三峽升船機防撞桁架下降速度異常分析

李 明,陳 新

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

1 鋼桁架工作原理

鋼桁架由鋼桁架結(jié)構(gòu)、支鉸軸、支鉸軸套以及鎖定孔軸套等設(shè)備組成。鋼桁架主體結(jié)構(gòu)為桁架形式。鋼桁架的一端鉸接在船廂一側(cè)主縱梁的外側(cè)，并可繞鉸軸在豎直平面旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鋼桁架處于下落位置時，鋼桁架另一端通過橡皮支座支承在船廂另一側(cè)主縱梁的內(nèi)側(cè)。鋼桁架前端結(jié)構(gòu)上設(shè)置了安裝鎖閂裝置的接口，后端設(shè)置了鎖定鋼桁架的鎖定孔。

鋼桁架啟閉裝置由啟閉油缸、支承座、關(guān)節(jié)軸承、連接軸、軸端擋板、剪力塊以及連接件等零部件組成。其中啟閉油缸為雙作用缸，采用兩端鉸支，其中一端鉸支在與船廂結(jié)構(gòu)連接的支承座上，另一端鉸支在鋼桁架的吊耳上。鉸接點均使用自潤滑關(guān)節(jié)軸承。支承座與船廂結(jié)構(gòu)通過螺栓連接，并且設(shè)置剪力塊。油缸上設(shè)行程檢測裝置，如圖1所示。

圖1 桁架裝置

目前，三峽升船機的防撞桁架下降過程中，均有缸旁平衡閥穩(wěn)定動作速度，且均在接近下降到位時設(shè)置了減速措施，以使得防撞桁架下降平穩(wěn)。

2 防撞桁架受力與仿真建模

依據(jù)防撞桁架的動作原理，建立液壓油缸及執(zhí)行機構(gòu)模型，如圖2所示。

注：p1、q1為桁架油缸無桿腔壓力和流量；p2、q2為桁架油缸有桿腔壓力和流量；G1、G2為桁架支鉸中心兩側(cè)的桁架自重；f為桁架支鉸處的阻力。

圖2桁架受力模型

依據(jù)防撞桁架液壓系統(tǒng)原理，結(jié)合桁架機構(gòu)動作原理和自動控制程序，建立AMESim近似模型[1-4]，如圖3所示。

圖3 桁架AMESim建模

3 桁架下降速度影響因素計算分析與仿真

3.1 改變有桿腔回油路的節(jié)流口面積A

液壓油缸缸旁均有平衡閥和溢流閥，節(jié)流口的通流面積大小可以改變液壓系統(tǒng)的液阻和流量，由流體力學(xué)可知，流經(jīng)節(jié)流口的流量-壓力特性方程[5]為：

(1)

式中：q為節(jié)流口流量；Cd為閥口流量系數(shù)；ρ為流體密度；A為節(jié)流口截面積；Δp為節(jié)流口前后壓差；m為節(jié)流口特征指數(shù)。

當(dāng)系統(tǒng)中某一點的其他因素不變，可認(rèn)為流量q是與通流截面積A有關(guān)的單一函數(shù)：

q=f(A)

(2)

仿真分析結(jié)果如圖4所示，油缸行程變化特點與上述一致。

圖4 油缸行程變化

3.2 改變防撞桁架的摩擦阻力f

桁架下降過程中，由受力分析，防撞桁架的運動方程為：

(3)

定義角度β與防撞桁架轉(zhuǎn)動角度θ、油缸活塞桿行程x的關(guān)系為：

(4)

則當(dāng)f變大時，油缸無桿腔進油口的壓力p1會增大，當(dāng)p1超過系統(tǒng)溢流保護閥設(shè)定的壓力值時，系統(tǒng)產(chǎn)生溢流，q1減小。

(5)

仿真分析如圖5所示。f1

圖5 系統(tǒng)壓力變化

3.3 改變防撞桁架的減速行程點

由防撞桁架下降時的受力分析方程，以及防撞桁架下降到位時終點行程值是固定值這一特點，推得桁架減速下降時的運動學(xué)方程：

(6)

式中：x、xs、θ為桁架在時間t內(nèi)的初始行程、結(jié)束行程、轉(zhuǎn)動角度；l1為桁架在轉(zhuǎn)動支鉸一側(cè)的長度。

防撞桁架下降時的角速度方程為：

(7)

當(dāng)有減速行程點x1和x2時，且x1

仿真分析如圖6所示。x1

圖6 油缸行程變化

4 結(jié)語

1)由防撞桁架受力建模計算及分析，回油路節(jié)流口面積、外負(fù)載阻力、控制程序均會影響防撞桁架下降的速度和時間，節(jié)流口面積增大會使防撞桁架下降速度變快，外負(fù)載阻力增大會使防撞桁架下降時間延長，控制程序?qū)p速點的設(shè)定值增大會使防撞桁架下降速度變快、下降時間縮短，都會造成速度異常故障。

2)由防撞桁架AMESim建模分析，仿真數(shù)據(jù)曲線特點基本與分析一致，能夠幫助掌握相關(guān)變量變化對防撞桁架下降速度的影響規(guī)律，對桁架速度異常問題的解決起到積極作用。