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自动轮对压装机液压系统研究与开发 摘要 轮对压装机主要用于火车轮对的压装，也可用于各型客货车轮对的压装。 目前国内专门生产轮对压装机的厂家相对较少，且压装精度不够高，主要是企 业与科研单位联合研制特定工况下的压装机。 轮对压装机主要由主压装机构、副压装机构、检测系统、压力一位移曲线 自动记录系统、电气系统、液压传动与控制系统等部分组成。在这些组成系统 中，液压传动与控制系统相当于压装机的神经中枢系统，液压传动的准确性与 平稳性决定了机器性能的好坏。 本课题综合目前国内外轮对压装机控制系统的发展水平和液压设备故障诊 断研究的发展现状，在对其进行深入分析研究的基础上，针对传统压装机普遍 存在的故障现象及液压控制系统设计缺陷，开展了“自动轮对压装机液压系统 研究与开发 工作。通过对现有的压装机液压系统的设计缺陷、故障现象以及 具体的工艺流程分析，采用简化设计、节能设计等现代设计方法，设计液压调 速回路和压力控制回路，并以电气自动控制技术与液压技术相结合的方式，实 现了压装机的工业自动化。使得整个工艺流程更加协调、灵活、可靠，轮对压 装精度更高，为火车提速提供了可靠保障，同时也提高了企业的经济效益。 本课题介绍了s i m u l i n k 软件包的特点，并针对轮对压装机压装过程利用 传递函数法建立了液压系统的数学模型，给出了仿真模型，详细介绍了如何利 用s i m u l i n k 对液压系统的动态特性进行仿真。同时讨论了影响动态特性的主 要因素。对液压系统进行动态仿真的结果表明，m a t l a b 能够提供系统稳定性、 响应快速性以及稳态精度等状态信息，为我们的设计带来了方便。 关键词：轮对压装机液压传动与控制系统传递函数动态仿真 t h e h y d r a u l i cs y s t e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h e w h e e l sa u t o m a t i cp r e s s f i tm a c h i n e a b s t r a c t t h ew h e e l sp r e s s f i tm a c h i n ei su s e dm a i n l yf o rt h et r a i nw h e e l sp r e s s f i t ，c a n a l s ob e u s e df o ra l l t y p e so fv a n s w h e e l so nt h e p r e s s - f i t p r e s e n t l y t h e m a n u f a c t u r e r sp r o d u c i n gt h ew h e e l sp r e s s f i tm a c h i n ei sr e l a t i v e l ys m a l l ，a n dt h e p r e s s f i ta c c u r a c yi s n o te n o u g h ，t h ep r e s s f i tm a c h i n ei s d e v e l o p e dm a i n l yb y e n t e r p r i s e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e sj o i n t l y t h ew h e e l sp r e s s f i tm a c h i n ei sm a i n l ym a d eu po ft h ep r e s s f i tb o d y s ，d e p u t y p r e s s f i tb o d i e s ，d e t e c t i o ns y s t e m ，p r e s s u r e d i s p l a c e m e n tc u r v ea u t o m a t i cr e c o r d i n g s y s t e m ，e l e c t r i c a ls y s t e m ，h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n dc o n t r o ls y s t e m ，e t c i n t h e s e s y s t e m s ，t h eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n dc o n t r o ls y s t e mi se q u i v a l e n tt ot h ec e n t r a l n e r v o u ss y s t e mo ft h ep r e s s f i tm a c h i n e t h es m o o t ha c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo ft h e h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nd e t e r m i n e st h eq u a l i t yo fm a c h i n ep e r f o r m a n c e t h ei s s u r es y n t h e s i z e st h ep r e s s f i tm a c h i n ec o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n tl e v e l a n dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts t a t u sq u oo ff a u l td i a g n o s i so fh y d r a u l i c e q u i p m e n t ，i n d e p t ha n a l y s i so ft h e i rs t u d y , b a s e do nt h ep r e v a i l i n gf a u l tp h e n o m e n a a n dh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e md e s i g nd e f e c t so ft r a d i t i o n a lp r e s s - f i tm a c h i n e ，h a s l a u n c h e dt h ew o r ka b o u t t h eh y d r a u l i cs y s t e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ew h e e l sa u t o m a t i cp r e s s f i tm a c h i n e t h r o u g ha n a l y s i so nt h ee x i s t i n g h y d r a u l i cs y s t e md e s i g nd e f e c t ，f a i l u r ep h e n o m e n o na n dt h es p e c i f i cw o r k m a n s h i p p r o c e s s ，d e p e n d i n go nas i m p l i f i e dd e s i g n ，e n e r g y s a v i n gd e s i g na n do t h e rm o d e m d e s i g nm e t h o d s ，h a dd e s i g n e dt h ep r e s s u r ec o n t r o ll o o p a n dt h es p e e dc o n t r o l l o o p ，a n dt h r o u g he l e c t r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t h ac o m b i n a t i o no fh y d r a u l i c t e c h n o l o g y ，h a dr e a l i z e dt h ei n d u s t r i a l a u t o m a t i o no ft h ep r e s s - f i tm a c h i n e t h e w h o l ep r e s s f i tp r o c e s si sam o r ec o o r d i n a t e d ，f l e x i b l e ，r e l i a b l e ，ah i g h e rp r e s s f i t a c c u r a c y ，p r o v i d i n gar e l i a b l ep r o t e c t i o nf o rs p e e do ft h et r a i na n di m p r o v i n gt h e e c o n o m i ce f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e s t h i st o p i cd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m u l i n ks o f t w a r ep a c k a g e ，a n d t ot h ep r e s s f i t w o r k m a n s h i pp r o c e s s ，u s i n g t r a n s f e rf u n c t i o nm e t h o ds e tu pa m a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y d r a u l i cs y s t e m ，t h es i m u l a t i o nm o d e l ，d e s c r i b e di nd e t a i l h o wt om a k eu s eo fs i m u l i n kf o rs i m u l a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e md y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a tt h es a m et i m e ，d i s c u s s e dt h em a i nf a c t o r si m p a c t i n gh y d r a u l i c s y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h eh y d r a u l i cs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tm a t l a bc a np r o v i d es y s t e ms t a b i l i t y , f a s tr e s p o n s e a n d s t e a d y s t a t ea c c u r a c yo fs t a t u si n f o r m a t i o n ，e t c i ti sc o n v e n i e n tt oo u rd e s i g n k e yw o r d s ：t h ew h e e l sa u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m ；t r a n s f e rf u n c t i o n p r e s s f i tm a c h i n e ；h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n d ；d y n a m i cs i m u l a t i o n 插图清单 图1 - 1美国西蒙斯公司轮对压装机2 图卜2 液压机械动态结构图4 图2 1 套车轮示意图8 图2 2 压右轮前状态图8 图2 3 压右轮示意图9 图2 4 压右轮复位后示意图9 图2 5 压左轮示意图9 图2 6 组装完成复位后示意图1 0 图3 1 主液压系统执行元件位移、速度、负载图1 6 图3 2 主液压缸结构示意图1 7 图3 3主液压缸工况图2 l 图4 1微机控制轮对压装机液压系统的原理方块图3 4 图4 2比例调速阀系统传递函数方块图3 9 图4 3k 。= 5 时系统的开环b o d e 图4 0 图4 4校正后比例调速系统传递函数方块图4 0 图4 5k ，= 5 时系统的开环b o d e 图4 1 图4 6k 。= 2 9 7 8 3 时系统的开环b o d e 图4 1 图4 7k ，= 2 9 7 8 3 时系统的闭环b o d e 图4 2 图4 8k = 6 时系统的开环图4 3 v 61 0b o d e 图4 1 1 系统仿真框图4 4 图4 一1 2系统对阶跃信号仿真曲线4 5 表3 1 表3 - 2 表3 - 3 表3 4 表3 - 5 表3 - 6 表格清单 主液压缸在各工作阶段的负载值1 5 各种设备常用系统工作压力1 7 执行元件背压的估计值1 9 主液压缸工作腔压力计算值2 0 压装机各类元件一览表2 4 压装机各类元件一览表，3 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金目曼王些盔堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文名：援似秀 签字日期：& 和罗年眵月f 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金鲤王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金起王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲亥优勇 签字日期：d q 年￥月l 娟 学位论文作者毕业后去向： i 作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：出9 年炒月6 自 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师高荣慧老师的悉心指导下完成的，无论从论文选题，还是收 集资料，论文成稿，都倾注了高老师的心血，在此，谨向高老师表示崇高的敬 意和衷心的感谢。高老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀 是我一生的精神财富，必将使我受益无穷。 同时，真诚感谢机械设计教研室翟华老师在论文写作中给予的莫大帮助。 本人在两年多的硕士研究生生涯中，自始至终得到了机械设计教研室高荣 慧老师、翟华老师、黄康老师、胡兆稳老师以及全体老师的关照，在此向他们 表示深深的谢意，感谢他们对我在学业上的指导和提供了一个很好的研究环境。 真诚感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院的全体老师，他们的教诲为本文的 研究提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会。 在论文的完成中，我得到了实验室孙运东、吴卫平等同学的无私帮助与指 导，在此一并表示感谢。 最后，还要感谢我的家人，感谢我的父母和兄弟姐妹多年对我的支持、关 爱与培养。 作者：吴地勇 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 在铁路大发展的今天，铁路提速是当前技术进步的主题，制约提速的关键 技术之一是走行部件的制造及检修技术的落后。车辆轮对是走行部最重要的部 件，其组装精度和质量的高低直接影响提速安全。 1 1 概述 在1 9 8 8 年中国铁道出版社出版的、前苏联j i a 沙杜尔等编著的车辆构 造理论与计算一书中是这样描述的：“列车在线路上能否安全运行在很大程度 上决定于轮对的结构、材质、制造和修理工艺，同时还决定于轮对的校验质量。 轮对的结构和状态影响着车辆运行的平稳性、车辆与线路之间的相互作用力以 及车辆的运行阻力 。因此对铁路车辆轮对的加工装配，铁路行业历来都非常重 视。在中国铁道出版社出版，朱磊主编的中等专业学校试用教材车辆学一 书中有这样的描述：“轮对组装采用压力机压入法。轮毂孔与轮座的接触部分应 选用纯净的植物油润滑。压力机必须备有正确校正的压力计和记录压装压力曲 线图的自动记录器。压装时轮轴中心与压力机活塞中心应一致并平行压入。压 入速度应保持均匀，压装速度应在3 0 2 0 0 m m r a i n 范围内。压装过盈量应符合 规定要求，以求保证轮毂与轮座间有足够的结合力，又不致使轮轴因过盈量过 大而使轮毂产生过大的塑性变形。 按国外高速铁路标准，轮对组装的内侧距离精度要控制在o 5 r a m 范围内， 我国提速车辆轮对也要逐步采用该参数。那么，如何保证轮对的组装精度呢? 据调研，我国多数铁路轮对组装单位使用的轮对压装机，还停留在五、六十年 代的水平，结构简单，性能单一，生产效率低，设备完全靠人工控制，尺寸精 度仅能控制在2 r a m 范围内，并且不能有效地控制轮对的轮位差。特别是控制 系统落后，调头压装，手动操作，人工检测。不但工人的劳动强度大，而且生 产效率低，压装曲线靠机械式转盘记录仪，位移带动转轴转轴旋转，压力带动 记录笔在圆直径方向上的移动。随着位移增加，记录笔不停的旋转，同时在压 力的作用下，记录笔在直径方向上相应的绘制一定曲线。这种方式作出的曲线 是盘旋上升的螺线状，每压装一次，换一张记录纸。该记录仪的优点很明显， 那就是其总成本低，技术含量总的来说不是很高，维护相对来说较容易，这种 方式记录的曲线也很直观。但是，这种记录仪因本身存在机械传动机构，较容 易出现故障，记录误差大；且可信度低，易发生认为涂改和假造的现象，已不 能满足提速列车对轮对组装质量要求，亟待进行更新。 国外生产的轮对压装机，虽然性能先进，功能齐全，但价格较高，操作、 维修困难，只有个别有实力的车辆工厂才有能力购买，目前国内也只有两家使 用，很难在全路车辆工厂普及，特别是局管车轮工厂等单位。况且，国外产品 的一些技术参数，操作语言和外观，不能很好的适应国内的上艺现状和相应的 标准，维修和售后服务也跟不上。因此我们有必要自主研制开发具有国际先进 水平、性能价格比较高并能够代替进口产品的压装机，来满足铁路提速对车辆 制造的技术要求，这不仪是技术进步的要求，也是摆在我们铁路新造检修人员 面前的一项紧迫任务。通过对国内外众多的轮对组装厂及轮对压装机制造厂的 调研，总结国内轮对压装设各的生产和使用设备，分析了铁路列车向高速、重 载方向发展的趋势，我们提出了研制开发具有国内领先水平的轮对自动压装机。 1 2 现状分析 12l 国内轮对压装机现状 目前国内铁路各制造修理厂、段，使用的轮对压装机，在技术上还是5 0 年代沿用至今的样式和功能，属通用型油压顶压机。这种压装机主要由鄂城重 型机械厂和天津重型机械厂等j 家生产制造。这些产品结构简单，控制系统落 后，功能单一，全部人工手动操作，没有自动测量和控制系统。在压装轮对时 靠人工用尺测量，用眼观测压装油缸的行进位置：接近停止位置时，操作工人 手动或脚踏开关，使油缸停止前进。这种全部人工操作的压装方式已延续了几 十年，几无改进。这种轮对压装机最主要的缺点是人工操作，轮对的内测距、 轮位差很难控制，更难满足铁路提速对轮对精度的要求；且生产效率低，一次 压装合格率低，压装质量受人为因素影响大；并且压装机配套的机械式笔式记 录仪，误差大，町信度低，也易发生人为涂改和假造现象。 1 2 2 国外轮对压装机现状 目前，国外牛产的轮对压装机以德国黑根赛特和美国西蒙斯公司的产品 为代表。图l 一1 为美国西蒙斯公司轮对压装机。 图卜1美国西蒙斯公司轮对压装机 他们的产品具有下列特点： ( 1 ) 自动预压装； ( 2 ) 自动调整轮对的动平衡点； ( 3 ) 自动压装并控制内测距； ( 4 ) 自动记录轮对压装曲线。 其中美国西蒙斯公司设计制造的2 0 0 t 轮对压装机，是目前国际上较先进的 产品，它可以同时记录全轮对数据，包括轮对的内测距、轮位差，并可以压装 不同轨距的轮对。齐齐哈尔车辆工厂引进了此产品，沈阳机车车辆厂引进了德 国黑根赛特公司生产的轮对压装机。这两台轮对压装机的共同特点是：成本高， 维护难度大，控制程序不太符合我国铁路相关标准的要求，如此记录曲线的输 出格式不能满足铁标的要求，只适用于单一品种大批量生产，不适合国内大多 数轮对生产厂家的生产现状和生产工艺。因此很有必要开发先进的拥有自我知 识主权的轮对压装机。 1 3 轮对自动压装机控制系统静态设计概述 在轮对自动压装机的组成系统中，液压控制系统相当于轮对自动压装机的 神经中枢系统，液压传动的准确性与平稳性决定了机器性能的好坏。如何通过 对以往的压装机液压系统设计缺陷、故障现象以及具体的工艺流程分析，采用 简化设计、节能设计等现代设计方法设计出液压快速严格定位回路及自动卸荷 回路，并以电气自动控制技术与液压技术相结合的方式，实现压装机的工业自 动化和节能化，成为压装机研制开发竞争的焦点。 本轮对压装机液压控制系统集成了国内外压装机液压控制系统的先进方 法，克服了一些缺陷，并相应的作出以下改造： ( 1 ) 此液压系统包括主液压系统和辅助液压系统。改变以往双泵供油的习 惯，采用恒功率变量泵对主液压系统供油。为避免系统干扰，辅助液压系统采 用单独的恒压变量泵供油。 ( 2 ) 为在动作换向时不得产生液压冲击，确保换向平稳可靠，设计了释压回 路，以便液压缸高压腔先卸荷再快速回退，电液换向阀必须选择m 型滑阀机能， 以确保油缸定位和严格锁定以及泵卸荷。 ( 3 ) 此液压控制系统通讯方式灵活。运用液压技术与电气技术相结合实现了 工业自动化。 ( 4 ) 液压系统执行液压缸采用专门设计的双级液压缸，能满足快速前进、慢 速工进、快速回退的工作要求，提高了系统工作效率。 3 1 4 液压系统动态特性概述 1 4 1动态特性分析在液压系统设计中的作用 1 4 1 1 液压系统正常工作应满足的要求 在国民经济的诸多领域的发展中，液压传动与控制的应用日益增多。一台 设备的液压系统要能正常工作，需要满足以下几个方面的要求 h 2 1 ： ( 1 ) 工作循环要求：应能完成机器所要求的工作循环以及在工作中所必需的 安全保护。 ( 2 ) 静态特性要求：主要参数应选择正确，能满足机器工作中的静态要求， 例如能驱动外界负载，能产生需要的驱动速度，包括快进速度和工作速度的调 节，以及必要的速度稳定值，相应的需要液压系统能提供必要的功率。 ( 3 ) 动态特性要求1 h 1 ：一般的液压系统应能满足机器工作时的动态特性要 求，例如工作部件不产生振动、爬行、噪声小，系统中不产生冲击，有时要求 工作循环中各动作环节转换迅速平稳，不产生较大的动态误差等。 当然，设计一套液压系统还要考虑其结构尽量简单化、耗能少、成本低、 制造维护方便、操作简单、可靠性高等。 1 4 1 2 液压系统的动态过程 液压系统的动态特性是动态过程的特性。液压系统的动态过程由许多原因 引起，归纳起来有下述几个方面： ( 1 ) 由控制过程引起的阳1 ：为了得到工作循环中的不同动作，某一或某些元 件受控改变其工作状态。例如工作元件的启动、制动，运动速度的转换，工作 压力的转换，不同执行机构动作的切换等。 ( 2 ) 由外界干扰引起的：例如工作元件运动中阻力变化等。 液压系统是机器的一部分。一台液压机械既有机械系统部分，也有液压系 统部分。整台液压机械的动态结构将由这两部分的动态结构构成，如图卜2 。 图卜2 液压机械动态结构图 在整个系统的外界负载厂( ) 需要液压系统输出的驱动力p ( f ) 予以克服，经过机 械系统中各种因素的作用，可以使工作元件获得运动速度y ( f ) ，如果外界负载 有一变化，即有一外界干扰，工作元件的运动速度矿0 ) 即产生变化，这时液压 系统作为一个反馈环节，在其动态过程中，可以根据工作元件速度的变化，调 节其输出力尸( f ) ，以适应外界负载的变化。如果液压系统是一个自动调节系统， 4 就可以使工作元件基本维持原来的运动速度，或使运动速度变化不大。 液压系统在产生动态过程以前，是在某一稳定状态下工作的。系统产生动 态过程时这种平衡状态即遭到破坏。当动态过程结束时，系统又恢复平衡，但 是这是一种新的平衡状态。所以液压系统的动态过程是系统失去原来平衡状态 达到新的平衡状态的过程。在这一过程中，系统中各参量都在随时间发生变化。 这种变化过程性能的好坏，就是系统动态特性的好坏。 1 4 1 3 液压系统动态特性分析在液压系统设计的作用 液压系统的设计过去都是由人工进行的。近年来，由于计算机技术的迅速 发展，在液压技术领域计算机也得到了较多的应用。液压系统的计算机辅助设 计获得了较快的发展，特别是液压系统的动态特性分析，往往要借助于计算机 的应用。无论是人工设计还是用c a d 技术，液压系统的设计程序大致相同。 根据提出的设计要求，首先要拟定液压系统原理图，以保证所需要的工作 循环和各项功能，并初步确定各液压元件的型号、规格以后进行液压系统静态 特性分析，以验算所需要的驱动力及运动速度是否能满足要求，负载特性与能 源利用率如何，温升是否在允许的范围内。如果不够满意，则返回修改液压原 理图和选择液压元件，直到满意为止。下一步就根据需要进行某些专用液压元 件的设计，如专用液压缸、专用液压集成块以及必需的专用阀等。以后即可进 行液压系统装配图和安装图的设计，在这些工作完成之后，则进行液压系统动 态特性分析旧。 并不是所有的液压系统都需要进行动态特性分析。一些简单的液压系统， 使用条件要求不高的液压系统，一般不需要进行动态特性分析。需要进行动态 特性分析的液压系统，可根据设计任务书中提出的要求来确定，亦可根据设计 人员的经验来确定。对于一些精密的机械，应要求工作元件运动平稳，不应有 振动和爬行，工作中也不应产生液压冲击；对于具有较复杂工作循环的液压系 统，往往需要分析动作转换时的动态过程，研究如何才能在保证动作平稳转换 的前提下，尽量缩短动作所需的时间，以减少在整个工作循环中所占有的辅助 时间，从而提高机器的工作效率等。 对所设计的液压系统进行动态特性分析，一般都是在液压系统安装图或装 配图设计完成之后进行，因为液压元件的连接管道对液压系统得动态特性有重 要的影响。 1 4 2 液压系统动态特性研究 液压系统的动态特性是其在失去原来的平衡状态达到一种新的平衡状态的 过程中所表现出来的特性。引起此动态过程的原因归纳起来主要有两个口3 ：一 个是由传动和控制系统的过程变化引起的；另一个是由外界干扰引起的。在这 5 一动态过程中各种参变量都在随时间变化，这种变化过程性能的好坏，就决定 了系统的动态特性优劣。研究液压系统动态性能的主要问题有两个方面：一方 面是稳定性问题，另一方面是过渡过程的品质问题。 研究液压系统的动态特性主要方法有传递函数分析法、模拟仿真方法、试 验研究法和数字仿真法等。在这里主要介绍本章所用的传递函数法。 传递函数法是基于经典控制理论的一种研究方法。通常只限于线性系统， 一般先建立系统的数学模型，写出其增量形式，然后进行拉普拉斯变换，从而 写出传递函数，再将传递函数用b o d e 图表示。通过相频曲线或幅频曲线分析其 响应特性，或是进行拉氏逆变换。遇到非线性问题，常常简化成线性系统。而 实际上的液压控制系统又多是非线性的，因此用这种方法分析系统的动态特性 具有一定的局限性，也不可避免的会出现误差哺1 。但是由于其一般的非线性系 统都可以用线性系统去简化，所以仍然被广泛使用。 自从数字仿真技术阳1 0 问世并应用于实践以后，便将液压系统动态特性研 究带入了新阶段。对液压系统动态特性进行数字仿真便成了一项必要工作。研 究人员更是在这方面投入了大量的精力。有关液压系统建模的理论与方法、仿 真方法、仿真精度以及液压系统参数优化和动态性能改进等方面的研究论文、 成果层出不穷。在建模理论与方法上形成了传递函数法、状态空间法和功率键 合图法等建模方法。随着微型计算机的普及与性能不断的提高，人们也不断的 寻找应用计算机实现自动建模和开发通用的仿真软件。开发通用的建模与仿真 软件，可以尽量的降低数字仿真技术对于专业技术人员在计算机知识水平方面 的要求，减少其在仿真研究中的非本质工作，缩短仿真研究工作周期，提高工 作效率。 1 5本课题的来源及主要研究内容 本课题综合目前国内外轮对压装机控制系统的发展水平和液压设备故障诊 断研究的发展现状，在对其进行深入分析研究的基础上，针对传统压装机普遍 存在的故障现象及液压控制系统设计缺陷，开展了“自动轮对压装机液压系统 研究与开发”工作。 为确保“自动轮对压装机液压系统研究与开发 的成功，将主要开展的工 作有： ( 1 ) 明确液压系统的设计要求及工况分析。在熟悉所有液压基本回路的基础 上，提出了轮对压装机液压控制系统的设计方案。 ( 2 ) 充分利用简化设计、节能设计等现在设计方法，设计液压速度控制回路、 压力控制回路和自动卸荷回路，并以电气自动控制技术与液压技术相结合的方 式，实现压装机的工业自动化和节能化，并拟定液压系统原理图。 ( 3 ) 根据压装机的负载，确定整个压装机液压控制系统的主要参数，通过设 6 计、计算、选择液压系统液压元件，并对非标准的执行元件进行设计、校核， 对液压系统主要性能进行验算，从而完成对压装机液压控制系统的静态设计过 程。 ( 4 ) 针对压装机的轮对压装工序进行了动态分析。利用传递函数法建立了阀 控缸系统的数学模型，用m a t l a b 实现其液压系统的动态仿真。 7 第二章轮对压装机液压系统方案设计 针对轮对压装机液压控制系统所需要完成的功能以及具体的工艺流程分 析，采用现代设计方法，设计液压快速定位回路，速度控制回路及自动卸荷回 路，并以电气自动控制技术与液压技术相结合的方式，实现压装机的工业自动 化。以至于实现压装机液压系统优化设计的目的，增强压装机液压系统的可靠 性，为实现轮对自动压装提供可靠保证，使整个工艺流程显得更加协调、灵活、 可靠，提高企业的经济效益。 2 1 轮对压装机结构简单介绍 压装机包括主机，摆锤，进出料小车等部分。 主机机械结构为框架式，体主压油缸，应用摆锤技术，保证轮对不调头 压装的实现；轮对的支撑架高度可以根据压装轮对的型号进行调整，同时压头 的长度也可以进行调整，保证可以压装车轴长度不同的各型号轮对，扩大了压 装机的使用范围。 2 2 轮对压装机的工作流程 轮对压装机结构简单，工作可靠，适应性强，一般按以下流程进行工作： ( 1 ) 套车轮 小车沿纵向导轨移动到上、下料工位，用吊车将两车轮套装到车轴上。如 图2 一l 。其中虚线位置为套装完成后，车轮的位置。 左轮 右辘 图2 - 1 套车轮示意图 ( 2 ) 上料 车轮套装完成后，小车沿纵向导轨移动到压装工位，系统检测设备状态是 否正确。如图2 - 2 ，压右轮前状态示意图。 左稚 看耗 舞瞻 _ 一 一丁j i l 一 印 一一 卜一h t - - t 一+ 珊一 一罩 1 唰q 瑚 - ， 图2 - 2 压右轮前状态图 ( 3 ) 压右轮 此时，设备的状态如图2 - 2 所示，左摆锤升起，右摆锤落下，小车处于原 始位置。如果系统检查设备状态不正确，将停止压装并报警。在压装过程中， 左摆锤将作用在车轴左端面上，将车轴定位住，使之不能向右移动：同时，主 压头的压块作用在右车轮上，将直接推动右轮向前移动，右轮将直接被压到轴 上。如图2 3 ，压右轮示意图。 图2 - 3 压右轮示意图 ( 4 ) 复位 右车轮压装完成后，设备要恢复起始状态，并为压左车轮做准备。首先主 液压缸快速退回，轮对与小车也回到初始状态，此时左摆锤落下，右摆锤升起。 如图2 4 ，压右轮复位后图。 壹艳 椭 图2 4 压右轮复位后示意图 ( 5 压左轮 此时，系统检查设备状态如图2 - 4 ，小车处于原始位置，左摆锤落下，右 摆锤升起，否则系统将停止压装并报警。在压左轮过程中，副压头的压块项在 左轮轮毂上，使之不能向左运动；主压头上升起的摆锤顶在车轴右端面上，并 推之向左运动，左轮便被压装到车轴上。如图2 - 5 ，压左轮示意图。 盖轮右艳 ( 6 ) 复位 图2 - 5 压左轮示意图 9 左侧车轮压装完成后，系统要恢复起始状态，为卸下压装完成的轮对做准 备。此时，液压缸快速退回，小车和轮对也回到原始位置：随后右摆锤落下。 如图2 - 6 ，组装完成复位后示意图。 圣凳镌 图2 - 6 组装完成复位后示意图 ( 7 ) 下料 小车沿纵向导轨移动到吊装工位，吊车吊下压装完成的轮对。 完成了上述七个步骤，也就完成了一个轮对的压装过程。 2 3 轮对压装机液压系统的工艺要求 2 3 1 轮对压装机的适用范围 目前，我国铁路车辆使用的轮对品种较多，客车主型轮对型别n 们有：r c 3 、 r c 4 、r d 3 、r d 4 、r d 3 a 、r d 3 b 、r d l 3 等；货车主型轮对型别有：r b 2 、r d 2 、r e 2 等，轮对压装机应该尽量满足多品种的使用要求，扩大设备的使用范围。 通过查阅上述各种轮对的技术参数，得知目前使用的车轮轮径尺寸最大为 矽9 2 5 m m ，车轴全长为2 2 8 6 m m 。为了满足要求，将此轮对压装机的主要技术参 数设定如下： 公称压装力t 3 0 0 主油缸最大行程m m 6 5 0 主压缸直径m m 3 6 0 可通过的最大轴长m m 2 3 0 0 可压装最大车轮直径m m 1 0 0 0 辅助液压系统工作压力m p a 4 压装速度m m m i n4 0 2 0 0 每条轮对压装时间m i n 7 5 2 r a m = 日。 主液压缸二级缸内径d 的确定 由负载一一位移图3 1 可以看出，系统的工作负载随位移的变化而变化， 其中最大负载随不同型号的轮对也各不相同，所以在这里取设计负载 3 0 0 t ( 3x 1 0 6 ) 为最大工作负载，则主液压缸的最大负载值为3 0 0 2 0 0 0 n 。由工进 阶段的压力与负载平衡方程： f l r l 伽= a 1 丑一4 昱 ( 3 - 4 ) 式中f 一一为最大负载，取为公称负载3 0 0 2 x 1 0 6 n ； 1 7 仇。一一为机械效率，取= 0 9 。 a 。一一为油缸工作面积，a 1 = n d 2 4 ( 其中d 为缸内径) ； 只一一为系统工作压力2 5 m p a ； a ：一一活塞杆侧有效面积；a ：= 等p 2 一d 2 ) ，d 为活塞杆直径。 只一一为工进阶段系统背压，暂取只= o m p a 。 可得肭彻= 接= 培淼_ 4 1 2 3 一，取液压鼬径 d = 4 3 0 r a m 。 主液压缸二级活塞杆外径d 计算n 盯心阳 理论上，在快速回退阶段主液压缸工作时，活塞的作用力f 需要克服系统 的各项阻力，其中，的大小为： f = r + b + f ，e ( 3 5 ) 式中足一一外负载阻力( 包括外摩擦阻力在内) ( n ) ； 疋一一回油阻力( n ) ； 只一一密封圈摩擦阻力( n ) ； f ，一一活塞在起动、制动或换向时的惯性力( n ) 。 由于主液压缸在快速回退阶段活塞上的作用必须大于f ，即要满足下列条 件： 兰( d 2 一d 2 ) 只1 0 6 f ( 3 6 ) 4 式中d 一一缸内径( m m ) ( 二级缸内径) ； d 一一活塞杆外径( m r i r l ) ( 二级活塞杆外径) ； p 一一进油腔压力( m p a ) ； f 一一为上式3 - 5 中f 。 在快速回退阶段，液压缸活塞的作用力f 中，外负载阻力疋= o n ；高压系 统暂不考虑回油阻力，则足= o n ；活塞在起动、制动或换向时的惯性力暂不考 虑，取只= o n ；密封圈摩擦阻力f r ： 乃= + 昂+ 乃= f a p z r d l 。x 1 0 6 + f a p ：r r ( d b d k z ) + d b , c k d ) x 1 0 6 ( ) ( 3 - 7 ) 式中，b ，历一一由于双级液压缸的设计，液压上存在三处密封，分别为一 级活塞密封阻力，二级活塞和二级活塞杆密封圈摩擦阻力( ) ； 厂一一密封圈摩擦系数，统一取厂= 0 2 ； p 一一密封圈两侧压力差( m p a ) ，由于不考虑背压，所以a p = 只： ，一分别一级活塞，二级活塞及活塞杆密封圈宽度( m ) ，取一级活 塞密封宽度b d , = 1 0 m m ，取二级活塞密封圈宽度b d = 2 0 r a m ，= 2 5 m m ： ，吒一一分别为一级活塞，- - e & 活塞和活塞杆密封圈摩擦修正系数， 在这里采用“0 型密封圈：取k d i = o 1 5 ，k d = o 1 5 ，k d 0 2 。 则可得： d d 2 + 4 ( 尥) 2 4 j o , 一4 他如一2 f n d k d ( 3 8 ) d 4 2 6 7 r a m 取d = 4 2 5 m m 。 有了一级缸内径皿和活塞杆外径d l 、二级缸内径d 和活塞杆外径d ，则可得： 1 ) 级缸在快进时的有效工作面积4 ： 4 ：三瘢，2 ：三x 3 1 4 1 5 x 0 0 9 2 = o 0 0 6 3 6 2 m 2 44 2 ) 二级缸无杆腔工作面积以： 以= 三棚2 = ix 3 1 4 1 5 x 0 4 3 2 = 0 1 4 5 2 1 5 8 4 m 2 44 3 ) 二级缸有杆腔工作面积4 ： 呜= 4 万( d 2 - d 2 ) = 专3 “1 5 ( o 4 3 2 0 4 2 5 2 ) = 0 0 0 3 3 5 7 4 8 m 2 3 2 3主液压缸的工作腔的压力、流量和功率 ( 1 ) 主液压缸工作腔压力的确定【2 l 】 当液压缸的主要尺寸d 和d 计算出来以后，要按照各自的系列标准圆整， 经过圆整的标准值与计算值之间般都存在一定的差别，因此有必要根据圆整 数值对工作压力进行一次复算。另外在以上确定工作压力的过程中，没有计算 回油路的背压，因此所确定的工作压力只是执行元件为了克服机械总负载所需 的那部分压力。在结构参数d 和d 确定后，需选定适当的背压值，即可求出主 液压缸工作腔的压力只。 执行元件背压值的选取，可参考表3 - 3 。 由表3 3 选择主液压缸背压值只= 0 5 m p a ，从而计算出各阶段工作压力n 盯 见表3 - 4 ，工进阶段取最大负载3 3 3 5 6 1 0 6 n 。 表3 - 3 执行元件背压的估计值 表3 - 4 中f 一一主液压缸在各阶段的机械总负载； 4 一一一级液压缸活塞杆截面积( 快进阶段的有效工作面积) ； 4 、4 一分别为二级液压缸的无杆腔和有杆腔的有效工作面积； 1 9 表3 - 4 主液压缸工作腔压力计算值 负载回油腔压力迸油腔压力 工况计算式 f | nm p nm p 口 起动 4 4 4 40 0 7 快进 加速 2 5 3 71o 9 3 弓= 半 恒速2 2 2 2l0 8 8 5 3 5 7 + 刀d l l u p p f + 以忍 工进 ( 2 0 0 0 + 7 r a t , u e ) 0 9 1 1 一 么2 o 1 3 0 6 9 4 2 2 起动 4 4 4 4o 52 2 9 5 快退 加速 2 5 7 20 5 2 2 4 曰= 半 恒速2 2 2 zo 52 2 3 ( 2 ) 轮对压装机在各个工作阶段流量的计算n 4 1 由上述图3 2 可知，系统在在快进阶段速度= 2 5 m m i n ，工进阶段速度 = o 1 m m i n ，快退阶段速度圪= 3 m m i n 。各阶段均保持恒速，则可得 快进阶段输入流量g 馋怫： g 快进= a v l = 0 0 0 6 3 6 2 2 5 6 0 = 2 6 5 1 0 。m 3 s = 1 5 9 l m i n 工迸阶段输入流量g t 排： q r 进= 4 v 2 = 0 1 4 5 2 1 5 8 4 x o 1 6 0 = 2 4 2 1 x 1 0 q m 3 s = 1 4 5 3 l m i n 快退阶段输入流量g 快退： g 快退= 鸽v 3 = 0 0 0 3 3 5 7 8 4 x 3 6 0 = 1 6 8 1 0 q 扰s = 1 0 8 l m i n ( 3 ) 轮对压装机在各个工作阶段输入功率计算n 们 快进阶段输入功率r 讲： 进= p 快进g 快进= o 8 8 1 0 6x 2 6 5 x 1 0 - 4 = 2 3 3 2x 1 0 2 w 工进阶段输入功率辟排： 丘进= 如川旷鬻x 2 4 2 1 x l o - 4 w 快退阶段输入功率r 诅： 壤退= p 快退逗= 2 2 3 x 1 0 6x 1 6 8 x 1 0 - 4 = 3 7 4 6 x 1 0 3 w 3 2 4 主液压缸工况图u 副 在执