基于AMESim搗固車作業(yè)走行系統(tǒng)仿真及改進(jìn)

史天亮

(昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)公司，云南昆明650215)

0 引言

搗固車是一種大型的鐵路養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備，它被用在鐵路的新線路建設(shè)、舊線路維修中.通過對(duì)軌道進(jìn)行起撥道、石碴搗固及道床肩部石碴的夯實(shí)作業(yè)，使軌道方向、左右水平和前后高低均達(dá)到線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或線路維修規(guī)則的要求，保證列車安全運(yùn)行.DC—32搗固車作業(yè)走行為液壓驅(qū)動(dòng)，采用前轉(zhuǎn)向架上的兩根驅(qū)動(dòng)軸作為主驅(qū)動(dòng)，后轉(zhuǎn)向架上的一根驅(qū)動(dòng)軸作為輔助驅(qū)動(dòng).主驅(qū)動(dòng)軸、輔驅(qū)動(dòng)軸的液壓馬達(dá)均是OMV630，主驅(qū)動(dòng)軸與液壓馬達(dá)之間有二級(jí)機(jī)械減速(其傳動(dòng)比分別為3.94和4.11)，輔驅(qū)動(dòng)軸與液壓馬達(dá)之間只有一級(jí)機(jī)械減速(其傳動(dòng)比為3.94)，在主、輔驅(qū)動(dòng)軸速度要求相同的情況下，主驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和輔驅(qū)動(dòng)馬達(dá)所提供牽引力的大小及速度都不相同.靠機(jī)械調(diào)節(jié)很難使主輔驅(qū)轉(zhuǎn)速完全一致［1］，這必然會(huì)產(chǎn)生一定的寄生功率.筆者針對(duì)這一問題進(jìn)行分析研究.

1 搗固車作業(yè)走行液壓系統(tǒng)分析及仿真模型的建立

1.1 DC-32搗固車作業(yè)走行液壓系統(tǒng)分析

DC-32搗固車的搗固作業(yè)為步進(jìn)式，作業(yè)過程中要頻繁起動(dòng)和停車，這就要求作業(yè)走行速度低，容易改變走行方向，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可以滿足這些條件.DC-32搗固車作業(yè)走行的液壓回路如圖1所示［2］.該液壓回路采用兩臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，兩臺(tái)液壓馬達(dá)分別組成兩個(gè)獨(dú)立的開式液壓回路.搗固車作業(yè)走行時(shí)，液壓馬達(dá)由兩聯(lián)泵并聯(lián)輸出供油，其總流量為326.2 L/min，最大工作壓力為14 MPa.兩臺(tái)液壓馬達(dá)并聯(lián)，換向閥為Y型機(jī)能，閥在初始位時(shí)，液壓馬達(dá)的進(jìn)出油路與油箱溝通，液壓馬達(dá)處于浮動(dòng)狀態(tài)，有利于對(duì)車輪施加制動(dòng).安全閥2一般裝在液壓馬達(dá)的進(jìn)出油口處，防止油路在制動(dòng)停車時(shí)產(chǎn)生過大沖擊壓力，而損壞液壓馬達(dá)及管路.在電液換向閥的進(jìn)油路上裝有單向節(jié)流閥4，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓馬達(dá)的流量，達(dá)到改變搗固車作業(yè)走行速度及匹配主驅(qū)動(dòng)軸、輔驅(qū)動(dòng)軸走行速度的目的.

1.2 作業(yè)走行液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

AMESim是基于鍵合圖的液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件.其為流體、機(jī)械、控制、電磁等工程系統(tǒng)提供了一個(gè)較完善的綜合仿真環(huán)境及靈活的解決方案.根據(jù)搗固車作業(yè)走行液壓系統(tǒng)的工作原理，筆者運(yùn)用AMESim軟件建立該液壓系統(tǒng)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(duì)稱節(jié)流口的二位三通閥，通過閥的節(jié)流口的流量方程［3］為

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

如果在計(jì)算中把Cq按常數(shù)處理，不但不符合實(shí)際，而且還會(huì)導(dǎo)致流量在初始計(jì)算時(shí)為無窮大.為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)黏度;Cqmax為最大流量系數(shù).

2 仿真研究

2.1 模型參數(shù)的確定

在仿真開始前，需先確定模塊的參數(shù)值，AMESim軟件中系統(tǒng)所有模型均被參數(shù)化，筆者對(duì)模型參數(shù)按系統(tǒng)實(shí)際值進(jìn)行設(shè)置如表1所示.

根據(jù)表1中的相關(guān)參數(shù)對(duì)仿真模型中的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算.

主驅(qū)的理論驅(qū)動(dòng)力矩為:

輔驅(qū)的理論驅(qū)動(dòng)力矩為:

最后設(shè)定仿真時(shí)間為20 s，采樣周期為0.01 s，在Run模式下運(yùn)行仿真模型便可以得出仿真結(jié)果.

表1 仿真參數(shù)列表Tab.1 List of simulation parameter

2.2 仿真分析

2.2.1 主輔驅(qū)節(jié)流閥全部開啟時(shí)的仿真分析

由于實(shí)際工作時(shí)主輔驅(qū)力矩不一定能達(dá)到理論值，因此在仿真模型中分別取理論力矩的80%作為驅(qū)動(dòng)力矩.主驅(qū)總力矩16 000 N·m，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸力矩分別為8 000 N·m;輔驅(qū)力矩為3 800 N·m作為負(fù)載力矩.在主輔驅(qū)節(jié)流閥全部打開的情況下仿真結(jié)果如圖3、4所示:其中圖3中實(shí)線為主驅(qū)、虛線為輔驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速;圖4中實(shí)線輔驅(qū)節(jié)流閥進(jìn)油口壓力、虛線為出油口壓力.

圖3 驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速Fig.3 Drive shaft rotating speed

由圖3、4可知:當(dāng)主輔驅(qū)節(jié)流閥全部打開時(shí)，節(jié)流閥進(jìn)出口的壓力基本相同，而通過節(jié)流閥進(jìn)入主、輔驅(qū)馬達(dá)的流量也相差不多，因此主、輔驅(qū)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速也就基本相同，但由于負(fù)載力矩及主、輔驅(qū)傳動(dòng)比不同，因此主輔驅(qū)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速相差較大.可見，在不調(diào)節(jié)節(jié)流閥的情況下，這種由相同的液壓馬達(dá)通過不同的機(jī)械速比構(gòu)成的主、輔驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致主輔驅(qū)車軸運(yùn)動(dòng)不同步及牽引力不能均衡發(fā)揮，主輔驅(qū)動(dòng)軸之間的功率寄生甚至?xí)?dǎo)致?lián)p傷輪軌和驅(qū)動(dòng)軸齒輪箱的情況.

圖4 節(jié)流閥進(jìn)出口壓力Fig.4 The import and export pressure of throttle

2.2.2 調(diào)節(jié)輔驅(qū)節(jié)流閥使主輔驅(qū)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速一致時(shí)的仿真分析

根據(jù)公式(1)可知:當(dāng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥2使其閥口變小，必然會(huì)導(dǎo)致進(jìn)出口壓差變大，由于系統(tǒng)最大壓力保持不變，因此出口壓力有所降低，馬達(dá)的輸出扭矩也有所減小.因此在仿真模型中取主驅(qū)總力矩仍為16 000 N·m，調(diào)節(jié)節(jié)流閥2及輔驅(qū)力矩使主輔驅(qū)轉(zhuǎn)速基本相同.仿真結(jié)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(diào)節(jié)輔驅(qū)節(jié)流閥可以使進(jìn)入主輔驅(qū)馬達(dá)的流量不同，最終使主輔驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速基本相同，這樣有效的減小了主輔驅(qū)間的寄生功率.但減小輔驅(qū)節(jié)流閥的流量的同時(shí)，也使通過節(jié)流閥進(jìn)出口的壓差增大，由于系統(tǒng)最大壓力固定為14 MPa，因此輔驅(qū)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)壓力也就減小，最終導(dǎo)致輔驅(qū)驅(qū)動(dòng)力矩的減小，此時(shí)輔驅(qū)力矩約為1 980 N·m.

3 驅(qū)動(dòng)方案的改進(jìn)及仿真分析

3.1 驅(qū)動(dòng)方案的改進(jìn)

由前面的仿真分析可知:由于主輔驅(qū)驅(qū)動(dòng)軸和走行液壓馬達(dá)的傳動(dòng)比不同，而走行液壓馬達(dá)的型號(hào)都為OMV630，這就必需通過調(diào)節(jié)主輔驅(qū)節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)主輔驅(qū)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的同步，這也將導(dǎo)致馬達(dá)驅(qū)動(dòng)壓力減小從而使驅(qū)動(dòng)力矩減小;太小的驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)提高整車的驅(qū)動(dòng)性能的作用并不是很大，而主輔驅(qū)同時(shí)驅(qū)動(dòng)也使底盤結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜.因此本文針對(duì)這些不足，對(duì)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行一定改進(jìn)，即將輔驅(qū)取消，同時(shí)把主驅(qū)走行液壓馬達(dá)換為扭矩更大的OMV800型馬達(dá)［6］，并對(duì)這一改進(jìn)進(jìn)行建模仿真.

3.2 改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方案的仿真研究

將圖2所建立的走行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型按照前面的分析進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)并設(shè)定其相關(guān)的參數(shù)后進(jìn)行仿真研究:其中負(fù)載力矩變?yōu)?0 000 N·m，略大于未改前的主輔驅(qū)負(fù)載力矩之和，馬達(dá)為OMV800型，取消輔助驅(qū)動(dòng).仿真結(jié)果如圖7、8所示.其中圖7為驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速曲線;圖8中實(shí)線輔驅(qū)節(jié)流閥進(jìn)油口壓力、虛線為出油口壓力.由仿真結(jié)果可知:在忽略泄露等流量損失的情況下，當(dāng)節(jié)流閥全部打開時(shí)泵輸出的流量基本都進(jìn)入液壓馬達(dá)，閥口進(jìn)出口壓差很小，改進(jìn)后的最大液壓走行的速度和原有系統(tǒng)的最大走行速度基本相同，因此單獨(dú)使用一臺(tái)扭矩更大的液壓馬達(dá)不但可以滿足液壓走行的要求，而且可以使底盤結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，節(jié)約了制造成本.

4 結(jié)論

對(duì)DC-32型搗固車作業(yè)走行液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，根據(jù)仿真結(jié)果提出了改進(jìn)方案，并對(duì)這一方案進(jìn)行了仿真研究.

(1)原有系統(tǒng)必需通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥才能實(shí)現(xiàn)主輔驅(qū)走行速度的匹配，由于主輔驅(qū)傳動(dòng)比不同這必將導(dǎo)致輔驅(qū)節(jié)流閥前后存在較大的壓差從而導(dǎo)致作業(yè)效率低下;而匹配同步的走行速度在搗固車的調(diào)試過程中是很難實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來觀察主輔驅(qū)是否同步.

(2)改進(jìn)后的方案在相同扭矩和轉(zhuǎn)速的情況下較改進(jìn)前具有更高的作業(yè)效率，且不存在功率的寄生及運(yùn)動(dòng)不匹配的問題，這一改進(jìn)對(duì)DC-32搗固車具有重要的實(shí)際意義.

［1］曲明軒.08—32搗固車作業(yè)走行系統(tǒng)的調(diào)試［J］.機(jī)車車輛工藝，2005(5):27-28.

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［5］胡江平，楊務(wù)滋，彭國普，等.300t礦用自卸車全液壓濕式制動(dòng)系統(tǒng)研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2011，32(3):68-71.

［6］王弦，胡軍科，龍培.08-32搗固車作業(yè)走行驅(qū)動(dòng)幾種改造方案的探討［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2007(3):7-8.