【摘 要】桥梁检查车检查臂工作系统主要由液压控制系统、基本臂、伸缩臂、回转机构和变幅机构组成。本文根据升降变幅系统液压控制部分的工作原理，运用AMESim建立变幅系统的机液耦合模型，并对其进行仿真研究。根据研究结果对变幅液压系统进行了改进，并对其换向平稳性进行了仿真分析。研究结果将为桥梁检查臂动态设计和过载保护研究提供必要的理论依据。
【关键词】桥梁检查车；检查臂；变幅系统；动力学
Dynamic Coupling Analysis on the Amplitude System of the Bridge Inspection Vchicle
ZHANG Ling
（China Railway Large Maintenance Machinery Co.，Ltd.， Kunming， Kunming Yunnan 650215，China）
【Abstract】The crane arm of the bridge inspection equipment comprises mainly hydraulic system/basal arm/extension arm/slewing gear and amplitude system. According to the principle of amplitude hydraulic system， building the simulation model by using AMESim software， simulating and studying the model. Furthermore， improving on the amplitude hydraulic system according to the research conclusion， and analyzing the reverse stability. The research conclusion can provide essential theory evidence for dynamic design and overload protection of the crane arm.
【Key words】Bridge inspection equipment； Crane arm； Amplitude system； Dynamics
0 引言
桥梁检查车是利用其桥梁检查臂载运人，或在检查臂上安装各种先进的监测仪器、维修设备对桥梁进行全面检查维护的一种大型机械设备， 不仅可以满足桥梁、隧道检查的需要，也可满足线路的高空维修作业，并且在安装上附件后可以实现线路除草、修剪灌木、挖土等。
图1 桥梁检查车施工现场图
桥梁检查车检查臂的升降是由变幅系统来实现的。在变幅系统动力学分析过程中，液压油缸活塞杆伸出（缩回）的力常简化为一常数，并将变幅机构中一些弹性元件和阻尼元件等效代替或忽略，这与实际情况存在一定的差距[1]。
检查臂在基本臂与两节伸缩臂呈水平展开状态时受力最大，本文基于此状态下运用AMESim的仿真环境将变幅系统液压回路与变幅机构建立在一个模型中，对变幅系统进行动力学仿真研究，为桥梁检查臂动态设计和过载保护研究提供必要的理论依据，改善了变幅升降机构的设计品质。
1 变幅系统动力学模型建立及其数学理论
1.1 变幅系统动力学模型建立
桥梁检查臂变幅系统液压回路通过变幅油缸有杆腔伸缩控制桥梁检查臂升降。其液压系统主要由变幅油缸、平衡阀、换向阀、溢流阀和液压泵组成。换向阀处于右位时，高压油经过平衡阀进入变幅油缸无杆腔，推动活塞上移，有杆腔的压力油经换向阀回油箱，检查臂逆时针转动，载荷上升；当换向阀处于左位时，高压油进入变幅油缸有杆腔，推动活塞下移，检查臂顺时针转动，实现载荷下降。根据桥梁检查臂变幅系统液压回路工作原理图及其变幅机构的结构，运用AMESim软件建立其仿真模型如图2所示。
1.2 机液耦合模型中主要模块的数学理论
AMESim为液压模块与机械模块的耦合提供了专门的模块[2]，其中液压缸模块如图3所示。
图2 变幅系统仿真模型图
（a）液压部分
（b）机械结构
图3 液压缸模块
1.2.1 液压缸模块的数学理论如下：
（1）1、3口的距离计算公式为：
x13=x3-x1
y13=y3-y1（1）
x1x3=■
（2）1、3口的相对速度计算公式为：
vx13=vx3-vx1
vy13=vy3-vy1（2）
vx1x3=■
（3）1、3口的相对加速度计算公式为：
ax13=ax3-ax1
ay13=ay3-ay1（3）
ax1x3=■
1.2.2 检查臂机构模块
根据检查臂结构特点选用一个3节点平面机械模块来表示检查臂。本文建模时，把检查臂在机身上的铰点作为绝对坐标系的原点，对其他实体的相对坐标系的处理见图4，即确定相对坐标系的原点和坐标系的角度，并测得各个Port 联接点和重心G的坐标输入到仿真模型中。
图4 检查臂模型坐标系示意图
2 变幅系统机液耦合的仿真研究
2.1 变幅系统参数确定
在仿真开始前，根据性能指标确定模块的参数值，在AMESim软件中所有模型均被参数化，对变幅油缸行程、活塞杆直径、检查臂长度、油缸与检查臂铰点位置、流量系数、系统压力等关键参数按实际值进行设置；最后设定仿真时间为35s， 采集周期为0.01s， 在Run模式下运行仿真模型便可以得出仿真结果。
2.2 变幅系统起升状态的动力学仿真研究
本文运用前面建立的仿真模型，设定与实际相符合的参数，对变幅系统在不同起升载荷时液压缸进油腔的压力同检查臂角度的关系进行仿真分析，如图5所示，其中：曲线1、2、3分别为载荷为100kg、150kg、200kg。由图6可看出：变幅油缸压力随检查臂角度的增大而逐渐减小，且角度越大减小速度越快，这也符合力矩平衡原理。
图5 不同吊重时变幅油缸压力变化曲线
故在起吊上升过程中不会出现过载现象，只需考虑初始提升状态，即起升瞬间是否发生过载。因此，对变幅机构突然启动提升时油缸压力进行仿真研究，设定输入信号分别为阶跃信号和斜坡信号，如图6所示：当对固定载荷进行起吊时，启动瞬间由于阀口突然开启进油，会随之产生一定的起升加速度及液压冲击，当起升速度平稳之后，油缸压力也趋于稳定。其中，输入信号为斜坡响应时，油缸压力响应情况明显优于阶跃信号输入的状态，因此系统对换向，特别是突然的起升操作方式的要求很高。
（a）阶跃信号输入 （b）斜坡信号输入
图6 变幅油缸突然启动无杆腔压力变化情况
3 平稳换向的控制研究
由前面分析可知在换向时，换向阀阀口突然开启或关闭进会对变幅系统产生一定的振动冲击，这不仅影响机器使用寿命，还带来很大的安全隐患。为了减小振动幅值，并且让振动在尽量短时间趋于稳定，本文通过对变幅液压系统进行改进，来提高系统的换向平稳性[3]。具体过程如下：采用支路节流式调速回路，在原系统主油路液压泵和换向阀之间并联一个节流阀。通过节流阀调节排回油箱的流量，从而间接地对进入执行机构的流量进行控制。
（a）节流阀开启时间1秒 （b）节流阀开启时间2秒
图7 改进后变幅油缸压力曲线
对改进后的变幅液压系统起升过程进行仿真如图7所示，其中换向阀输入与图6中斜坡信号输入状态仿真时相同的斜坡信号，节流阀的开启时间分别为1秒、2秒。
4 结束语
本文将桥梁检测车检查臂变幅系统的液压系统和机械机构建立在同一个模型中，通过对变幅系统起升时油缸压力进行了仿真分析后，提出了新的改进方案，并得出以下结论：
（1）改进前的变幅系统突然换向时，变幅油缸压力会对系统产生冲击，这不仅影响机器使用寿命，较大冲击力可能会导致变幅系统过载，造成安全隐患。
（2）改进后的系统液压冲击较小，变幅系统的平稳性能也有较大的改进，从而减小换向对桥梁检查臂带来的冲击破坏。该研究同样适用于其他类型的液压起重机。
（3）为有效地减小换向带来的冲击和振动，可通过信号发生电路来控制换向操作，在允许的时间内最大程度地降低加速度变化率，减弱作业时对整机液压系统的影响。
【参考文献】
[1]韩守习，张大可.基于SIMULINK的起重机起升机构动态仿真[J].重庆建筑大学学报，2003，25（6），67-73.
[2]付永领.AMESIM系统建模和仿真：从入门到精通[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[3]Guangfu Sun， Michael Kleeberger. Dynamic responses of hydraulic mobile crane with consideration of the drive system[J]. Mechanism and Machine Theory， 2003，38：1489-1508.
[责任编辑：汤静]
作者简介：张灵（1984—），女，汉族，硕士，昆明中铁大型养路机械集团有限公司，工程师。
