杜小剛

(中國鐵建第十一局集團(tuán)漢江重工有限公司，湖北 襄陽 441046)

0 引言

我國已建高鐵里程超過4萬公里，橋梁約占總里程的50%以上，有的甚至超過90%。隨著西部山區(qū)和東部沿海地區(qū)高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁，橋墩的建造投入相對較高。另一方面，據(jù)相關(guān)研究測試數(shù)據(jù)表明，40 m梁在與高速度列車的動力響應(yīng)匹配上更具有優(yōu)勢。隨著中西部以及沿江高鐵建設(shè)逐步加大投入，跨度40 m及以上預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的規(guī)模化應(yīng)用，可提高橋梁的經(jīng)濟(jì)性，40 m簡支箱梁簡支箱梁建造及應(yīng)用將越來越廣泛。在此背景下，一種能適應(yīng)小曲線、大坡道架梁，可通過250 km/h和350 km/h隧道的運架設(shè)備研制就極為迫切[1-2]。

1 000 t/40 m梁“昆侖號”架橋機(jī)可實現(xiàn)24～40 m多種跨度簡支箱梁的運輸和架設(shè)，適應(yīng)線路最大縱坡30‰、最小曲線半徑2 000 m、可在隧道內(nèi)架梁?！袄鎏枴奔軜驒C(jī)填補了40 m梁運架一體及特殊工況運架梁這一領(lǐng)域空白。

“昆侖號”架橋機(jī)為重型輪胎式行走機(jī)械，采用泵+馬達(dá)形式的閉式液壓回路，其優(yōu)點為閉式液壓驅(qū)動有無極調(diào)速、功率密度高、控制靈活等[3-6]。架橋機(jī)的前后車行走機(jī)械為串聯(lián)驅(qū)動形式且液壓系統(tǒng)各自獨立、主梁長度長、驅(qū)動馬達(dá)分散等特點[7-14]。楊璐[15]、何東博[16]分別針對提梁機(jī)兩側(cè)并聯(lián)行走及兩臺運梁車并聯(lián)行走的同步控制問題提出了相應(yīng)同步控制方法，對雙車并聯(lián)驅(qū)動的同步控制提出了較好的解決方法，但該方法并未涉及雙車獨立驅(qū)動結(jié)構(gòu)的同步控制。羅政軍[17]就900 t運架以及前后車同步控制提出了速度閉環(huán)同步控制方法，其同步控制思想為系統(tǒng)實時采集并比較前后車行走驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，算很粗轉(zhuǎn)速偏差，由控制器根據(jù)數(shù)據(jù)偏差數(shù)值采用速度同步算法實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)前車泵的排量，控制前車馬達(dá)轉(zhuǎn)速使其與后車馬達(dá)轉(zhuǎn)速相同，此方法雖一定程度上能實現(xiàn)前后車行走驅(qū)動同步控制，但同步控制效果欠佳?；诖?，必須對前后車獨立驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式及同步控制原理進(jìn)行研究，解決前后車驅(qū)動同步問題，提高整機(jī)驅(qū)動性能。否則設(shè)備長期處于前后車驅(qū)動失穩(wěn)，呈現(xiàn)前后拉扯狀態(tài)，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變形甚至液壓系統(tǒng)元件損壞，影響設(shè)備使用安全[18]。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理

1 000 t/40 m梁“昆侖號”架橋機(jī)額定載荷1 000 t，能直接運載高鐵1 000 t 級40 m箱梁通過隧道，可以在隧道內(nèi)及隧道進(jìn)出口、大于 2 000 m的曲線線路、小于30‰的縱坡線路上架梁，能架24～40 m預(yù)制簡支箱梁，是一種“全能型”架橋機(jī)。設(shè)備結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。架橋機(jī)由主梁、后車、前車、中支腿、主支腿、起升系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣液壓控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。架橋機(jī)前后車驅(qū)動系統(tǒng)是相互獨立的。前車驅(qū)動配置為一臺發(fā)動機(jī)組+3臺A4VG250+24臺A6VE80EP2馬達(dá)組成，后車驅(qū)動配置為一臺發(fā)動機(jī)組+3臺A4VG250+24臺A6VE80EP2馬達(dá)組成。

圖1 1 000 t/40 m運架一體機(jī)結(jié)構(gòu)總圖

從圖1可以看到，1000 t/40 m梁“昆侖號”架橋機(jī)后車與主梁由一套重型球角連接，前車與主梁為剛性連接。該機(jī)械行走驅(qū)動為分散式多驅(qū)動動力結(jié)構(gòu)，前后車均采用電液比例控制形式的3泵并聯(lián)驅(qū)動及多馬達(dá)形式的閉式行走驅(qū)動形式。

大車輪胎組的液壓懸掛系統(tǒng)工作原理如圖2所示，大車輪胎適應(yīng)路面不平時的起伏依靠操縱電磁閥由液壓缸調(diào)節(jié)車架的水平高低，以實現(xiàn)車輛的總體水平行走，如出現(xiàn)超差情況能自動報警、鎖閉，以提高行駛中的安全性。前后大車的液壓行走驅(qū)動動力源各為一臺水冷渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)，通過彈性聯(lián)軸器與相同配置的驅(qū)動泵相連，驅(qū)動安裝于驅(qū)動輪組中的液壓馬達(dá)和行星減速器實現(xiàn)行走。而架橋機(jī)主梁長度超過100 m，這一系列特征及動力驅(qū)動模型造成前后車動力匹配控制成為一大難點。為提高整機(jī)驅(qū)動性能，必須使前后車驅(qū)動同步，不能僅依靠主梁機(jī)主梁與大車行走機(jī)構(gòu)連接機(jī)械強(qiáng)度來實現(xiàn)前后車同步，否則設(shè)備前后車與主梁連接處會長期處于推拉受力狀況，嚴(yán)重時產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形、機(jī)構(gòu)受損，影響設(shè)備使用安全。

1.車架;2.懸掛架;3.懸掛液壓缸;4.輪胎;5.地面。

2 架橋機(jī)驅(qū)動模型建立

由前文所述架橋機(jī)結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)組成特點，以及液壓元件本身制造差壓、使用磨損及使用效率差異，行走驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動效率必然不同。同時還有輪胎壓差、路面平整情況差異、使用過程個別驅(qū)動馬達(dá)損壞及效率降低等均會造成架橋機(jī)前、后車行走驅(qū)動系統(tǒng)不同步。為解決這一難題，實現(xiàn)架橋機(jī)前后車同步控制，下文將逐步對設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。

2.1 橫行驅(qū)動模型分析

圖3為架橋機(jī)橫行(輪組轉(zhuǎn)角與主梁成85～95°)行走工況示意圖。

圖3 架橋機(jī)橫行工況示意圖

橫行工況下，前車和后車共同牽引主梁橫向行走，前后車只需保持位移同步，便不會出現(xiàn)繞主梁后端球鉸的偏轉(zhuǎn)，前后車將保持在一條直線上同步行走。否則架橋機(jī)將往一側(cè)偏移偏離運行軌跡造成行駛方向失控。

橫行模式時，馬達(dá)測速傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)監(jiān)控單元，數(shù)據(jù)監(jiān)控單元對前、后車行走機(jī)構(gòu)上的馬達(dá)測速傳感器采集的數(shù)據(jù)分別取平均值和進(jìn)行濾波處理，從而減小數(shù)據(jù)波動，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

主要控制原理為：

1)用主從同步控制模式，將后車作為參考基準(zhǔn)，實時調(diào)整前車位移使其與后車位移相同；

2)前后車均安裝馬達(dá)測速傳感器，該傳感器既可測實時速度，又可通過脈沖計數(shù)結(jié)合馬達(dá)減速比及車輪直徑等參數(shù)計算出位移數(shù)據(jù)；

3)數(shù)據(jù)采集單元采集傳感器數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過開處理上傳至主控制器，主控器通過前后車位移數(shù)據(jù)比較計算出前車驅(qū)動控制信號的補償值；

4)系統(tǒng)將前車驅(qū)動補償值與驅(qū)動操作指令累加后控制前車驅(qū)動系統(tǒng)，實時匹配控制前車馬達(dá)的速度，實現(xiàn)架橋機(jī)前后車的同步橫行。

2.2 橫行驅(qū)動模型分析

圖5為架橋機(jī)直行(輪組與主梁成-15～15°)行走工況示意圖。

圖4 架橋機(jī)橫行工況同步控制模型

圖5 架橋機(jī)直行工況示意圖

直行工況下，因前后車由主梁連接成一體，即使速度位移不同步也會由主梁拉拽保持位移相同，但會造成前車或后車?yán)@主梁后端球鉸形成一個偏轉(zhuǎn)角度θ(如圖6所示)。這樣會使架橋機(jī)行駛方向發(fā)生偏移，偏離既定運行軌跡，造成設(shè)備運行風(fēng)險。

圖6 架橋機(jī)直行不同步偏轉(zhuǎn)示意圖

針對上述直行不同步造成的風(fēng)險，必須采取措施減小偏轉(zhuǎn)運動，將偏轉(zhuǎn)角度控制在允許范圍內(nèi)。先建立前后車的力學(xué)模型進(jìn)行分析，假設(shè)前后車是獨立、無連接的，只需要保證前后車各自的理論驅(qū)動力與實際驅(qū)動力在同一速度下保持較小的偏差，即前后車保持較小的“推拉”內(nèi)力便可將球鉸處的偏轉(zhuǎn)運動降至合理范圍。

同時，架橋機(jī)主梁后端球鉸處的安裝有高精度糾偏編碼器(如圖7所示)，后車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)實時采集編碼器角度數(shù)據(jù)，實時控制后車轉(zhuǎn)向輪組轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行糾偏控制。

圖7 球鉸角度監(jiān)控編碼器

如此，驅(qū)動+球鉸糾偏共同作用，將架橋機(jī)前后車控制在同一直線上行駛，實現(xiàn)同步穩(wěn)定運行。

針對直行行走模式建立位移同步的控制策略如圖8所示。控制系統(tǒng)采集前后車驅(qū)動壓力信號并進(jìn)行計算處理，獲得前車和后車當(dāng)前的驅(qū)動壓力數(shù)據(jù)。主控制器通過對前后車驅(qū)動壓力差值計算，通過PID調(diào)節(jié)器實時調(diào)控前車或后車泵、馬達(dá)的比例閥來控制輸出排量從而達(dá)到調(diào)節(jié)匹配前后車行走驅(qū)動力實現(xiàn)位移同步控制[19]。

圖8 架橋機(jī)直行工況同步控制模型

主要控制原理為：

1)采用主從同步控制模式，將后車作為參考基準(zhǔn)，實時調(diào)整前車驅(qū)動壓力跟隨后車壓力按第3節(jié)中推導(dǎo)的算法進(jìn)行控制調(diào)整；

2)前后車液壓懸掛及驅(qū)動系統(tǒng)均安裝壓力傳感器，系統(tǒng)實時采集懸掛及驅(qū)動系統(tǒng)壓力信號，控制器實時計算處理傳感器數(shù)據(jù)并根據(jù)圖7所示的調(diào)節(jié)策略建立驅(qū)動補償PID理論算法，計算出前車驅(qū)動控制補償數(shù)據(jù)；

3)將計算得的補償數(shù)據(jù)與驅(qū)動控制信號疊加；

4)系統(tǒng)將前車驅(qū)動補償值與驅(qū)動操作指令累加后控制前車驅(qū)動系統(tǒng)，實時匹配控制前車驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)架橋機(jī)前后車的同步直行。

3 驅(qū)動調(diào)節(jié)算法分析

3.1 橫行模式控制算法分析

根據(jù)位移計算公式S=v×t，定義：

前車當(dāng)次操作循環(huán)位移為S前；

后車當(dāng)次操作循環(huán)位移為S后；

若當(dāng)次循環(huán)工作時間為Δt、當(dāng)次循環(huán)前車行駛距離為ΔS前，ΔS前=f前×Δt×ks；當(dāng)次循環(huán)前車行駛距離ΔS后=f后×Δt×ks。

橫行模式下，若前后車從同一起點計算，理論上要保證ΔS前=ΔS后，實現(xiàn)前后車位移同步。以前車為基準(zhǔn)調(diào)整后車行走位移，設(shè)定容許位移偏差ΔS差，當(dāng)|ΔS后-ΔS前|<ΔS差不進(jìn)行糾偏調(diào)節(jié)，其他情況下，采用如圖5所示的PID控制調(diào)節(jié)后車泵電流數(shù)值來調(diào)節(jié)后車車速進(jìn)而調(diào)節(jié)后車位移保證與前車位移同步。

3.2 直行模式控制算法分析

定義前車?yán)碚撚嬎爿d荷為G前，后車?yán)碚撚嬎爿d荷為G后，前車懸掛數(shù)量為N前懸掛，前車懸掛數(shù)量為N后懸掛，前車驅(qū)動壓力為p前驅(qū)，后車驅(qū)動壓力為p后驅(qū)，前車驅(qū)動馬達(dá)數(shù)為N前驅(qū)，后車驅(qū)動馬達(dá)數(shù)為N后驅(qū)，前車懸掛壓力p前懸，后車懸掛壓力p后懸。

由圖7壓力閉環(huán)同步控制策略模型，壓力同步的原理是使后車與主梁后端的球較處推拉力趨近為0為控制目標(biāo)，理論上要保證式等式(1)成立：

(1)

進(jìn)而來實現(xiàn)前后車驅(qū)動力均衡，保證行車同步。由式(1)可推導(dǎo)出驅(qū)動同步偏差可從驅(qū)動壓力數(shù)值進(jìn)行反饋。

設(shè)定驅(qū)動容許壓差ΔP驅(qū)差，當(dāng)|ΔP驅(qū)后-ΔP驅(qū)后|<ΔP驅(qū)差不進(jìn)行糾偏調(diào)節(jié)，其他情況下，采用如圖5所示的驅(qū)動行走系統(tǒng)控制策略調(diào)節(jié)前車泵和馬達(dá)排量使前車驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動力與后車按式(1)進(jìn)行動力匹配，保證與前車直行同步。

定義G前測為前車實際測量載荷，為后車實際測量載荷，S為懸掛油缸的承壓面積，p前懸1、p前懸2、p前懸3、p前懸4為前車四個測點懸掛壓力，p后懸1、p后懸2、p后懸3、p后懸4為后車懸掛四個測點壓力。

則前車及后車實際測量載荷G前測和G后測可由式(2)和式(3)進(jìn)行表達(dá)：

(2)

(3)

架橋機(jī)行走由液壓馬達(dá)驅(qū)動輪組克服輪胎與路面的摩擦力實現(xiàn)，近似認(rèn)為所有輪胎與地面摩擦系數(shù)相同，則行走所需克服的摩擦力Ff的計算公式可由式(4)表達(dá)：

Ff=G×f

(4)

式中,f為摩擦系數(shù)，G為載荷。

設(shè)定前車摩擦力為，后車摩擦力為，由式(2)、(3)、(4)可推出式(5)：

(5)

式(5)中前車懸掛壓力p前懸1、p前懸2、p前懸3、p前懸4和后車懸掛壓力p后懸1、p后懸2、p后懸3、p后懸4可由安裝于液壓懸掛系統(tǒng)的壓力傳感器測得，N前懸掛和N后懸掛為已知。

設(shè)定前車驅(qū)動牽引力為FT前，后車驅(qū)動牽引力為FT后，液壓馬達(dá)大部分時間工作在恒扭矩狀態(tài)，根據(jù)馬達(dá)扭矩T扭矩與排量Q排、工作壓力p工作之間的關(guān)系公式(6)：

T扭矩=Q排×p工作×0.16

(6)

扭矩可以由馬達(dá)輪組的驅(qū)動力機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量計算。設(shè)定前車單個馬達(dá)的輸出扭矩為T前，且前車每個馬達(dá)輸出扭矩相同，后車馬達(dá)的輸出扭矩為T后，且后車每個馬達(dá)輸出扭矩相同，前車驅(qū)動牽引力計算如式(7)，后車驅(qū)動牽引力計算如式(8)：

FT前=T前×N前驅(qū)

(7)

FT后=T后×N后驅(qū)

(8)

若忽略輪胎直徑和胎壓差異，前后車驅(qū)動牽引力與前后車摩擦力必須相等，得到式(9)和(10)：

FT前=Ff前=G前測×f

(9)

FT后=Ff后=G后測×f

(10)

同時，必須保證式(11)成立：

FT后=FT前+ΔF

(11)

ΔF為前后車驅(qū)動力差值，如此才能讓架橋機(jī)前車和后車在主梁球鉸出處所受內(nèi)力ΔF在可承受范圍，實現(xiàn)行走過程的同步，暫時忽略ΔF進(jìn)行計算，綜合(6)～(9)，式(11)可變換為：

Qm前×p前驅(qū)×N前驅(qū)=Qm后×p后驅(qū)×N后驅(qū)

(12)

由式(6)可知，恒扭矩工作模式下，馬達(dá)排量Qm與輸出扭矩成正比，即與G前測及G后測成正比例關(guān)系。架橋機(jī)行走過程中建立如式(12)的動態(tài)平衡，要保證p前驅(qū)和p后驅(qū)之間的關(guān)系如式(13)所示：

(13)

而Qm前及Qm后與G前測及G后測相關(guān)，由式(2)、(3)得出在軟件程序設(shè)計時可以由懸掛壓力數(shù)值進(jìn)行關(guān)聯(lián)反饋計算，即：

(14)

軟件程序設(shè)計時，可設(shè)定：

(15)

軟件程序采用模糊化處理，將不同路面及負(fù)載下的k值計算并進(jìn)行試驗驗證，使前后車驅(qū)動壓力差值在允許范圍Δp(前后車驅(qū)動壓差)范圍內(nèi)(初值可暫定為4 MPa，由球鉸受力參數(shù)估算)，保存至程序中作為出廠參數(shù)，程序?qū)崟r采集系統(tǒng)采集的懸掛壓力數(shù)值與出廠參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時報警停車。

4 控制系統(tǒng)硬件及軟件實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

表1位設(shè)備主要性能參數(shù)表，設(shè)計過程要充分考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸及功能參數(shù)要求。控制系統(tǒng)基于CAN總線，采用易福門車載控制器采集馬達(dá)測速傳感器以及驅(qū)動壓力傳感器信號，軟件系統(tǒng)對驅(qū)動系統(tǒng)的馬達(dá)和泵進(jìn)行閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)，架橋機(jī)行走同步控制系統(tǒng)硬件組成如圖9所示。

表1 “昆侖號”架橋機(jī)主要技術(shù)性能參數(shù)表

圖9 架橋機(jī)行走同步控制系統(tǒng)硬件組成圖

前后車驅(qū)動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)由CAN總線連成一體，司機(jī)室操作指令信號由總線發(fā)布給前后車驅(qū)動控制器，信號采集控制器將壓力和馬達(dá)轉(zhuǎn)速信號采集傳輸給驅(qū)動控制器作為閉環(huán)算法控制的輸入信號。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無論是橫行運行的位移同步直行運行的壓力同步控制調(diào)節(jié)策略，在程序算法上均采用目前比較成熟的PID控制算法。位移同步控制的輸入?yún)?shù)為油門速度信號和控制器采集的馬達(dá)測速傳感器信號，以及調(diào)節(jié)參數(shù)KP、KI、KD。而壓力同步控制的輸入?yún)?shù)需采集前后車驅(qū)動壓力和前后車懸掛壓力，將壓力信號進(jìn)行前文所述的算法分析計算，同樣由調(diào)節(jié)參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。兩種算法模型采用PID算法分析器算出初值，在試驗環(huán)節(jié)進(jìn)行多次試驗調(diào)整，最終將參數(shù)固定。

編程過程以式(12)的離散PID算法為基礎(chǔ)，結(jié)合圖4和圖8的控制策略并通過液壓驅(qū)動匹配計算，先計算出不同坡度、空載、重載工況下前后車計算負(fù)載情況下前后車馬達(dá)和泵所需排量，固定前后車馬達(dá)排量，通過查閱馬達(dá)和泵排量與控制電流的關(guān)系曲線(見圖10和圖11)初步測算出馬達(dá)和泵的輸出電流對應(yīng)表。然后將所測算出的泵和馬達(dá)控制電流對應(yīng)表通過編程編入系統(tǒng)作為驅(qū)動控制程序的輸入條件。

圖10 力士樂A6VE馬達(dá)電磁閥控制曲線

圖11 力士樂A4VG泵電磁閥控制曲線

程序開發(fā)在控制器開發(fā)環(huán)節(jié)Codesys軟件中編程實現(xiàn)，CODESYS是一種功能強(qiáng)大的PLC軟件編程工具，它支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)IL、ST、FBD、LD、CFC、SFC 六種PLC編程語言，用戶可以在同一項目中選擇不同的語言編輯子程序，功能模塊等。軟件開發(fā)界面如圖12所示。同步控制程序編寫流程如圖13所示。

圖12 Codeys軟件開發(fā)界面

圖13 同步控制程序編寫流程

控制系統(tǒng)根據(jù)操控模式及傳感器采集信號進(jìn)行自適應(yīng)和自動切換，具體為：

控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前司機(jī)室操作模式選擇(“橫行”/“直行”)，以及輪組角度數(shù)據(jù)(系統(tǒng)判定輪組角度為85～95°為橫行模式，輪組角度為-15～15°為直行模式)自動匹配同步算法進(jìn)行橫行或者直行同步控制。

5 實驗驗證

5.1 實驗準(zhǔn)備

5.1.1 硬件準(zhǔn)備

正式實驗前，需保證設(shè)備各子系統(tǒng)已調(diào)試且工作正常，特別要檢查：

1)液壓驅(qū)動系統(tǒng)可正常運轉(zhuǎn)且完成試運轉(zhuǎn)試驗；

2)動力系統(tǒng)的儀表均已安裝并進(jìn)行了標(biāo)定和校核；

3)安裝于液壓系統(tǒng)中的壓力、測速傳感器在試運轉(zhuǎn)時測試正常。

5.1.2 軟件準(zhǔn)備

試驗前將模擬器計算的KP、KI、KD初值輸入軟件程序，劃定試驗區(qū)域的起點和終點，詳細(xì)記錄橫行模式下的前后車位移量，計算差值，依次調(diào)節(jié)固定KP、KI、KD數(shù)值，使試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。

5.1.3 測試場地和工具

除設(shè)備硬件和軟件方面的準(zhǔn)備，還需對測試場地和測試工具進(jìn)行準(zhǔn)備。測試場地必須有經(jīng)過沉降和耐壓力測試，長度大于150 m。測試工具包括卷尺和100 m測距范圍的激光測距儀等。

5.2 實驗過程

實驗在福廈鐵路靈川制梁場進(jìn)行，分橫行行走模式測試和直行行走模式測試。測試場地長度約280 m，寬度50 m(場地經(jīng)過硬化和耐壓力測試)。

5.2.1 橫行實驗

橫行模式下(輪組轉(zhuǎn)向90°)，分別在架橋機(jī)前車和后車劃定起點和終點。因橫行為取梁工況，一般在微動低速檔(2公里/小時)運行，運行距離在20 m左右，測試距離設(shè)定為30 m。

橫行測試過程：在測試區(qū)間來回往復(fù)行走30 m，測定數(shù)據(jù)偏差。測試次數(shù)6次，前3次為空載測試，后3次為掛梁重載測試。實驗實測數(shù)據(jù)見表2所示，6次實驗中前車和后車位移偏差均小于20 cm，達(dá)到現(xiàn)場取梁同步使用要求。另外橫行模式系統(tǒng)設(shè)計有前車單動糾偏功能，適應(yīng)吊具與預(yù)制砼梁對孔。

表2 橫行位移測試記錄表

5.2.2 直行實驗

直行模式下(輪組轉(zhuǎn)向±15°)，測試前將所有輪組調(diào)整至±0.5°范圍內(nèi)，前后車調(diào)直。直行為設(shè)備運梁工況，工作時間占比在70%以上，前后車同步由驅(qū)動壓力進(jìn)行表征。測試過程需記錄前后車驅(qū)動壓力變化。低速1檔在梁場進(jìn)行測試，2-3檔由于梁場場地受限，在架橋機(jī)架梁20榀后再在橋面運梁通道上進(jìn)行了實驗。

直行測試過程：直行模式在空載、重載、以及不同路面情況下進(jìn)行了調(diào)試和記錄，調(diào)試前依然是先將模擬器計算的初始KP、KI、KD初值輸入軟件程序，試驗方法與橫行大致相同。觀察記錄架橋機(jī)的前后車壓力變化，將前后車壓力波動調(diào)整至較小范圍內(nèi)(暫定4 MPa)。以啟停沖擊壓力小，運行壓力穩(wěn)定波動小為標(biāo)準(zhǔn)為判定合格。最終依次將KP、KI、KD固定并輸入至程序中。由圖14的測試壓力記錄曲線可看出，在不同工況和速度運行情況下，架橋機(jī)前后車壓差均控制在2～6 MPa內(nèi)，且穩(wěn)定運行是壓力波動在2 MPa左右，設(shè)備運行穩(wěn)定、同步控制達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖14 直行工況同步試驗壓力曲線圖

5.3 實驗分析

通過對架橋機(jī)兩種不同行走模式的驅(qū)動同步建模與分析，對兩種工況采用對應(yīng)的同步控制策略，并對算法進(jìn)行了分析論證，經(jīng)過現(xiàn)場實測及數(shù)據(jù)記錄，檢驗了兩種控制算法的有效性，能適應(yīng)設(shè)備現(xiàn)場實際需要，達(dá)到了設(shè)計控制目標(biāo)。

5.3.1 橫行實驗分析

直行行走模式基于空載和重載均進(jìn)行了測試，由2.1的橫行模型分析和3.1的公式推導(dǎo)，直行模式僅需保持前車和后車在當(dāng)次工作循環(huán)下的最終運行行程相等即可，實驗過程基于這一原則進(jìn)行測試。表2的數(shù)據(jù)記錄經(jīng)計算，偏差范圍為-0.5%～+0.7%，平均同步偏差為0.6%，完全滿足現(xiàn)場實際使用工況需求。

5.3.2 直行實驗分析

直行工作共有三個檔位，在重載工況，為保證設(shè)備行走驅(qū)動的扭矩，一般在1檔和2檔運行(馬達(dá)工作在恒功率狀態(tài))，3檔在空載運行(此時馬達(dá)工作在恒扭矩狀態(tài))。

針對架橋機(jī)3個檔位工作特點，由2.2的直行模型分析和3.3的公式推導(dǎo)，建立基于驅(qū)動壓力同步控制的理論模型進(jìn)行實際測試實驗。圖15記錄了空載及重載以及不同速度檔位情況下的前后車壓力變化情況。前48分鐘記錄的是空載1至3檔情況下的壓力變化，后17分鐘記錄的是重載工況下1-2檔的壓力變化情況。

有曲線圖觀察分析，得出：

1)無論空載還是重載啟動時均有較小的壓力階躍波動，但波動變化小，在液壓系統(tǒng)容許范圍內(nèi)；

2)隨著運行加速至穩(wěn)定速度后，壓力波動逐漸趨于平穩(wěn)；

3)48分鐘遇到小坡道路況壓力波動與理論計算相符，但未出現(xiàn)起步時壓力小波動情況。

實際使用中通過P、I、D參數(shù)調(diào)整，驅(qū)動壓力波動情況不斷得到優(yōu)化。設(shè)備于2020年6月在福廈高鐵靈川制梁場調(diào)試成功，至2021年7月11日福廈項目已完工，設(shè)備轉(zhuǎn)場至杭衢項目繼續(xù)服役，設(shè)備在福廈項目總計架梁298榀，設(shè)備已于2021年10月轉(zhuǎn)場至杭衢高鐵項目繼續(xù)使用。設(shè)備在使用期間一直對設(shè)備使用情況進(jìn)行了定期跟蹤，從跟蹤情況來看，設(shè)備使用效果良好，數(shù)據(jù)記錄反饋與最初試驗測定數(shù)據(jù)結(jié)論基本一致。后續(xù)將繼續(xù)關(guān)注設(shè)備的應(yīng)用情況，對系統(tǒng)的同步控制情況進(jìn)行跟蹤，適時對控制算法的進(jìn)行升級優(yōu)化。

6 結(jié)束語

隨著中國高鐵40 m預(yù)制簡支箱梁設(shè)計試驗線路數(shù)量的逐步增加，40 m預(yù)制簡支箱梁應(yīng)用逐步推廣與成熟，中國高鐵將開啟40 m梁標(biāo)準(zhǔn)簡支梁建設(shè)時代。40 m運架設(shè)備在南沿江、昌景黃、杭衢等項目投入使用的逐步深入，設(shè)備的性能優(yōu)勢已逐步得以驗證。該系列產(chǎn)品為高鐵運架施工設(shè)備研制積累了豐富經(jīng)驗，相關(guān)同步控制系統(tǒng)的算法及控制模型對后續(xù)同類設(shè)備(如輪胎式搬梁機(jī)、分體式運梁車)的開發(fā)上也有很好的借鑒指導(dǎo)意義。

基于物聯(lián)網(wǎng)的在線風(fēng)險預(yù)警及可視化監(jiān)控，利用物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術(shù)、無線通訊技術(shù)、云計算等多項新技術(shù)與架橋機(jī)進(jìn)行結(jié)合，可拓展設(shè)備功能維度：1)在實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷的同時提高設(shè)備維保時效；2)拓展設(shè)備優(yōu)化升級測試的時間和空間維度，從事設(shè)計、設(shè)備管理等不同層級的人員都可通過網(wǎng)絡(luò)途徑訪問設(shè)備工作數(shù)據(jù)，反饋設(shè)備優(yōu)化建議；3)風(fēng)險預(yù)警模塊的持續(xù)開發(fā)可以為特種設(shè)備安全管理提供有效的手段[20]。

2021年7月發(fā)布的《工程機(jī)械行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出“加快互聯(lián)網(wǎng)+與工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)融合”、“工程機(jī)械工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺建設(shè)”以及“綠色、節(jié)能”等新技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)。為后續(xù)40 m運架設(shè)備及1 000 t/40 m梁“昆侖號”架橋機(jī)的優(yōu)化升級指明了方向。

可以預(yù)見，隨著5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展及普及，像1 000 t“昆侖號”架橋機(jī)這樣的大型工程機(jī)械應(yīng)用IOT技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險預(yù)控和設(shè)備管理的應(yīng)用將越來越普遍。