劉 國(guó),竺 輝,戴松貴

(1.寧波梅山島開發(fā)投資有限公司 總工程師室,浙江 寧波 315832; 2.上海同新機(jī)電控制技術(shù)有限公司 機(jī)電部,上海 201949)

為了解決橋梁不能建造在通航凈空以上的矛盾,開啟橋應(yīng)運(yùn)而生.現(xiàn)有的開啟橋主要有豎轉(zhuǎn)開啟、平轉(zhuǎn)開啟及垂直提升開啟3種,這些設(shè)計(jì)在橋梁開啟時(shí),車輛及行人無(wú)法通行[1].本文的研究對(duì)象為世界首座大型雙層縱移開啟式橋梁——寧波梅山春曉大橋(見圖1)，解決了車船無(wú)法同行的矛盾.

寧波梅山春曉大橋采用機(jī)動(dòng)車與人、非機(jī)動(dòng)車上下分離、下層橋架縱移開啟的設(shè)計(jì).該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了橋上機(jī)動(dòng)車交通與大型船舶同時(shí)通行.懸掛系統(tǒng)將上、下層橋架連接在一起,承受下層橋架橋重及橋上人群活載,并在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下帶動(dòng)下層橋架縱移,實(shí)現(xiàn)橋架的開啟.由于這種橋架縱移技術(shù)在橋梁建設(shè)滑移開啟領(lǐng)域?qū)儆谑状螒?yīng)用.因此，對(duì)水平縱移式重載開啟液壓系統(tǒng)進(jìn)行不同工況下的仿真研究，在雙層縱移式開啟橋的維護(hù)和設(shè)計(jì)中具有重要意義.

圖1 橋架總體圖Fig.1 Overall layout of the bridge

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

寧波梅山春曉大橋下層兩側(cè)橋架采用水平伸縮方式可以實(shí)現(xiàn)開啟與關(guān)閉,鏈傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng).為實(shí)現(xiàn)水平伸縮運(yùn)動(dòng),整個(gè)系統(tǒng)主要由懸掛軌道、懸掛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、楔塊剛性鎖定機(jī)構(gòu)和插銷機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)與電控系統(tǒng)等組成.總體布置如圖2所示,局部詳細(xì)如圖3所示.

圖2 總體布置圖Fig.2 General layout

圖3 局部詳細(xì)布置圖Fig.3 Local detailed layout

1.2 液壓系統(tǒng)工作原理

水平縱移式重載開啟液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng)，如圖4所示.液壓油缸通過(guò)套在銷軸上的關(guān)節(jié)軸承與橋架吊耳相連接，降低對(duì)銷軸、吊耳等零部件的加工精度要求,導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)與懸掛輪機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)下層橋架的縱移[2].

單個(gè)懸掛小車的液壓原理如圖5所示,在該原理圖中，用到液壓系統(tǒng)中常用的平衡回路和調(diào)壓回路.平衡回路1的作用是防止垂直運(yùn)動(dòng)的懸掛油缸在活塞桿伸出時(shí)由于自重而自行下落,并能起到一定的限速作用,當(dāng)雙聯(lián)齒輪泵開始工作時(shí),各懸掛小車的液控單向閥打開,懸掛油缸小腔連通,接回油箱,活塞桿下移,調(diào)節(jié)平衡;調(diào)壓回路3的作用是用來(lái)控制系統(tǒng)的工作壓力,使其不超過(guò)預(yù)先設(shè)定的壓力值,其中設(shè)有兩個(gè)溢流閥,每個(gè)溢流閥的開啟壓力不同,溢流閥4的開啟壓力為20 MPa,溢流閥5的開啟壓力為28 MPa,可使懸掛系統(tǒng)在不同工況壓力下運(yùn)動(dòng).

圖4 機(jī)械液壓混合蓄能式懸掛機(jī)構(gòu)Fig.4 Mechanical hydraulic hybrid accumulator

圖5 機(jī)械液壓混合蓄能式懸掛系統(tǒng)液壓原理圖Fig.5 Hydraulic schematic diagram of mechanical

鎖緊機(jī)構(gòu)使用即為雙液控單向閥,如圖6所示,雙液控單向閥的工作原理是當(dāng)一個(gè)單向閥正向進(jìn)油時(shí),可使另一個(gè)單向閥反向?qū)?，使鎖緊油缸兩腔均保壓或在行程中進(jìn)行鎖緊.雙液控單向閥具有安裝使用簡(jiǎn)便、不需要外控制油路等優(yōu)點(diǎn)[3].

圖6 鎖緊機(jī)構(gòu)液壓原理圖Fig.6 Hydraulic schematic diagram of locking

如圖7所示,寧波梅山春曉橋半橋半邊液壓系統(tǒng)共6輛小車20個(gè)懸掛油缸,其中，4輛小車每車上4個(gè)懸掛油缸,另2輛小車每車上2個(gè)懸掛油缸,每車上1個(gè)插銷油缸共6個(gè).

當(dāng)泵開啟時(shí),若電磁閥D1接通,則油缸進(jìn)入懸掛狀態(tài),當(dāng)橋面合攏或分開時(shí)油缸需處在這種狀態(tài);若電磁閥D1接通,同時(shí)電磁閥D8～D12接通,則6個(gè)懸掛小車的懸掛油缸全部連通;若電磁閥D3位接通,電磁閥D6或電磁閥D7位接通,此時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況打開電磁閥D8～D12位,則懸掛油缸可以進(jìn)行伸縮,此情況只在安裝及調(diào)整時(shí)橋面使用.若電磁閥的電磁閥D2位和電磁閥D4位接通時(shí),鎖緊油缸小腔進(jìn)油,大腔回油,鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊;若電磁閥的電磁閥D2位和電磁閥D5位接通時(shí),鎖緊油缸大腔進(jìn)油,鎖緊機(jī)構(gòu)松,無(wú)鎖緊作用,此時(shí)橋架可以進(jìn)行移動(dòng).

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖(半橋半邊)Fig.7 Hydraulic system schematic diagram (half side of half bridge)

若需要維修某個(gè)故障油缸,可將其他油缸的截止閥均關(guān)閉后接上泵源,縮回該故障油缸,使其卸載后,便可拆卸.

2 液壓懸掛系統(tǒng)建模與仿真

2.1 液壓系統(tǒng)建模

對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真的首要任務(wù)就是建立液壓系統(tǒng)模型,基于建模與仿真過(guò)程的復(fù)雜性,選擇AMESim軟件[4]進(jìn)行寧波梅山春曉橋液壓系統(tǒng)的仿真.在AMESim液壓仿真軟件中，建立該液壓系統(tǒng)的仿真模型.主要使用了如下幾個(gè)庫(kù)的文件[5]:信號(hào)控制庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù).寧波梅山春曉橋液壓仿真模型如圖8～圖10所示,分別為懸掛系統(tǒng)、鎖緊系統(tǒng)、半橋半邊系統(tǒng)的仿真模型[6].

圖8 懸掛系統(tǒng)液壓仿真圖(半橋半邊)Fig.8 Hydraulic simulation diagram of suspension system(half side of half bridge)

圖9 鎖緊系統(tǒng)液壓仿真模型Fig.9 Hydraulic simulation model of locking system

圖10 液壓系統(tǒng)仿真模型(半橋半邊)Fig.10 Simulation model of hydraulic system

2.2 液壓系統(tǒng)仿真分析

2.2.1工況1 開啟橋閉合,橋上無(wú)活載.

橋閉合時(shí),鎖緊油缸工作,若橋上無(wú)活載,則鎖緊油缸僅承受橋重,此時(shí)鎖緊油缸受力恒為167.5 kN,懸掛油缸為0 kN.將鎖緊油缸所連質(zhì)量塊連接的信號(hào)源設(shè)置為一個(gè)恒為167.5 kN的力;兩位三通電磁換向閥的線性信號(hào)源設(shè)置常量為100,運(yùn)行仿真得到如圖11和圖12所示結(jié)果,從圖11中可以看出,在40 s內(nèi),活塞桿逐漸達(dá)到最大行程0.4 m,然后保持不動(dòng)；圖12說(shuō)明，鎖緊系統(tǒng)能夠按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作.

2.2.2工況2 開啟橋閉合,橋上滿載.

當(dāng)開啟橋閉合時(shí),若橋上有行人來(lái)往,則橋上會(huì)有載荷的變化,滿載時(shí)鎖緊油缸載荷為325 kN,鎖緊油缸所受載荷函數(shù)f(x)設(shè)置為x/0.4,增益k設(shè)置為325 000,得到一個(gè)0～325 kN的變載荷.設(shè)置鎖緊系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為40 s,仿真結(jié)果如圖13和圖14所示,液壓缸活塞桿位移均可達(dá)到其行程0.4 m,滿足位移要求.

圖11 單個(gè)鎖緊油缸的位移曲線圖Fig.11 Displacement curve of a single locking cylinder

圖12 多個(gè)鎖緊油缸的位移曲線圖Fig.12 Multiple displacement curve of a locking cylinder

圖13 鎖緊油缸活塞桿位移曲線圖Fig.13 Displacement curve of piston rod

圖14 鎖緊油缸小腔壓力圖Fig.14 Pressure diagram of a locking cylinder

圖15 鎖緊油缸小腔容量變化圖Fig.15 Locking oil cylinder has a change diagram

圖16 多個(gè)鎖緊油缸活塞桿位移曲線圖Fig.16 Displacement curve of piston rod of multiple

2.2.3工況3 開啟橋開啟或閉合.

開啟橋開啟或閉合的過(guò)程中,鎖緊機(jī)構(gòu)下楔塊與軌道脫離,此時(shí)楔塊上的載荷全部轉(zhuǎn)移到懸掛油缸上,橋架即可移動(dòng),鎖緊油缸受力為0 kN,而懸掛油缸豎直載荷為83.75 kN,設(shè)置為83.75 kN的載荷.分別設(shè)置運(yùn)行時(shí)間100 s與250 s,運(yùn)行得到如圖17～圖18的仿真結(jié)果.

圖17 100 s內(nèi)懸掛油缸活塞桿位移曲線圖Fig.17 Displacement curve of piston rod of 100 s

當(dāng)設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為250 s,采樣周期為0.1 s,其他參數(shù)不變,運(yùn)行仿真得到如圖18所示的位移曲線圖.

圖18 250 s內(nèi)鎖緊油缸活塞桿位移曲線圖Fig.18 Displacement curve of piston rod of locking

從圖18中可以看出,活塞桿達(dá)到最大行程0.05 m后,在130 s時(shí),兩位三通電磁閥在信號(hào)源的作用下?lián)Q向工作,活塞桿開始下移,位移逐漸變?yōu)?,說(shuō)明在一個(gè)周期內(nèi),油缸可以按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作.

當(dāng)根打開兩位兩通電磁閥D1～D5時(shí),懸掛油缸會(huì)在安裝及調(diào)整時(shí)進(jìn)行伸縮調(diào)整平衡.圖19表明,懸掛油缸均可以按規(guī)定的要求達(dá)到行程0.05 m,在活塞桿縮回時(shí),不同分路的油缸活塞桿位移時(shí)間會(huì)有延遲,在允許的誤差范圍內(nèi).

圖19 多個(gè)懸掛油缸活塞桿位移曲線圖Fig.19 Displacement curve of piston rod of multiple

2.2.4工況4 鎖緊油缸失效.

若鎖緊油缸失效,則恒載與活載均由懸掛油缸承受,載荷最大為162.5 kN,將k設(shè)置為162 500,其他參數(shù)不變,運(yùn)行仿真,得到如圖20的仿真結(jié)果.當(dāng)設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為400 s,采樣周期為0.1 s,其他參數(shù)不變,運(yùn)行仿真(見圖20)在一個(gè)周期內(nèi),懸掛油缸可以按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作.

圖21為多個(gè)懸掛油缸位移曲線圖,可見懸掛系統(tǒng)液壓缸均可以按規(guī)定的要求達(dá)到其行程0.05 m,在活塞桿縮回時(shí),不同分路的液壓缸活塞桿的延遲在允許的誤差范圍內(nèi).

圖20 懸掛油缸活塞桿位移Fig.20 Piston rod displacement of suspended

圖21 多個(gè)懸掛油缸位移曲線圖Fig.21 Displacement curves of multiple suspended

3 結(jié)論

由上述懸掛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及楔塊剛性鎖定機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)仿真分析結(jié)果可知:① 懸掛系統(tǒng)液壓缸活塞桿在縮回時(shí),不同分路的油缸活塞桿位移時(shí)間略有延遲,在允許的誤差范圍內(nèi);② 懸掛油缸及楔緊油缸能滿足寧波梅山春曉橋各工況下的工作要求.本文所采用的分析方法不僅為雙層縱移式液壓開啟橋的安全設(shè)計(jì)提供依據(jù),還為類似的液壓懸掛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)分析提供了思路.