鋼軌打磨車恒力加載系統(tǒng)的分析仿真研究*

方立志，胡軍科，周乾剛

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410075)

隨著現(xiàn)代鐵路向著重載高速線路的發(fā)展，對大型養(yǎng)路機(jī)械需求量會越來越大，對大型養(yǎng)路機(jī)械的質(zhì)量要求也越來越高?，F(xiàn)有大型養(yǎng)路機(jī)械無論在品種、數(shù)量，還是在作業(yè)效率和性能等方面都不能滿足現(xiàn)實(shí)需求［9］。鋼軌打磨車是養(yǎng)路機(jī)械中非常重要和常見的一種。鋼軌打磨是線路養(yǎng)護(hù)維修中的重要手段［2］，采用打磨的方法來預(yù)防鋼軌波磨、控制接觸疲勞、裂紋擴(kuò)展和磨耗有好的效果［8］。打磨機(jī)構(gòu)是鋼軌打磨車工作機(jī)構(gòu)，北京交通大學(xué)的呂峰對鋼軌車的打磨機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本文將對其液壓恒力加載加載系統(tǒng)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(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)，因此，打磨作業(yè)的特點(diǎn)要求打磨液壓加載工作系統(tǒng)必須要有良好的精度和動態(tài)特性。西安交通大學(xué)沙道航就對鋼坯修磨機(jī)的恒力加載系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)用于大型鋼坯修磨機(jī)的恒力加載系統(tǒng)。由于鋼軌打磨車的加載精度要求比鋼坯修磨機(jī)的要高，鋼坯修磨機(jī)的恒力加載系統(tǒng)不能滿足鋼軌打磨車的要求。因此，對鋼軌打磨車打磨機(jī)構(gòu)液壓恒力加載系統(tǒng)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(tài)。外形打磨控制鋼軌側(cè)磨合側(cè)向輪軌作用力、波磨及疲勞，改善輪軌接觸應(yīng)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(rèn)為是正弦函數(shù)為Asinbx。其中:A為波幅;b為波長。

為了保證較高的生產(chǎn)效率，必須最大地發(fā)揮工作系統(tǒng)的功率利用率。工作系統(tǒng)采用恒功率打磨。打磨切削功率正比于磨頭正壓力F和進(jìn)給量C，即N∝F·C。由于每次打磨時(shí)進(jìn)給量C設(shè)為定值，所以，每次打磨時(shí)磨頭正壓力也應(yīng)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(tǒng)應(yīng)為恒力加載系統(tǒng)。

1．2 液壓恒力加載方式比較

若要用油缸進(jìn)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(shí)對油缸的有桿腔和無桿腔同時(shí)進(jìn)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(shí)際上是圍繞某一定值上下波動的，由此反應(yīng)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(zhì)量，恒力加載系統(tǒng)必須具有良好的動態(tài)性能。常見的加載系統(tǒng)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(yīng)性好等這些優(yōu)點(diǎn)可以很好地滿足打磨車加載系統(tǒng)的要求。但是，由于野外作業(yè)，粉塵多等因素，鋼軌打磨車工作環(huán)境非常惡劣、污染嚴(yán)重。因此，打磨車并不適合使用伺服加載系統(tǒng)。

1．2．2 比例溢流閥加載

一種很傳統(tǒng)普遍的恒壓力控制方式。采用比例溢流閥的恒力加載系統(tǒng)比伺服閥加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且具有抗污染能力強(qiáng)，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。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(wěn)定流量的限制，由加載系統(tǒng)的流量波動性可知，比例溢流閥的最小穩(wěn)定流量的限制會影響到波動流量系統(tǒng)的精度。

壓力飛升速率為［6］:

式中:ΔP為系統(tǒng)壓力;Ee為液壓油有效體積彈性模量;Δq為壓力區(qū)油液總變化量;V為壓力區(qū)總?cè)莘e;ΔT為時(shí)間。在同等情況下，比例溢流閥并聯(lián)在系統(tǒng)中會造成控制容腔體積過大而影響到動態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，造成系統(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。雖然其精度和響應(yīng)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(lián)在系統(tǒng)中，由式(1)可知，減少了控制容腔對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)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(shù);A(x)為閥開口函數(shù);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(shí)，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(guān)閉的小范圍內(nèi)有著較小的穩(wěn)定流量，這種特性對于流量波動而壓力穩(wěn)定的系統(tǒng)有著重要的意義。

綜上所述，打磨工作系統(tǒng)采用三通比例減壓閥加載。

2 AMEsim建模及仿真

2．1 確定系統(tǒng)方案

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

根據(jù)以上分析，確定系統(tǒng)方案并擬定系統(tǒng)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(guān)作用。

2．2 AMEsim建模及仿真

由法國IMAGINE公司研發(fā)的AMEsim工程系統(tǒng)高級建模與仿真平臺［7］。AMESim使得用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。是基于鍵合圖的液壓，機(jī)械、電氣系統(tǒng)建模、仿真及動力學(xué)分析軟件。AMESim仿真軟件已經(jīng)在航空航天、汽車制造以及工程機(jī)械等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，成為流體、機(jī)械、熱分析、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺。

在建立此恒壓加載系統(tǒng)模型中，以下模型進(jìn)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(guān)的作用，因此，在仿真時(shí)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(shè)置為零點(diǎn)位置到工作位置的距離;(4)用彈簧代替鋼軌，信號系統(tǒng)模擬鋼軌的波磨。簡化后的模型如圖3所示。

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

加載恒壓源設(shè)為69×105Pa，有桿腔恒壓源設(shè)定為10 ×103Pa，彈簧剛度k=7．8 ×107N/m，阻尼c=5．0×104Ns/m，進(jìn)油單向閥設(shè)定壓力為0．3×105Pa，回油單向閥設(shè)定為4×105Pa。三通比例減壓閥流量設(shè)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?yàn)槭艿讲サ挠绊?，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(yīng)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(tǒng)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(jié)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(tài)特性和較小的穩(wěn)定流量而更適合于打磨車的恒力加載系統(tǒng)。

(3)三通比例加壓閥加載系統(tǒng)有著較高的精度和良好的跟隨性。

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