基于AMESim的公鐵兩用牽引車的液壓系統設計

（湖北工業大學 機械工程學院，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配作業，能有效解決無效載荷與有效載荷比值較大、經濟性較差等問題[1,2]。車內的液壓系統用于實現了模式轉換即車輪升降與翻轉等功能，因此液壓系統的高效和穩定性決定了牽引車模式轉換的效率[3]。

目前，已有一些學者對牽引車的液壓系統進行了研究。例如，侯廣慧[2]根據GQ045型牽引車的結構特點，針對性設計出了液壓傳動及控制系統。馬琳等[3]人利用系統可靠性設計分析技術對LGT 2001型牽引車液壓系統進行設計和可靠性分析。李立順等[4]人設計一種擁有垂直上下鐵軌技術的牽引車，并分析了該車液壓系統的工作原理和特點。王曉峰[5]通過對市場上現有牽引車的分析，從技術路線和技術規格入手，根據需求與設計標準，設計了相應的液壓系統。

但是，上述學者但只停留在原理的實現上，未通過軟件進行前期的參數設定和仿真實驗，設計周期長，無法保證液壓系統的穩定性和可靠性。而比利時LMS公司推出的AMESim軟件能有效地應用于自動化設備的液壓系統的設計與實現[6～8]。

據此，利用AMESim建立牽引車液壓系統仿真模型，并在此基礎上進行動態特性仿真，減少設計過程中存在的不確定性因素，進一步提高液壓系統的穩定性和可靠性。

1 公鐵兩用牽引車的液壓系統原理

公鐵兩用牽引車系統結構[9]如圖1所示，主要包括底盤，車架，驅動轉向子系統，液壓子系統，控制子系統。其中，驅動轉向子系統由行走電機，減速箱，轉向電機和橡膠輪等組成?？刂谱酉到y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動輪與轉向輪合一，橡膠輪既是行走驅動輪也是轉向輪。

圖1 公鐵兩用牽引車的系統結構簡圖[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，同時升起兩側鐵軌前導向輪、后導向輪。在鐵路模式下，升起從動萬向輪，同時降下兩側的鐵軌前導向輪，后導向輪，使得前后導向輪嵌入軌道，起到導向作用[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的影響，主要討論前后導向輪和執行翻轉動作的油路。

公鐵兩用牽引車液壓子系統包含導輪升降油缸、行走輪翻轉油缸、疊加單向閥、疊加節流閥、電磁換向閥和液壓動力單元等。該系統主要執行公路和鐵路兩種行走模式的轉換，通過控制系統處理的電信號，實現電磁閥的切換，完成行走輪的翻轉與行走以及導輪的升降。牽引車液壓系統原理圖如圖2所示。

圖2 公鐵兩用牽引車的液壓系統原理圖

在圖2所示的液壓系統中，將翻轉油缸與前導向輪油缸相連接，需要較為復雜的控制系統，來保證在地面上行駛時翻轉油缸的工作不會引起前導向輪的升降。同時，還要保證在鐵軌上行駛時，前導向輪液壓缸的工作不會導致行走輪的轉向。因此，該液壓系統會大幅增加相應控制系統技術要求[1,9]。

故本文提出改進方案，將翻轉油缸從前導向輪油路中獨立出來，并替換成雙桿液壓缸，為其單獨設計油路，并施加獨立的信號來控制行走輪的轉向，有利于簡化牽引車的控制子系統。

2 基于AMESim的公鐵兩用牽引車的液壓系統的建模與仿真

2.1 液壓系統模型的建立

液壓系統包括行走輪，導輪升降缸，行走輪翻轉缸與液壓動力單元等部分。根據改進后的公鐵兩用牽引車液壓原理圖（如圖3所示），運用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載模仿其在實際工作中的負載，在各換向閥處輸入信號來調節其方向。

2.2 液壓系統元器件參數設定

圖3 改進后的液壓系統原理圖

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

表1 模型主要參數設置

2.3 液壓系統仿真分析

液壓系統中翻轉油缸為雙桿液壓缸，與轉向機械裝置相連接，通過輸入不同的信號使翻轉油缸活塞向兩個方向進行運動，用以實現行走輪的翻轉轉向。設置翻轉油缸活塞行程最大為0.3m，活塞起始在油缸正中間0.15m處，分別對連接翻轉油缸的三位四通換向閥輸入正、負以及零信號，仿真時間為20s，間隔為0.1s。

圖4 液壓系統AMESim仿真模型

仿真得到如圖5所示的實驗數據，從圖中可以看出，翻轉油箱的活塞能很好地完成正負轉向以及回到初始位置的三種不同工作狀態。這使得牽引車在公路行駛時能實現行走輪的轉向，在切換至鐵路行駛模式時，行走輪的回復至初始位置的速度較快。

圖5 翻轉油缸仿真分析

由圖3和圖4可知，前后導向輪的液壓回路基本一致，故只需考慮其中一組導向輪的工作狀態。以前導向輪為例，該組導向輪下降時，初始液壓缸位移設置為0，液壓缸活塞行程長度為0.3m，與導向輪液壓缸連接的三位四通閥輸入正信號。導向輪上升時，初始液壓缸活塞位移設置為0.3m，與導向輪液壓缸連接的三位四通閥輸入負信號。上述升降過程仿真時間為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，左右導向輪的液壓缸位移在每一時刻幾乎相等，曲線較為平穩。說明前左與前右導向輪的同步性良好，動作執行時穩定性強，能很好地滿足實際的需要。

圖6 導向輪下降時左右液壓缸活塞位移

圖7 導向輪上升時左右液壓缸活塞位移

3 結論

為提升公鐵兩用牽引車液壓系統的高效性和穩定性，在原有牽引車液壓系統的基礎上，提出改進措施，并利用AMESim圖形化的建模方法對液壓系統進行仿真，避免了繁瑣的公式推導，提高了設計效率。仿真結果表明，優化后的液壓系統翻轉油缸工作狀態穩定，模式切換時行走輪回復初始位置的速度快，導向輪同步性良好，動作執行穩定性強，能滿足實際工程需求。

[1]趙大興,趙國棟,許萬,王璜.基于CANopen協議的公鐵兩用牽引車運動控制實現[J].制造業自動化,2015,37(23):135-138.

[2]侯廣慧.GQ045型公鐵兩用牽引車液壓傳動及控制設計[J].液壓與氣動,2014,(4):25-27.

[3]馬琳,張寶霞,吳強.LGT2001型公鐵兩用牽引車液壓系統的可靠性分析[J].機械設計,2012,29(3):93-96.

[4]李立順,孟祥德,李紅勛.一種新型公鐵兩用牽引車液壓系統的設計[J].起重運輸機械,2015,(8):26-30.

[5]王曉峰.電動公鐵兩用牽引車方案設計[D].成都:西南交通大學,2014.

[6]Mao J, Li X, Xie M. The hydraulic brake circuit simulation and analysis based on AMESim and MATLAB/Simulink[A].IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation,Control, and Intelligent Systems[C].2012:301-304.

[7]Han M, Song Y, Zhao W, Cheng Y, Ji X. Erratum to: Simulation and Optimization of Synchronization Control System for CFETR Water Hydraulic Manipulator Based on AMESim[J].Journal of Fusion Energy,2015,34(3):571-571.

[8]Li L, Wu X Q, Zhao H Y, Shan X M. Study on the System Characteristic of a Crane Walking Hydraulic System Based on AMESim[J].Advanced Materials Research,2012, (430-432):1809-1813.

[9]許萬,趙國棟,趙大興,等.基于CoDeSys的電動公鐵兩用牽引車控制系統設計[J].制造業自動化,2015,37(21):103-106.