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轨道路基动力响应测试装置现场试验支撑设备稳定性研究

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  • 发布时间:2014-08-18
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高速铁路是我国铁路建设的主要发展方向,因此发展轨道路基动力响应试验技术具有重要理论意义和实用价值。为此,开发出-套轨道路基动力响应液压激振试验系统,通过现场模拟试验,研究路基在长期载荷下的稳定性。

为给试验设备提供稳定的支撑力,同时便于安装和移动,选择液压挖掘机作为支撑装置,为液压激振设备提供支撑反力。对挖掘机各液压缸闭锁力及后倾条件所决定的支撑力进行分析,并通过多目标遗传算法进行优化计算,为制定路基动力响应现场试验规范提供参考。

1 轨道路基动力响应测试系统简介轨道路基动力响应测试系统的核心是伺服激振液压缸 。其结构如图 1所示,通过特殊的设计,激振液压缸在-个缸体内同时具有静压腔和动压腔,能相对独立地输出静压力和动压力,分别模2013年4月28日收到 国家 自然科学基金(51027002、511753888、51175386)资助第-作者简介:郑-l5I龙(1984-),男,博士研究生,研究方向:液压系统设计及其控制。E-mail:zfl1984albert###yahoo.tom.cn。

拟路基上部结构的静载荷与列车运行过程中的动载荷。两者的合力能通过激振盘施加在所需测试的路基土上部。经过-定时间的激振试验,通过预埋在路基土中的土压力盒及加速度传感器,可以分析出此处路基在长期动静载荷下的稳定性情况。

根据设计要求,激振液压缸输出的最大静压力为200 kN,最大动压力为 ±100 kN。

图 1 伺服激振液压缸20期 郑飞龙,等:轨道路基动力响应测试装置现场试验支撑设备稳定性研究2 挖掘机支撑装置支撑力分析 F挖掘机支撑装置原理如图2所示,拆下挖掘机斗杆前端的铲斗后,通过过渡架将激振液压缸连接在挖掘机上。当挖掘机的动臂、斗杆调整到某-工位时,锁死动臂、斗杆、铲斗等处的液压缸,即可为激振装置提供支撑。图中A~K点代表各部件连接铰点,三、 点分别代表履带的前后接地点。

ll , j!: Dr ~ ~~ ~ ~~ 、、、、llt,flⅢ 篷 生j u -T 0-r I ;:。l南j1-。 2 l 曲J1 - m3 lf M4 I图 2 挖掘机支撑原理 图挖掘机的稳定性与支撑力有关,支撑力越大,挖掘机越稳定 ,反之,则可能失稳;同时,挖掘机的支撑力由液压缸伸出长度所决定,伸出长度不同,挖掘机各部分结构对激振液压缸的力臂不同,支撑力也会不同。因此为使挖掘机有最大的支撑稳定性,保证激振液压缸的正常工作,有必要对挖掘机的支撑力进行分析。

影响挖掘机支撑力的因素主要有 J:各液压缸的最大闭锁力、后倾条件(即不使挖掘机后仰)、风力等。为简化计算,只考虑前两项主要因素,且在计算分析过程中作以下假设 :设备在平地上工作,挖臂在挖掘机前部;各组件重心在部件两端铰点的中心处;激振液压缸向上作用力与重力共线;动臂、斗杆、铲斗液压缸的闭锁压力为最大;机械部件结构未被破坏;忽略机械机构和液压系统的效率;忽略液压缸背压的影响等。

2.1 各运动机构的运动学分析2.1.1 动臂机构的分析图 3 动臂结构简图如图3所示,对于动臂摆角 0 ,有0, ,- -,其中 对于具体挖掘机,o 及 Ot:可直接测得;在AABC中莉,s( ),式中L 为动臂液压缸的长度。工作时,动臂液压缸受拉,最大闭锁力 ]。

F1- (、D2 -d2, p n1 (1)式(1)中, 代表液压缸的输出力,D 代表活塞直径,d 代表活塞杆直径,P。为系统闭锁压力,n 代表液压缸的数量,下标 1、2、3分别代表动臂、斗杆、铲斗,下同。

对于动臂液压缸闭锁力对 B点的力臂e ,有elBCsi邶l (2)式(2 arcos( )c2.1.2 斗杆机构的分析图 4 斗杆结构简图如图4所示,对于动臂与斗杆的夹角 ,有 o25938 科 学 技 术 与 工 程 13卷2叮T- 4- 5- 6,其 中在 ADEF中,有 4f 三 三 1,其中L2arC0 为斗杆液压缸的 sl------ .具 刀什徽 缶l l2 EF ×DF /长度;对于具体挖掘机, 及 可直接测得。工作时,斗杆液压缸最大闭锁力受拉时: - 孚(D;-d )P n 或F2 2尸 2 (3)受压时:对于斗杆液压缸闭锁力对 F点的力臂e2,有e2DFsi 2 (4)式c4)oe s( )。

2.1.3 连杆机构与激振液压缸的分析图 5 连杆机 构简 图如图5所示,斗杆与水平面之问的夹角0,,有0。1T-0 -0 ,对于已设计好的激振液压缸及过渡架,仅,为已知,并且有JyB BFsinO1-FJsinO3。

式中,B , 分别为日、.,点到地面的垂直距离,对于确定的挖掘机,可以实际测得。工作时,铲斗液压缸受压,最大闭锁力F3 23P。n3 (5)对于铲斗液压缸闭锁力对 .,点的力臂 e ,有e3IGsin/33 (6)式 6 s( )2.2 支撑机构动力学分析分别对 、F、.,点求力矩,由理论力学分析可知,力臂、斗杆、铲斗液压缸闭锁力所决定的支撑力: .. . 尘! (7)rl: 旦± ± (8) - 、 U ,r2: (9)由挖掘机后倾条件所决定的支撑力: (10)式(10)中,G 、G 、G,、G4分别为挖掘机机身(包括底盘、驾驶室、配重、燃油、液压油等)、动臂组件(包括动臂、动臂液压缸、斗杆液压缸等)、斗杆组件(包括斗杆、铲斗液压缸、摇杆、推杆等)及激振装置的重量。

f船 、fGF 、f 、z 为各组件重力对 B、F、.,、 点的力臂,如图2所示,可由之前的假设及分析算出,由于篇幅原因,不再赘述。r 、r 、r,、r 分别为激振液压缸作用力 分别对 、F、l,、 点的力臂,易知:r1lGs4,r2fG凡,r3:lcj4,r4f 。F 、ei可由式(1)-式(6)求出。

3 挖掘机支撑力优化分析通过上述分析可知,挖掘机的支撑力为各液压缸长度的函数。因此优化的目标函数有4个:Tj~,变量有3个: ~ ,,是典型的多 目标、多约束优化问题 , 。

3.1 关于多目标优化- 般多目标优化问题可以描述如下min ( ) ( ), ( )f6≤ ≤M (1)s.LA。q b。q ≤62O期 郑飞龙,等:轨道路基动力响应测试装置现场试验支撑设备稳定性研究式(11)中, ( )为待优化目标函数, 为优化变量,Z 和12, 分别为变量 的下限和上限;A b。 为变量 的线性等式约束;Ax≤b为变量 的线性不等式约束 。

与单目标优化算法不同,在多目标优化算法中,各个目标函数往往是相互矛盾、相互制约的,大部分情况下都无法使每个目标函数都达到最优,因此多目标优化的解是个相互妥协的解,也称为 Pare-to解。目前多目标优化算法有很多,其中带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-I)是应用最为广泛的-种。采用 Matlab软件 中基于 NSGA-I的多目标优化函数gamultiobj进行优化计算的。

3.2 目标函数及约束条件优化分析是使式(7)~式(10)中所承受的反作用力最大,即求 max , , , ,根据式(11),需要对目标函数进行转换,将每-项求相反数作为优化的目标函数,即 min- 。,- ,- ,- ,变量为液压缸的长度,即 [己 , , ]。根据相关资料可以查出液压缸长度的最短、最长值,作为约束 、 。

3.3 优化计算实例以某品牌 80 t级别挖掘机为例。参考相关图纸和手册,并进行测量,将具体数值代入以上各式,编制出目标函数、约束条件等程序,分别保存为 m文件。调用 Matlab软件中基于遗传算法的的多 目标优化函数 gamultiobj,选项均为默认值,对程序进行优化计算。根据工作要求,支撑力至少要达到300 kN,据此节选部分最优结果如表1所示。

表 1 挖掘机支撑反力部分优化值4 结论(1)简单介绍了轨道路基动力响应测试装置,说明了其基本原理和工况 ,并选用液压挖掘机作为其工作时的支撑设备。运用解析法和理论力学方法,建立了挖掘机各液压缸长度和后倾条件所决定的对激振液压缸的支撑力的数学模型。

(2)基于多目标、多约束的遗传优化算法,对挖掘机动臂、斗杆、铲斗液压缸的伸出长度进行优化计算,寻找出使挖掘机满足测试系统要求的液压缸伸出长度。

(3)从优化结果可以知道,总体来说,挖掘机是稳定的。其中,挖掘机的斗杆和铲斗液压缸闭锁力所决定的最大支撑力是系统要求值的 lO倍 ~25倍,说明斗杆和铲斗液压缸闭锁力所提供的支撑力有较大裕度,激振装置对这两处液压缸的影响不大;但由动臂液压缸闭锁力和后倾条件所决定的最大支撑力只是略大于系统要求值,说明激振装置可能会对动臂液压缸产生较大冲击,甚至可能将挖掘机顶起来”。在现场试验时,可通过对动臂液压缸加固及适当增加激振缸配重等方法,尽量减肖振装置对挖掘机的影响,同时应注意对这两处进行监测 。

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