铁路救援起重机调平系统联合仿真研究

滕儒民1 刘照东1 钮 承2 刘 永2
1 大连理工大学机械工程学院 大连 116024 2 中车齐齐哈尔车辆有限公司大连研发中心 大连 116052

摘 要：建立64 t 铁路救援起重机的ADAMS 动力学模型，进行不同工况下A 曲线通过性能分析，可知铁路救援起重机的曲线通过性能与行驶稳定性密切相关，调平液压系统的动态响应起到了决定性作用。为研究起重机调平系统的液压缸动态响应性能，在AMESim 仿真软件中建立起重机调平装置的液压系统模型，进行多软件接口技术设置，将两种软件联合起来建立机械液压联合仿真平台，通过对比动力学仿真结果和联合仿真结果，得到更加准确的仿真方式，验证动态调平性能。

关键词：铁路救援起重机；调平装置；动力学；液压系统；联合仿真

中图分类号：U294.27+5 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）09-0038-04

0 引言
随着我国的交通得到不断完善，尤其是铁路运输的发展空前繁荣，铁路运输行业在各个领域的比重也越来越大，同时铁路事故也变的更加频繁。铁路救援起重机作为保障国民经济大动脉通畅无阻的重要设备[1]，可更方便地处理铁路设备脱轨、倾覆等事故，提高处理铁路事故的效率是保证铁路畅通的重要保障[2]。同时，复杂的地形、恶劣的天气、轨道超高等问题也对铁路救援起重机提出了更高要求。

铁路救援起重机的研究很多，西安交通大学的张仲鹏、曾宪渊等人对铁路救援起重机的结构和技术进行研究[3]，对起重机的吊臂进行分析优化[4]；黄雍等人对铁路救援起重机的吊臂和上下车布置进行设计分析[5]；大连交通大学的王韬等人设计基于CAN 总线的控制系统[6]。针对轨道超高量问题，目前国内对轨道超高路段铁路救援起重机动态调平性能的研究较少，所以采用联合仿真研究其调平系统的动态调平性能具有十分重要的意义。

1 动力学建模和工况分析
1.1 动力学模型建模
依据图1 所示铁路救援起重机的实际作业情况，利用Pro/E 三维软件建立包括吊钩、重物、吊臂、底架、司机室、配重伸缩臂、配重、转向架、调平弧板、液压缸、轮对以及超高轨道等的三维模型，并就位置连接关系进行组合装配[7]，其三维简化模型如图2 所示。对模型进行上色和排除干涉处理之后，导出保存为.x_t 格式的文件。在ADAMS 中导入模型，将三维模型的所有结构按照刚体进行处理，其ADAMS 模型如图3 所示。

图1 铁路救援起重机

图3 铁路救援起重机ADAMS 动力学模型

在ADAMS 中对模型进行处理，设置各个部件的质量特性和下料类型。定义材料属性为钢铁，密度为7.801×10-6 kg/mm3，杨氏模量为2.07×105 t/mm2，泊松比为0.29。对比铁路救援起重机各部件的质量和重心，调整动力学模型部件的质量和位置并进行密度补偿。根据起重机工作情况添加运动副，各部件之间的连接和接触情况如表1 所示。此外，调平液压缸活塞杆与筒体之间为移动副连接时为调平工况；调平液压缸活塞杆与筒体之间为固定副连接时为未调平工况。根据轮对的工作参数设置轮对弹簧的刚度系数和阻尼系数分别为2 212.8t/mm、10.0 t/mm，模拟轮对在轨道上的运行过程。之后，添加轮轨和轮对之间添加位移驱动75.788d*time，模拟轮对在轨道上的运动；通过偏转角度反推出液压缸和底架之间的驱动-CUBSPL(time,0,SPLINE_1,0)，模拟液压缸对底架的偏转。最后设置仿真时间和步数，作出测量底架在运行中与水平面的倾斜角度，为仿真做好准备。

1.2 ADAMS 工况分析
通过前述仿真设置，对铁路救援起重机调平前后空载和吊重为31 t、41 t、51 t、64 t、80 t 的工况进行动力学分析。通过提取起重机前后转向架轮对的垂向力，按轮重减载率公式计算得到表2 和图4 所示轮重减载率。

从图4 可以看出，在外轨超高路段未调平的轮重减载率较大且不稳定。调平后的轮载率有明显降低，但忽略了液压缸动态延时导致结果太理想化，不符合实际，故加入液压仿真进行联合仿真进行对比分析。

从图4 可以看出，在外轨超高路段未调平的轮重减载率较大且不稳定。调平后的轮载率有明显降低，但忽略了液压缸动态延时导致结果太理想化，不符合实际，故加入液压仿真进行联合仿真进行对比分析。

图4 调平前后轮重减载率

2 AMESim 与ADAMS 联合仿真
2.1 液压系统建模
根据铁路救援起重机调平系统的液压工作情况，起重机进入外轨超高路段时，整车与水平面出现夹角，角度信号反馈给液压系统，通过调节比例控制阀的开关推动液压缸运动，实现铁路救援起重机上车点调平。采用液压软件AMESim 搭建调平装置的液压系统图（见图5），通过设置各个元件的参数完成调平系统的液压建模。

2.2 联合仿真
设置AMESim 和ADAMS2005 的接口, 将前面的ADAMS2015模型生成cmd文件导入ADAMS2005中（见图6），在ADAMS2005 中把文件导出为Inf 文件，在AMESim 中导入ADAMS 模块进行模块设置。实现液压软件和动力学软件的联合仿真，如图7 所示。

3 联合仿真结果及其分析
由调平系统动力学和液压联合仿真可知，铁路救援起重机调平状态下，空载、31 t、41 t、51 t、64 t 等工况的轮对垂向力。在各工况下，由定量泵提供液压油，通过换向阀信号推动液压缸运动实现调平。换向阀信号

图5 调平装置液压系统图

图6 导入ADAMS2005 的起重机动力学模型

是由ADAMS 模型测量的底架和水平面的夹角来提供。当铁路救援起重机进入外轨超高路段时，起重机与水平面发生倾斜，倾斜角度通过角度信号反馈给换向阀，换向阀通过开关控制液压油推动液压缸运动实现底架沿调平弧板的运动，实现底架的调平，平衡内外轨轮对垂向力，提高起重机的安全性能。调平状态下联合仿真的轮重减载率如表3 和图8 所示。

图7 调平装置联合系统图

图8 两种仿真下调平后轮重减载率对比

参考文献
[1] 程文明，张质文，王金诺. 铁路救援起重机的现状与发展方向[J]. 铁道货运，1994(4)：42-45.
[2] 陈振华，唐明新，钮承. 基于CAN 总线的铁路救援起重机调平系统设计[J]. 起重运输机械，2012(12)：26-29.
[3] 张仲鹏，王金诺，邓斌，等.160t 全液压三节伸缩臂式铁路救援起重机[J]. 起重运输机械，2002(12)：15-17.
[4] 曾宪渊，张仲鹏，阳燕，等.160t 铁路救援起重机伸缩式吊臂有限元分析及优化[J]. 起重运输机械，2010(1)：17-20.
[5] 黄雍.NS1003 型铁路救援起重机设计[J]. 起重运输机械，2014(4)：40-43.
[6] 王韬，唐明新，李忠. 基于CAN 总线的铁路救援起重机控制系统设计[J]. 起重运输机械，2012(5)：48-51.
[7] 滕儒民，沈少石，刘照东，等. 铁路救援起重机模型仿真边界条件研究[J]. 起重运输机械，2019(13)：75-78，89.
[8] 张领. 铁路救援起重机变幅系统机液耦合联合仿真研究[D] 哈尔滨：哈尔滨理工大学，2015.