铁路救援起重机模型仿真边界条件研究

摘 要:建立了采用液压调平机构的铁路救援起重机模型,基于 ADAMS 软件分析了轮与轨、支承滑块与调平弧板 的接触力,并对确保铁路救援起重机曲线通过的边界条件进行了研究。此模型对铁路救援起重机曲线通过中主要 的动力学性能进行了仿真,此研究对铁路救援起重机液压调平系统的控制策略具有重要意义。

关键词:铁路救援起重机;液压调平系统;ADAMS;边界条件

Abstract: The model of railway rescue crane with hydraulic leveling mechanism is established. Based on ADAMS software, the contact force between wheel and rail, support slider and leveling arc plate is analyzed, and the boundary conditions to ensure the passing of railway rescue crane in curve are studied. This model simulates the main dynamic performance of railway rescue crane during curve passing. This research is of great significance to the control strategy of hydraulic leveling system of railway rescue crane.

Keywords: railway rescue crane; hydraulic leveling system; ADAMS; boundary conditions

0 引言

铁路救援起重机能在轨道上进行多种工况作业,在 铁路车辆吊装复位、事故救援等方面发挥着重要作用 [1]。

在铁路曲线上,线路的外轨高度要超过内轨,机车车辆高速通过时车体向内倾斜,可抵消高速通过产生的离心力,以保证车辆的安全运行。普通铁路救援起重机通过心盘或旁承直接与转向架相连,载重小,速度快,运行 安全性高,对此类起重机的研究也较多。付勇、贾志学[2,3]等人研究了小型铁路救援起重机的动力学特性,对起重 机主要结构进行了优化设计;学者邵俊鹏 [4] 研究了液压 调平系统电液伺服系统的控制策略,提出了分数阶 PID 控制;何刚、刘海军、温保乐 [5 - 7] 等人研究了重载铁路救援起重机的发动机、吊臂、底架等结构,而对重载起重机的带载运行特性研究较少。当重载铁路救援起重机带载通过轨道曲线时,低速、前后轴重偏载较大,车体向内(圆心)倾斜的重力远大于离心力。为了保证铁路救援起重机带载曲线通过安全及作业性能,车体重心需向安全方向偏移,即底架及以上部分通过机构保持在水 平状态。此机构即为液压调平机构,其结构简图如图1所示。支承滑块与底架相连,放置在调平弧板上,底架与安装在调平弧板上的液压调平液压缸活塞杆相连,调平弧板与转向架构架之间通过摆动心盘相连,并在两侧各设有弹簧旁承。当转向架车轮及构架部分横向倾斜时,底架可在液压调平液压缸的推动下,绕调平弧板的圆弧面反向摆动,从而保持在水平状态。

图 1 液压调平系统结构简图

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):41-47.引 用 格 式

1 多体动力学建模

该铁路救援起重机有8 个轮对,其中每个转向架上靠近车体重心的轮对为驱动轮。轮对通过轴箱和一系悬挂与转向架构架连接,一系悬挂具有三向刚度。调平弧板通过摆动心盘与转向架构架相连,结构设计使调平弧板相对转向架构架具有一定的旋转自由度,调平弧板两侧各设置弹簧旁承,弹簧旁承放置在转向架构架上。调平液压缸放置在调平弧板中央,液压缸 活塞杆两侧与底架固连。底架在每个调平弧板处设置 4个支承滑块,当调平弧板随转向架发生倾斜时,滑块可随调平液压缸的推动在调平弧板上滑动以调整底架的水平状态。调平弧板与底架之间通过牵引杆连接。

起重臂与上车和变幅液压缸相连,臂端通过吊钩吊重。 整车以4 km/h 的速度在轨道上运行,轨道具有一定超高量。 如图 2 所示,利用三维软件 Pro/E 建立铁路救援起重机各构件的模型,在不影响计算正确性的前提下进行模型简化,建立了上车、底架、弧板、旁承、转向架、轮对、起重臂、配重伸缩臂、配重、吊重以及超高轨道的三维模型并进行装配,对该模型进行干涉检查后 确定无干涉存在,随后保存副本生成.x_t 格式文件导 入ADAMS中,并将以上结构全部按照刚体进行处理 [8]。

图 2 铁路救援起重机仿真模型

2 边界条件施加

轨道和大地之间用固定副连接,模拟大地对轨道的支撑作用。轮对与转向架构架之间有两种连接方式,车轮和轮轴作为一个整体,用旋转副将轮对和转向架构架连接。此连接方式,轮对相对转向架构架无相对运动,不能体现一系悬挂的作用,实际运动中轮对相对构架可进行一定偏转,故修改成车轮与轮轴用旋转副连接,轮轴与转向架构架通过垂直副连接,约束轮轴相对转向架绕轮轴轴线的旋转。调平弧板与转向架构架间用球铰连接,使调平弧板可相对转向架架构偏转。液压缸活塞杆与液压缸缸筒之间添加移动副,活塞杆可沿液压缸筒体轴线运动,调平液压缸活塞杆两端与底架固连。调平弧板与底架通过牵引杆传递牵引力,调平弧板与牵引杆、底架与牵引杆根据连接处构造,简化成球铰连接。伸缩臂、上车、配重伸缩臂、伸缩配重与底架固连作为一个整体。吊钩与伸缩臂之间添加旋转副,模拟吊钩在变幅平面内的旋转运动。吊钩与吊重之间用球铰连接,模拟钢丝绳的连接。为模拟铁路起重机在运行过程中底架及以上部分保持水平,对底架与地面添加垂直副。

如图 3 所示,调平液压缸缸筒放置于调平弧板上, 可沿轴线 11 '旋转,可设置旋转副。由理论分析可知,铁路起重机从直轨入弯轨过程中,两调平弧板与转向架构架连接点距离在切线方向保持不变,在水平方向的 距离会缩短,故调平弧板在轴线 22'方向会发生倾斜,调平液压缸活塞杆与液压缸筒体之间的移动副又会限制弧板相对底架倾斜。由仿真分析可知,如此设置会使调平液压缸与弧板之间存在很大作用力,与实际不符。分析液压缸与弧板连接处具体构造,液压缸还可沿弧板进行上下位移,且在起重机前进方向也有一定的位移量,故将调平液压缸与弧板的连接设置为点线副和点面副 [10],释放液压缸与弧板之间多约束的自由度。

图 3 调平弧板构造图

轮对与轨道、弹簧旁承与转向架构架、调平弧板与弹簧旁承、调平弧板与滑块之间添加接触,利用非线性弹簧阻尼模型模拟接触力,计算方法采用冲击函数法 (Impact)[11]。轮对与轨道、调平弧板与滑块间的摩擦 力用Coulomb 模型模拟。轮对与转向架构架间的一系 悬挂具有三向刚度,而在ADAMS/View 中,弹簧连接只能在两个构件间产生单方向的作用力,阻尼器可在两 个构件间产生三分量作用力,故可用阻尼器或 3 个单方向的弹簧模拟。调平弧板与弹簧旁承之间添加弹簧连接,各弹簧根据所提供的数据设置相应的刚度、阻尼与预应 力(见表 1)。

表 1 各部件约束表

3 仿真条件设置

仿真分析共有 2 个工况,首先对铁路起重机进行静载拉、压仿真,分析力在调平系统各构件间的传递关系,确定支承滑块与调平弧板间接触参数。仿真分析时,在两转向架构架上施加一对大小相等方向相反的拉、压力,起重机空载。将仿真结果与实际实验相对比,确定仿真摩擦参数。

其次,进行整车运行仿真分析,铁路起重机吊重并 在轨道上以4 km/h 的速度运行。在仿真分析时,首先在起重机旋转副上添加旋转驱动,使铁路起重机在平直轨道上匀加速至额定转速,然后以额定速度通过超高弯轨,直至测试轨道的另一端。为保证仿真过程中上车及底架部分始终水平,对底架与地面添加垂直副。运行额 定转速时程曲线如图 4 所示,仿真时间为 76.8 s。

图 4 额定转速时程曲线

4 仿真结果分析

4.1 静载拉、压仿真分析

经过多次调试与实验对比,最终确定静载拉、压状 态下调平系统各构件受力,如表 2、表 3 所示。

表 2 调平系统构各件水平受力表

由表 2 可知,受静载拉、压载荷时,拉、压力由转向架构架传递至调平弧板,经与调平弧板相连的牵引杆传递至底架,其中支承滑块提供一部分摩擦力,由此确定滑块与调平弧板静摩擦因数取0.3,动摩擦因数取0.2。

由表3 可知,底架及上车部分重力与锁定销对弧板的作用力共同作用于调平弧板,进而传递至转向架构架。受拉、压过程中,转向架会相对底架发生一定的偏转,调平弧板只承受滑块一侧的压力,与实验对比,此仿真分析受力分布合理。因而,确定支承滑块与调平弧板间接触力参数,刚度系数1e6,力贡献指数取1.5,并将接触参数用于整车仿真研究。

表3 调平系统各构

4.2 整车带载运行仿真结果分析

输入起重机的自重及吊载情况,提取铁路起重机车轮轮压,理论模型与实际模型误差较小,轮压较大侧多在轨道超高侧。在分析仿真运行过程,虽然起重机底架及以上部分保持水平,但仿真分析没有考虑液压调平液压缸主动驱动因素,起重机前方吊重并没有处于轨道中 心,而是偏向外侧,造成内侧车轮减载大(见图5、图6)。

图 5 轨道外侧车轮轮压

图 6 轨道内侧车轮轮压

图 7、图 8 为铁路救援起重机仿真运行过程中,两 调平弧板处滑块竖直受力图。由图 7 可知,在驶入弯轨过程中,其中一个弧板发生了偏转,造成该调平弧板一侧支承滑块受力增大,另一侧受力减小,至驶出弯轨过程中,弧板逐渐摆正,弧板两侧支承滑块受力趋向一致,仿真结果表明在此处添加的边界条件可实现结构设计的功能。

图 7 前调平弧板支承滑块竖直受力

图 8 后调平弧板支承滑块竖直受力

5 结束语

对铁路起重机仿真模型添加的边界条件模拟了铁路起重机调平系统的受力及整车带载运行过程,由仿真分析结果,重载铁路救援起重机带载低速通过弯轨时,底架及以上部分始终保持水平时车轮受载均匀,但两侧车轮轮压差别明显,为使轮载受力均匀,在铁路救援起重机通过弯轨时,仍需有适量倾斜。

参考文献

[1] 赵卫. 新型铁路起重机转向架优化设计及性能分析[D].成都:西南交通大学,2014.

[2] 付勇.20t 多功能铁路起重机动力学性能的研究[D].大连:大连交通大学,2007.

[3] 贾志学.20t 多功能铁路起重机的设计与主要钢结构优化[D]. 大连:大连交通大学,2008.

[4] Shao J P,Zhang L,Jin Z H,et al.Fractional Order PIDControl of Railway Rescue Crane Leveling System[J].KeyEngineering Materials.2014,620:449-455.

[5] 何刚.NS1602 型铁路起重机的发动机电气控制[J]. 科技创新与应用,2018(27):72,73.

[6] 刘海军,王红娜. 基于NS1601 型铁路起重机吊臂支撑装置的设计[J]. 起重运输机械,2017(10):81-83.

[7] 温保乐,张仲鹏,狄阳,等.2888t·m 双回转铁路起重机底架结构优化[J]. 现代制造工程,2015(5):74-78.

[8] 路兵. 铁道车辆动力学特性分析[D]. 兰州:兰州交通大学,2016.

[9] 刘中勋. 基于Adams/Rail 仿真软件的曲线外轨超高研究[D]. 北京:北京交通大学,2005.

[10] 李增刚.ADAMS 入门详解与实例[M]. 北京:国防工业出版社,2010.

[11] 王超,杨明亮,王鹏,等. 基于ADAMS 的桥式起重机轮轨冲击响应分析[J]. 起重运输机械,2017(12):131-135.

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