基于AMESim的換軌車液壓系統(tǒng)振動(dòng)仿真

唐海斌， 吳廣豐， 劉 軍， 劉永軍

(寶雞中車時(shí)代工程機(jī)械有限公司 株洲分公司， 湖南 株洲 412003)

引言

HGCZ-2000換軌車是我國(guó)自主研發(fā)用于標(biāo)準(zhǔn)軌距線路換軌作業(yè)的新一代設(shè)備。換軌車的作業(yè)裝置主要由6個(gè)收放機(jī)構(gòu)、扣件回收系統(tǒng)、道釘檢測(cè)系統(tǒng)、鋼軌吊鉗和起復(fù)裝置等組成。其中6個(gè)收放機(jī)構(gòu)、扣件回收系統(tǒng)和起復(fù)裝置在作業(yè)時(shí)下降到作業(yè)位置進(jìn)行換軌，在鐵路正線運(yùn)行時(shí)升至掛運(yùn)位置防止超限[1-2]。作業(yè)裝置的升降由液壓系統(tǒng)油缸帶動(dòng)，完成作業(yè)和掛運(yùn)的動(dòng)作切換。換軌車在使用過(guò)程中，作業(yè)裝置下降伴有強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，動(dòng)作穩(wěn)定性較差，這對(duì)換軌車使用壽命和操作穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。

本研究對(duì)換軌車作業(yè)裝置下降過(guò)程中的振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，在此基礎(chǔ)上提出減少振動(dòng)的方法，同時(shí)對(duì)優(yōu)化前后的收放機(jī)構(gòu)升降回路進(jìn)行AMESim仿真分析。

1 換軌車升降回路原理

換軌車作業(yè)裝置升降回路都是2個(gè)油缸帶液壓鎖的平衡回路[3-5]，其液壓原理圖如圖1所示。

1.油箱 2.液壓泵 3.單向閥 4.節(jié)流堵(P口) 5.電磁換向閥 6.節(jié)流堵(B口) 7.雙向液壓鎖 8.油缸 9.分流集流閥圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

為減少液壓系統(tǒng)功率損失，液壓泵2選用恒壓變量泵。液壓油缸8.1，8.2分別由電磁換向閥5.1，5.2控制，作業(yè)裝置上升或下降時(shí)，2個(gè)電磁換向閥5同時(shí)通電，2個(gè)油缸同時(shí)動(dòng)作且通過(guò)分流集流閥9保證同步動(dòng)作。雖有分流集流閥9同步作用，為防止同步誤差過(guò)大造成作業(yè)裝置憋力損壞的意外情況，此時(shí)可以單獨(dú)控制油缸動(dòng)作消除同步誤差。在電磁換向閥5的安裝閥塊的P口和B口添加了節(jié)流堵4和6調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，降低油缸速度，節(jié)流堵6還起到增加油缸回油壓力、防止油缸失速下落作用。雙向液壓鎖7起平衡作業(yè)裝置自重作用，保證作業(yè)裝置作業(yè)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間鎖定在指定位置。

2 換軌車升降回路振動(dòng)原因分析

作業(yè)裝置下降時(shí)振動(dòng)聲音表現(xiàn)為非常厚重，可以排除由節(jié)流堵截流產(chǎn)生的刺耳的尖叫聲的可能。振動(dòng)的原因是由雙向液壓鎖頻繁啟閉引起的可能性較大，引起液壓鎖不穩(wěn)定主要有以下兩方面原因[6-9]。

2.1 液壓鎖控制口壓力不穩(wěn)

作業(yè)裝置由于自重產(chǎn)生較大負(fù)值載荷，使油缸快速下降，造成油缸無(wú)桿腔壓力即液壓鎖控制口壓力急降直至消失，導(dǎo)致液壓鎖關(guān)閉，油缸動(dòng)作停止。油缸無(wú)桿腔建立壓力，液壓鎖開(kāi)啟，油缸重新動(dòng)作，如此重復(fù)會(huì)使液壓系統(tǒng)和作業(yè)機(jī)構(gòu)都產(chǎn)生振動(dòng)。

由圖1可知，在電磁換向閥安裝閥塊的B口添加節(jié)流堵增加油缸回油壓力，平衡機(jī)構(gòu)自重產(chǎn)生的負(fù)值載荷使油缸速度平穩(wěn)。液壓鎖開(kāi)啟時(shí)的控制口壓力必須大于回油壓力，穩(wěn)定了液壓鎖控制口壓力。液壓鎖控制口壓力不穩(wěn)原因排除。

2.2 液壓鎖出口壓力過(guò)高

進(jìn)一步分析圖1油缸下降回油側(cè)的液壓鎖開(kāi)啟時(shí)的條件公式：

pAS>pBS+Fk

式中，pA——液壓鎖控制口壓力，也是電磁換向閥A壓力

pB——液壓鎖出口B口壓力

S——液壓鎖閥芯截面積

Fk——液壓鎖閥芯彈簧最大預(yù)壓縮力和摩擦力之和

由公式可知，壓鎖閥芯彈簧最大預(yù)壓縮力和摩擦力Fk數(shù)值不變，節(jié)流堵安裝在油缸回油路上液壓鎖和電磁換向閥之間的位置。油缸開(kāi)始下降后，在負(fù)值載荷作用下，下落速度不斷加快，液壓鎖控制口A口壓力不斷降低,液壓鎖出口B口壓力pB不斷增大直至大于液壓鎖控制口壓力pA，此時(shí)液壓鎖關(guān)閉，pB壓力下降，液壓鎖再次打開(kāi)。正是液壓鎖頻繁啟閉造成液壓系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲。

3 消除換軌車液壓系統(tǒng)振動(dòng)的對(duì)策

節(jié)流堵安裝在回油路上液壓鎖和電磁換向閥之間的位置，雖然產(chǎn)生了背壓穩(wěn)定了液壓鎖控制口壓力，但液壓鎖出口壓力過(guò)高容易導(dǎo)致液壓鎖啟閉進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。解決液壓系統(tǒng)振動(dòng)首先要降低鎖出口壓力過(guò)高，對(duì)策有以下兩方面。

3.1 適當(dāng)增加回油路上節(jié)流堵直徑

增加液壓鎖和電磁換向閥之間的節(jié)流堵直徑，但與穩(wěn)定液壓鎖控制口壓力矛盾，該方法只適合于油缸承受正值載荷或較小負(fù)值載荷的情況。作業(yè)機(jī)構(gòu)負(fù)值載荷約1000 kg，屬于較大載荷，增加節(jié)流堵直徑不能穩(wěn)定液壓鎖控制口壓力。

3.2 回油路的節(jié)流堵加在油缸與液壓鎖之間

在回油路上油缸與液壓鎖之間加節(jié)流堵，既能滿足回油路上背壓，又因節(jié)流堵或節(jié)流閥改在液壓鎖前方，液壓鎖出口直接與油箱連通，故液壓鎖出口壓力為0，可以保證液壓鎖始終處于開(kāi)啟狀態(tài)，該方法避免液壓鎖出口壓力過(guò)高，徹底消除液壓鎖啟閉問(wèn)題。

4 AMESim建模與仿真分析

4.1 作業(yè)裝置升降回路的AMESim建模及參數(shù)設(shè)置

為了便于分析液壓鎖振動(dòng)原因，將圖1的液壓系統(tǒng)原理圖進(jìn)一步簡(jiǎn)化，只分析其中1只油缸的升降回路。采用AMESim軟件建立作業(yè)裝置升降回路模型，如圖2所示[10-12]。主要元件模型參數(shù)確定如表1所示。

圖2 作業(yè)裝置升降回路的AMESim模型

表1 升降油缸動(dòng)作回路模型主要元件參數(shù)

4.2 升降回路仿真與分析

對(duì)作業(yè)裝置油缸下降進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間20 s，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.02 s，回油路上液壓鎖的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 改進(jìn)前的液壓鎖仿真結(jié)果

由圖3分析得出，回油路上液壓鎖出口壓力一直在4 MPa上下波動(dòng)，與前面分析的液壓鎖出口壓力過(guò)高情況一致，而且壓力隨著下落速度增加波動(dòng)越大。流量隨著油缸下落速度越快波動(dòng)越大，液壓鎖的流量曲線波動(dòng)最小值都回到0，代表此時(shí)液壓鎖通過(guò)流量為0，即為關(guān)閉狀態(tài)，也與前面分析液壓鎖出口壓力過(guò)高引起液壓鎖頻繁啟閉從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲一致。

在油缸下降過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量油缸無(wú)桿腔和有桿腔壓力在5～11 MPa之間來(lái)回波動(dòng)，且隨著下落過(guò)程波動(dòng)不斷增加，表明液壓振動(dòng)較大。

4.3 升降回路改進(jìn)后仿真與分析

按前面分析的處理對(duì)策，在回油路上油缸與液壓鎖之間加節(jié)流堵，更改后的升降回路的AMESim建模如圖4所示。

圖4 升降回路改進(jìn)后的AMESim模型

對(duì)節(jié)流堵移動(dòng)位置后的新模型進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)不變，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 改進(jìn)后的液壓鎖仿真結(jié)果

由圖5、圖6分析得出，液壓鎖出口壓力直接與油箱連接，在油缸下降過(guò)程中壓力只有0.0055 MPa，基本為0，油缸壓力和流量曲線在剛啟動(dòng)瞬間有沖擊，產(chǎn)生波動(dòng)后迅速穩(wěn)定下來(lái)，代表液壓鎖在工作中一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，且油缸動(dòng)作非常平穩(wěn)。油缸無(wú)桿腔由于負(fù)值載荷在工作中壓力值較小為1.4 MPa，油缸有桿腔在節(jié)流堵產(chǎn)生的背壓作用下壓力值為5.1 MPa，油缸下落時(shí)間由于沒(méi)有液壓鎖頻繁啟閉，由原來(lái)的19.5 s降至目前16 s。

圖6 改進(jìn)后的油缸仿真結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證將節(jié)流堵變更為雙向節(jié)流閥，安裝在油缸與液壓鎖之間，測(cè)量油缸在下降過(guò)程中無(wú)桿腔和有桿腔壓力分別為2.5, 5.8 MPa，且隨著下落過(guò)程讀數(shù)較為平穩(wěn)，表明液壓系統(tǒng)非常平穩(wěn)，無(wú)振動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)與仿真曲線的誤差，是雙向節(jié)流閥手動(dòng)無(wú)極調(diào)速的節(jié)流口直徑與節(jié)流堵直徑有誤差造成。

5 結(jié)論

對(duì)換軌車作業(yè)機(jī)構(gòu)下降過(guò)程中振動(dòng)噪聲進(jìn)行理論和仿真分析，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符，得出如下結(jié)論：作業(yè)裝置油缸承受較大負(fù)值載荷時(shí)，在油缸回油路上，原結(jié)構(gòu)雖然為了穩(wěn)定液壓鎖控制口壓力添加了節(jié)流堵，但位置必須加在回油路上的油缸與液壓鎖之間，才能徹底避免液壓鎖出口壓力過(guò)高產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在油缸與液壓鎖之間添加雙向節(jié)流閥后故障得以解決。