基于AMESim的铺轨机推送机构液压系统仿真研究

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(1. 桂林电子科技大学 机电工程学院， 广西 桂林 541004； 2. 桂林市利通电子科技有限责任公司， 广西 桂林 541004)

引言

高速铁路无缝线路铺轨机是铁路施工的大型专用设备，主要用于铺设既有线路、新线轨枕和长钢轨。高速铁路无缝线路铺轨机组具有自动化程度高、布枕精度好和施工效率高等优点，因此研究铺轨机关键机构的液压系统，对提高铺轨机稳定性、精确性、可靠性及易操作性有一定的积极作用。

推送机构是铺轨机主要负责铺设钢轨的关键机构，它的动态特性及性能好坏直接关乎铺轨机的整体性能。推送机构的合理设计，对提升铺轨机工作效率，提高整机稳定性非常重要。以往文献资料对铺轨机的设计原理和施工应用研究较多[1-3]，而对铺轨机液压系统仿真研究很少，为了更好地对铺轨机液压系统设计优化和动态分析有必要对其液压系统进行建模和仿真分析。

1 推送机构结构及工作原理

由于铺轨机同时铺放两根500 m长钢轨，整车配置四个推送机构，两个推送机构为一组分别位于铺轨机两侧负责各边钢轨铺设工作，推送机构结构原理如图1所示。上、下夹紧机架右边通过销轴铰接，并且通过该销轴将整个推送机构铰接于车体之上。由于两个推送机构间距很近，钢轨刚度非常大，这种铰接安装方式可以有效避免憋劲。上、下夹紧机架左边通过升降油缸连接。

1.升降油缸 2.上夹紧机架 3.下夹紧机架 4.上滚轮 5.下滚轮 6.驱动马达 7.钢轨 8.车体图1 推送机构(工作状态)

推送机构工作原理：利用升降油缸将500 m长钢轨夹紧并一直处于保压状态，然后驱动马达启动驱动上、下滚轮利用滚轮与钢轨的摩擦力将钢轨推送出去。

2 推送机构液压系统原理

由于液压驱动力矩大、功率重量比大和可无级调速等优点所以推送机构非常适合液压驱动。根据前面所述推送机构工作原理和动作方式，将其分为升降油缸动作回路和驱动马达动作回路两个液压子系统，各液压子系统相互独立，共用一个液压油箱。液压系统仿真时，为避免系统太繁琐和提高动态仿真的准确程度，现将推送机构液压系统原理图进行简化，去掉对仿真结果影响不大的环节[4]。两回路简化原理图分别如图2、图3所示。

1.液压泵 2.溢流阀 3.单向阀 4.蓄能器 5.电磁换向阀 6.油缸图2 升降油缸动作回路原理图

3 升降油缸动作回路的AMESim仿真

3.1 升降油缸动作回路的模型建立及参数设置

在AMESim软件Sketch模式下, 根据液压原理图建立升降油缸动作回路液压系统模型[5]，如图4所示。

1.液压泵 2.溢流阀 3.比例调速阀 4.电磁换向阀 5.马达图3 驱动马达动作回路原理图

图4 升降油缸动作回路的AMESim模型

升降油缸动作回路模型建好之后，进入AMESim软件Parameter 模式对系统主要元件设置初始参数，主要元件模型参数确定如表1所示。

表1 升降油缸动作回路模型主要元件参数

3.2 上升工况仿真与分析

在AMESim软件Run模式下,运行仿真。液压阀0至10 s时处于中位为关闭状态，10 s开始液压阀开启右位。设置仿真步长0.01 s，仿真时间40 s，仿真结果如图5、6所示。

由图5和图6可以看出， 0～5.8 s时，液压阀位于中位，蓄能器处于储能充液阶段达到平衡状态10 MPa。 10～11.9 s时，液压阀开启左位，蓄能器为释能排液阶段为油缸供油，油缸快速上升。11.9～29.8 s油缸主要由液压泵供油，油缸缓慢上升至最大位置。29.8～35.6 s蓄能器又开始储能充液。

图5 上升工况时畜能器充气腔压力随时间的变化

图6 上升工况时油缸活塞位移随时间的变化

3.3 下降工况仿真与分析

油缸上升到位后，钢轨已经被拉至推送机构的驱动滚轮之间，然后液压阀由左位切换至右位，油缸下降。设置仿真步长0.01 s，仿真时间8 s，仿真结果如图7、8所示。

图7 下降工况时畜能器充气腔压力随时间的变化

图8 下降工况时油缸活塞位移随时间的变化

由图7和图8可以看出， 0～1.7 s时，液压阀换向至右位，蓄能器处于释能排液阶段，油缸主要由储能器供油，油缸快速下降夹紧钢轨，蓄能器充气腔压力最低降至7.4 MPa表明蓄能器油液还未排净油缸已下降到位。1.7～4.9 s蓄能器又开始储能充液。

4 驱动马达动作回路的AMESim仿真

4.1 驱动马达动作回路的模型建立及参数设置

根据液压原理图建立驱动马达动作回路液压系统模型[6]，如图9所示。

图9 驱动马达动作回路的AMESim模型

对系统主要元件设置初始参数，主要元件模型参数确定如表2所示。

表2 驱动马达动作回路模型主要元件参数

4.2 驱动马达动作仿真与分析

钢轨被油缸夹紧后，启动马达推送钢轨。设置液压阀阀输入负信号处于左位,调节比例调速阀的控制信号,使得系统的流量开始为25 L/min，1 s后变为14.5 L/min。设置仿真步长0.005 s，仿真时间2 s，仿真结果如图10、11所示。

由图10和图11可以看出，液压阀开启时，即驱动马达克服钢轨阻力开始转动时，马达的压力和转速迅速上升，压力开始会有一个最大值50%左右的超调量，经过0.3 s波动会迅速达到稳定，转速也随之匀速旋转。1 s开始时，即比例调速阀改变流量时引起压力波动，最大超调量20%左右，经过0.6 s后达到稳定。马达速度随着流量的降低也随之降低，经过短暂波动后也随之匀速转动。

图10 马达压力随时间的变化

图11 马达速度随时间的变化

5 结论

上述仿真结果表明与实际操作相符，通过分析可以得到如下结论：

(1) 升降油缸动作回路与驱动马达动作回路相比仿真曲线没有波动现象，主要原因是升降油缸启动阻力非常小仅需克服推送机构自重， 考虑节约能源和成本所选供油泵排量也很小，升降油缸速度很慢。

(2) 分析驱动马达动作回路仿真结果可知，液压系统在开始启动或工况改变时容易引起液压冲击现象。这对设计人员优化设计减少液压冲击以提高液压系统稳定性和安全性有理论指导作用，另外设计人员在液压元件选型上必须考虑耐冲击性和耐压性，在元件满足正常工作情况下留有足够设计裕量。

参考文献：

[1] 耿锦.CPG500型长轨条铺轨机组研制[D].成都：西南交通大学，2005.

[2] 陈孟强，李世龙.CYP500型群枕式长轨铺轨机组关键技术及应用工法[J].铁道工程学报，2013,(7):34-39.

[3] 郭华.WZ500E型铺轨机敷设500 m无砟轨道施工技术[J].铁道建筑技术，2011，(6)：159-162.

[4] 李成功.液压系统建模与仿真分析[M].北京：航空工业出版社，2008.

[5] 张宪宇，陈小虎，何庆飞，万俊盛.基于AMESim液压元件设计库的液压系统建模与仿真研究[J].机床与液压，2012，40(7)：172-174.

[6] 袁航，汪太琨.基于AMESim的比例调速阀仿真[J].航空制造技术，2011,(10)：86-88.