轨道路基动力响应液压激振系统仿真.pdf

2 0 1 1 年 1 1 月 第 3 9卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I C S No v ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 21 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 1 ． 0 4 0 轨道路基动力响应液压激振系统仿真 王文娟 ，曾良才 ，蒋俊 ，石磊 ，罗福胜 ，付曙光 1 ．武汉科技大学，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 ； 2 ． 武汉船用机械有限责任公司，湖北武汉4 3 0 0 8 4 摘要为了研究轨道路基动力响应，对所建立的可模拟列车荷载的液压激振系统进行了 A M E S i m建模与仿真。对所设 计的动、静压腔液压激振系统分别进行建模与仿真，验证各 自的可行性；然后封装所有模型构建整个液压激振系统模型， 并对其进行仿真。结果表明， 所设计的液压激振系统能满足设计指标要求。 关键词路基动力响应；液压激振系统； 仿真 ‘ 中图分类号T H 1 3 7 ． 9 ； T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 1 1 3 8 4 S i mu l a t i O n O f Hy d r a u l i c Ex e i t a 廿 o n S y s t e m f o r Tr a c k Gr o u n d Dy n a mi c Re s p o n s e s WA N G We n j u a n ，Z E N G L i a n g c a i ，J I A N G J u n ，S HI L e i ，L U O F u s h e n g ，F U S h u g u a n g 1 ． Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a ； 2 ． Wu h a n Ma r i n e Ma c h i n e r y P l a n t C o ． ，L t d ． ，Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 8 4 。C h i n a Ab s t r a c t T o r e s e a r c h t h e t r a c k g r o u n d d y n a mi c r e s p o n s e ，mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n we r e d o n e b y AME S i m s o f t wa l f o r t h e h y d r a u l i c e x c i t a t i o n s y s t e m，wh i c h Wa S e s t a b l i s h e d t o i mi t a t e t h e v i b r a t i o n o f t h e mo v i n g ． T h e f e a s i b i l i t i e s o f t h e d e v i s e d d y n a mi c h y - d r a u l i c e x c i t a t i o n s y s t e m a n d s t a t i c h y d r a u l i c e x c i t a t i o n s y s t e m w e r e v e r i fi e d，wh i c h w e r e mo d e l e d and s i mu l a t e d r e s p e c ti v e l y ． A l l t h e mo d e l s w e r e p a c k a g e d t o b u i l d t h e wh o l e mo d e l o f t h e h y d r a u l i c e x c i t a t i o n s y s t e m， w h i c h ． W aS a l s o s i mula t e d ． Th e r e s u l t s s h o w the d e - s i g n e d s y s t e m me e t s t h e d e s i g n req u i r e me n t s ． Ke y wo r d s T r a c k g r o u n d d yn a mi c r e s p o n s e；Hy d r a u l i c e x c i t a t i o n s y s t e m；S i mu l a t i o n 路基对列车交通荷载的动力响应十分复杂。列车 在轨道上运行时，车轮与钢轨间的轮轨作用力经钢 轨、轨枕、道碴等轨下结构的传递分散作用后在路基 中产生响应。该动力响应可看作是由列车轴重的静压 力与各种振荡因素导致的动压力两部分力共同作用的 结果 。 为模拟这一工况，作者采用双环面伺服液压缸液 压激振系统以模拟路基对交通荷载的动力响应 ，并利 用 A M E S i m软件对所建立的轨道路基液压激振系统进 行建模仿真，验证系统的可行性。 1 轨道路基动力测试液压系统的建立 如图 1 所示 ，轨道路基动力测试激振器主要由双 环面伺服激振缸 含力传感器和位移传感器 ，电磁 换向阀，比例减压阀，电液伺服阀，高精度进、回油 过滤器等组成 。该激振伺服缸具有静压和动压输 出，静压由三通比例减压阀7控制，输出不变的液压 力作用于伺服激振缸的静压腔，用于模拟轨道路基静 载荷；动压由电液伺服阀9控制，用于构成力和位置 双参数耦合闭环系统，输出可控波形 ，产生的交变液 压力作用于伺服激振缸的动压腔，模拟列车运行时对 路基产生的交变动载荷 ，以满足轨道路基动力响应试 验的要求。 动压腔 静压腔 1 一吸油过滤器2 恒压变量泵卜 卸荷溢流阀4 一回油过滤器 5 _ I 风冷却嚣6 一电磁换向阀7 一三通比饲减压阀8 双环面伺服液压缸 9 一电液伺服栩l O 一蓄能器l l ～高压过滤器l 2 一安全阀l 卜 油箱 图 1 轨道路基动力测试激振器液压系统原理图 收稿日期2 0 1 01 0 0 9 作者简介王文娟 1 9 8 5 一 ，女，硕士研究生，主要从事液压控制技术方面的研究。E m a i l w e n j u a n w a n g 0 7 1 7 1 6 3 ． c o rn。 第 2 1 期 王文娟 等轨道路基动力响应液压激振系统仿真 1 3 9 电磁换向阀主要控制静压腔压力通断及调整激振 头的位置。在现场需要调整激振头到达指定位置时 ， 通过电磁换向阀左右换向来控制激振头上下移动到达 指定铁路路基激振面。工作时，电磁换向阀6的电磁 铁 D T 1 得电，经过 比例减压阀的压力油作用于静压 腔上腔对路基产生静压。当工作结束时，电磁换向阀 的电磁铁 D T 2得电，激振头缩回。 根据路基动力响应的分析 ，初步设定系统工作压 力 3 0 M P a 。双 环 面伺 服 液压 缸 动压 腔 输 出力 为 数。 -1 - 1 0 0 k N，静压腔输出力为 1 5 0 k N；根据激振幅值 1 H z 时激振幅值 士 2 0 m m，4 0 H z 时激振幅值 0 ． 5 m i n 确定动压腔活塞行程为 1 0 0 ra i n ，静压腔活塞 行程也 为 1 0 0 m m。 2 轨道路基测试液压激振系统建模与仿真 A M E S i m软件原有液压元件库里的液压缸模型比 较理想化，无法对其 内泄漏和油液的可压缩性进行设 置，利用 H C D构造库对双腔输出力伺服液压缸模型 进行构造 ，如图2所示。 D j p r 。 稿蜥c h | 由| S t a b 雕黼 c h 一 曲 图2 动、静压腔伺服液压缸模型 如图3所示建立动压腔液压控制模型后 ，设置参 因为质量很小的质量块不能模拟现场。非直接连接的 图 3 动压腔液压控制模 型 为了模拟动压腔输出力的活塞杆受力情况，用阻 尼器 D A M 0 0来模拟活塞杆左右移动过程 中受静压腔 活塞杆 的推拉力。A M E S i m提供 的子软件 比较理想 化 ，实际中达不到一些要求 ，通过设置子元件的参数 可以达到要求，因此用伺服阀 H S V 3 4 _ 2来模拟 2 D高 频激振阀，H S V 3 4 _ 0 1 1 模拟控制偏载的伺服阀。有 些理想化的参数和实际中有很大的区别，在仿真过程 中要根据输 出结果不断地调整 ，这项任务是很繁琐 的，特别是增益，3个增益放大器的放大系数很大程 度上依赖于经验和伺服阀出厂时放大电路所设定的 值。还有值得注意的是质量块的质量需要设置很大， 管路尽量设置短而粗，减小高频激振时压力损失。 A ME S i m软件 自带有批处理功能 ，通过批处理功能再 进行反复修正才能得到 自己想要的结果。对激振频率 在 2 5 H z 时激振器动压腔输出力进行仿真，结果如图 4 _5 。图4为 2 5 H z的正弦输出信号 ，图5为所得到 的输出力曲线图。 0 5 0 ．0 -0． 5 ．1 ． 0 1 5 0 1 00 5 0 0 一50 _1 00 ．1 50 6 I 1 I f I I 6 1 l I f 6 。 I I I f _ J I 图4 输入 2 5 H z 正弦信号 0 ． 0 O ． 2 0 ．4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 tl s 图5 2 5 H z 时输出力响应曲线 1 4 0 机床与液压 第 3 9卷 静压腔液压控制系统模型图如图6所示，用可控 力 F O R C 1 来模拟外负载和动压腔对静压腔工作压力 的扰动，S I N 0 - 2扰动频率为 4 0 H z ，S I N 0 - 1的频率由 激振 频 率 决 定，在 此仿 真 中，取 最 大 激 振 频 率 4 o H z 。输入信号见图7 ，F O R C 一 1 扰动信号见图8 。 l 0 O 5 耋0 ．0 _0 5 一1． 0 图6 静压腔液压控制模型图 0 ． 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 f ， s 图7 s I N 0 - 1 输入信号 10 0 5 O 0 一50 ．1 00 O ． O O ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． t ／ s 图8 F O R C - 1 扰动 从图9中可以看出，在扰动的情况下 ，静压腔建 立压力后 ，基本保持 3 0 MP a 压力不变。 对动压腔和静压腔分开建模与仿真后，对两者进 行封装组合构成激振器液压控制系统模型，如图 1 0 所示 。 建立模型后 ，激振器以频率4 0 H z 激振条件对整 个液压控制系统进行仿真，如图1 1 所示。 理论上 ，活塞杆输出力由动压腔 1 0 0 k N正弦 交流分量与静压腔 1 0 0 k N直流分量叠加而成 ，在曲 线图应 表现为以 1 5 0 k N为振 动点 、最大 幅值 2 5 0 k N、最小幅值 5 0 k N的正弦波。从仿真结果看，当 系统稳定后，输出与理论结果相符 。稳定前 出现的 偏差较大是由于动压腔在短时间内未达到稳定，加 上静压腔建立所需压力需要一定时间所造成的。要 提高响应速度和减小振荡时间，在设计液压缸的时 候需要对其尺寸作进一步的优化，以优化阻尼比 和固有频率 ∞ 。 3 5 3 0 2s 2 0 鼍1 5 1 0 5 0 0 ． 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ．6 0 ． 8 1 ． 0 t ／ s 图9 静压腔工作压力曲线图 3结论 基于对轨道路基动力的响应分析，建立了轨道路 基动力响应测试液压激振器的液压控制系统。利用 A M E S i m软件对建立起来的液压控制系统进行建模和 仿真。分步骤地对双腔输出力伺服缸、动压腔液压控 制系统、静压腔液压控制系统进行建模与仿真，验证 其可行性；最后将所有已建模型封装起来组成整个激 振液压控制系统，并仿真验证能否得到所需 的输出 力。结果表明所设计的伺服控制系统能满足高频响、 大推力的要求。 第 2 1 期 王文娟 等 轨道路基动力响应液压激振系统仿真 1 4 1 2 5 0 2 O O Z 1 5 o 1 o o 50 0 图 l 0 激振器液压控制模型 o ． o 0．2 o ． 4 o ． 6 o ． 8 1 ． o t ／ s 图 1 1 激振频率 4 0 H z 时 ， 活塞杆输出力值曲线 参考文献 【 1 】 梁波 ， 罗红， 孙常新 ， 等． 高速铁路振动荷载的模拟研究 [ J ] ． 铁道学报， 2 0 0 6 ， 2 8 4 8 9 9 4 ． 【 2 】 孙文质． 液压控制系统 [ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 8 5 ． 【 3 】陈新元， 陈奎生， 曾良才， 等． 电液伺服激振系统设计与 仿真[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 1 2 1 0 8 1 0 9 ． 【 4 】 陈新元， 曾良才， 陈奎生， 等． 液压压下伺服缸动态特性 测试系统研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 o 0 4 3 3 03 1 ． 【 5 】 A M E S i m用户使用手册[ M] ． 上接第 1 2 7页 削弱也较 明显 ，压力值基本稳定在溢流阀调定压力 1 0 ． 0 MP a 左右 。 将节流阀开口量增大为最大值 的0 ． 0 3倍 ，仿真 曲线如图5所示。与图 3相比，活塞工进速度变大， 反映在行程曲线上到达终点时刻提前，停顿时间延 长。可以通过改变 C o n t r o l 1的值调节停顿时间。工进 所需流量也变大。泵出口压力状况与图3相比变化不 大 。 3结论 对液压系统进行建模与仿真，是研究改善系统动 态特性的有效方法。根据以上仿真分析，可得出如下 结论 行程节流阀速度换接回路能够满足速度快速准 确切换的性能要求；在泵出口增设节流阀和蓄能器能 够有效降低系统速度波动和压力脉动，从而提高系统 平稳性和寿命 ；通过改变节流阀开口大小可以进一步 调节执行元件速度 ，从而可以适应不同行程下对时间 的要求 。 参考文献 【 1 】罗静 ， 柳雪春， 云飞． 一种新型的节能低热耗液压调速回 路[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 1 1 81 0 ． 【 2 】 姚黎明， 邹灵琳． 节流阀节流调速系统速度平稳性分析 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 7 1 1 2 0 - 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