流动式架桥机制动液压系统设计及动态特性分析.pdf

SHAO Zhi-yuan危险不能有效防治 5-1。对于这个问题，国际上的众多专家选择基于比例积分微分（Proportional IntegralHydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.019流动式架桥机制动液压系统设计及动态特性分析邵志元（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安7 10 0 2 1）摘要：随着桥梁制造业的发展，建筑材料的运输安全获得关注。但工程中的路况复杂，流动式架桥机在行驶中存在安全隐患。为了防止这种情况发生，研究在比例积分微分控制算法中添加感应电磁铁，并在制动液压系统中添加磁屏蔽装置，用以削弱电磁铁产生的励磁电流。最后,将混合系统在Bemach数据集上进行实验，并与极限梯度提升等3种系统进行比较。在下坡时4种系统的制动时间分别为14,2 5,19,2 1s,混合系统的制动位移为8 m；上坡时混合系统的制动时间和位移分别为8 s和3m,在4种系统中表现最优。实验结果表明，研究提出的混合系统具有显著优势，能对架桥机进行有效制动。关键词：液压系统；感应电磁铁；磁屏蔽；PID控制算法；流动式架桥机中图分类号：TH137(The 4th Engineering Co.,Ltd.of China Railway 12th Bureau Group,Xian 710021,China)Abstract:With the development of bridge manufacturing industry,the transportation safety of building materials has attracted attention.However,the road conditions in the project are complex,and the mobile bridge erecting machine has potential safety hazards during driving.Inorder to prevent this situation,induction electromagnet is added to the proportional integral differential control algorithm and magnetic shieldingdevice is added to the brake hydraulic system to weaken the excitation current generated by electromagnet.Finally,the hybrid system is testedon Bemach data set and compared with three systems such as limit gradient lfting.When going downhill,the braking time of the four systemsis 14 s,25 s,19 s and 21 s respectively,and the braking displacement of the hybrid system is 8 m.When going uphill,the braking time anddisplacement of the hybrid system are 8 s and 3 m respectively,which is the best among the four systems.The experimental results show thatthe hybrid system has obvious advantages and can effectively brake the bridge erecting machine.Key words:hydraulic system;induction electromagnet;magnetic shielding;PID control algorithm;mobile bridge erecting machine0引言造桥业高速发展的背景下，桥梁材料的运输方法与日俱增，运输过程中的人员安全获得广泛关注。在架桥机的行驶过程中，由于遇到复杂路况的时间难以预测，所以用于架桥机的紧急制动研究获得推广 2-3。该机器的运行路况包括上坡与下坡，如果制动效果不明显,架桥机在上坡时会滑动；在下坡时会造成地陷 4。常规制动方法为液压系统，但该系统在运行时具有反应周期长、制动距离远等缺点，对架桥机的收稿日期：2 0 2 3-0 8-2 3作者简介：邵志元（198 3-），男，山西平遥人，高级工程师，本科，主要研究方向：高速铁路公路桥梁设备。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 1-0 10 1-0 6Design and Dynamic Characteristics Analysis of Braking HydraulicSystem for Mobile Bridge Erecting MachineDifferential，PI D)控制算法实现架桥机的有效制动。但PID的运行电压低于制动液压（BrakeHydraulicPressure，BH P）,这种方法依旧具有响应慢的缺点。近几年，感应电磁铁（InductionElectromagnet，IE）由于具有电压改变的能力,学者们将其应用在PID中,从而取得良好的效果 7 。但是IE在运行时会产生少量励磁电流,进而影响BHP系统的正常工作 8 。为了削弱这种影响，此次研究在BHP中添加磁屏蔽（MagneticShielding，M S）装置，生成混合系统（PIDIE-MSBHP）。该项研究的实际贡献在于提供架桥机面对危险路况时的解决措施，从而避免架桥机事故，旨在保护架桥机的安全，有利于造桥业的高速发展。101液压气动与密封/2 0 2 4年第1期1面向流动式架桥机的制动液压系统设计1.1基于控制算法的制动液压系统构建常见的制动液压（BrakeHydraulicPressure，BH P）系统性能受到几项重要参数影响，例如压力、液体流量和流体阻力 9。制动液压系统的卸压部件包括导阀和主阀,阀压与系统参数之间存在特定的函数关系。研究通过合理设计函数中的变量，可将控制类算法在系统中合理应用。但是控制算法所需的工作电压较制动液压系统略小，相应的电功率不能满足制动液压系统的工作需求 10-1。为了实现二者的有机融合,研究在二者之间添加感应电磁铁（Induction Electromagnet,IE），用以将控制算法的传导电压进行放大，放大后电路中的电流与电压之间的关系如式(1)所示。K,=(kI)/U,1K,=F,/12在式(1)中,I1,U,分别代表控制算法的工作电流与工作电压,使用IE放大后电路中的电流记作I2，k 代表感应电磁铁的放大比例,IE的工作效率记作K。F,代表流过电流与感应电磁铁之间的电感现象，所以电路中的励磁电流使用K，表示。它的取值与感应电磁铁的电阻相关，此次研究中的E元件存在少量电阻，所以研究在制动液压系统的导阀和主阀中设计有磁屏蔽（Magnetic Shielding，M S）装置，如图1所示。主阀图1添加磁屏蔽装置的主阀和导阀Fig.1Main valve and pilot valve with magneticshielding device added图1是改进后的BHP系统,研究在其中添加3个MS设备（MSBHP）。由图1可见在制动液压系统的主阀中,电流在工作时流过的内部装置电阻较大,所以它所需磁屏蔽装置较导阀多。对于该装置的主阀与导阀而言，二者之间存在从动关系，即导阀的工作受到主阀的控制。它们之间的控制通过比例积分微分(Proportional Integral Differential，PID）控制算法实现，所以研究首先将PID与IE融合（PIDIE）,然后将 PIDIE102接人两阀之间，接人方法如式(2）。u=a(p)e,+0.5 T er+Ta(de,)/(dt)(2)式(2)中,两阀的比例系数使用函数a（p)表述，T,Ta分别代表两阀的积分时间与微分时间。对于系统间的偏差,研究在其中插入偏差信号er,用以调整系统的震荡。融合系统PIDIE在工作时会将 MSBHP的参数进行优化,并将步长和参数初始化，这个过程的时间取决于MSBHP系统的特征变化速度。二者在制动回路中具有信号传递的能力,其规律遵循式（3）。G(s)=QA-QL-QY-Qv在式（3）中，制动液压系统中的总液体流量记作QA,QL,QY,Qv分别代表PIDIE系统、主阀和导阀的液体流量，液体流动过程中受到的阻力记作PL。由于制动液压系统的双阀存在反馈单向性，所以液体的流向(1)仅有主阀流向导阀。研究控制在 MSBHP系统中的管道容积不变，当流于其中的液体出现超载情况时，PIDIE的控制能力展现稳定性 12 。该系统在控制MSBHP时应用闭环控制的方法,在整理参数时寻找并计算系统的比例积分微分，进而得到完整的PIDIE-MSBHP混合系统。混合系统工作时能及时调整管道中的背压，从而恢复液体的流向,如图2 所示。PIDIE标准，输入导阀模糊输入与输出转换图2 完整的PIDIE-MSBHP混合系统Fig.2Complete PIDIE-MSBHP hybrid system由图2 所示的PIDIE-MSBHP混合系统工作流程图可见,PIDIE-MSBHP系统工作时包含4个流程。系统首先检测样品的压强，并根据该数值计算输人值；然后该值会流经PIDIE系统,得到准确输出值,其中推理模块的工作需要依据规则储存库。再根据MSBHP系统中的模块计算出该值的模糊量，得到准确的输出值，该值具有精确控制液压系统工作的能力。1.2PIDIE-MSBHP混合系统的控制策略研究在流动式架桥机运行过程中，由于道路情况不可预测，上坡与下坡的位置不固定，所以此次研究提出的PL规则的储存库输入输出推理清晰MSBHP控制传感器换行(3)准确输出与输入转输出换Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024混合系统在工作时分为两部分。在下坡时PIDIE-在式(6)中,Mmax代表架桥机的核定载货量,载货MSBHP系统具有向上制动的能力，能对架桥机运动状密度和大气压力分别使用p和p进行表示，u是架桥机态进行控制;在上坡时PIDIE-MSBHP系统的能力体现当前的行进速率,架桥机的热机的功率和运行周期使在增强架桥机防滑性能 13。对于上坡或下坡的架桥机用n，表示。热机的转速记作i,转动时轴的直径记作而言,其速度的计算公式如式（4）。d。由于架桥机的上坡和下坡均可看作滑面,所以混合VAr=Vo=aesT(4)在式（4）中,PIDIE-MSBHP系统的工作时间记作T,这段时间前的流动式架桥机的速度使用V。表示。通过该系统的工作，架桥机预计达到的速度记作VAT。由于架桥机使用滚轮运行,其与道路之间的摩擦系数可看作相同,所以PIDIE-MSBHP系统对架桥机造成的反向加速度使用es表示。当流动式架桥机的载货量超出额定标准，马达的扭矩在运行时会受到影响 14。架桥机的制动也会受到阻碍，此时架桥机的加速度变化遵循式(5)。jo=Oumax在式(5)中，马达输出的扭矩最大值记作Oumx，架桥机的加速度使用表示。j代表架桥机的载货量，可见PIDIE-MSBHP系统的运行效率与j成反比。对此研究设定架桥机的载货量为0.8，并忽略架桥机受到的向心力，则流动式架桥机的每个轮胎承受的力的大小相同,加速方向与运动方向相反，研究据此可绘制架桥机下坡与上坡时的受力情况，如图3。GG(a)下坡图3流动式架桥机下坡和上坡时的受力情况Fig.3Force of mobile bridge erecting machinewhen going downhill and uphill由图3可见在架桥机下坡或上坡时，整机受到的重力相同,轮胎受到的扭矩力大小相等方向相反。在加速度阻力和空气阻力近似相等的情况下,PIDIE-MSBHP系统在制动时的效率与当前速度相关 15。架桥机的动力系统受到运动方向的动力，由于道路带来的摩擦力始终相同,所以此次研究针对PIDIE-MSBHP系统带给架桥机的阻力进行分析，建立受到的力之间的关系如式(6)。F,=0.8 MmxF2=0.8 M-1max系统在架桥机中的制动趋近于等效控制，如式（7)所示。S=+(-)=smfcos在式（7）中，架桥机的当前速度记作,PIDIE-MSBHP系统制动后,架桥机速度的变化记作，系统的制动时间使用出表示。融合系统中的权重使用表示,架桥机由于自身重量受到的阻力记作mf,代表坡道的夹角。21PIDIE-MSBHP系统的动态特性分析(5)2.1PIDIE-MSBHP系统的性能表征对于本研究提出的混合系统PIDIE-MSBHP而言，在制动时需要考虑有效性、准确性和实用性。它在制动控制时，系统的敏感度受到坡角改变、载货量的影响。所以首先控制二者的大小不变，在此基础上改变参与制动的系统,用以验证PIDIE-MSBHP系统的高效性。然后改变坡道的角度,探究系统的广泛性。为了提高混合系统的抗干扰性能，选择的流动式架桥机型号固定，并根据实验参数的变化，对PIDIE模块和MSBHP模块进行参数的分别设定。为了实验的有效性，实验在Bemach数据集上进行。该数据集包含架桥机行驶的各种路况，研究的各项参数设定及设备选取(b)上坡见表1。在PIDIE-MSBHP系统的制动过程中，由于环境因素在控制范围之外，所以制动的时间不固定。在坡道滚动摩擦微小的情况下，主阀与导阀的增压可忽略不计。此次研究同时考虑坡道角度与架桥机载货量两个变量,并控制二者相同的情况下,使用研究提出的混合系统在Bemach数据集上进行训练。研究的训练参数包括工作特征(ReceiverOperating Characteristic，RO C)曲线和精确率，参比系统有极限梯度提升（LimitGradient Lifting，X G Bo o s t）、广义预测控制（GeneralizedPredictiveControl，G PC）和递归神经网络（RecursiveNeuralNetwork，RN N)3种。研究确定的最大迭代次数为50 次，实验结果如图4所示。(Pmax2TdX(7)图4是对 PIDIE-MSBHP、X G Bo o s t、G PC 和 RNN(6)4个系统的工作特征和精确率进行比较。其中系统的ROC比较是通过系统测量值与标准值围成图形的面103表1参数设定及设备选取Tab.1 Parameter setting and equipment selection液压气动与密封/2 0 2 4年第1期PIDIE参数设定及设备频率/Hz软件语言制动时间/s架桥机数据集中央控制系统语言系统硬盘感应电磁铁设备型号/参数值65 75Python.202210 300BemachEX-IS-240简体中文2T4WMPMSBHP参数与仪器设定磁屏蔽装置传感器载货量坡道角度/(）制动加速度/(m s=)主阀导阀流动式架桥机参数确定及系统选择NCA2.2AROP15CS100.8满载350.5 5CNA控线J2010LJS型架桥机1.00.80.60.201.000.950.900.850.80010系统选代次数(b)精确率比较图44个系统的ROC曲线与精确率比较Fig.4Comparison of ROC curves and accuracyof four systems积,通过该种方式进行间接比较。由图4a可见PIDIE-MSBHP系统在4种系统中占据的比例最高，说明该系统的灵敏度表现最优。在图4b中，虽然迭代4次之前,XCBoost 的精确率高于研究提出的混合系统,但此后的精确率表现中,PIDIE-MSBHP系统均为最高。当104送代次数达到2 3次时,PIDIE-MSBHP系统的精确率趋于稳定，为0.97,此时另外3个系统的精确率分别为0.95、0.93和0.8 8。虽然RNN系统还没有趋于稳定，但该模型的稳定值为0.92，依旧低于混合系统的精确率。综合考虑系统成本及实验精度问题，研究最终确最佳结果PIDIE-MSBHP系统XGBoost系统+GPC系统+RNN系统0.20.4实验特异性(a)ROC曲线203040定迭代次数为2 3次。2.2PIDIE-MSBHP系统在架桥机制动中的实验验证在实际的工程中,架桥机的运行轨迹包含上坡和0.60.8501.0下坡，机器这两个路段行驶时事故率较高。如果制动效果发挥不及时，在上坡时易发生架桥机离地行驶，造成较大颠簸；下坡时架桥机会造成地陷，影响架桥机的持续工作。此次研究提出的混合系统采用液压制动，以此避免这两种危害。研究将Bemach 数据集中的数据均等分为两部分，在每个部分中均包含架桥机的上坡与下坡行驶。在研究使用ROC 与精确率对系统预热后,4个系统已经对其中的数据具有一定熟悉程度，此时的实验也会具有有效性。此次研究针对架桥机的上坡与下坡制动分别进行实验，实验结果如图5所示。图5展示了同一坡度下，4个系统运行在架桥机中的制动效果对比。由图5a可见在下坡的实验中，PIDIE-MSBHP系统的制动时间为14 s时,架桥机的运行趋于稳定，其运动状态转为匀速。此时的架桥机位移为8 m。对于高速运动的架桥机而言,这个制动距离已经在安全距离以内。XCBoost、G PC 和 RNN系统的制动时间分别为2 5,19,2 1s,它们参与制动的架桥机的位移分别为15,2 4,32 m。说明在下坡的制动当中,研究提出的混合系统制动效果最好。图4b是对4个系统的上坡制动性能检测，可见PIDIE-MSBHP系统的制Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024的上坡与下坡制动性能进行实验。在下坡制动实验-O-PIDIE-MSBHP系统-O-XGBoost系统40r-O.GPC系统-O-RNN系统30201002015100图54个系统的下坡与上坡时的制动性能对比图Fig.5Comparison of braking performance betweendownhill and uphill for the four systems动时间和制动位移分别为8 s和3m。由于上坡时路径具有反向的作用力,所以有助于制动系统的性能提升。但 GPC 系统在工作时出现反向位移,是由于该系统的制动性能过于突出，能够完整抵消架桥机的动力。此时的架桥机仅受到重力的分力，所以架桥机会向下滑动。XGBoost和RNN系统的制动位移分别为7 m和13m,说明PIDIE-MSBHP系统的制动性能优越,适于在上坡时保护架桥机的安全。3结论随着精细化造桥趋势的到来，人们逐渐关注桥梁运输的安全。为了增强流动式架桥机在高危路况中的紧急制动能力，此次研究在PID-BHP中加人感应电磁铁和磁屏蔽装置，从而实现混合系统PIDIE-MSBHP的高效制动。为了验证系统的工作特征与精确率,研究在Bemach数据集上进行ROC曲线的绘制与迭代-精确率实验，并与XGBoost、G PC 和RNN系统进行比较。经过实验确定,研究最终设定迭代次数为2 3次，此时4个系统的精确率分别为0.9 7、0.9 5、0.9 3和0.8 8。说明在精确率试验中,研究提出的混合系统最优。为了验证系统在实际路况的制动效果，研究分别对架桥机中,PIDIE-MSBHP、X G Bo o s t、G PC 和RNN的制动时间分别为14,2 5,19,2 1s,它们的制动位移分别为8,15,2 4，32m。说明在下坡时,PIDIE-MSBHP系统的制动性能最优,能将反应时间与制动位移控制在安全区间。对于系统的下坡制动性能比较，混合系统的制动时间和制动位移分别为8 s和3 m;XGBoost 和 RNN系统的制动位移分别为7 m和13m。实验结果表明,研究提出111020304050制动时间/s(a)下坡1020元30 元4050制动时间/s(b)上坡的PIDIE-MSBHP系统对于流动式架桥机的制动性能优于另外3个系统，在上坡和下坡具有有效制动的能力，适于保护架桥机的安全。但路况不仅包含上坡与下坡,某些特殊路段具有冰面,例如冬季。但数据集中没有该路况的数据,是由于施工时间大多在夏季。随着工业的高速发展，这将是研究的未来开展方向。参考文献1任才，吴东升.节段预制桥梁架桥机协作受力及吊杆拆除方法研究 J.桥梁建设,2 0 2 1,51(4)：6 6-7 2.REN Cai,WU Dongsheng.Study on Cooperative Stress ofSegmental Precast Bridge Erecting Machine and Method ofDismantling Suspenders J.Bridge Construction,2021,51(4):66 72.2袁智杰,茅建校，王浩，等.步履式架桥机静动力性能测试与评估研究 J.哈尔滨工程大学学报，2 0 2 3，44（3）：345-352.YUAN Zhijie,MAO Jianxiao,WANG Hao,et al.Researchon Static and Dynamic Performance Testing and Evaluation ofWalking Bridge Erector J.Journal of Harbin EngineeringUniversity,2023,44(3):345-352.3马文明,王晨煜，尚苗.基于模糊分数阶PID的蒸煮药液温度控制 J.中国造纸,2 0 2 0,39（10）：6 0-6 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