基于AMESim的转向架综合试验台液压系统设计及仿真.pdf

2 0 1 0年 9月 第 3 8卷 第 1 7期 机床与液压 MAC HI NE T 0OL HYDRAULI CS S e p ． 2 0 1 0 V0 1 ． 3 8 No ． 1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 7 ． 0 2 0 基于 A M E S i m的转 向架综合试验 台液压系统设计及仿真 于今 ，刘伟 重庆大学机械工程学院，重庆 4 0 0 0 4 4 摘要分析跨座式单轨轨道交通公司提供的车辆运行及转向架各试验参数，设计可以模拟车辆实际运行情况的轻轨车 辆转向架综合试验台的液压传动及控制系统。根据转向架综合试验测试参数及测试方法搭建液压回路，运用电液比例技术 对液路进行精确控制。阐述试验台液压系统各子系统的原理及特点，运用 A ME S i m进行加载回路和调速回路仿真分析，结 果表明系统 满足转 向架试验台工作要求 。 关键词 液压系统 ；试验 台；液压加载 ；电液 比例控制 ；A ME S i m 中图分 类号 U 2 7 9 ． 32 3 ；U 2 7 0 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 7 0 6 4 4 De s i g n a nd Si mul a t i o n o f Te s t b e d Hy d r a ul i c S y s t e m o f Ve h i c l e Bo g i e Ba s e d o n AM ES i m YU J i n．L I U We i C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g o f C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 ，C h i n a Abs t r a c t Th e h y d r a u l i c s y s t e m o f c o mp r e h e n s i v e t e s t be d o f l i g h t r a i l v e h i c l e bo g i e， wh i c h c o u l d i mi t a t e t h e r e a l c o nd i t i o n o f r u n n i n g v e h i c l e ， w a s d e s i g n e d b a s e d o n a n a l y z i n g t h e p a r a me t e r s o f b o g i e o f t h e l i g h t r a i l w h i c h w e r e s u p p l i e d b y s o me me t r o c o mp a n y． Ac c o r d i n g t o t h e t a r g e t pa r a me t e r s o f c o mp r e h e ns i v e t e s t b e d a n d t e s t me t h o d，t h e h y dr a u l i c l o o p wa s s e t up． Us i n g t he e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l t e c hn o l o g y，t h e h y dr a ul i c l o op wa s c o n t r o l l e d a c c ur a t e l y Th e p r i n c i p l e a n d c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e rn o f c o mp r e he n s i v e t e s t b e d we r e e x p o u n de d． Us i n g AMESi m s o f t wa r e，t h e s i mu l a t i o n s o f t h e l o a d l o o p a nd s p e e d g o v e r n i n g l oop we r e ma de ． T he r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g ne d s y s t e m s a t i s f i e s t he r e qu i r e me n t o f t h e c o mp r e h e n s i v e t e s t be d o f v e h i c l e b o gi e ． Ke y wor Hy d r a u l i c s y s t e m；Te s t b e d； Hy d r o l o a d；El e c t r i c h y dr a ul i c pr o po r t i o n c o n t r o l ； AMES i m 随着轻轨车辆在全 国范围内的使用 ，轻轨车辆 的 检测维修装置成 为轻轨车辆能够安全稳定运行的关键 所在。转 向架是单轨车辆 的重要组成部分 ，主要承担 单轨车辆 的承载 、牵 引 、制动 、平衡等功能 ，关系到 单轨车辆运行安全可靠性及舒适性 ⋯。转 向架综合试 验台是针对轻轨车辆转 向架在各种工况下 的工作性能 而设计 的工作台。涉及跨座式单轨交通的相关核心技 术 、关键技术几乎全部为 E t 本所垄断 ，我 国使用完全 靠 引进 。为了满足试验台检测维修需要 ，研制 了一套 转 向架综合试 验台的液压系统来确保 试验 台的安全 、 稳定运行 。 1 试验台液压系统技术要求介绍 液压系统 由送进 系统 、加载系统 、插销系统和调 速系统组成 。执行件为送进油缸 、加载油缸 、插销油 缸和调速马达 。加载油缸采用比例阀控制 ，动态调节 加载压力 。马达采用液压无级可调 ，使试验台启 、停 平稳 。传动装 置采用 安 全可靠 、性 能成 熟 的先进 产 品。设备具有各种安全保护装置 、信号装置 ，以保证 试验 台作业 安全。试验 台作业 由操作 台控制完成 ，控 制方式为手 动。转 向架空载试验 台选用的元器件为标 准件 ，具有较强的互换性 、可维修性 ，具有合理的先 进性 ，较高的可靠性 和安全性。 2 液压系统功能及技术参数 2 ． 1 功 能 液压系统主要 为工作 台的就位和对实际工况模拟 及磨合提供动力 ，包括送进 、插销 、加载和调速 4个 功能 回路。 2 ． 2主要技术参数及要求 表 1 主要技术参数及要求 磨合试验等效走行速度／ k m h 5～ 8 0 可凋 液压加载载荷调节范围／ k N 0～ 2 5 0 运转速度控制 液压无级 可调 走行速度测量范 围／ k m h 2 ． 5～1 2 0 电源 c 8 o V 5 0 专用的标准及规范 设备 的 设计 、 制造 、 试 验 、 安装及验收应遵照相关标 准现行有效 的最新版本 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 2 基金项目国家科技支撑计划 2 0 0 7 B A G 0 6 B 0 5 作者简介于今 1 9 6 4 一 ，男，博士，副教授，硕士研究生导师，从事液体智能传动与控制。通信作者刘伟，电话 1 3 6 37 8 31 2 2 9， E ma i l v a nl i u． s c o r p i o g ma i l ．c o n 。 第 1 7期 于今 等基于 A ME S i m的转向架综合试验台液压系统设计及仿真 6 5 3液 压 系统工 作原 理及 设计 根据设计分析 和要求 ，拟 定液 压控制 系统 原理 ， 考虑到试验装置 比较重 ，同时还要对试验 台加载 ，故 系统压力定为 2 0 MP a 。 3 ． 1送进 功 能 回路 设计 高压油源 经过 三位 四通 换向 阀，再 由液控 单 向 阀到 节流 阀 ，最 后 流 到 送 进 油 缸 ，油缸 推 动压力 由液控单 向阀和单 向节流 阀之 间 的溢 流阀调定 ，油缸推 进 和退 回 的速度 由两个 单 向节 流阀进 行 回油节 流调 节 。节 流 阀 安置在靠 近油 缸处是 为 了不 影 响 液 控 单 向 阀 的 锁 死 功 能 。液压原理 图如 图 1 。 图 1 送 进功能回路 送进功能 回路 主要负责将承 载滑 台送人 到龙门加 载 台下和送 出到原位 ，送进 速度为 0 ． 3 m ／ s 。承载滑 台与转 向架总质量将达到 1 2 t 。送 进功能 回路要推动 1 2 t 的滑 台水 平 运 动 3 m 的距 离。滑 台 在滑 轨 上运 动 ，在送进滑 台导轨部粘贴聚 四氟 乙烯软带 ，为 了导 轨卸载和减小滑动摩擦 ，送进滑 台和底座导轨 的横 向 和垂 向分别 由 6个滚柱式滚动导轨块定位 ，同时也减 小了送进 油缸的推力和拉力 。确定滑台与滑轨之 间摩 擦 系数 为 0 ． 1 5 ，由此得 油 缸推 力 和拉力 大 小为 F 1 2 t 0 ． 1 5 g 1 8 k N g为 重力加 速度 ，考虑到安 全系数 ，推力 和拉 力 取 为 1 2 0 k N，选 直 径 1 2 5 m m、 行 程 3 1 0 0 m m的油缸。油缸出力 一行程特性 曲线 图， 如图 2 图 中 ， J 为行程 。 100 Z ≤ l Lk ／ m i n 图 2 油缸 出力 一行程特性 曲线 3 ． 2加载 功 能 回路 设 计 高压油经系统调压进入加载功能回路 ，经两个三 位四通 电磁换 向 阀为 两组加 载 油 缸单 独 提供 加载 压 力 ，由于换向阀前有 凋压 阀 ，故两组 压力互 不干扰 ； 高压油经过三位 四通电磁换 向阀由 比例溢流阀调压后 驱动 两 个 加 载 油 缸 ，加 载 压 力 可 变 ，压 力 不 超 过 2 5 0 k N。比例溢 流 阀接 收 的信 号 即转 向架 纵 向受 压的负载信 号 由上位 机 给定 ，上 位机 可 以输 出三 角波 、矩形 波和其 他曲线 波形 的信号 ，包括从轻轨车 实际运行中采集 到的转 向架所受 压力信 号。将此信号 经过 处理 ，调节通 过比例 溢流阀的电流使其产生相应 的压力施加 给油缸来模拟 实际工 况 。压力表对所加 的压 力显示并反馈 给控制 系统 ，系统会根据调定值对 比例 溢流阀控制 电流进行 调节 ，保证压力与预设值相 同。当压力达到预设值后 ，弹簧复位 ，液控单向阀作 用 ，油缸保持预设压力 。溢流阀放在 比单 向阀更靠近 油缸 的地 方 是 考 虑 了 油缸 在 高 压 力 下 的 浮 动 ，因为 转 向架 在 试 验 当 中本 身 会 有 微 小 的振 动 ，所 以油 缸 活 塞有上下 浮动 的需 要 ， 来 满 足 系 统 的 振 动 。 如果 油 缸 受 到 向 上 的 振动 回 弹 力 ，则 回 油 腔压 力 升 高从 溢 流 阀 溢流 ，而 系 统 压 力 保 持不 变 ，且 可 以减 小 振动 回 油对 回路 中各 个阀 的 冲击 。加 载 功 能回路如图 3示 。 图3 加载功能回路 与送进 油路设 计方法相同 ，根据 系统压力 与要求 压力 和油缸 出力 一行 程特性 曲线 图确定 选用 直径 为 1 6 0 m m、行程 3 0 0 m m油缸 ，加载功能 回路 选用 了两 个 同型号的电液 比例溢流阀 ，通 过系统 预设信号 曲线 对溢 流阀进 行高频 实时调节。 3 ． 3插 销 功能 回路设 计 插销油 缸用 来 将 转 向架 中心 销 穿 到转 向架销 孔 中或 从销 孔 中拉 出，且 到达 目标位 置 后需 定位 。不工 作 时换 向阀处 于 中位 ，油缸 杆 收 回，同液 控 单 向阀锁 死 ，防 止缸 杆 自动下 落 。销 下 落时 回油 口有 节流 阀保证 下行 速度 平稳 。插 销 过 程 结 束 后 ，试 验 开 始 ， 液控单 向阀锁 死油 缸 ，保 证 中心 销 不 脱落 。试 验 完 毕 ，换 向 阀 左 位 工 作 ， 中心销拉 出 ，到 达 目标 位 置 ，液 控 单 向阀锁 死油 缸 ，使 其 在重 力 的作 用 下 图 4 插 销功 能 回路 6 6 机床与液压 第 3 8卷 会下落。如图 4示。 3 ． 4调速 功能 回路 的设计 调速功能 回路通过 调节进入马达的油液流量 ，来 控制马达 的转速 。该项 目采用双变量泵双定量马达控 制 回路 ，每个变量泵单独为一个定量马达供油 ，回路 相同 ，下面 以其中一个 回路说明工作原理 。液压原理 图如图 5 。高压油经过 比例方 向阀进人 马达 ．带动马 达转动 ，马达处有测速器测速 ，并反馈 给系统 。系统 内有预定 的速度 曲线 ，经过 一 、 、 、 比较 由系统控制器来 调节 比 上 一 ， 例方 向阀 的控制 电流 ，从 而 决定方向阀的开 口大小 和方 向，来控制通过方 向阀 的流 量 ，达到闭环控 制马达转速 的目的 。马达 两个进 出 L I 处都设有 检测 接头 ，检修或 检测 时可 以根据需要 安置压 力表来检测马达工作 压力大 5 调速功能回路 小。图6为电流 比例换 向阀 闭环控制方法示 意图。 图 6 速度控制原理 马达需带动走行轮运行 至 8 0 k m ／ h ，磨 合速度要 求 1 0～ 8 0 k m ／ h ，考虑到 车轮最高转速 为 1 2 0 k m ／ h ， 为方便 以后升级 ，以 l 0～1 2 0 k n v ／ h为选 型基 础。走 行轮直径为 1 0 0 6 m m，走行 轮到马 达的传 动系数是 由走行轮 、摩擦轮 、齿轮机构和减速机之问的传动比 来决定 的 ，走行轮与摩擦轮传 动 比为 1 ． 2 5 7 5 半径 比决定 ，齿轮机构 已选定为 2 ． 5的传 动 比．减速机 的传 动 比为 2 ． 5 ，则 总 传 动 比 i1 ． 2 5 7 52 ． 5 2 ． 5 7 ． 8 6 ，这样 可 确定 马 达转 速 范 围在 4 2 0～4 9 7 5 r ／ ra i n ，因此选最 高转 速可 达 5 6 0 0 r ／ ra i n 、排 量 为 4 5 m L ／ r 的马达。根据转速和排量确定 流量 ，选定 变量泵和其 他部件 。 送进功 能回路 ，加载功能 回路和插销功能 回路共 用一个最大排量为 1 3 0 m L ／ r 的变量泵来 供油。此外 ， 液压站由单独 的排量为 1 0 7 r n L ／ r 定量泵 工作 柬建立 冷却 系统 ，使系统油能够更快地冷却 ，从而使 系统运 行更稳定。 4 A ME S i m系统仿真 运用 常用 的液压仿 真软件 A M E S i m对关键液压 回 路进行仿真 。作为设计 软件包 ，A ME S i m为用户提供 了一个完善 的时域仿 真 包括 线性 分析及 各种专 业 特性 建模环 境。可 使用 已有 模型 建立新 的子模 型 元件 ，来构建优化设计所需的实 际原型。基 于先进的 数字积分器 ，A M E S i m求 解器 根据 系统 的动态特 性 ， 在 1 7种可选算法 中 自动选择最佳 积分算法 ，并具 有 精确的 不连 续性 处 理 能 力 ，A M E S i m这 些 独创 的 技 术 ，保证了仿真的速度和精度 。 主要对 比例加载 回路 和调 速 回路 时行仿真分 析。 在 A M E S i m 中为加载 回路和调速回路建立模 型 ，分别 如图 7、8示 图 7 加载 回路模 型 图 8 调速 回路模型 设置模 型参 数 ，对模 型 进行仿 真 分析 ，运 行软 什 ，得到仿真曲线 ，如 图 9 、1 0示 。 由两曲线 图分析 可知 ，在加载 回路 中，对 试验 台 的实时动态加载是成功 的，加载反应灵敏度高 ，没有 出现加载 时差 ；调速 回路 中，在 各级 速度 的调 节 当 中，加速平稳 ，速度 每增加 1 0 0 0转 ，加速 时间不超 过 8 S ，符合试验要求 ，回路设计 合理 。 第 1 7期 于今 等 基于 A ME S i m的转 向架综合试验 台液压 系统 设计 及仿真 6 7 图 9 加载 回路仿真 曲线 与 期 望曲线 图 1 0 调速回路仿真曲线与期望曲线 5结论 所设计 的转 向架 综 合 试验 台可安 全 、平衡 地 运 行 ，而且效率较 高。试验 台液压系统经过专业软件仿 真后 ，结果说 明系统符合转 向架试验 台工作要求 。在 空载磨合试验 台的基础上 ，试验台提高 了试验磨合 的 速度 ，可达到 8 0 k m ／ h的磨 合速度 ，并且 增加 了对实 际工况 和负载 变化 的模拟 。试 验台将为重庆轻轨车辆 转 向架试验提供 实际试验参 数 ，确保转 向架维修 以后 的安全检测 。该液压 系统 可以为单 轨车辆转 向架试验 台提供所需要 的动力 ，并且 还可应用到 国内轻轨车及 其他车辆转 向架的性 能试 验。 参考文献 【 1 】关明全． 城轨车辆技术与应用[ M] ． 北京 中国铁道出版 社 ， 2 0 0 5 1 1 5 ． 【 2 】何存兴 ， 张铁华． 液压传动与气压传动 [ M] ． 武汉 华 中 科技 大学 出版社 ， 2 0 0 8 2 3 6 2 3 9 ． 【 3 】吴根茂． 新编实用电液比例技术[ M] ． 杭州 浙江大学出 版社 ， 2 0 0 6 1 1 71 3 6 ． 【 4 】褚连娣， 殷建军． 变载荷数字式加载试验机电液控制系 统设计 [ J ] 机械工程 与 自动化 ， 2 0 0 8 3 2 8 3 3 ． 【 5 】付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真[ M] ． 北京 北京航 航 灭大学 出版社 ， 2 0 0 6 1 1 0 ． 上 接 第 7 0页 作用液压缸 。 2 应 用 A N S Y S有 限元 分析软件 对举 升液压 缸 的强度进行 了分析 。第二 二 级缸筒伸 出时 ，最高应力为 2 0 4 M P a ；第三级缸筒伸 出时 ，最高应 力为 2 3 2 MP a ； 活塞杆伸 出时 ，最高应 力为 3 0 7 MP a 。仿 真分析结 果 表明 ，上耳环与缸盖的接合处 以及活塞与活塞杆的联 接处是应 力比较大 的区域 。对于液压缸筒而言 ，其 内 圆柱面 的应力大 于外 圆柱 面的应 力 ，缸筒应力 由中部 往两端依次变小 。举 升液 压缸 的结 构设计 符合 2 2 0 t 电动轮 自卸车的工况要求 。 参考文献 【 1 】Wa n H R， T a n g X I ， D u a n J D ． P r e s e n t s t a t u s a n d f u t u r e d e v e l o pme n t 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a l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e s ， 2 0 0 9， 51 1 0511 3．