基于AMESim的公鐵兩用牽引車的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068）

0 引言

公鐵兩用軌道牽引車（以下簡稱牽引車）是目前較實(shí)用的新型鐵路牽引車，適用于橋梁維修、高架線路檢修、排除交通事故等牽引調(diào)配作業(yè)，能有效解決無效載荷與有效載荷比值較大、經(jīng)濟(jì)性較差等問題[1,2]。車內(nèi)的液壓系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)了模式轉(zhuǎn)換即車輪升降與翻轉(zhuǎn)等功能，因此液壓系統(tǒng)的高效和穩(wěn)定性決定了牽引車模式轉(zhuǎn)換的效率[3]。

目前，已有一些學(xué)者對牽引車的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了研究。例如，侯廣慧[2]根據(jù)GQ045型牽引車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對性設(shè)計(jì)出了液壓傳動及控制系統(tǒng)。馬琳等[3]人利用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù)對LGT 2001型牽引車液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和可靠性分析。李立順等[4]人設(shè)計(jì)一種擁有垂直上下鐵軌技術(shù)的牽引車，并分析了該車液壓系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)。王曉峰[5]通過對市場上現(xiàn)有牽引車的分析，從技術(shù)路線和技術(shù)規(guī)格入手，根據(jù)需求與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的液壓系統(tǒng)。

但是，上述學(xué)者但只停留在原理的實(shí)現(xiàn)上，未通過軟件進(jìn)行前期的參數(shù)設(shè)定和仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)周期長，無法保證液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。而比利時(shí)LMS公司推出的AMESim軟件能有效地應(yīng)用于自動化設(shè)備的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[6～8]。

據(jù)此，利用AMESim建立牽引車液壓系統(tǒng)仿真模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動態(tài)特性仿真，減少設(shè)計(jì)過程中存在的不確定性因素，進(jìn)一步提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 公鐵兩用牽引車的液壓系統(tǒng)原理

公鐵兩用牽引車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[9]如圖1所示，主要包括底盤，車架，驅(qū)動轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)，液壓子系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)。其中，驅(qū)動轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)由行走電機(jī)，減速箱，轉(zhuǎn)向電機(jī)和橡膠輪等組成?？刂谱酉到y(tǒng)由車載無線接收器，手持無線遙控器組成。牽引車的傳動配置方式為行走驅(qū)動輪與轉(zhuǎn)向輪合一，橡膠輪既是行走驅(qū)動輪也是轉(zhuǎn)向輪。

圖1 公鐵兩用牽引車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖[9]

在公路模式下，降下從動萬向輪，使得萬向輪與地面接觸，起到支撐作用，同時(shí)升起兩側(cè)鐵軌前導(dǎo)向輪、后導(dǎo)向輪。在鐵路模式下，升起從動萬向輪，同時(shí)降下兩側(cè)的鐵軌前導(dǎo)向輪，后導(dǎo)向輪，使得前后導(dǎo)向輪嵌入軌道，起到導(dǎo)向作用[9]。從原理上看，萬向輪在公路模式下只起支撐作用，故此處忽略萬向輪對液壓系統(tǒng)的影響，主要討論前后導(dǎo)向輪和執(zhí)行翻轉(zhuǎn)動作的油路。

公鐵兩用牽引車液壓子系統(tǒng)包含導(dǎo)輪升降油缸、行走輪翻轉(zhuǎn)油缸、疊加單向閥、疊加節(jié)流閥、電磁換向閥和液壓動力單元等。該系統(tǒng)主要執(zhí)行公路和鐵路兩種行走模式的轉(zhuǎn)換，通過控制系統(tǒng)處理的電信號，實(shí)現(xiàn)電磁閥的切換，完成行走輪的翻轉(zhuǎn)與行走以及導(dǎo)輪的升降。牽引車液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 公鐵兩用牽引車的液壓系統(tǒng)原理圖

在圖2所示的液壓系統(tǒng)中，將翻轉(zhuǎn)油缸與前導(dǎo)向輪油缸相連接，需要較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，來保證在地面上行駛時(shí)翻轉(zhuǎn)油缸的工作不會引起前導(dǎo)向輪的升降。同時(shí)，還要保證在鐵軌上行駛時(shí)，前導(dǎo)向輪液壓缸的工作不會導(dǎo)致行走輪的轉(zhuǎn)向。因此，該液壓系統(tǒng)會大幅增加相應(yīng)控制系統(tǒng)技術(shù)要求[1,9]。

故本文提出改進(jìn)方案，將翻轉(zhuǎn)油缸從前導(dǎo)向輪油路中獨(dú)立出來，并替換成雙桿液壓缸，為其單獨(dú)設(shè)計(jì)油路，并施加獨(dú)立的信號來控制行走輪的轉(zhuǎn)向，有利于簡化牽引車的控制子系統(tǒng)。

2 基于AMESim的公鐵兩用牽引車的液壓系統(tǒng)的建模與仿真

2.1 液壓系統(tǒng)模型的建立

液壓系統(tǒng)包括行走輪，導(dǎo)輪升降缸，行走輪翻轉(zhuǎn)缸與液壓動力單元等部分。根據(jù)改進(jìn)后的公鐵兩用牽引車液壓原理圖（如圖3所示），運(yùn)用AMESim仿真軟件搭建仿真模型，頂層模型如圖4所示，在各油缸處均添加仿真負(fù)載模仿其在實(shí)際工作中的負(fù)載，在各換向閥處輸入信號來調(diào)節(jié)其方向。

2.2 液壓系統(tǒng)元器件參數(shù)設(shè)定

圖3 改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)原理圖

基于AMESim的公鐵兩用牽引車液壓系統(tǒng)元器件參數(shù)設(shè)定如表1所示，主要包括信號源、泵體、電機(jī)、液壓缸、三位四通閥和管道等元器件。其中UD00指行走輪與導(dǎo)向輪液壓缸，STEP0-3指翻轉(zhuǎn)油缸。

表1 模型主要參數(shù)設(shè)置

2.3 液壓系統(tǒng)仿真分析

液壓系統(tǒng)中翻轉(zhuǎn)油缸為雙桿液壓缸，與轉(zhuǎn)向機(jī)械裝置相連接，通過輸入不同的信號使翻轉(zhuǎn)油缸活塞向兩個方向進(jìn)行運(yùn)動，用以實(shí)現(xiàn)行走輪的翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向。設(shè)置翻轉(zhuǎn)油缸活塞行程最大為0.3m，活塞起始在油缸正中間0.15m處，分別對連接翻轉(zhuǎn)油缸的三位四通換向閥輸入正、負(fù)以及零信號，仿真時(shí)間為20s，間隔為0.1s。

圖4 液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型

仿真得到如圖5所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，翻轉(zhuǎn)油箱的活塞能很好地完成正負(fù)轉(zhuǎn)向以及回到初始位置的三種不同工作狀態(tài)。這使得牽引車在公路行駛時(shí)能實(shí)現(xiàn)行走輪的轉(zhuǎn)向，在切換至鐵路行駛模式時(shí)，行走輪的回復(fù)至初始位置的速度較快。

圖5 翻轉(zhuǎn)油缸仿真分析

由圖3和圖4可知，前后導(dǎo)向輪的液壓回路基本一致，故只需考慮其中一組導(dǎo)向輪的工作狀態(tài)。以前導(dǎo)向輪為例，該組導(dǎo)向輪下降時(shí)，初始液壓缸位移設(shè)置為0，液壓缸活塞行程長度為0.3m，與導(dǎo)向輪液壓缸連接的三位四通閥輸入正信號。導(dǎo)向輪上升時(shí)，初始液壓缸活塞位移設(shè)置為0.3m，與導(dǎo)向輪液壓缸連接的三位四通閥輸入負(fù)信號。上述升降過程仿真時(shí)間為15s，間隔為0.1s。

從圖6和圖7所示的液壓缸活塞位移曲線可以看出，無論是下降過程或是上升過程，左右導(dǎo)向輪的液壓缸位移在每一時(shí)刻幾乎相等，曲線較為平穩(wěn)。說明前左與前右導(dǎo)向輪的同步性良好，動作執(zhí)行時(shí)穩(wěn)定性強(qiáng)，能很好地滿足實(shí)際的需要。

圖6 導(dǎo)向輪下降時(shí)左右液壓缸活塞位移

圖7 導(dǎo)向輪上升時(shí)左右液壓缸活塞位移

3 結(jié)論

為提升公鐵兩用牽引車液壓系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性，在原有牽引車液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)措施，并利用AMESim圖形化的建模方法對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，避免了繁瑣的公式推導(dǎo)，提高了設(shè)計(jì)效率。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)油缸工作狀態(tài)穩(wěn)定，模式切換時(shí)行走輪回復(fù)初始位置的速度快，導(dǎo)向輪同步性良好，動作執(zhí)行穩(wěn)定性強(qiáng)，能滿足實(shí)際工程需求。

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