王新磊

（中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司科技發(fā)展部，云南昆明650215）

0 引言

GCX-1000型軌道除雪車(chē)是用于軌道線路除雪作業(yè)的大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備，除雪小車(chē)位于車(chē)的中部，是整車(chē)的主要作業(yè)裝置［1-2］。工作時(shí)通過(guò)大車(chē)牽引進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行，除雪小車(chē)的作業(yè)運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)整車(chē)的除雪作業(yè)效率以及運(yùn)行安全起著關(guān)鍵作用。

除雪小車(chē)為四輪獨(dú)立走行結(jié)構(gòu)，由小車(chē)框架、除雪裝置、工作車(chē)輪、牽引桿以及升降油缸組成。作業(yè)過(guò)程中除雪小車(chē)落于軌面上，由前端與大車(chē)［3］相連的牽引桿向前牽引進(jìn)行除雪作業(yè)。除雪小車(chē)輪徑小，自質(zhì)量輕，獨(dú)立運(yùn)行時(shí)最高速度可達(dá)55 km/h，必須增加除雪小車(chē)的垂向力，降低脫軌系數(shù)，提高運(yùn)行的平穩(wěn)性［4］。根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果，為保證除雪小車(chē)的作業(yè)運(yùn)行安全［5-6］，需對(duì)除雪小車(chē)施加81 kN的下壓力，且實(shí)際作業(yè)時(shí)大小不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)值的±5%。

GCX-1000型軌道除雪車(chē)作業(yè)使用過(guò)程中，原下壓控制回路主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）通過(guò)溢流閥設(shè)定下壓力大小的方式穩(wěn)定性差［7］、波動(dòng)較大，對(duì)除雪小車(chē)的作業(yè)運(yùn)行安全存在一定隱患；（2）下壓力作用點(diǎn)不合適，造成除雪小車(chē)結(jié)構(gòu)變形；（3）原液壓系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程中其他油缸無(wú)法動(dòng)作，操作不方便。亟須對(duì)原液壓回路進(jìn)行改進(jìn)，提高下壓力的穩(wěn)定性。

1 液壓回路原理

GCX-1000型軌道除雪車(chē)下壓油缸安裝示意見(jiàn)圖1，改進(jìn)后的液壓回路工作原理見(jiàn)圖2?；芈啡耘c整車(chē)油缸系統(tǒng)共用油源，高壓油經(jīng)減壓閥后通過(guò)下壓電磁閥進(jìn)入下壓油缸的大腔，油缸大腔油路上設(shè)有蓄能器，并有安全溢流閥，壓力開(kāi)關(guān)可在作業(yè)運(yùn)行過(guò)程對(duì)下壓力進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 GCX-1000型軌道除雪車(chē)下壓油缸安裝示意圖

圖2 改進(jìn)后的液壓回路工作原理

新的液壓回路由原除雪小車(chē)中部2個(gè)下壓油缸調(diào)整為4個(gè)下壓油缸，安裝于除雪小車(chē)4個(gè)車(chē)輪上方的框架上，單個(gè)油缸的下壓力減小，且下壓力相比于之前能更直接地傳遞到工作車(chē)輪，有利于小車(chē)輪的運(yùn)行，并且不會(huì)對(duì)小車(chē)框架的整體結(jié)構(gòu)造成影響。

改進(jìn)后的回路采用減壓閥進(jìn)行下壓力控制，對(duì)油源的設(shè)定壓力沒(méi)有影響，作業(yè)運(yùn)行時(shí)，其他油缸元件可以同時(shí)動(dòng)作，解決操作不便的問(wèn)題。

具體工作原理為：油缸系統(tǒng)啟動(dòng)并建立起壓強(qiáng)，開(kāi)始作業(yè)運(yùn)行時(shí)，下壓電磁閥得電接通，高壓油經(jīng)減壓閥進(jìn)入下壓油缸的大腔，并給蓄能器充壓，油缸的小腔經(jīng)過(guò)電磁換向閥組常通油箱，而電磁閥一直處于失電與壓力油源斷開(kāi)的狀態(tài)。當(dāng)大腔壓力達(dá)到減壓閥設(shè)定壓力時(shí)，即達(dá)到設(shè)計(jì)的穩(wěn)定下壓力，減壓閥將自動(dòng)關(guān)閉。由于下壓油缸缸筒端固定在大車(chē)上，活塞桿端固定在除雪小車(chē)上，運(yùn)行過(guò)程中，由于大車(chē)和除雪小車(chē)的蛇形運(yùn)動(dòng)，以及線路平順性的影響，大車(chē)和小車(chē)相對(duì)位置時(shí)刻會(huì)發(fā)生變化，因此下壓油缸的兩端位置持續(xù)發(fā)生變化，油缸大腔容積也將不斷的變化，反復(fù)吸油和排油。由于蓄能器的作用，可以即時(shí)吸收和補(bǔ)充油缸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的油液變化，以保證下壓油缸大腔的壓強(qiáng)，從而維持下壓力的穩(wěn)定。在蓄能器釋放流量的過(guò)程中，當(dāng)壓力低于減壓閥設(shè)定壓強(qiáng)時(shí)，減壓閥開(kāi)啟一起補(bǔ)充流量，從而保證最小的下壓力需求。

運(yùn)行過(guò)程中下壓油缸大腔的壓力越穩(wěn)定，即下壓力的大小越穩(wěn)定。同時(shí)，回路采用的電磁換向閥都為座閥結(jié)構(gòu)，泄漏小，在運(yùn)行過(guò)程中當(dāng)下壓電磁閥出現(xiàn)突然失電的情況時(shí)，減壓閥與下壓油缸的管路被斷開(kāi)，但由于蓄能器的作用，在一段時(shí)間內(nèi)下壓力仍能夠保持穩(wěn)定。減壓閥與油缸之間的溢流閥可對(duì)最高壓力進(jìn)行限制，進(jìn)一步保證回路的高壓安全性。

2 仿真模型建立

采用Simcenter Amesim液壓仿真軟件進(jìn)行仿真模型計(jì)算［8-9］。根據(jù)下壓控制回路的組成原理，下壓油缸在作業(yè)運(yùn)行過(guò)程中由于大車(chē)和小車(chē)相對(duì)位置變化持續(xù)在運(yùn)動(dòng)，線路平順性不同，作業(yè)速度不同，下壓油缸的運(yùn)動(dòng)情況也不相同。同時(shí)，作業(yè)運(yùn)行過(guò)程中，特別是下壓電磁閥失電的情況下，初始下壓力的大小由減壓決定，而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性主要依靠蓄能器來(lái)維持，因此蓄能器的容積和充氣壓強(qiáng)大小非常關(guān)鍵。為確定蓄能器的參數(shù)，在油缸不同位移變化情況時(shí)，對(duì)下壓回路工作壓力以及油缸輸出力的變化進(jìn)行分析［10-12］，在軟件中建立下壓回路液壓仿真模型（見(jiàn)圖3）。

圖3 下壓回路液壓仿真模型

仿真模型主要由泵源及控制回路、蓄能器和油缸液壓回路、油缸驅(qū)動(dòng)3個(gè)部分組成。泵源及控制回路由定量泵、溢流閥、減壓閥及二位二通電磁換向閥模型組成；蓄能器和油缸液壓回路由蓄能器和4個(gè)液壓油缸模型組成，液壓油缸并聯(lián)。蓄能器通過(guò)1個(gè)容性節(jié)點(diǎn)與油缸大腔相連；油缸驅(qū)動(dòng)部分由壓強(qiáng)傳感器模型、直線運(yùn)動(dòng)輸入信號(hào)元件模型以及其他電氣元件模型組成，完成油缸運(yùn)動(dòng)的位移輸入以及活塞桿輸出力檢測(cè)等功能。為簡(jiǎn)化仿真模型，由于作業(yè)時(shí)圖2中的電磁閥（10）處于常閉斷開(kāi)，而溢流閥（6）僅起安全作用，在模型中進(jìn)行了省略。

在模型中給定下壓油缸活塞桿位移變化曲線，通過(guò)仿真，可輸出蓄能器工作壓強(qiáng)以及油缸下壓力的變化曲線。

3 液壓回路仿真分析

3.1 仿真模型參數(shù)

GCX-1000型軌道除雪車(chē)的除雪小車(chē)車(chē)輪直徑為400 mm，輪緣高度為25 mm，為保證運(yùn)行安全性，小車(chē)輪緣不能脫離剛軌，仿真模型位移的變化采用正弦波信號(hào)，仿真過(guò)程假定其中1個(gè)車(chē)輪出現(xiàn)最嚴(yán)重的脫軌情況，對(duì)應(yīng)的下壓油缸運(yùn)動(dòng)最大位移為25 mm，另外3個(gè)車(chē)輪運(yùn)行較為平穩(wěn)，對(duì)應(yīng)處下壓油缸的最大位移為5 mm。仿真模型初始參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真模型初始參數(shù)

3.2 油缸位移頻率變化的仿真分析

油缸的位移主要由大車(chē)和小車(chē)在作業(yè)運(yùn)行過(guò)程中的相對(duì)位置變化引起，根據(jù)GCX-1000型軌道除雪車(chē)的運(yùn)行情況，55 km/h以下油缸的位移變化頻率一般不超過(guò)2 Hz，為仿真分析油缸運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)下壓力穩(wěn)定性的影響，充油完成后下壓力控制電磁閥在第10 s關(guān)閉，將輸入位移信號(hào)的頻率設(shè)為0.5、1.0、2.0 Hz進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果曲線見(jiàn)圖4。

根據(jù)下壓油缸的缸桿和桿徑尺寸，4個(gè)下壓油缸在6.5 MPa時(shí)理論下壓力大小為81.05 kN，通過(guò)對(duì)曲線進(jìn)行分析可得到各參數(shù)變化的最小及最大值，并可計(jì)算出相對(duì)于油缸不動(dòng)時(shí)靜態(tài)總下壓力的波動(dòng)范圍。具體參數(shù)分析數(shù)值見(jiàn)表2。

從圖4和表2可知，隨著油缸運(yùn)動(dòng)頻率加大，蓄能器的供油和充油流量加大，但壓強(qiáng)變化范圍基本不變，對(duì)應(yīng)的下壓力變化范圍也基本不變。因此，只要蓄能器的流量足夠，下壓力的穩(wěn)定性不會(huì)受運(yùn)動(dòng)頻率的影響。

為簡(jiǎn)化仿真計(jì)算并考慮極限情況，后續(xù)仿真的位移信號(hào)頻率都采用2 Hz。

圖4 不同頻率時(shí)總下壓力及蓄能器參數(shù)變化曲線

表2 參數(shù)分析數(shù)值

3.3 蓄能器充氣壓力變化的仿真分析

根據(jù)下壓力液壓控制回路原理，蓄能器在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下功能不同（如油缸收縮）。蓄能器用于吸收流量，當(dāng)油缸伸出時(shí)，蓄能器需及時(shí)補(bǔ)充油缸，從而維持下壓力的穩(wěn)定。蓄能器的充氣壓強(qiáng)會(huì)影響蓄能器的供油狀態(tài)從而影響下壓力的穩(wěn)定性，具體的功能不同，充氣壓強(qiáng)要求也不同，通常為正常工作壓力的0.6～0.9倍左右，可通過(guò)模型分析不同充氣壓強(qiáng)對(duì)下壓力控制穩(wěn)定性的影響。下壓控制回路的工作壓強(qiáng)為6.5 MPa，蓄能器的容積為2 L，充氣壓強(qiáng)設(shè)定為4.0、5.0、5.5 MPa，充油完成后下壓力控制電磁閥在第10 s關(guān)閉。仿真結(jié)果曲線見(jiàn)圖5，仿真結(jié)果分析見(jiàn)表3。

由圖5和表3可知，隨著充氣壓強(qiáng)的升高，蓄能器的工作壓強(qiáng)變化范圍減小，相應(yīng)的總下壓力的波動(dòng)范圍也減小，但充氣壓強(qiáng)從5.0 MPa提高到5.5 MPa時(shí)，下壓力的波動(dòng)范圍變化并不大，因此，實(shí)際充氣壓強(qiáng)為5.0 MPa即可。

3.4 蓄能器容積變化的仿真分析

蓄能器的容積越大，其他條件相同的情況下，對(duì)于維持下壓力的穩(wěn)定更有利，但受成本以及安裝空間的影響，滿足要求的情況下應(yīng)盡量采用最小的容積。蓄能器的充氣壓強(qiáng)為4.0 MPa，通過(guò)設(shè)定蓄能器的容積為2、4、10 L，充油完成后下壓力控制電磁閥在第10 s關(guān)閉，可通過(guò)模型仿真分析不同蓄能器容積對(duì)下壓力控制穩(wěn)定性的影響。仿真結(jié)果曲線見(jiàn)圖6，仿真結(jié)果分析見(jiàn)表4。

由圖6和表4可知，蓄能器的容積越大，蓄能器工作壓強(qiáng)和總下壓力的波動(dòng)范圍越小，蓄能器容積為10 L時(shí)，總下壓力波動(dòng)范圍非常小，穩(wěn)定性較好。

3.5 改進(jìn)方案下壓力仿真分析

根據(jù)前述的仿真分析結(jié)果，新的下壓控制液壓回路所用蓄能器容積選擇10 L，充氣壓強(qiáng)設(shè)定為5.0 MPa，通過(guò)模型對(duì)僅依靠蓄能器進(jìn)行下壓力控制的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果曲線見(jiàn)圖7。

圖5 不同充氣壓強(qiáng)時(shí)總下壓力及蓄能器參數(shù)曲線

圖6 不同蓄能器容積時(shí)總下壓力及蓄能器參數(shù)曲線

表3 不同充氣壓強(qiáng)時(shí)仿真結(jié)果分析

表4 不同蓄能器容積時(shí)仿真結(jié)果分析

由圖7可知，在僅依靠蓄能器的情況下，下壓力最終變化為79.08～83.33 kN，相對(duì)于設(shè)計(jì)穩(wěn)定值的變化范圍僅為±3%，滿足系統(tǒng)控制穩(wěn)定性要求。

圖7 改進(jìn)方案蓄能器壓強(qiáng)及總下壓力曲線（閥關(guān)）

以上仿真過(guò)程都是針對(duì)系統(tǒng)蓄能器充油完成后下壓電磁閥突然失電關(guān)閉，僅依靠蓄能器維持下壓力情況，在正常作業(yè)過(guò)程中，下壓力的穩(wěn)定是由減壓閥和蓄能器共同保證。總下壓力不能太低，會(huì)影響運(yùn)行安全性；但也不能太高，會(huì)增加工作上車(chē)的運(yùn)行阻力，并使除雪小車(chē)的振動(dòng)沖擊加大，甚至對(duì)除雪小車(chē)結(jié)構(gòu)造成破壞。通過(guò)模型可對(duì)下壓電磁閥接通，對(duì)減壓閥和蓄能器共同作用下的下壓力的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果曲線見(jiàn)圖8。

圖8 改進(jìn)方案蓄能器壓力及總下壓力曲線（閥開(kāi)）

由圖8可知，在減壓閥和蓄能器同時(shí)作用下，下壓力最小值為80.59 kN，最大值約為85.03 kN，相對(duì)于穩(wěn)定值的變化范圍僅為-0.51%～4.98%，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后下壓力由位于4個(gè)工作車(chē)輪上方的下壓油缸控制，減小了對(duì)小車(chē)框架結(jié)構(gòu)的影響，下壓力的大小由減壓閥與蓄能器配合的方式控制，并采用Simcenter Amesim進(jìn)行液壓仿真分析確定了合適的蓄能器參數(shù)，有效保證了下壓力的穩(wěn)定性及除雪小車(chē)運(yùn)行安全性。