基于AMESim搗固車作業走行系統仿真及改進

史天亮

(昆明中鐵大型養路機械集團公司，云南昆明650215)

0 引言

搗固車是一種大型的鐵路養護機械設備，它被用在鐵路的新線路建設、舊線路維修中.通過對軌道進行起撥道、石碴搗固及道床肩部石碴的夯實作業，使軌道方向、左右水平和前后高低均達到線路設計標準或線路維修規則的要求，保證列車安全運行.DC—32搗固車作業走行為液壓驅動，采用前轉向架上的兩根驅動軸作為主驅動，后轉向架上的一根驅動軸作為輔助驅動.主驅動軸、輔驅動軸的液壓馬達均是OMV630，主驅動軸與液壓馬達之間有二級機械減速(其傳動比分別為3.94和4.11)，輔驅動軸與液壓馬達之間只有一級機械減速(其傳動比為3.94)，在主、輔驅動軸速度要求相同的情況下，主驅動馬達和輔驅動馬達所提供牽引力的大小及速度都不相同.靠機械調節很難使主輔驅轉速完全一致［1］，這必然會產生一定的寄生功率.筆者針對這一問題進行分析研究.

1 搗固車作業走行液壓系統分析及仿真模型的建立

1.1 DC-32搗固車作業走行液壓系統分析

DC-32搗固車的搗固作業為步進式，作業過程中要頻繁起動和停車，這就要求作業走行速度低，容易改變走行方向，采用液壓馬達驅動可以滿足這些條件.DC-32搗固車作業走行的液壓回路如圖1所示［2］.該液壓回路采用兩臺液壓馬達驅動，兩臺液壓馬達分別組成兩個獨立的開式液壓回路.搗固車作業走行時，液壓馬達由兩聯泵并聯輸出供油，其總流量為326.2 L/min，最大工作壓力為14 MPa.兩臺液壓馬達并聯，換向閥為Y型機能，閥在初始位時，液壓馬達的進出油路與油箱溝通，液壓馬達處于浮動狀態，有利于對車輪施加制動.安全閥2一般裝在液壓馬達的進出油口處，防止油路在制動停車時產生過大沖擊壓力，而損壞液壓馬達及管路.在電液換向閥的進油路上裝有單向節流閥4，可以調節進入液壓馬達的流量，達到改變搗固車作業走行速度及匹配主驅動軸、輔驅動軸走行速度的目的.

1.2 作業走行液壓系統仿真模型的建立

AMESim是基于鍵合圖的液壓/機械系統建模、仿真及動力學分析軟件.其為流體、機械、控制、電磁等工程系統提供了一個較完善的綜合仿真環境及靈活的解決方案.根據搗固車作業走行液壓系統的工作原理，筆者運用AMESim軟件建立該液壓系統的仿真模型如圖2所示.本模型中所用的電磁閥模型為具有對稱節流口的二位三通閥，通過閥的節流口的流量方程［3］為

式中:Cq為流量系數;A為節流口的橫截面積;ΔP為節流口前后壓差;ρ為油液密度.

如果在計算中把Cq按常數處理，不但不符合實際，而且還會導致流量在初始計算時為無窮大.為了克服這個缺點，在AMESim建模的過程中，Cq是變化的，即采用下式［4-5］:

其中:Dk為流體直徑;η為運動黏度;Cqmax為最大流量系數.

2 仿真研究

2.1 模型參數的確定

在仿真開始前，需先確定模塊的參數值，AMESim軟件中系統所有模型均被參數化，筆者對模型參數按系統實際值進行設置如表1所示.

根據表1中的相關參數對仿真模型中的驅動力矩計算.

主驅的理論驅動力矩為:

輔驅的理論驅動力矩為:

最后設定仿真時間為20 s，采樣周期為0.01 s，在Run模式下運行仿真模型便可以得出仿真結果.

表1 仿真參數列表Tab.1 List of simulation parameter

2.2 仿真分析

2.2.1 主輔驅節流閥全部開啟時的仿真分析

由于實際工作時主輔驅力矩不一定能達到理論值，因此在仿真模型中分別取理論力矩的80%作為驅動力矩.主驅總力矩16 000 N·m，兩個驅動軸力矩分別為8 000 N·m;輔驅力矩為3 800 N·m作為負載力矩.在主輔驅節流閥全部打開的情況下仿真結果如圖3、4所示:其中圖3中實線為主驅、虛線為輔驅動軸轉速;圖4中實線輔驅節流閥進油口壓力、虛線為出油口壓力.

圖3 驅動軸轉速Fig.3 Drive shaft rotating speed

由圖3、4可知:當主輔驅節流閥全部打開時，節流閥進出口的壓力基本相同，而通過節流閥進入主、輔驅馬達的流量也相差不多，因此主、輔驅馬達的轉速也就基本相同，但由于負載力矩及主、輔驅傳動比不同，因此主輔驅驅動軸的轉速相差較大.可見，在不調節節流閥的情況下，這種由相同的液壓馬達通過不同的機械速比構成的主、輔驅動結構，將導致主輔驅車軸運動不同步及牽引力不能均衡發揮，主輔驅動軸之間的功率寄生甚至會導致損傷輪軌和驅動軸齒輪箱的情況.

圖4 節流閥進出口壓力Fig.4 The import and export pressure of throttle

2.2.2 調節輔驅節流閥使主輔驅驅動軸轉速一致時的仿真分析

根據公式(1)可知:當調節節流閥2使其閥口變小，必然會導致進出口壓差變大，由于系統最大壓力保持不變，因此出口壓力有所降低，馬達的輸出扭矩也有所減小.因此在仿真模型中取主驅總力矩仍為16 000 N·m，調節節流閥2及輔驅力矩使主輔驅轉速基本相同.仿真結果如圖5、6所示:圖中曲線說明分別同圖3、4.

由圖5、6可知:通過調節輔驅節流閥可以使進入主輔驅馬達的流量不同，最終使主輔驅動軸轉速基本相同，這樣有效的減小了主輔驅間的寄生功率.但減小輔驅節流閥的流量的同時，也使通過節流閥進出口的壓差增大，由于系統最大壓力固定為14 MPa，因此輔驅馬達的驅動壓力也就減小，最終導致輔驅驅動力矩的減小，此時輔驅力矩約為1 980 N·m.

3 驅動方案的改進及仿真分析

3.1 驅動方案的改進

由前面的仿真分析可知:由于主輔驅驅動軸和走行液壓馬達的傳動比不同，而走行液壓馬達的型號都為OMV630，這就必需通過調節主輔驅節流閥來實現主輔驅驅動軸轉速的同步，這也將導致馬達驅動壓力減小從而使驅動力矩減小;太小的驅動力矩對提高整車的驅動性能的作用并不是很大，而主輔驅同時驅動也使底盤結構更加復雜.因此本文針對這些不足，對現有驅動系統進行一定改進，即將輔驅取消，同時把主驅走行液壓馬達換為扭矩更大的OMV800型馬達［6］，并對這一改進進行建模仿真.

3.2 改進驅動方案的仿真研究

將圖2所建立的走行驅動系統仿真模型按照前面的分析進行相應的改進并設定其相關的參數后進行仿真研究:其中負載力矩變為20 000 N·m，略大于未改前的主輔驅負載力矩之和，馬達為OMV800型，取消輔助驅動.仿真結果如圖7、8所示.其中圖7為驅動軸轉速曲線;圖8中實線輔驅節流閥進油口壓力、虛線為出油口壓力.由仿真結果可知:在忽略泄露等流量損失的情況下，當節流閥全部打開時泵輸出的流量基本都進入液壓馬達，閥口進出口壓差很小，改進后的最大液壓走行的速度和原有系統的最大走行速度基本相同，因此單獨使用一臺扭矩更大的液壓馬達不但可以滿足液壓走行的要求，而且可以使底盤結構更加簡單，節約了制造成本.

4 結論

對DC-32型搗固車作業走行液壓系統進行了仿真研究，根據仿真結果提出了改進方案，并對這一方案進行了仿真研究.

(1)原有系統必需通過調節節流閥才能實現主輔驅走行速度的匹配，由于主輔驅傳動比不同這必將導致輔驅節流閥前后存在較大的壓差從而導致作業效率低下;而匹配同步的走行速度在搗固車的調試過程中是很難實現的，現場的調試只能根據經驗來觀察主輔驅是否同步.

(2)改進后的方案在相同扭矩和轉速的情況下較改進前具有更高的作業效率，且不存在功率的寄生及運動不匹配的問題，這一改進對DC-32搗固車具有重要的實際意義.

［1］曲明軒.08—32搗固車作業走行系統的調試［J］.機車車輛工藝，2005(5):27-28.

［2］韓志清，唐定全.抄平起撥道搗固車［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［3］章宏甲，黃誼.液壓傳動［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［4］泉佑官，龔國芳，胡國良.AMEsim仿真技術廈其在液系統中的應用［J］.液壓氣動與密封，2005(3):28-31.

［5］胡江平，楊務滋，彭國普，等.300t礦用自卸車全液壓濕式制動系統研究［J］.鄭州大學學報:工學版，2011，32(3):68-71.

［6］王弦，胡軍科，龍培.08-32搗固車作業走行驅動幾種改造方案的探討［J］.現代機械，2007(3):7-8.