鋼軌打磨車恒力加載系統的分析仿真研究*

方立志，胡軍科，周乾剛

(中南大學機電工程學院，湖南長沙410075)

隨著現代鐵路向著重載高速線路的發展，對大型養路機械需求量會越來越大，對大型養路機械的質量要求也越來越高。現有大型養路機械無論在品種、數量，還是在作業效率和性能等方面都不能滿足現實需求［9］。鋼軌打磨車是養路機械中非常重要和常見的一種。鋼軌打磨是線路養護維修中的重要手段［2］，采用打磨的方法來預防鋼軌波磨、控制接觸疲勞、裂紋擴展和磨耗有好的效果［8］。打磨機構是鋼軌打磨車工作機構，北京交通大學的呂峰對鋼軌車的打磨機構進行了動力學特性分析與結構優化，本文將對其液壓恒力加載加載系統作分析仿真研究。由于鋼軌打磨車打磨精度要求很高，每次打磨量最多為0．2 mm，且列車在打磨時處于運行狀態，因此，打磨作業的特點要求打磨液壓加載工作系統必須要有良好的精度和動態特性。西安交通大學沙道航就對鋼坯修磨機的恒力加載系統進行了研究并提出了溢流閥，比例溢流閥和伺服閥3種加載方案;寧振雷等［3－4］提出了用比例減壓閥應用于大型鋼坯修磨機的恒力加載系統。由于鋼軌打磨車的加載精度要求比鋼坯修磨機的要高，鋼坯修磨機的恒力加載系統不能滿足鋼軌打磨車的要求。因此，對鋼軌打磨車打磨機構液壓恒力加載系統作深入研究是十分必要的。

1 鋼軌打磨原理及液壓恒力加載方式比較

1．1 鋼軌打磨原理

鋼軌打磨分為表面打磨和外形打磨。表面打磨主要是控制和清除鋼軌表面已有的缺陷，外形打磨主要是改善輪軌接觸狀態。外形打磨控制鋼軌側磨合側向輪軌作用力、波磨及疲勞，改善輪軌接觸應力，減小輪軌動力作用，降低輪軌噪聲，延長鋼軌使用壽命［2］。由于波磨的存在，鋼軌表面是起伏不平地，其軌跡曲線可近似的認為是正弦函數為Asinbx。其中:A為波幅;b為波長。

為了保證較高的生產效率，必須最大地發揮工作系統的功率利用率。工作系統采用恒功率打磨。打磨切削功率正比于磨頭正壓力F和進給量C，即N∝F·C。由于每次打磨時進給量C設為定值，所以，每次打磨時磨頭正壓力也應為恒定值，即磨頭的加載力為恒定值。因此，為磨頭提供加載力的液壓系統應為恒力加載系統。

1．2 液壓恒力加載方式比較

若要用油缸進行恒力加載，就必須保證加載油缸有桿腔和無桿腔壓力差的恒定，因此，可以同時對油缸的有桿腔和無桿腔同時進行恒壓供油。但考慮到工作過程中由于波磨的影響，油缸活塞桿的位移實際上是圍繞某一定值上下波動的，由此反應到油缸兩腔的容腔和壓差是波動變化的，其波動方式跟隨著鋼軌波磨的波動方式。為了保證工作質量，恒力加載系統必須具有良好的動態性能。常見的加載系統有伺服閥加載、比例溢流閥加載和比例減壓閥加載。

1．2．1 伺服閥加載:

伺服閥具有控制靈活、精度高，快速響應性好等這些優點可以很好地滿足打磨車加載系統的要求。但是，由于野外作業，粉塵多等因素，鋼軌打磨車工作環境非常惡劣、污染嚴重。因此，打磨車并不適合使用伺服加載系統。

1．2．2 比例溢流閥加載

一種很傳統普遍的恒壓力控制方式。采用比例溢流閥的恒力加載系統比伺服閥加載系統結構，且具有抗污染能力強，易于維護等優點。圖1所示為力士樂6通徑壓力等級100 bar比例溢流閥的特性曲線［5］，由圖可知:它有最小穩定流量的限制，由加載系統的流量波動性可知，比例溢流閥的最小穩定流量的限制會影響到波動流量系統的精度。

壓力飛升速率為［6］:

式中:ΔP為系統壓力;Ee為液壓油有效體積彈性模量;Δq為壓力區油液總變化量;V為壓力區總容積;ΔT為時間。在同等情況下，比例溢流閥并聯在系統中會造成控制容腔體積過大而影響到動態系統的動態響應速度，造成系統的跟隨性差。

圖1 溢流閥的特性曲線Fig．1 Flow characteristic curve of pressure relief valve

1．2．3 三通比例減壓閥加載

減壓閥可分為定壓減壓閥、定比減壓閥和定差減壓閥，其中定壓減壓閥用于控制出口壓力為定值。比例減壓閥和伺服閥相比，具有結構簡單，易于維護，抗污染能力強等優點。雖然其精度和響應速度不如伺服閥，但也夠滿足打磨車的要求。三通比例減壓閥是串聯在系統中，由式(1)可知，減少了控制容腔對系統動態響應速度的影響，提高了加載精度。減壓閥流量公式為:

式中:K為流量系數;A(x)為閥開口函數;ΔP為壓差;將式(2)線性化得:

式中:kQ為流量增益;kP為壓力增益;求得流量增益kQ為:

采用圓孔閥口時，閥的開口面積增益［6］:

式中:d為閥口直徑;x為閥口開口量。

由式(4)和(5)得:

由式(6)可知:流量增益KQ在的附近值很小，即在閥打開和關閉的小范圍內有著較小的穩定流量，這種特性對于流量波動而壓力穩定的系統有著重要的意義。

綜上所述，打磨工作系統采用三通比例減壓閥加載。

2 AMEsim建模及仿真

2．1 確定系統方案

圖2 加載系統液壓原理圖Fig．2 Hydraulic schematic diagram of loading system

根據以上分析，確定系統方案并擬定系統原理圖如圖2所示。其中，部件3為三通比例減壓閥，恒壓泵加蓄能器給加載缸的有桿腔和無桿腔恒壓供油，電磁閥5為矢能閥，起開關作用。

2．2 AMEsim建模及仿真

由法國IMAGINE公司研發的AMEsim工程系統高級建模與仿真平臺［7］。AMESim使得用戶從繁瑣的數學建模中解放出來從而專注于物理系統本身的設計。是基于鍵合圖的液壓，機械、電氣系統建模、仿真及動力學分析軟件。AMESim仿真軟件已經在航空航天、汽車制造以及工程機械等領域中得到廣泛的應用，成為流體、機械、熱分析、電磁以及控制等復雜系統建模和仿真的優選平臺。

在建立此恒壓加載系統模型中，以下模型進行了簡化:(1)直接用恒壓源代替恒壓泵和蓄能器的組合;(2)由于矢能閥只起到開關的作用，因此，在仿真時可以忽略;(3)忽略液壓缸空行程的過程，直接將液壓缸的初始行程設置為零點位置到工作位置的距離;(4)用彈簧代替鋼軌，信號系統模擬鋼軌的波磨。簡化后的模型如圖3所示。

圖3 系統AMEsim仿真模型Fig．3 AMEsim simulation model of the system

加載恒壓源設為69×105Pa，有桿腔恒壓源設定為10 ×103Pa，彈簧剛度k=7．8 ×107N/m，阻尼c=5．0×104Ns/m，進油單向閥設定壓力為0．3×105Pa，回油單向閥設定為4×105Pa。三通比例減壓閥流量設定為30 L/min。

圖4所示為加載缸無桿腔壓力曲線，圖5所示為加載缸無桿腔流量曲線。從圖4和圖5可以看出:打磨過程中加載缸無桿腔壓力恒定為60×105Pa，流量呈周期性波動。因為受到波磨的影響，打磨過程中加載缸位移為正弦曲線波動，從而引起無桿腔容腔的也是正弦曲線波動，所以，無桿腔流量呈正弦曲線波動。

圖4 加載缸無桿腔壓力曲線Fig．4 Pressure curve of rear end chamber of the loading cylinder

從圖5可知無桿腔流量波動范圍為±0．057 L/min，波動周期約為1．0 s。圖6所示為加載缸活塞桿速度曲線，其曲線也是正弦曲線，周期與無桿腔流量曲線同為1．0 s。且活塞桿速度曲線的波峰與波谷對應流量曲線的波峰與波谷。由流量和速度曲線良好的平滑性可知加載系統有著良好的跟隨性。

圖5 加載缸無桿腔流量曲線Fig．5 Flow curve of rod chamber of the loading cylinder

圖6 加載缸活塞桿速度曲線Fig．6 Velo city curve of rod of the loading cylinder

3 結論

(1)通過對打磨原理的分析得出恒力打磨是一種高效的打磨方式。

(2)三通比例加載閥具有良好的動態特性和較小的穩定流量而更適合于打磨車的恒力加載系統。

(3)三通比例加壓閥加載系統有著較高的精度和良好的跟隨性。

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