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(1. 桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2. 桂林市利通電子科技有限責(zé)任公司， 廣西 桂林 541004)

引言

高速鐵路無縫線路鋪軌機(jī)是鐵路施工的大型專用設(shè)備，主要用于鋪設(shè)既有線路、新線軌枕和長鋼軌。高速鐵路無縫線路鋪軌機(jī)組具有自動化程度高、布枕精度好和施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此研究鋪軌機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)，對提高鋪軌機(jī)穩(wěn)定性、精確性、可靠性及易操作性有一定的積極作用。

推送機(jī)構(gòu)是鋪軌機(jī)主要負(fù)責(zé)鋪設(shè)鋼軌的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，它的動態(tài)特性及性能好壞直接關(guān)乎鋪軌機(jī)的整體性能。推送機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計，對提升鋪軌機(jī)工作效率，提高整機(jī)穩(wěn)定性非常重要。以往文獻(xiàn)資料對鋪軌機(jī)的設(shè)計原理和施工應(yīng)用研究較多[1-3]，而對鋪軌機(jī)液壓系統(tǒng)仿真研究很少，為了更好地對鋪軌機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化和動態(tài)分析有必要對其液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析。

1 推送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

由于鋪軌機(jī)同時鋪放兩根500 m長鋼軌，整車配置四個推送機(jī)構(gòu)，兩個推送機(jī)構(gòu)為一組分別位于鋪軌機(jī)兩側(cè)負(fù)責(zé)各邊鋼軌鋪設(shè)工作，推送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。上、下夾緊機(jī)架右邊通過銷軸鉸接，并且通過該銷軸將整個推送機(jī)構(gòu)鉸接于車體之上。由于兩個推送機(jī)構(gòu)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(jī)架左邊通過升降油缸連接。

1.升降油缸 2.上夾緊機(jī)架 3.下夾緊機(jī)架 4.上滾輪 5.下滾輪 6.驅(qū)動馬達(dá) 7.鋼軌 8.車體圖1 推送機(jī)構(gòu)(工作狀態(tài))

推送機(jī)構(gòu)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(tài)，然后驅(qū)動馬達(dá)啟動驅(qū)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(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理

由于液壓驅(qū)動力矩大、功率重量比大和可無級調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)所以推送機(jī)構(gòu)非常適合液壓驅(qū)動。根據(jù)前面所述推送機(jī)構(gòu)工作原理和動作方式，將其分為升降油缸動作回路和驅(qū)動馬達(dá)動作回路兩個液壓子系統(tǒng)，各液壓子系統(tǒng)相互獨(dú)立，共用一個液壓油箱。液壓系統(tǒng)仿真時，為避免系統(tǒng)太繁瑣和提高動態(tài)仿真的準(zhǔn)確程度，現(xiàn)將推送機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖進(jìn)行簡化，去掉對仿真結(jié)果影響不大的環(huán)節(jié)[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(shù)設(shè)置

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

1.液壓泵 2.溢流閥 3.比例調(diào)速閥 4.電磁換向閥 5.馬達(dá)圖3 驅(qū)動馬達(dá)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(jìn)入AMESim軟件Parameter 模式對系統(tǒng)主要元件設(shè)置初始參數(shù)，主要元件模型參數(shù)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(shù)

3.2 上升工況仿真與分析

在AMESim軟件Run模式下,運(yùn)行仿真。液壓閥0至10 s時處于中位為關(guān)閉狀態(tài)，10 s開始液壓閥開啟右位。設(shè)置仿真步長0.01 s，仿真時間40 s，仿真結(jié)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(dá)到平衡狀態(tài)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(jīng)被拉至推送機(jī)構(gòu)的驅(qū)動滾輪之間，然后液壓閥由左位切換至右位，油缸下降。設(shè)置仿真步長0.01 s，仿真時間8 s，仿真結(jié)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(qū)動馬達(dá)動作回路的AMESim仿真

4.1 驅(qū)動馬達(dá)動作回路的模型建立及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)液壓原理圖建立驅(qū)動馬達(dá)動作回路液壓系統(tǒng)模型[6]，如圖9所示。

圖9 驅(qū)動馬達(dá)動作回路的AMESim模型

對系統(tǒng)主要元件設(shè)置初始參數(shù)，主要元件模型參數(shù)確定如表2所示。

表2 驅(qū)動馬達(dá)動作回路模型主要元件參數(shù)

4.2 驅(qū)動馬達(dá)動作仿真與分析

鋼軌被油缸夾緊后，啟動馬達(dá)推送鋼軌。設(shè)置液壓閥閥輸入負(fù)信號處于左位,調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥的控制信號,使得系統(tǒng)的流量開始為25 L/min，1 s后變?yōu)?4.5 L/min。設(shè)置仿真步長0.005 s，仿真時間2 s，仿真結(jié)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(qū)動馬達(dá)克服鋼軌阻力開始轉(zhuǎn)動時，馬達(dá)的壓力和轉(zhuǎn)速迅速上升，壓力開始會有一個最大值50%左右的超調(diào)量，經(jīng)過0.3 s波動會迅速達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速也隨之勻速旋轉(zhuǎn)。1 s開始時，即比例調(diào)速閥改變流量時引起壓力波動，最大超調(diào)量20%左右，經(jīng)過0.6 s后達(dá)到穩(wěn)定。馬達(dá)速度隨著流量的降低也隨之降低，經(jīng)過短暫波動后也隨之勻速轉(zhuǎn)動。

圖10 馬達(dá)壓力隨時間的變化

圖11 馬達(dá)速度隨時間的變化

5 結(jié)論

上述仿真結(jié)果表明與實(shí)際操作相符，通過分析可以得到如下結(jié)論：

(1) 升降油缸動作回路與驅(qū)動馬達(dá)動作回路相比仿真曲線沒有波動現(xiàn)象，主要原因是升降油缸啟動阻力非常小僅需克服推送機(jī)構(gòu)自重， 考慮節(jié)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(qū)動馬達(dá)動作回路仿真結(jié)果可知，液壓系統(tǒng)在開始啟動或工況改變時容易引起液壓沖擊現(xiàn)象。這對設(shè)計人員優(yōu)化設(shè)計減少液壓沖擊以提高液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性有理論指導(dǎo)作用，另外設(shè)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(shè)計裕量。

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