（机械设计及理论专业论文）基于amesim和adams联合仿真的钢轨打磨平台的气动系统的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着我国高速铁路迅速发展，国内对国产打磨车的需求越来越迫切。本文以 国产打磨车的研发为背景，针对打磨车气动系统压力输出和打磨车运行速度等关 键问题进行了理论研究、仿真分析和实验验证，并为今后的研究提供实用的仿真 平台和实验平台。 首先，在研究原有打磨实验台的基础上，对其进行简化，并对简化后方案的 位置和受力进行了理论分析。之后利用p r o e 和a d a m s 等软件建立机械仿真模 型，利用a m e s i m 建立气动和控制仿真模型，并完成a d a m s 与a m e s i m 联合仿 真的设置。 其次，通过对搭建的实验平台进行性能测试实验，对数学模型和仿真模型的 正确性进行了验证。在将实验结果与理论计算结果对比后，进行了误差分析，并 依此对数学模型和仿真模型进行了修正。修正后的结论与实验结果基本一致，证 明了本文建立的数学模型和仿真模型的正确合理性。 再次，对原有方案的静态接触和抗冲击性能进行联合仿真，根据所得到的仿 真数据对方案进行分析，并结合气缸、管路和阀等重要元件的影响机理研究，确 定了基于阀的优化方案。通过对基于阀的优化方案的仿真分析发现，其静态接触 和抗冲击性能都得到了较大提升，证明了优化后系统的可靠性与实用性均得到提 高。 最后在基于阀的优化方案的基础上，重点研究了钢轨打磨车的行进速度对打 磨效果的影响。通过理论分析获得并验证了理想条件下，打磨作业的最高速度计 算方法，并通过一系列仿真分析进一步验证了该计算方法的正确性。 关键词：钢轨打磨；气动；联合仿真；打磨速度 分类号：t h l 3 8 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h er 印i dd e v e l o p m e mo f 1 eh i g h - s p e e dr a i l w a y ，t h er e q u i r e m e n t so ft h e m i l w a yg r i n d i n g m a c h i n e sa r eb e c o m i n g u 培e n t i nc h i n a t h er e s e a r c ha i l d d e v e l o p m e n tf o rm er a i l w a yp r o j e c tf o c u s e do nt h ed o m e s t i cm i l w a yg r i n d i n gm a c h i n e ， t h ep r e s s u r eo u t p u to ft h ep n e u m a t i cs y s t e ma n dm ei n f l u e n c eo ft h eg r i n d i n gv e h i c l e s 枷n gs p e e d a l lo ft h er e s e a r c hw a sb a s e do nt h e o r e t i c a ls t u d i e s ，s i m u l a t i o na n a l y s i s a i l de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n f i r s to fa l l ，r e s e a r c ho nt h eo r i g i n a ld e s i g no ft h ee x p e r i m e n t a lg r i n d i n gp l a t f o m a l l o w e dt h em e c h a i l i c a ls 仃u c t u r eo ft h ed e s i g nt ob es i m p l i f i e d 晰t hp r o e ，a d a m s a j l da m e s i m ，t h es i m u l a t i o nm o d e l sw e r et h e ne s t a b l i s h e d a 船rm a t ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e l s 、v e r eb u i l t ，a n di n c l u d e da n a l y s i so fp r e s s u r ea i l dp o s i t i o n s e c o n d l y ，t h ec o r r e c t n e s so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n ds i m u l a t i o nm o d e l sw e r e v e r i f i e dt i l r o u g he x p e r i m e n t a t i o n c o m p a r i n gt h er e s u l t so fb o t ht l l e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s a j l da c t u a le x p e r i m e n t a t i o n ，t h ed e v i a t i o n sw e r ea i l a l y z e d b a s e do nt l l ea n a l y s i s ，t h e r e s u l t so ft h em o d i f i e dm a t h e m a t i c a la j l ds i m u l a t i o nm o d e l sw e r et h es a m ea st h er e s u l t s o ft h ee x p e r i m e n t s t h ec o r r e c t i l e s so fm a t h e m a t i c a la n ds i m u l a t i o nm o d e l s 、v a st h u s v e r i f i e d t h e n ，w i mt h ec o s i m u l a t i o nd a t a ，t h eo r i g i n a ld e s i g nw a sa n a l y z e da n di m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a la i l a l y s i so ft 1 1 ea i rc y l i n d e r ，p i p e l i n ea 1 1 dv a l v e ，an e w t ) ，p eo fv a l v ew a su s e d t h ed e v i a t i o no ft h ep r e s s u r eo u t p u ti n t h ee x p e r i m e n to f c o n t a c td e c r e a s e d11 ，a 1 1 dt l l em a x i m u mp r e s s u r eo u 印u ti nt h es h o c kr e s i s t a | l c e e x p e r i m e n td e c r e a s e d6 9 4 t 1 1 es u p e r i o r i t ) ra i l de 腩c t i v e n e s so f t 1 1 ei m p r o v e m e n tw a s v a i i d a t e d 矗o mt h es i m u l a t i o na n a l y s i s f i n a l l y ，t h eg r i n d i n ge f r e c to ft h ep l a t f o r mw a ss t u d i e d ，b a s e do nt h eo p t i m i z e d s y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f t l l ec a l c u l a t i o n s ，t h ee q u a t i o nw a sv e r i f i e da sc o r r e c t t l l i se q u a t i o nr e p r e s e n t st h em a x i m ns p e e do ft h eg r i n d i n go p e r a t i o nu n d e ri d e a l c o n d “i o n s t h u s ，t h ec o l l r e c t n e s so fn l et l l e o r yw a sv e r i n e dv i at l l es i i n u l a t i o n s k e y w o i m s ：r a i lg r i n d i n g ；p n e u m a t i c ；c o h l b i n e ds h u l a t i o n ；a d a m s ；a m e s i m c l a s s n o ：t h l3 8 v l l 致谢 本论文的工作是在王纪武副教授的悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度 和科学的工作方法，以及正直的为人品格使我受益匪浅。正所谓“师者，传道、 授业、解惑”。在这两年紧张的学习生活中，老师一直悉心指导我们完成各项科研 任务，并能够因材施教，为我们安排合适的科研工作。为我们答疑解惑的同时， 更加鼓励我们不断的去独立探索和在工作中体会科研的真谛。在生活上老师也给 予了我们很多帮助，并在日常工作中时常教导我们为人应诚恳热情，实事求是。 在此向王老师表达我由衷的感激之情。 蒋增强副教授、参与本文匿名评审工作的两位老师和答辩评委对于我的论文 工作和撰写都提出了许多的宝贵意见，在此向各位老师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，沈宗泽、张伟涛、邹鹏、敖翔、廖方波、高 伟杰等同窗好友对我论文的研究工作给予了无私的帮助，并提出了许多中肯的意 见，在此向他们表达我的感谢。 此外也感谢我的父母，感谢他们的理解和支持使我能够在攻读硕士学位期间 专心完成学业。 1 绪论 1 绪论 随着我国铁路系统的蓬勃发展，铁路设备维护作业也逐步得到人们的重视。 在铁道设备中，钢轨的质量尤为重要。对钢轨的日常维护不仅能够提高钢轨的使 用寿命，更能够有效的消除钢轨缺陷，从而保证行车安全和乘坐的舒适性，体现 以人为本的科学发展理念。钢轨打磨车是钢轨维护作业的主要工具，即钢轨打磨 车的作业效果如何直接影响到铁路运行情况。而在打磨车中，打磨头的气动系统 直接控制着打磨头的工作位置和压力，即打磨车的气动系统性能直接影响打磨车 的工作效果。 所以本文针对该气动系统的性能进行研究并搭建可以供今后继续开发使用的 仿真和实验平台，力求可以得出具有参考价值的性能分析结果，为打磨车国产化 开发提供重要的参考依据。 1 1 研究背景 1 1 1 支撑项目的背景 近年来，我国高速铁路的兴建和大范围的列车提速，一方面促进了各地区的 经济发展，但另一方面也对我国铁路设施养护工作提出了更高的要求。 由于列车普遍提速，使得单位时间内同一路段通车密度大大提高，钢轨的磨 损更加严重。而列车提速后对轮轨接触的稳定性要求更为严格。如果不对提速路 段的钢轨进行定期养护，对行车安全将产生重大的威胁。所以目前对钢轨的养护 已经成为了国内一大课题。， 国外在这方面的起步较早，并已经积累了一定的经验。例如在钢轨养护过程 中发现，轮轨接触面不平顺分为周期性不平顺和非周期性不平顺，周期性不平顺 为波纹形磨耗和波浪形磨耗，非周期性不平顺指擦伤、表面龟裂、表面压溃、剥 离掉块以及焊缝不平顺等n _ 引。一些显著的缺陷如图1 1 ，图1 2 及图1 3 所示。 北京交通人学硕十学位论文 图1 1 剥离掉块 f i g 1 1t h eb l o c ko f p e e lo 行 图1 _ 3k 波波浪磨耗( 左) 和短波波浪磨耗( 右) f i g 1 3l o n gw a v e l e n g t hc o h l l g a t i o n ( 1 e r ) a n ds h o nw a v e l e n g t hc o n m g a t i o n ( r i g h t ) 轨道不平顺所引起的轮轨动力，对行车安全和乘车舒适性的影响随行车速度 的提高而显著增大。动力仿真计算表明，当轨道出现一定周期不平顺后，列车在 1 2 0 k m m 以下的常速条件下运行所引起的车体振动及轮轨动态附加力很小，可以不 加整修而容许存在。但在速度3 0 0 k l 仉时，轨道不平顺可使车体产生持续振动加 速度，对人体产生不良影响。而0 0 0 2 m 高的迎轮方向台阶形焊缝不平顺，在常速 线路f ：并不少见，但在3 0 0 k m h 速度时，可能会导致行车事故的发，卜，因而必须 严格控制高速路段的钢轨平顺度。“。初始凹状波纹都有可能最后发展为危害更大的 轨面缺陷。“，能形成轨面“肺状”缺陷的初始凹状波纹深度般在0 1 m m 以下瞄3 。 有些缺陷会在高速行车情况下快速扩展甚至使钢轨突然断裂。造成机车车辆脱轨 甚至倾覆，危及行车安全。轨道条件的好坏，对机车车辆的运行性能及安全性有 着重要的影响m 1 。 随着世界各国对铁路的大力发展，钢轨打磨技术也越来越得到各国的重视。 1 绪论 尤其是发达国家在这一方面的发展也相对较早，积累了丰富的经验，并意识到了 钢轨打磨的必要性。 1 9 7 0 年澳大利亚西部铁路打磨公司，采用预防性打磨控制轮轨接触力，成功 地降低了钢轨的侧面磨耗n 仉1 1 1 ，改善了车辆在曲线通过时的通过性能。随后，南非 n 2 1 引、美国、俄罗斯n 们也相继进行了预防性打磨的实验，制定了预防性打磨方案。 加拿大、美国、澳大利亚、瑞典、印度等国的铁路维护实践证明n 卜1 8 1 ，采用打磨的 方法来预防钢轨波磨、控制接触疲劳、裂纹扩展和磨耗有较好的效果u 铲2 13 ，之后钢 轨打磨逐渐成为铁路养护的重要手段之一。 对于新铺钢轨，原苏联曾规定速度大于1 2 0 k n 忱的路段，必须在铺设钢轨后 立即进行新轨打磨；现在日本、法国、德国、意大利以及西班牙的铁路管理部门， 都有规定对新线铺轨或大修换轨后需要进行一次轨面打磨。 此外，国外的钢轨打磨车技术也相对成熟。例如s p e n o 、j a c k s o n 、l o r a m 等 发达国家的打磨车厂商均有成熟的打磨车产品。其中还有多款列车出口到我国， 如p g m 系列等。 我国自1 9 8 8 年以来，又分别于1 9 9 4 年、1 9 9 7 年和1 9 9 8 年连续引进了4 列钢 轨打磨车，其中一列实现了合作生产乜2 | 。北京、郑州铁路局和广州铁路( 集团公 司) ，相继从国外引进了钢轨打磨列车，对繁忙干线的钢轨进行打磨维修作业，获 得了明显效果，对快速行车安全十分有利。特别是近几年，钢轨打磨列车在每次 列车提速工作中，都发挥了极其重要的作用。不但保证了广深准高速线路的开通 和新时速列车的安全运行乜3 ，而且保证了京广线2 4 0 h 1 l l 高速列车运行实验的成 功乜4 2 5 l 。p g m 4 8 型钢轨打磨车是济南铁路局新进的大型钢轨维修机械，在2 0 0k n 讹 既有线提速线路上经过两年的使用过程中，借鉴国内外的先进经验较好地完成了 打磨的任务心6 1 。 与此同时各国也在不断地研发功能更可靠，效率更高的打磨车。例如德国 s t a l l l b e r 承o e n s c h 公司于2 0 0 2 年开发出一种新型打磨技术，打磨石不需要电机驱 动。这种打磨车在高速时特别有效，比普通打磨车运行速度快十倍。其最高运行 速度达到每小时1 l o 公里雎川。 发达国家较早的就开始使用钢轨打磨技术来维护铁路线路，并通过调查统计 对钢轨打磨技术的实际作用做出了如下总结幢8 | ： ( 1 ) 打磨消除了轨道不平顺，减少了轮轨间的振动，提高了轨道的稳定性，降 低了线路与机车车辆的维修费用； ( 2 ) 打磨与钢轨涂油相结合，可延长钢轨寿命5 0 3 0 0 晗吼驯； ( 3 ) 改善轮轨粘着，减小滚动阻力，提高了行车安全； ( 4 ) 降低了噪声与振动，提高了旅客的舒适度。 北京交通大学硕士学位论文 虽然钢轨打磨作业在我国既有线路上已经开展过一段时间，但目前国内运行 的几款打磨车均采用进口技术或直接进口，所以研制出一种高效、安全、可靠的 打磨平台对我国铁路发展是有十分重要的意义的。打磨车的国产化不仅可以有效 保障铁路系统的运行安全，还可以提高国内既有线路上的列车和轨道的使用寿命， 大幅度降低铁路运营和维护成本。同时还有助于提高乘坐舒适性，真正落实以人 为本理念。 我国对钢轨打磨的研究起步较晚，刘学毅口、c h e n 盼2 1 等分别用车辆稳态曲线 通过理论和s i m p a c k 软件对非对称轨头型面预防性打磨方法进行了数值计算，在 理论上说明了此打磨方法能增强机车车辆在曲线上的自导向能力，达到减磨效果。 牛道安。：”为防治车辆的蛇行运动失稳，对具体的打磨实施方案进行了探讨。王文 建等。川为整治广深线内轨角斜裂纹而提出了一种打磨型面，并对其进行了数值计 算和现场试验，表明其防治裂纹的效果，保证了行车安全。 在实际的钢轨打磨过程中发现，通过对固定打磨点的测量，在打磨三遍到八 遍的过程当中波浪磨耗的相对深度并不一定会有所减小，甚至会有所增加。针对 这一点展开分析，主要由两个原因口5 | ： ( 1 ) 测量方式和测量方法上存在误差； ( 2 ) 与打磨车打磨系统的性能有关。 所以针对打磨系统的气动工作性能进行研究是十分必要的。 目前急需解决的问题： ( 1 ) 如何从硬件上提高气动系统的性能。为提高打磨系统的性能，可分别从软 件和硬件两方面入手，但提升软件水平的最终约束条件仍然为硬件。所以对硬件 系统研究可以大幅度提升系统性能，成为必不可少的研究内容； ( 2 ) 对影响气动系统工作稳定的主要因素及其影响方式的研究。研究该问题可 以明确气动系统的优化方向，以及优化办法： ( 3 ) 研究打磨速度对打磨效果的影响机理及限制条件。在钢轨打磨作业中，打 磨车是在线路上以一定速度行驶的，则打磨速度的制约条件有待进一步研究。打 磨速度过慢不仅会降低作业效率，还有可能烧毁钢轨表面；速度过快，则使打磨 头缺少调节时间，而降低打磨质量。 实际钢轨打磨车产品因型号不同，可分为1 6 头、4 8 头、6 4 头、9 6 头等不同 打磨头数量的打磨车。每一个打磨头的工作原理是相同的。例如1 6 头的打磨车， 即在该打磨车上装备有1 6 套功能相同的打磨系统。为了能够详细研究打磨头的工 作原理，项目组将单套打磨系统建立为一个独立的打磨平台，即后文提到的钢轨 打磨实验台或钢轨打磨实验平台的。本文所设计研究的实验台为基于实验室条件 下的打磨实验台，相对项目组提出的打磨实验台突出了其主要工作特性。 4 l 绪论 1 1 2 主要技术背景 气动技术的产生和发展，是从单一元件的简单动作实现，逐步发展到今天机 电一体化的复杂技术融合。 早在远古时代人们就已经开始利用空气作为介质来完成各种工作，但气动技 术真正被人类重视起来是从十八世纪六十年代，人类发明了第一台能够产生l b a r 压强的空压机。在十九世纪八十年代，人类成功的在火车上使用了第一个气动刹 车装置。进入二十世纪六十年代以后，工业化程度显著提高，自动化发展迅速， 气动技术被广泛应用于各领域，逐步成为现今的气动技术6 | ，成为现代控制中不 可缺少的关键技术之一。川。 近十年，气动技术的应用已经逐步深入到各个工业部门。尤其是在气动技术 与电气技术相融合后，其突破了传统的简单应用。现代气动技术已经可以与计算 机技术，传感器技术，通讯技术等相结合，并能够利用现代控制理论实现智能化 和自动化控制。从而在实际生产过程中有效地改善了劳动条件，降低了加工成本， 保证了产品质量。 目前国际上气动技术较好的企业主要集中在发达国家，如美国的p a r k e r 、 日本的s m c 、德国的f e s t o 和英国的n o r g r e n 等。 由于我国在机械工业领域发展较晚，与发达国家尚有一定差距，气动技术的 应用更与工业技术先进的国家有较大差距。 如今，气动技术应用了现代控制、微电子、信息技术、可靠性技术以及新材 料、新工艺等高科技，气动元器件产品的性能有了显著提高，并根据市场需求不 断涌现更为先进的产品。气动技术发展主要的发展趋势为以下几点啪，圳： ( 1 ) 体积更小、重量更轻、功耗更低； ( 2 ) 执行元件的定位精度提高，活塞杆不回转，使用更方便； ( 3 ) 多功能化、复合化：与电子技术结台，大量使用传感器，气动元件智能化； ( 4 ) 更高的安全性和可靠性，使用新材料与新技术相结合等。 相对于气动系统，在工业生产过程中，大型打磨设备的压力控制系统多采用 液压系统，其主要原因有以下几点： ( 1 ) 液体的可压缩性较小，相对气动系统的气体可压缩性等问题，液压系统的 输出较稳定； ( 2 ) 液压传动的各个组件可以根据施工现场的条件进行布置，相对于机械传动 和电气传动更为方便和简洁； ( 3 ) 液压传动控制方便，可以实现大范围无极调速( 调速范围达2 0 0 0 ：1 ) ，相 对机械系统更为明显h ； 北京交通大学硕士学位论文 ( 4 ) 通过安装泄压零件或使用有过载保护的元件，可实现过载保护； ( 5 ) 由于其介质大多采用矿物油，在工作过程中即可对执行元件进行润滑，有 效延长元件工作寿命； ( 6 ) 容易实现机电液一体化，达到自动控制或遥控的目的。 但是本文所研究课题背景为钢轨打磨车的研发，针对钢轨打磨的特殊工况， 液压系统所具有的一些缺点就凸现出来，使其不适宜使用在钢轨打磨车的打磨头 的压力控制系统中。 其主要缺点有以下几点： ( 1 ) 由于工作介质主要为矿物油，其流动阻力大，在打磨车快速工作运转过程 中，较难实现高速控制，影响打磨质量； ( 2 ) 液压系统存在一定的泄露情况。所以若将液压打磨系统应用于固定作业场 地，有利于清洁维护。但应用于钢轨打磨车则会对沿路的环境造成污染破坏。加 之维护不当，泄露量较大，则有可能被打磨时喷溅出的高温火花点燃，造成车辆 或沿线的火灾和爆炸事故； ( 3 ) 液压元件的制造加工精度较高，会增加打磨车的运营维护和采购成本； ( 4 ) 由于工作介质主要为矿物油，密度较大，在使用过程中还需要大量的储备 介质供应，加之压缩机等元件相对气动系统同功能的元件重量大，使得整套系统 较为笨重。若将液压系统应用于固定场地，如厂房内则较为适合，如应用于打磨 车，会加大打磨车的负载，加大运营成本。 相对液压传动，气动系统同样有其优缺点。气动技术所具有的优点为n 1 ；： ( 1 ) 气动元件结构简单，价格低廉，用过的空气可向大气排放，处理方便，不 必使用回收管道和容器； ( 2 ) 气动系统清洁，即使有泄漏，也不会像液压系统那样污染环境和造成安全 隐患； ( 3 ) 纯气动控制系统不受电磁干扰、没有产生火花的危险，特别适合于有易燃 或爆炸潜在危险的场合； ( 4 ) 气压传动本身有过载保护性能。气动执行元件能长期在满负荷下工作，在 过载时会自动停止； ( 5 ) 气动技术以空气为工作介质，粘性小，在管内流动阻力小，使得气动元件 运动速度高。普通气缸的运动速度一般为o 0 5 一1 5 一s ，有的高达2 3 m s ，高 速气缸可达1 5 i i l s 以上h 引： ( 6 ) 气动系统的介质主要为过滤后的空气，可压缩性强，便于进行能量储存， 且工作介质用之不竭，所以无需在打磨车上贮备大量介质，降低了车辆负载和运 营成本； 6 1 绪论 ( 7 ) 由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离传输h 4 6 1 。 在钢轨打磨作业过程中，钢轨打磨车始终在向前运行，利用气动系统控制打 磨头的升降可以保证打磨头在遇到较大上升坡面或下降坡面时，利用气体可压缩 性吸收冲击能量，防止打磨头因钢轨的不平顺冲击而粉碎，影响后续打磨作业。 气动技术的缺点主要包括以下几点： ( 1 ) 气动介质主要为空气。气体在常温下具有可压缩性和阻尼小等特点，导致 在工作中，气缸等执行元件难以产生稳定的输出，从而影响整个系统的工作性能， 使精确控制有困难； ( 2 ) 在气流速度较大的工况下，如气动马达等元器件产生噪音较大，但在钢轨 打磨过程中，气动系统只控制打磨头位移和压力，故不会长时间产生较大噪音； ( 3 ) 气动元件在工作中要注意防尘，需要对气体源除尘、除水； ( 4 ) 气动系统的输出压力小于液压系统。 在本文的研究中，主要采用联合仿真技术对主要问题进行仿真分析。随着计 算机技术不断发展，以计算机仿真为基础的技术也在不断发展。但随着其应用的 进一步深入，研究内容的规模变得越来越大，结构也越来越复杂，如汽车、飞行 器等，通常这些大型机电设备都是由机械、控制、气压传动等多领域的系统结合。 所以以往所采用的单一领域的分析仿真方法已经远远不能适应当前需求。多个学 科领域相融合的协同仿真分析技术，越来越被广大科研工作者所欢迎。 在同一产品或设备中，各个子系统需要交互耦合，共同组成完整的系统，而 在计算机仿真过程中，这种交互方式可以通过多个软件联合仿真技术方式来实现。 在多领域联合仿真的过程中，如果能够在一个软件中建立一个模型来完成整 个设备或产品的仿真分析工作是非常理想的。但由于这样一款软件需要包含机械、 气动、控制等不同领域的不同功能，使得该软件的开发颇为困难和复杂，所以目 前还没有一款商业软件能够很好的融合各个领域的技术，解决这个问题。 目前，多领域联合仿真主要有以下两种方法： ( 1 ) 基于接口的方法：该方法充分利用了不同领域软件的优点，使用者先在不 同的软件中完成相对应的建模工作，之后利用软件之间的接口实现联合仿真； ( 2 ) 基于统一语言的建模方法：该方法主要利用统一语言的建模方法，采用 b o n d 图等技术实现联合建模，但目前被商业应用较少。 基于接口的联合仿真技术主要分为以下几种方式： ( 1 ) 模型转换方式。该方式的主要原理是将一款软件的模型转存为某一特定格 式的数据文件，并在另一软件中调用该数据文件； ( 2 ) 共同仿真方式( c o s i m u l a t i o n ) 。该仿真方法是目前实际应用中较为普遍 的，其原理是两个不同功能的仿真软件分别使用自己的求解器，在运算过程中， 北京交通大学硕士学位论文 以相同的或设定好的时间间隔交换数据，完成联合仿真； ( 3 ) 求解器集成式( s o l v e rc o n v 卿弦n c e ) 。求解器集成的原理是在一个软件的 模型中，集成或引用另一领域软件的求解器模块，从而实现在运算过程中，主界 面软件能够调用另一软件的求解器进行数据计算。 1 2 研究目的及意义 本文的目的可分为以下两个方面： ( 1 ) 首次尝试建立基于联合仿真技术的打磨实验台的仿真模型，并通过实验室 实验验证其正确性与有效性，使其可以进一步应用到后续研究当中； ( 2 ) 对原有方案进行反震分析，优化气动系统方案，并在此基础上研究打磨速 度对打磨效果的影响，及打磨速度的限制条件和计算方法。 本文的研究意义在于为我国钢轨打磨车国产化的研究提供打磨平台气动系统 压力输出方面和打磨车运行极限速度计算的理论、计算机仿真和基础实验研究成 果，并为今后该方向研究提供一套实用的仿真模型平台。 首先，本文在一定程度上弥补国内对钢轨打磨平台气动系统仿真和理论研究 的不足。由于国外对打磨车打磨头控制系统技术的保护，现有公开资料较少，所 以国内现有文献资料都是对从国外引进的打磨车作业效果进行分析和研究。因为 没有涉及到对钢轨打磨机理和原理的分析，所以对国内自主研发打磨车具有一定 的参考价值，但其作用有限。本文的意义就在于对打磨平台气动系统进行研究， 补充国内这一部分的理论、仿真和实验研究不足。 其次，尝试并通过本文验证在钢轨打磨平台的研发中使用基于a m e s i m 和 a d a s m 联合仿真技术的可行性。目前国内外计算机仿真技术早已得到广泛应用。 例如三一重工等制造业企业和大多数科研单位也早将计算机仿真技术应用到产品 研发过程当中。不仅能够有效降低研发成本，还可获得实验当中不能测量或较难 获得的重要参数，方便了产品的测试。因此本文的意义还表现在为打磨平台的开 发，提供一种仿真技术的尝试，为进一步开发提供可靠的仿真平台。 最后，本文对目前急需解决的打磨平台硬件系统性能和打磨速度对打磨效果 影响方式进行了研究，并提出了理论分析和仿真分析方案及结论。为该方向后续 研究提供了可靠的理论和仿真模型保障。 1 绪论 1 3 本文的主要研究工作 ( 1 ) 对打磨实验台原有设计方案进行研究： ( 2 ) 建立联合仿真模型。利用p r o e 和a d a m s ，建立机械虚拟样机，即仿 真模型；利用a m e s i m 多领域系统集成仿真平台，建立气动系统的气动仿真模型 和控制仿真模型； ( 3 ) 搭建实验平台并实验，验证数学模型和仿真模型的正确合理性，并进行误 差分析和模型修正； ( 4 ) 对系统模型进行仿真和优化。根据联合仿真得到的数据，分析原有设计方 案的工作性能；并对原有设计方案的主要元件进行分析优化；最后利用联合仿真 验证优化后的系统性能的改善； ( 5 ) 对打磨速度的限制条件进行分析，并通过理论研究和仿真分析相结合，得 到并验证理想条件下打磨车的最高行驶速度的计算方法。 本文主要工作内容之间联系如下图1 4 所示。 1 4 本章小结 本章首先介绍了钢轨打磨车研发的课题背景和重要意义。钢轨打磨车是随着 列车提速和铁路运营而出现的。但由于我国在这方面的发展较晚，严重制约了我 国铁路的养护工作。所以该课题方向的研究是十分具有价值的。 其次，结合钢轨打磨的实际条件，对气压控制和液压控制的优缺点进行了较 为全面的分析，并论证了打磨实验台采用气动系统的可行性。 最后，确定了本文的研究目的和主要工作内容。 9 北京交通大学硕士学位论文 磷究豫何设汁 l i 建铲杉t 槭溺分的仿真模燃幂；数。学磷 l 建谚c 韵誉i 羟测淄分羧j l 翻攒实翡骚征仿真实骢蠹盼 有效馕翻螽嚣i 憔 l 瓣缎肖设汁送行仿真分斩 ； 封趿商设汁逶 f 优化 l 斛饯化聒系统遂行伤豇分斩 l 磷究打赓速度埘打黪皴聚的影晌 图1 4 主要工作内容 f i g 1 4t h er e l a t i o n s h i po f l em a i nt a s k 1 0 2 打磨实验台仿真模型设计与搭建 2 打磨实验台仿真模型设计与搭建 在机构分析过程中，有大量的公式和相关数据可供研究参考，但相对于人工 计算和依赖于现代计算机技术的编程技术而言，专业的仿真软件，在建模、编译、 纠错和仿真的工作中都有不可替代的优势，但解决负载非线性问题还有一定困难。 a d a m s 仿真软件的出现，大大提高了机械样机仿真的运算速度和取点数量，降低 了研究的时间成本和实验失败的损失。所以本文中应用a d a m s 作为机械结构的 仿真平台，后文结合a m e s i m 来实现整个实验台的仿真分析工作。 2 1 主要应用软件简介 2 1 1 a d a m s 及其控件介绍 机械系统分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y i l 锄i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t 锄) 是目前应用普及率最高的一款机械系统动力学仿真分析软件h 7 删，由美国m d i 公 司开发。相比比利时l m s 公司的d a d s 和德国航天局s i m p a c k h ”刚，m d i 在制 造业、飞行器设计、车辆设计和通用设备开发等行业中拥有庞大的客户群，其实 际成效也得到了用户们的普遍好评。 a d a m s 具有友好的工作界面和丰富的应用库可以帮助用户顺利的建立基于 参数的仿真系统模型。它利用l a 目a i l g e 方程建立仿真模型的数学模型。通过这种 方法用户可以轻松地对机械系统的运动学、静力学和动力学结果进行分析。 a d a m s 作为“虚拟样机”的一款具有代表性的仿真工具，为各个行业和领域的科研 和开发提供了相对应的专业建模仿真模块，使得用户设计效率明显提高晦2 。 其虚拟样机技术很好的解决了过去需要试制样机，分析结果，优化设计，再 试制样机的复杂而缓慢的过程。结合计算机三维造型技术在较短时问内就能够在 a d a m s 内建立起一个与实际物理样机具有相同属性的虚拟样机，在通过计算机仿 真计算，罗列数据，生成曲线和基于软件已有的优化方法优化方案，并重新生成 模型进行对比，从而完成原有开发和科研所用数月才能完成的工作。不仅提高了 研发效率，还进一步降低了科研和开发成本，从而备受用户欢迎。 a d a m s 软件还具有开放的软件结构。用户可以根据自身的需求编写或购买相 应的扩展程序，为一些专门领域的用户提供了二次开发的机会。同样它还具有多 种接口模块，可以与m a t l a b 、a m e s i m 、c a d 等软件进行共同开发。 北京交通大学硕士学位论文 另外a d a m s 是由5 类模块组成，主要包括基本模块、扩展模块、接口模块、 专业模块和工具箱等，其中最主要和常用的为基础模块类的3 个子模块： ( 1 ) e w 作为用户交流界面，用于仿真模型的搭建和仿真计算的前处理功能。 采用了p a r a s o l i d 的建模方法，可以导入目前应用率较高的u g 、s o l i d w o r k s 、 p r o e 等软件建立的三维模型： ( 2 ) s 0 1 v e r 作为软件的求解器，用来求解模型的动力学和运动学问题。用户无 需对该模块进行操作，只需在e w 模块中设置好初始条件和求解要求即可； ( 3 ) p o s t p r o c e s s i n g 模块为后处理模块，可以对仿真结果进行各种处理，包括 动画回放，数理统计和数据文件输出，并可以进行分析结果曲线图的各种编辑瞄3 1 。 a d a m s c o n t r o l s 是a d a m s 软件接口功能的重要模块。在实际应用过程中 a d a m s 可以通过c o n 仃0 l 模块与控制系统软件如m a t l a b ，e a s y 5 等建立联合仿 真模型，实现机械系统和控制系统的一体化仿真。 在联合仿真过程中主要有两种运行模式： ( 1 ) 机械系统和控制系统分别采用各自仿真软件的求解器进行运算，并通过接 口按照步长互通数据； ( 2 ) 利用控制系统仿真软件建立控制系统分析模型，然后将模型交给 a d a m s ，由a d a m s 负责运算。 a d a m s c o n t r o l 的特点： ( 1 ) a d a m s c o n 仃o l 可以与控制系统软件进行双向数据传输，并在解算过程 中也可以直接观察模型； ( 2 ) 可以实现并行仿真和函数估值两种模式，实现机机械和控制系统耦合模 型： ( 3 ) 通过g s e 方式支持连续和离散系统。 2 1 2 a m e s i m 软件简介 a m e s l m ( a d v a i l c e dm o d e l i n ge n v i r o m e n t f o rs i m u l a t i o n so fe n 百n e 甜n g s y s t e m s ) 软件晦副由法国i m a g i n e 公司推出的一种高级建模和仿真软件。它提供了 一个系统及工程的完整平台，从其丰富的零件库中可以为用户提供各个领域的系 统建模，包括液压、气动、控制、机械等。 其建模方法不同于其他仿真软件需要使用建立三维模型等方法，而是利用模 块化建模。使用者需要对所要建立的系统模型的物理学原理、专业领域知识和对 a m e s i m 软件零件库的零件属性具有一定深度的了解才能完成其工作。也正是由 于这一点，a m e s i m 软件的工作见面非常友好，操作也相对简便。其零件库中的 2 打磨实验台仿真模型设计与搭建 模型组件都由图形搭配文字来表示，使用户可以轻松地从庞大的零件库中找到所 需的组件。而且其组件的图形大部分设置为通用符号或复杂部件的原理图，使得 接口方向、接口名称和接口功能一目了然。当然其详细的帮助文件，图文并茂地 对每个组件进行了解释，更适合新手快速入门。 通过模块化建模省去了用户大量的时间进行数学分析，而是通过类似于搭积 木的方法完成系统模型的建立，从而使用户能够更专注于仿真目标的研究。因此 用户可以用尽可能少的要素来建立具有复杂系统和零部件功能的模型佑6 | 。 a m e s i m 仿真平台囊括了流体力学分析、机械结构动力学分析、热力学分析、 电磁场作用分析和控制系统分析等多个领域，并能够将各个领域和专业的系统模 块有机结合起来。例如可仿真机电液一体化的案例，即仿真模型中包括了液压系 统、机械系统和控制系统三部分，并能够在a m e s i m 这一款软件中实现完整计算 和运行。正是由于这一点，a m e s i m 的用户来自各个领域，尤其是多学科相结合 的产品研发和专业研究。a m e s i m 现已成为世界范围内的车辆、飞行器、舰船、 轨道交通、海洋工程及重型设备等工业领域内多学科融合的建模与仿真首选的平 台。 a m e s i m 包括的模型库主要有s i 盟a lc o n 们l ，m e c h a j l i c a l ，h y d r a u l i c ，h y d r a u l i c c o m p o n e n td e s i 盟， p n e u m a t i c ，p n e u m a t i cc o m p o n e n td e s i 盟，1 l l e n n a l ，t 1 1 e m a l h y d m u l i c 等。 作为一个开放的设计平台，a m e s i m 还具有丰富的软件接口。 ( 1 ) 控制软件：m a t l a b s i m u l i l l l ( ； ( 2 ) 机构动力学软件：a d a m s ，s i m p a c k ，v lm o t i o n ，r e c u r d ”； ( 3 ) 电磁场仿真软件：f l u x ； ( 4 ) 实时仿真软件：r t l a b ，d s p a c e ，x p c ，l a b c 瓯a d i 。 2 2 实验台机械结构数学模型的建立 本套气动系统的研究主要基于钢轨打磨实验台气动系统的研发，所以根据相 关部分的原有结构设计方案进行分析，如图2 1 所示 北京交通人学硕十学位论文 图2 1 打磨头升降结构( 原有设计方案) f i g 2 1t 1 1 eg r a p h ( i h eo r i g i n a ld e s i g n ) o fg r i n d i n gh e a d1 i n i n gs t n l c c u r ed e s i g n 由图2 1 可见，该打磨头的机构为平行四边形机构。该机构在气缸驱动下，沿 竖直方向( z 方向) 带动砂轮运动，即打磨头上下移动，并在横向( x 方向) 产生 一定位移。 一，o 一一 一生 图2 2 打磨实验台机械结构 f i g 2 2t h em e c h a n i c a ls t n l c t u r eo ft h eg r i l l d i n gp l a t f b n n 在打磨过程中，打磨车带动打磨头在被打磨钢轨上行进。被打磨钢轨可能存 在周期性缺陷，如长波波浪磨耗以及短波波浪磨耗，和非周期性缺陷，如剥离掉 块及局部擦伤等。平行四边形机构能够有效的将打磨头所受到的横向冲击和剪切 力转化为升力，由气缸内的气体吸收冲击能量，并及时重新调整打磨头位置和压 1 4 2 打磨实验台仿真模型设计与搭建 力输出。 根据结构设计的三维模型可推出其结构图如图2 2 。 其中，a ，b ，c ，d ，e ，f 均为转动副，a ，b ，f 处的转动副固定在机架上。 虬为气缸固定点到a 点的垂直距离，为a ，b 两点距离，m 为打磨砂轮中心m 点到c 点距离；艺为气缸固定点f 到a 点的水平距离，为杆a b 长，t 为气缸 活塞杆与四杆机构连接副e 到c 点距离，为为砂轮半径，为打磨头相对钢轨的 运动方向。 2 2 1 位置分析 由上图2 2 即可推出打磨头m 提升或下降位移缈时，气缸活塞需要收回或伸 出的位移】，。推导过程如下。 如图2 2 位置时的各变量关系式为： k = ( 艺一屯- t ) 2 + ( 儿+ 虼) 2( 2 1 ) 当m 点提升或下降位移j ，后， x = ( - l t ) 2 + ( 虼+ 耽) 2( 2 2 ) 其中i = - 2 缈2 。 所以，在产生位移y 过程中，气缸活塞收回或伸出的位移为， 】，= k x( 2 3 ) 将公式( 2 1 ) 、公式( 2 2 ) 带入公式( 2 3 ) 得： y = ，! ! 兰：三! ：兰! ：二! 兰：兰1 2( 2 4 ) 一( k 一i - t ) 2 + ( y 。+ y 6 ) 2 或由变化过程进行计算，当m 点向下移动y 时产生横向移动血，此时c ，e 点随m 点移动。其运动轨迹为圆弧，设为c 点绕d 点旋转角度，则 少= 讫s i n ( )( 2 5 ) 缸= 吒。c o s ( ) = ( 1 一2 一缈2 ) ( 2 6 ) 点m 、c 、e 在同一个刚性零件上，且该刚性零件自身并未发生旋转，其运动 轨迹形状和大小相同，因此可得e 点气缸输出位移丛为： 岱：瓜瓦面 厂；= = = = _ 一 ( 2 7 ) = 缈2 + 吃2 ( 1 一2 一缈2 ) 2 北京交通