基于AMESim的鋪軌機推送機構液壓系統仿真研究

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(1. 桂林電子科技大學 機電工程學院， 廣西 桂林 541004； 2. 桂林市利通電子科技有限責任公司， 廣西 桂林 541004)

引言

高速鐵路無縫線路鋪軌機是鐵路施工的大型專用設備，主要用于鋪設既有線路、新線軌枕和長鋼軌。高速鐵路無縫線路鋪軌機組具有自動化程度高、布枕精度好和施工效率高等優點，因此研究鋪軌機關鍵機構的液壓系統，對提高鋪軌機穩定性、精確性、可靠性及易操作性有一定的積極作用。

推送機構是鋪軌機主要負責鋪設鋼軌的關鍵機構，它的動態特性及性能好壞直接關乎鋪軌機的整體性能。推送機構的合理設計，對提升鋪軌機工作效率，提高整機穩定性非常重要。以往文獻資料對鋪軌機的設計原理和施工應用研究較多[1-3]，而對鋪軌機液壓系統仿真研究很少，為了更好地對鋪軌機液壓系統設計優化和動態分析有必要對其液壓系統進行建模和仿真分析。

1 推送機構結構及工作原理

由于鋪軌機同時鋪放兩根500 m長鋼軌，整車配置四個推送機構，兩個推送機構為一組分別位于鋪軌機兩側負責各邊鋼軌鋪設工作，推送機構結構原理如圖1所示。上、下夾緊機架右邊通過銷軸鉸接，并且通過該銷軸將整個推送機構鉸接于車體之上。由于兩個推送機構間距很近，鋼軌剛度非常大，這種鉸接安裝方式可以有效避免憋勁。上、下夾緊機架左邊通過升降油缸連接。

1.升降油缸 2.上夾緊機架 3.下夾緊機架 4.上滾輪 5.下滾輪 6.驅動馬達 7.鋼軌 8.車體圖1 推送機構(工作狀態)

推送機構工作原理：利用升降油缸將500 m長鋼軌夾緊并一直處于保壓狀態，然后驅動馬達啟動驅動上、下滾輪利用滾輪與鋼軌的摩擦力將鋼軌推送出去。

2 推送機構液壓系統原理

由于液壓驅動力矩大、功率重量比大和可無級調速等優點所以推送機構非常適合液壓驅動。根據前面所述推送機構工作原理和動作方式，將其分為升降油缸動作回路和驅動馬達動作回路兩個液壓子系統，各液壓子系統相互獨立，共用一個液壓油箱。液壓系統仿真時，為避免系統太繁瑣和提高動態仿真的準確程度，現將推送機構液壓系統原理圖進行簡化，去掉對仿真結果影響不大的環節[4]。兩回路簡化原理圖分別如圖2、圖3所示。

1.液壓泵 2.溢流閥 3.單向閥 4.蓄能器 5.電磁換向閥 6.油缸圖2 升降油缸動作回路原理圖

3 升降油缸動作回路的AMESim仿真

3.1 升降油缸動作回路的模型建立及參數設置

在AMESim軟件Sketch模式下, 根據液壓原理圖建立升降油缸動作回路液壓系統模型[5]，如圖4所示。

1.液壓泵 2.溢流閥 3.比例調速閥 4.電磁換向閥 5.馬達圖3 驅動馬達動作回路原理圖

圖4 升降油缸動作回路的AMESim模型

升降油缸動作回路模型建好之后，進入AMESim軟件Parameter 模式對系統主要元件設置初始參數，主要元件模型參數確定如表1所示。

表1 升降油缸動作回路模型主要元件參數

3.2 上升工況仿真與分析

在AMESim軟件Run模式下,運行仿真。液壓閥0至10 s時處于中位為關閉狀態，10 s開始液壓閥開啟右位。設置仿真步長0.01 s，仿真時間40 s，仿真結果如圖5、6所示。

由圖5和圖6可以看出， 0～5.8 s時，液壓閥位于中位，蓄能器處于儲能充液階段達到平衡狀態10 MPa。 10～11.9 s時，液壓閥開啟左位，蓄能器為釋能排液階段為油缸供油，油缸快速上升。11.9～29.8 s油缸主要由液壓泵供油，油缸緩慢上升至最大位置。29.8～35.6 s蓄能器又開始儲能充液。

圖5 上升工況時畜能器充氣腔壓力隨時間的變化

圖6 上升工況時油缸活塞位移隨時間的變化

3.3 下降工況仿真與分析

油缸上升到位后，鋼軌已經被拉至推送機構的驅動滾輪之間，然后液壓閥由左位切換至右位，油缸下降。設置仿真步長0.01 s，仿真時間8 s，仿真結果如圖7、8所示。

圖7 下降工況時畜能器充氣腔壓力隨時間的變化

圖8 下降工況時油缸活塞位移隨時間的變化

由圖7和圖8可以看出， 0～1.7 s時，液壓閥換向至右位，蓄能器處于釋能排液階段，油缸主要由儲能器供油，油缸快速下降夾緊鋼軌，蓄能器充氣腔壓力最低降至7.4 MPa表明蓄能器油液還未排凈油缸已下降到位。1.7～4.9 s蓄能器又開始儲能充液。

4 驅動馬達動作回路的AMESim仿真

4.1 驅動馬達動作回路的模型建立及參數設置

根據液壓原理圖建立驅動馬達動作回路液壓系統模型[6]，如圖9所示。

圖9 驅動馬達動作回路的AMESim模型

對系統主要元件設置初始參數，主要元件模型參數確定如表2所示。

表2 驅動馬達動作回路模型主要元件參數

4.2 驅動馬達動作仿真與分析

鋼軌被油缸夾緊后，啟動馬達推送鋼軌。設置液壓閥閥輸入負信號處于左位,調節比例調速閥的控制信號,使得系統的流量開始為25 L/min，1 s后變為14.5 L/min。設置仿真步長0.005 s，仿真時間2 s，仿真結果如圖10、11所示。

由圖10和圖11可以看出，液壓閥開啟時，即驅動馬達克服鋼軌阻力開始轉動時，馬達的壓力和轉速迅速上升，壓力開始會有一個最大值50%左右的超調量，經過0.3 s波動會迅速達到穩定，轉速也隨之勻速旋轉。1 s開始時，即比例調速閥改變流量時引起壓力波動，最大超調量20%左右，經過0.6 s后達到穩定。馬達速度隨著流量的降低也隨之降低，經過短暫波動后也隨之勻速轉動。

圖10 馬達壓力隨時間的變化

圖11 馬達速度隨時間的變化

5 結論

上述仿真結果表明與實際操作相符，通過分析可以得到如下結論：

(1) 升降油缸動作回路與驅動馬達動作回路相比仿真曲線沒有波動現象，主要原因是升降油缸啟動阻力非常小僅需克服推送機構自重， 考慮節約能源和成本所選供油泵排量也很小，升降油缸速度很慢。

(2) 分析驅動馬達動作回路仿真結果可知，液壓系統在開始啟動或工況改變時容易引起液壓沖擊現象。這對設計人員優化設計減少液壓沖擊以提高液壓系統穩定性和安全性有理論指導作用，另外設計人員在液壓元件選型上必須考慮耐沖擊性和耐壓性，在元件滿足正常工作情況下留有足夠設計裕量。

參考文獻：

[1] 耿錦.CPG500型長軌條鋪軌機組研制[D].成都：西南交通大學，2005.

[2] 陳孟強，李世龍.CYP500型群枕式長軌鋪軌機組關鍵技術及應用工法[J].鐵道工程學報，2013,(7):34-39.

[3] 郭華.WZ500E型鋪軌機敷設500 m無砟軌道施工技術[J].鐵道建筑技術，2011，(6)：159-162.

[4] 李成功.液壓系統建模與仿真分析[M].北京：航空工業出版社，2008.

[5] 張憲宇，陳小虎，何慶飛，萬俊盛.基于AMESim液壓元件設計庫的液壓系統建模與仿真研究[J].機床與液壓，2012，40(7)：172-174.

[6] 袁航，汪太琨.基于AMESim的比例調速閥仿真[J].航空制造技術，2011,(10)：86-88.