ic為提升橫梁的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·mm2；F1、F2分別為2個(gè)液壓缸輸出力的幅值。

分流集流閥固定節(jié)流口的流量方程[25-26]為：

(4)

(5)

式(4)—(5)中：q1、q2為流經(jīng)2個(gè)固定節(jié)流口的流量，L/min；c1為固定節(jié)流口流量系數(shù)；ρ為液壓油密度，kg/m3；d1、d2為2個(gè)固定節(jié)流口的直徑，mm，且d1=d2；p0為閥的進(jìn)口壓力，Pa；p1、p2為2個(gè)固定節(jié)流口腔室的壓力，Pa。

分流集流閥可變節(jié)流口的流量方程為：

(6)

(7)

式(6)—(7)中：c2為可變節(jié)流口流量系數(shù)；D為閥芯直徑，mm；x0為調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量，mm；x為閥芯的位移，mm；p3、p4為2個(gè)可變節(jié)流口腔室的壓力，Pa。

液壓缸的流量連續(xù)性方程為：

(8)

式中:B1、B2為2個(gè)液壓缸活塞的有效面積，mm2；βe為綜合彈性模量，MPa；C1、C2為2個(gè)液壓缸油液腔容積，cm3；Bf1、Bf2為黏性阻尼，N·s/mm。

液壓缸的力平衡方程為：

(9)

在管片拼裝過程中，液壓缸的外部受載和液壓缸的流量對(duì)雙缸同步均有影響，由式(3)和式(9)可知，雙缸同步性與液壓缸的制造精度、外部載荷以及分流集流閥的分流精度有關(guān)。

管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)在拼裝1環(huán)完整的管片時(shí)共需6塊管片：3塊標(biāo)準(zhǔn)塊A、2塊鄰接塊B和1塊封頂塊K。6塊管片對(duì)應(yīng)不同的位置，首先安裝最下方的標(biāo)準(zhǔn)塊A1，其次對(duì)稱安裝標(biāo)準(zhǔn)塊A2和A3，然后對(duì)稱安裝鄰接塊B1和B2，最后安裝封頂塊K。實(shí)際隧道在安裝管片時(shí)，每塊管片的安裝角度是實(shí)時(shí)變化的，為了研究方便，本文只分析如表2所示安裝工況下管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)雙缸的同步性能。定義標(biāo)準(zhǔn)塊A1的安裝角度為0°，順時(shí)針方向?yàn)檎较颉?/p>

表2 管片安裝角度及質(zhì)量Table 2 Installation angles of 4 segments

在理論分析時(shí)，為觀察雙缸負(fù)載對(duì)提升系統(tǒng)同步性能的影響情況，假定2個(gè)液壓缸完全相同，分流集流閥不存在分流誤差，液壓油不可壓縮，摩擦力和彈簧力不變，只有2個(gè)液壓缸所受外部載荷變化。在拼裝標(biāo)準(zhǔn)塊A1和封頂塊K時(shí)，2個(gè)液壓缸處于豎直狀態(tài)且負(fù)載相同；拼裝標(biāo)準(zhǔn)塊A2和鄰接塊B1時(shí)，2個(gè)液壓缸處于傾斜狀態(tài)且負(fù)載不同。通過Matlab軟件，利用Runge-Kutta法對(duì)管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程式進(jìn)行仿真，得到管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)在工況1—工況3下提升橫梁質(zhì)心的振動(dòng)位移，如圖5所示。

圖5 3種工況下提升橫梁質(zhì)心的振動(dòng)位移Fig.5 Vibration displacement of lifting beam mass center under 3 working conditions

由圖5可知，工況1—工況3下提升橫梁質(zhì)心的振動(dòng)位移約為0.030、0.040、0.034 mm，工況2和工況3下雙缸受載不同時(shí)的質(zhì)心振動(dòng)位移大于工況1下雙缸所受負(fù)載相同的質(zhì)心振動(dòng)位移。理論分析結(jié)果表明，2個(gè)液壓缸負(fù)載不同時(shí)的位移差大于負(fù)載相同時(shí)的位移差。在管片拼裝機(jī)實(shí)際工作過程中，分流集流閥、液壓油及液壓缸的加工制造性能都會(huì)對(duì)同步性能有影響，是影響結(jié)構(gòu)件本身的因素，所以需選擇高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)件。因此，雙缸負(fù)載是影響提升系統(tǒng)同步性能的關(guān)鍵因素。

2 管片拼裝提升系統(tǒng)同步性能分析

管片拼裝機(jī)在拼裝管片時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)各部件的摩擦和偏載時(shí)液壓缸與活塞桿間摩擦阻力的不同會(huì)影響提升系統(tǒng)的同步性能，液壓系統(tǒng)的泄漏及分流集流閥的分流精度也會(huì)影響提升系統(tǒng)的同步性能。由于機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)對(duì)雙缸同步性能均有影響，因此建立管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，對(duì)管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)的同步性能進(jìn)行研究。

2.1 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型的建立

將管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)三維模型導(dǎo)入Adams軟件中，對(duì)管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)各部件添加移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或固定約束，完成管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立。根據(jù)圖2所示的提升系統(tǒng)原理，采用AMESim軟件完成管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)液壓仿真模型的建立。AMESim可較好地反映液壓元件對(duì)提升系統(tǒng)的影響，但對(duì)于管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)，2個(gè)液壓缸的加載卻不夠準(zhǔn)確。為準(zhǔn)確表征提升系統(tǒng)工作時(shí)2個(gè)液壓缸的同步情況，采用聯(lián)合仿真技術(shù)，將管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型通過接口模塊聯(lián)合到液壓控制系統(tǒng)的仿真模型中，如圖6所示。這種聯(lián)合可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)模型與仿真模型間信息的實(shí)時(shí)交換，使液壓控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)均能準(zhǔn)確表征實(shí)際情況[27-28]。液壓系統(tǒng)各元件參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)各元件參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameters of hydraulic system components of segment erector test platform

圖6 管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)機(jī)液聯(lián)合仿真模型Fig.6 Hydraulic-mechanical co-simulation model of segment erector test platform lifting system

2.2 提升系統(tǒng)雙缸同步性能聯(lián)合仿真分析

管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)存在4種管片安裝工況：1)工況1。拼裝標(biāo)準(zhǔn)塊A1時(shí)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)保持靜止，平移系統(tǒng)首先將管片軸向平移到安裝區(qū)域，液壓缸將管片徑向移動(dòng)到安裝位置，安裝完成后，液壓缸縮回，管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)平移到初始位置。2)工況2。拼裝標(biāo)準(zhǔn)塊A2時(shí)，平移系統(tǒng)將管片軸向平移到安裝區(qū)域，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)72°固定不動(dòng)，液壓缸將管片定位到待安裝位置。3)工況3。拼裝鄰接塊B1時(shí)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)140°固定不動(dòng)，液壓缸將管片定位到安裝位置。4)工況4。拼裝封頂塊K時(shí)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)180°固定不動(dòng)，液壓缸將管片定位到安裝位置。對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)液聯(lián)合仿真，上述4種工況下2個(gè)提升液壓缸的位移差如圖7所示。

(a) 工況1液壓缸位移差

(b) 工況2液壓缸位移差

(c) 工況3液壓缸位移差

(d) 工況4液壓缸位移差圖7 2個(gè)提升液壓缸的位移差Fig.7 Displacement difference between two hydraulic cylinders

由圖7可知：管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)在拼裝管片A1、A2、B1和K時(shí)，液壓缸動(dòng)作3 s將管片放置到預(yù)定位置，此時(shí)，2個(gè)液壓缸的位移差約為0.017、5.300、4.800、0.050 mm。拼裝標(biāo)準(zhǔn)塊A1和封頂塊K時(shí)，2個(gè)液壓缸處于豎直工作狀態(tài)，負(fù)載基本相同，但由于分流集流閥本身具有一定的分流精度，且拼裝過程中管片引起液壓缸輕微抖動(dòng)，使位移差在0附近小幅度波動(dòng)；在拼裝標(biāo)準(zhǔn)塊A2和鄰接塊B1時(shí)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，2個(gè)液壓缸處于傾斜狀態(tài)，負(fù)載不同，分流集流閥存在分流誤差，在液壓缸伸長過程中，負(fù)載小的液壓缸進(jìn)油量大，伸長速度快，即圖7(b)和7(c)位移差呈現(xiàn)增長趨勢(shì)。雙缸負(fù)載不同時(shí)的位移差大于負(fù)載相同時(shí)的位移差。

(a) 豎直且負(fù)載相同狀態(tài)

由上述分析可知：1)管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)拼裝不同位置的管片時(shí)，在液壓缸的有效行程內(nèi)，雙缸負(fù)載是影響提升系統(tǒng)同步性能的主要原因；2)因負(fù)載差的存在導(dǎo)致同步性能降低，同時(shí)分流集流閥的分流誤差及液壓缸傾斜角度的不同也會(huì)影響提升系統(tǒng)的同步性能；3)仿真與理論分析結(jié)果相同。通過對(duì)管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)同步性能的研究，可在一定程度上指導(dǎo)管片拼裝機(jī)的施工。

3 提升系統(tǒng)雙缸同步性能試驗(yàn)

管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)尚未完成，為驗(yàn)證理論分析與聯(lián)合仿真得出的雙缸負(fù)載是影響同步性能的關(guān)鍵因素這一結(jié)論，本文根據(jù)管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)液壓提升原理(見圖2)，在液壓試驗(yàn)臺(tái)上搭建出液壓提升系統(tǒng)，對(duì)管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)雙缸的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬。

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及內(nèi)容

在試驗(yàn)臺(tái)上搭建液壓提升系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)主要包括2個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)完全相同的液壓缸(缸徑32 mm，行程200 mm)、重物(15 kg)、小重物(2.5 kg)、刻度尺及分流集流閥。移動(dòng)導(dǎo)軌上安裝刻度尺，重物上預(yù)制有指針，試驗(yàn)過程中通過讀數(shù)來表示液壓缸的位移及位移差。該試驗(yàn)系統(tǒng)的核心元件是分流集流閥，型號(hào)為3FJLz～L2-16H，分流誤差為3%。通過分流集流閥實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)1號(hào)缸和2號(hào)缸的同步運(yùn)動(dòng)。

液壓提升系統(tǒng)工況設(shè)計(jì)如下：1)2個(gè)液壓缸的外負(fù)載均為1個(gè)重物，移動(dòng)導(dǎo)軌處于豎直狀態(tài)；2)外負(fù)載均為1個(gè)重物，并將小重物放在右側(cè)重物上，移動(dòng)導(dǎo)軌處于豎直狀態(tài)；3)外負(fù)載均為1個(gè)重物，移動(dòng)導(dǎo)軌處于傾斜狀態(tài)；4)外負(fù)載均為1個(gè)重物，并將小重物放在右側(cè)重物上，移動(dòng)導(dǎo)軌處于傾斜狀態(tài)。管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)在拼裝管片時(shí)，2個(gè)液壓缸有2種工作狀態(tài)，為工況1和工況4。為了驗(yàn)證雙缸負(fù)載是影響提升系統(tǒng)同步性能的關(guān)鍵因素，故設(shè)計(jì)工況2和工況3。試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示。在上述4種工況下分別啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，記錄2個(gè)液壓缸的位移差。通過對(duì)比分析不同狀態(tài)下的位移差，研究提升系統(tǒng)的雙缸同步性能。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)?zāi)M了提升系統(tǒng)2個(gè)液壓缸的4種工作狀態(tài)，將試驗(yàn)與聯(lián)合仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。4種狀態(tài)下2個(gè)液壓缸的位移差曲線如圖9所示。

由圖9可知：1)相同負(fù)載下2個(gè)液壓缸的位移差在0附近呈小趨勢(shì)波動(dòng)，這是由試驗(yàn)過程中分流集流閥的分流誤差、重物與導(dǎo)軌間的摩擦不一致、2個(gè)液壓缸傾斜角度誤差及制造誤差等原因造成的，該情況下雙缸的同步精度達(dá)99%以上；2)不同負(fù)載下的位移差隨液壓缸的伸長呈增長趨勢(shì)，主要是由于雙缸存在負(fù)載差及分流集流閥存在分流誤差，造成位移差的累積。2個(gè)液壓缸處于豎直狀態(tài)且負(fù)載不同時(shí)出現(xiàn)最大位移差約為4.200 mm，提升系統(tǒng)的同步精度為97.9%。上述研究表明，提升系統(tǒng)2個(gè)液壓缸負(fù)載是影響同步精度的主要因素。

對(duì)比仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果，由圖7(a)和圖9(a)可知，2個(gè)液壓缸處于豎直狀態(tài)且所受負(fù)載相同時(shí)，仿真與試驗(yàn)的位移差都接近于0 mm；由圖7(b)和圖9(d)可知，處于傾斜狀態(tài)且所受負(fù)載不同時(shí)，位移差總體呈現(xiàn)增長趨勢(shì)。仿真與試驗(yàn)中系統(tǒng)元件參數(shù)及工況參數(shù)雖有差異，但2個(gè)系統(tǒng)中的變量均是外部負(fù)載，雖不能重現(xiàn)仿真的結(jié)果，但仿真與試驗(yàn)的結(jié)果均表現(xiàn)為提升系統(tǒng)外部負(fù)載不同時(shí)的雙缸位移差大于外部負(fù)載相同時(shí)的雙缸位移差，即影響2個(gè)液壓缸同步性能的原因基本一致。試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析及管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)機(jī)液聯(lián)合仿真結(jié)論，為管片拼裝機(jī)提升系統(tǒng)的同步性能研究提供了參考。

(a) 豎直且負(fù)載相同

(b) 豎直且負(fù)載不同

(c) 傾斜且負(fù)載相同

(d) 傾斜且負(fù)載不同圖9 4種狀態(tài)下2個(gè)液壓缸的位移差曲線Fig.9 Displacement difference of dual-cylinder under 4 conditions

4 結(jié)論與討論

1)設(shè)計(jì)了管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)，采用分流集流閥實(shí)現(xiàn)雙缸的同步運(yùn)動(dòng)，建立了提升系統(tǒng)雙缸同步的數(shù)學(xué)模型。理論分析表明，管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械和液壓系統(tǒng)對(duì)提升系統(tǒng)的同步性能產(chǎn)生影響，其中雙缸所受負(fù)載是影響同步性能的關(guān)鍵因素。

2)基于Adams和AMESim軟件建立管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，通過仿真分析，得出管片拼裝過程中雙缸負(fù)載相同時(shí)的最大位移差為0.050 mm，負(fù)載不同時(shí)的最大位移差為5.300 mm，結(jié)果表明管片拼裝機(jī)雙缸負(fù)載是影響提升系統(tǒng)同步性能的主要原因。

3)通過液壓試驗(yàn)臺(tái)搭建了液壓提升系統(tǒng)，驗(yàn)證了聯(lián)合仿真模型的正確性。在相同載荷和不同載荷下，雙缸的最大位移差分別為0.520 mm和4.200 mm，位移差因負(fù)載差的存在而增大。理論分析、仿真及試驗(yàn)結(jié)果均表明雙缸負(fù)載是影響管片拼裝機(jī)試驗(yàn)臺(tái)提升系統(tǒng)同步性能的主要因素。選用與系統(tǒng)流量相匹配的分流集流閥、合適缸徑的液壓缸，并提高機(jī)械系統(tǒng)的制造精度，有助于提高提升系統(tǒng)的同步精度。

本文在理論分析時(shí)，對(duì)提升系統(tǒng)的部分因素做了假定，未綜合考慮多種因素對(duì)雙缸同步性能的共同影響。采用分流集流閥保證雙缸同步運(yùn)動(dòng)，后續(xù)可替換為控制精度較高的比例閥，對(duì)雙缸同步性能進(jìn)行分析。另外，本研究僅在液壓試驗(yàn)臺(tái)上搭建液壓提升系統(tǒng)，后續(xù)應(yīng)在管片拼裝試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)及管片拼裝機(jī)上對(duì)提升系統(tǒng)的同步性能進(jìn)行更深一步的研究。