桥梁驮运架一体机双车联合作业协调控制研究

摘要

汽车变成了家庭出行的重要交通工具，全国家庭汽车保有量持续增长，国内各大城市的交通路况十分拥堵，尤其是像北京这类的特大型城市，其交通路网已经饱和。传统的城市立交桥改造方法至少需要3个月的施工时间，如果环境温度较低则需要5个月以上。这会造成高峰时段的交通拥堵，会严重影响百姓的生活质量，给城市路网带来巨大的压力，为此而付出的“社会成本”也是无法估量的。
　　在国外，以自行式液压模块车(SPMT)为核心设备的城市立交桥整体置换施工方法，已经制订了相应的规范，可以减少对城市路网的压力，实现少断交甚至是不断交施工。但是国内的城市立交桥没有统一的规划，立交桥的设计又各不相同，因此需要设计一套适应国内城市立交桥改造的驮运架一体机。
　　根据国内城市立交桥整体置换改造的实际需求，再结合设计、安装及调试驮运架一体机时出现的问题，对驮运架一体机双车联合作业协调控制进行了深入研究，主要研究内容如下：
　　(1)根据国内城市立交桥不断交施工的需求和实施方案，设计了一套适合国内整体置换工法的驮运架一体机。该套设备是由两台驮运架一体机组成，采用模块化设计。单台驮运架一体机的功能与普通SPMT相似，包含液压驱动系统、协调转向系统、悬挂调平系统、重载转向辅助支撑系统等。与SPMT不同的是，驮运架一体机增加了基于双车联合作业的同步驱动系统群、三维微调定位系统群以及同步顶升系统群。这些功能满足了国内整体置换施工的要求，降低了整体施工的误差，提高了施工的效率。
　　(2)根据现场施工的条件，基于双车联合的同步驱动系统群之间有机械耦合和无机械耦合两种连接方式。当机械耦合时，连接的钢结构桁架相当于一个弹性元件，两辆车之间的液压马达相互间有扰动，建立两辆车液压马达之间的数学模型，确定其传递函数。当无机械耦合时，两辆车之间的液压马达相互独立，两辆车之间同步需要分析其运动学特性。液压马达打滑是影响双车联合同步驱动的重要因素之一，为此总结了几种常用的液压马达防打滑方案，逐一分析了各个方案的优缺点，并根据各自的优缺点提出适用对象以及安装调试时的注意事项。
　　(3)针对国内城市立交桥支座多、定位精度高的问题，设计了一套基于双车联合作业的、用于预制箱梁精确定位的三维微调系统群。三维微调系统群至少由四组三维微调单元组成，每个单元包含一个顶升液压缸和两组水平液压缸，每组所需的三维微调单元数量由负载决定。推导了液压缸端面上有不同剪力和弯矩作用下的壁厚的计算公式，据此设计了三维微调单元的主顶升液压缸结构。规划了三维微调系统的基本调整模式，建立了其空间位置模型，求出了各个执行器的位置反解。据此控制三维微调系统群的各个执行器的动作。
　　(4)针对国内城市立交桥高度标准设计不统一、升降范围较大，常规SPMT不具备独立完成架桥的普遍性，提出基于双车联合的同步顶升系统群。同步顶升系统采用比例阀控缸形式的位置闭环控制，在施工时需要同步顶升系统稳定落梁。利用SimulationX仿真软件的液压库，建立同步顶升系统的仿真模型。在偏载条件下，分析不同的开环系统对闭环控制稳定性的影响。建立平衡阀的仿真模型，利用仿真和实验的方法研究平衡阀的动态特性。
　　(5)分析双车联合作业调试时所发生的故障现象，根据测试数据，找出导致故障的原因，并提出合理的解决方案。对双车联合作业进行电控调试，编写基于CAN总线的控制程序。
　　根据对驮运架一体机双车联合作业协调控制的研究，设计制造的驮运架一体机满足国内城市立交桥改造的特殊要求。成套使用驮运架一体机提高了施工的效率，减少了交通封闭的时间，节约了社会成本。西关环岛立交和三元桥改造工程等实际项目验证了驮运架一体机双车联合作业协调控制是可靠的。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 城市立交桥不断交施工

1.2 国内施工对驮运架一体机的要求

1.3 论文研究的课题来源、意义和主要内容

第2章 驮运架一体机的组成及系统设计

2.1 基于单台驮运架一体机的系统设计

2.2 双车联合的系统设计

2.3 本章小结

第3章 双车联合同步驱动的研究

3.1 双车联合作业的同步驱动

3.2 同步控制及仿真

3.3 同步驱动时的液压马达打滑问题

3.4 本章小结

第4章 双车联合作业三维微调系统设计与研究

4.1 三维微调系统基本调整模式

4.2 液压缸端面上有不同剪力和弯矩作用下的壁厚校验

4.3 三维微调系统的求解

4.4 本章小结

第5章 双车联合同步顶升系统动态特性研究

5.1 影响同步顶升系统稳定性的因素

5.2 多执行器负载敏感系统动态特性仿真

5.3 平衡阀动态特性仿真

5.4 平衡阀动态特性试验及分析

5.5 本章小结

第6章 调试试验与现场施工

6.1 双车联合调试过程中的故障

6.2 电液控制系统设计

6.3双车联合作业协调控制实验

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢