智能鋪軌機(jī)牽引車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模分析

沈光華 陳志遠(yuǎn)

（中鐵四局集團(tuán)有限公司第八工程分公司，安徽 合肥 230041）

隨著我國(guó)人口老齡化速度加快，人口紅利逐漸消失，“招工難”、“用工荒”現(xiàn)象已經(jīng)出現(xiàn)，并不斷加劇。作為高速鐵路施工中重要的環(huán)節(jié)——鋪軌工程，一直屬于勞動(dòng)密集型施工，其輔助人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低[1]。為解決高速鐵路鋪軌施工用工難和技術(shù)落后的問(wèn)題，迫切需要發(fā)展高速鐵路智能鋪軌建造技術(shù)。該鋪軌車組由長(zhǎng)鋼軌牽引車、滾筒回收車和長(zhǎng)鋼軌推送車三大部分組成[2,3]，其中長(zhǎng)鋼軌牽引車用于自動(dòng)鎖緊、拖拉長(zhǎng)鋼軌和取碼、放置滾筒。自動(dòng)循跡行走是牽引車實(shí)現(xiàn)智能化的重要前提，為保證長(zhǎng)鋼軌牽引車自動(dòng)循跡行走的穩(wěn)定性，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)特性要求也高。牽引車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用閥控非對(duì)稱缸液壓系統(tǒng)，具有不對(duì)稱性和非線性的特點(diǎn)，其穩(wěn)定性和響應(yīng)性直接影響整車的安全行駛，因此對(duì)全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究非常必要。諶慶榮[4]建立了叉車橫置液壓剛式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向油缸軸向輸出力最小，但又保證較高的轉(zhuǎn)向精度。馬來(lái)好[5]采用AMESim 和Simulink 軟件建立轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，仿真結(jié)果表明輸出舵角能較好跟蹤給定舵角信號(hào)變化，滿足轉(zhuǎn)向快速性和準(zhǔn)確性要求。李偉[6]提出基于PID 控制方法的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制方法，提高了噴霧機(jī)的機(jī)動(dòng)性能和作業(yè)效率。本文基于AMESim 軟件建立轉(zhuǎn)牽引車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型，仿真分析車輪轉(zhuǎn)角等工作特性參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律。

1 牽引車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1（a）所示，牽引車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由左右車輪、左右回轉(zhuǎn)支撐、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向架組成。車輪與回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)圈固結(jié)，轉(zhuǎn)向架與回轉(zhuǎn)支撐外圈固結(jié)，轉(zhuǎn)向油缸活塞桿、缸筒分別與右回轉(zhuǎn)支撐的內(nèi)圈、外圈鉸接，左右回轉(zhuǎn)支撐的內(nèi)圈通過(guò)轉(zhuǎn)向拉桿連接。當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸做伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，右回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)圈相對(duì)外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)轉(zhuǎn)向拉桿帶動(dòng)左回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成兩車輪的轉(zhuǎn)向。

圖1 牽引車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與液壓原理

如圖1（b）所示，轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)主要由定量泵、溢流閥、電比例伺服閥、蓄能器和轉(zhuǎn)向油缸組成。定量泵供油量超過(guò)轉(zhuǎn)向油缸所需油量，可見(jiàn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為恒壓液壓源，泵出口安裝的蓄能器可以有效提高油源壓力穩(wěn)定性，通過(guò)比例伺服閥可以控制換向閥輸出油量的大小與流向，從而最終控制車輪轉(zhuǎn)向速度和方向。

2 牽引車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

通過(guò)分析牽引車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成和液壓工作原理，可以建立牽引車轉(zhuǎn)向的動(dòng)力學(xué)方程，在建模前，需作如下簡(jiǎn)化：

2.1 忽略油液壓力脈動(dòng)性，將電比例伺服閥輸入壓力視為穩(wěn)定液壓源。

2.2 忽略電比例伺服閥閥芯工作響應(yīng)時(shí)間。

2.3 不考慮油液體積彈性模量等工作特性參數(shù)隨溫度和壓力變化。

2.4 不考慮液壓油缸和電比例閥的泄露流量。

假設(shè)換向閥左工作位得電，由換向閥流入轉(zhuǎn)向油缸無(wú)桿腔的流量q1為：

式中：Cd為換向閥閥口的流量系數(shù)；Wdx為換向閥閥口的面積梯度；ps為換向閥入口供油壓力；p1為管路1 工作腔壓力。

流過(guò)液壓鎖的流量q2為：

式中：Cc為液壓鎖閥口的流量系數(shù)；Wcx為液壓鎖閥口的面積梯度；p2為管路2 工作腔壓力。

流過(guò)液壓鎖的流量q3為：

3 牽引車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AMESim 建模

采用西門子AMESim 軟件的液壓庫(kù)和平面機(jī)械庫(kù)，建立牽引車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型[7,8]。模型中的液壓元件和連桿機(jī)構(gòu)和實(shí)際物理系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)。定量泵和溢流閥用一恒壓液壓源替代，電比例伺服閥采用三位四通電比例閥替代；左回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)圈用二端口連桿1 替代（各端口分別連接鉸點(diǎn)M 和D）；右回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)圈用三端口連桿2 表示（各端口分別連接鉸點(diǎn)A、N 和C）；轉(zhuǎn)向連桿用兩端口連桿3 表示（各端口分別連接鉸點(diǎn)C 和D）；M、N 和B 表示轉(zhuǎn)向架上的固定鉸點(diǎn)。系統(tǒng)主要仿真參數(shù)如下：換向閥入口壓力ps為21MPa；換向閥額定流量為30L/min；液壓鎖額定流量為45L/min；轉(zhuǎn)向油缸無(wú)桿腔面積為2375.83mm2；轉(zhuǎn)向油缸有桿腔面積為1413.72mm2；轉(zhuǎn)向油缸活塞位移為0.3m；車輪等效摩擦力矩為1200N@·m。

圖2 牽引車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AMESim 仿真模型

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真時(shí)間為6s，在0-3s 時(shí)間內(nèi)，換向閥工作在右位，轉(zhuǎn)向油缸無(wú)桿腔進(jìn)壓力油；在3-6s 時(shí)間內(nèi)，換向閥工作在左位，轉(zhuǎn)向油缸有桿腔進(jìn)壓力油，仿真分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作特性。從圖3 中可以看出：

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作特性

a.在0-3s 時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)向油缸無(wú)桿腔進(jìn)壓力油，克服負(fù)載建壓時(shí)有一定的壓力振蕩，但經(jīng)過(guò)0.14s 左右，系統(tǒng)壓力趨于穩(wěn)定；轉(zhuǎn)向油缸有桿腔通過(guò)換向閥直接與油箱相連，回油阻力較小；隨著油缸活塞桿繼續(xù)伸出時(shí)，阻力臂和動(dòng)力臂發(fā)生變化，無(wú)桿腔壓力逐漸增大，到1.1s 時(shí)，無(wú)桿腔壓力由9.1MPa 增至11.5MPa，活塞桿位移由0 增至0.15m；右車輪轉(zhuǎn)角由0 增至26.5°，左車輪由0 增至40°；當(dāng)油缸活塞桿達(dá)到極限位置時(shí)，無(wú)桿腔壓力和系統(tǒng)供油壓力相等，達(dá)到21MPa。

b.在3s 時(shí)，轉(zhuǎn)向油缸有桿腔進(jìn)壓力油，系統(tǒng)克服負(fù)載建壓時(shí)有一定的壓力振蕩，經(jīng)過(guò)0.15s 左右，系統(tǒng)壓力趨于穩(wěn)定，但有桿腔有效作用面積小于無(wú)桿腔，其壓力陡增至18.5MPa；轉(zhuǎn)向油缸無(wú)桿腔通過(guò)換向閥直接與油箱相連，回油阻力較小；隨著油缸活塞桿繼續(xù)縮回時(shí)，阻力臂和動(dòng)力臂發(fā)生變化，無(wú)桿腔壓力逐漸減小，到5s 時(shí)，無(wú)桿腔壓力由18.5MPa 減至16.2MPa，活塞桿位移由0.15 減至-0.15m，達(dá)到極限位置；在3-4.05s 時(shí)間內(nèi)，右車輪轉(zhuǎn)角由26.5°逆時(shí)針轉(zhuǎn)至0°，左車輪由34°逆時(shí)針轉(zhuǎn)至0°；在4.05-5s 時(shí)間內(nèi)，右車輪由-22°；左車輪由34°逆時(shí)針轉(zhuǎn)至-19°。

c.在6s 時(shí)，轉(zhuǎn)向油缸無(wú)桿腔進(jìn)壓力油；在0.9s 左右時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)向油缸回到中位，左、右車輪均回到直行狀態(tài)，系統(tǒng)停止供油；由于液壓鎖的作用，無(wú)桿腔保持2.7MPa 左右壓力，有桿腔壓力基本為0MPa。

4 結(jié)論

根據(jù)牽引車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和液壓原理，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和AMESim 模型，仿真分析轉(zhuǎn)向油缸活塞桿運(yùn)動(dòng)到左右極限位置時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作特性，可以得出如下結(jié)論：

4.1 轉(zhuǎn)向油缸無(wú)桿腔工作壓力小于油缸腔工作壓力；右車輪轉(zhuǎn)向角度變化范圍為-22°-26.5°；左車輪轉(zhuǎn)向角度變化范圍為-19°-34°；右車輪右轉(zhuǎn)到極限位置并復(fù)位分別需要1.1s 與1.05s；左車輪左轉(zhuǎn)到極限位置并復(fù)位分別需要0.95與0.9s。

4.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還有進(jìn)一步優(yōu)化空間，如：左車輪左右轉(zhuǎn)向角度差別較大，機(jī)構(gòu)連接鉸點(diǎn)位置需要優(yōu)化；轉(zhuǎn)向油缸工作壓力過(guò)大，需要適當(dāng)增加油缸缸徑，但要兼顧轉(zhuǎn)向時(shí)間。