钢轨打磨车恒压加载系统压力波动分析

Pressure fluctuation analysis on the constant pressureloading system of rail grinding trainTANG Wanwen ，HU Junke ，ZHOU Chuanghui(1.Colege of Mechanical and Electronic Engineering，Central South University，Changsha 410012，China2.Colege of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)Abstract：The composition and working principle of grinding device of rail grinding train were introduced.As theinterference of track irregularity on the loading pressure during the process of rail grinding train operation，three- way pilot proportional pressure reducing valve was employed for constant pressure contro1.The influencemechanism of the corrugation frequenthe system was accomplished throughcy on the pressure fluctuation was investigated.The simulation analysis ofthe AMEsim simulation platform.The results show that the constant pres-sure loading system with three-way pilot proportional pressure reducing valve generates fluctuating pressure，which has a positive correlation with corrugationequency.However，it presents good grinding quality when thefluctuating pressure is smal and it has certain reference value for practical applications in the future projects。

Key words：rail grinding；forced vibration；pressure fluctuation；corrugationequency；three-way pilot propor-tional pressure reducing valve随着我国铁路既有线路改造和高速重载技术的长足进步，对铁路线路提出了更高要求。不仅要求轨道在轨向、水平的高平顺性，还要求钢轨具有高质量的表面和廓形，以改善轮轨关系 j。钢轨打磨可以有效预防钢轨波磨，控制接触疲劳、裂纹扩展和磨耗 J。采用三通比例减压阀实现恒压加载是目前比较主流的钢轨打磨方式之-，在打磨作业过程中，打磨砂轮铰接液压油缸以-定的加载力作用在钢轨表面完成打磨作业。针对三通比例减压阀在钢轨打磨恒压加载方面的应用已有大量研究成果，但都是通过对比说明采用三通比例减压阀是实现恒压加载方式的最佳选择，没有针对三通比例减压阀在恒压加载系统中的工作特性进行深入研究。例如郁凯元研究了采用系统压力直接检测和主阀芯速度反馈的比例溢流阀和比例减压阀，并提出采用主阀的三通结构来改善比例减压阀在无收稿 日期：2012-10-21作者简介：汤万文(1989-)，男，安徽芜湖人，硕士研究生，从事液压传动与控制研究第3期 汤万文，等：钢轨打磨车恒压加载系统压力波动分析 117负载时的控制性能 ；文献[4]对比了二通减压阀和三通减压阀，介绍了后者的结构特点和工作原理；文献[5]研究了影响三通减压阀输出压力的数值分析方法，指出了液动力、弹簧力等内部扰动对输出量的影响；文献[6]对比伺服阀、比例溢流阀，提出了使用三通减压阀的钢轨打磨方案。然而，由于钢轨打磨作业过程中，钢轨表面不平顺，即存在波磨 ，会使加载油缸产生受迫跟随振动，液压系统的非线性和滞后性会引起系统的反馈调节不及时，从而导致加载压力产生波动。此时，保持三通比例减压阀出口压力的稳定性，对打磨质量就显得非常重要。因此，有必要在考虑负载波动情况下，对采用三通比例减压阀实现的钢轨打磨恒压加载系统进行进-步研究。本文基于采用三通比例减压阀实现恒压加载的钢轨打磨系统的工作原理，分析波磨频率对加载压力波动的影响，分别建立三通减压阀在溢流和减压状态时的状态方程，最后通过仿真得出三通减压阀在负载波动情况下，阀芯位移跟随性好，加载压力的波动随波磨频率增大而增大，波磨频率最大时压力波动不超过 3.8%，恒压特性好，保证了打磨质量。

1 打磨作业恒压控制原理及加载压力波动原因分析1.1 打磨作业恒压控制原理图1所示为采用三通比例减压阀的钢轨打磨恒压加载系统液压原理图。该系统通过控制液压油缸有杆腔和无杆腔压力，完成对打磨单元的加载。

在打磨作业过程中，恒压泵1输出压力油到油缸无杆腔，抬起与油缸外壳相铰接的打磨电机与打磨砂轮等组成的打磨单元，得到打磨指令后，电磁换向阀 8得电，恒压泵2连通三通减压阀5向油缸有杆腔输入压力油，无杆腔油压保持不变。油缸受迫跟随振动，下移过程中，有杆腔容积增大，三通减压阀主阀进油，在上移过程中，有杆腔容积减小，三通减压阀主阀回油，维持有杆腔加载压力的恒定。

实际工作过程中，由压力传感器与三通减压阀-起构成压力闭环控制系统，实现对有杆腔的恒压控制。

1.2 加载压力波动原因分析钢轨表面波磨的轨迹曲线可近似认为是正弦函数，引起油缸受迫跟随运动的加速度为r7口(2v/T) Asin(2，trvt/T) (1)式中：A为波磨深度； 为作业速度；y为波磨波长。

作用在油缸上的力平衡方程为FP A -P6A6MgcosO-MgsinO-Ma (2)式中：A。为有杆腔压力作用面积；A 为无杆腔压力作用面积；p。为有杆腔端压力值；p 为无杆腔端压力值；M为打磨单元的总质量；0为油缸倾斜角度；F为瓠窝力。

液压油并不是理想刚性体，其受压后压力与体积的关系式为△P- K (3)假设有杆腔封闭，其容积方程为VvoA。Asin(2rvt/T) (4)容积变化速率为dV 。Ac0s(2 / ) (5)Ub T式中：△P，K，AV和 分别为有杆腔的压力增量、油液压缩系数、有杆腔容积增量、有杆腔初始容积。

由式(3)可知：较小的容积增量经过 的放大产生较大的压力变化，而p。的较大变化引起打磨力 F的较大变化。由式(4)～(5)可知：有杆腔容积增量的系统外扰动为波磨的存在，且容积变化速率与波磨频率正相关。

2 AMEsim建模及仿真1，2-恒压变量泵；3，4-蓄能器；5-三通减压阀；6，7-单向阀；8-电磁换向阀；9-加载油缸；1o-打磨电机；l1-打磨砂轮 2. 1 三通减压阀工作机理图I 打磨单元恒压加栽系统 三通减压阀必须能够跟随有杆腔压力的变化ng· The c。 am presure 。adig ys em of grinding Un 快速响应，及时调节 P口到A口、A口到 口之间的ll8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2013年6月开口大小，抑制有杆腔压力P 发生较大变化。

三通减压阀先导阀控制油取自进油口，在流量稳定器作用下，先导控制压力在进油口压力波动的情况下也能保持稳定，因此，可以直接以-个恒压P作用在主阀阀芯上腔。简化后的三通减压阀控缸系统的结构原理如图2所示。

图2 三通减压阀控缸结构原理图Hg.2 The structure of three-waypilot proportional pressure reducing valve为了便于分析和研究，在建模过程中作如下假设：建模过程中以油缸位移处于波磨中心线位置时为初始条件；简化恒压变量泵和蓄能器的组合为恒压源；液压油的体积弹性模量、密度视为定值；不考虑温度、管道效应、泄露等的影响；由于主阀芯的流量小，忽略液动力对阀芯运动的影响。

2.1.1 溢流状 态油缸上移时，有杆腔体积减小，三通减压阀处于溢流状态。

主阀下腔流量连续方程为A。誓 ㈤油缸上移产生的流量为Q。A - ·誓 ㈩ (7)通过主阀回油El的流量方程为QrCd 。√ (8)式中：A。为阀芯作用面积，x。为阀芯位移；Vo为油缸处于波磨中心线位置时阀芯下腔体积； 为液体体积弹性模量； 为油缸速度； 为油缸处于波磨中心线位置时的有杆腔体积；C 为流量系数； 为回油口阀芯面积梯度；p为液压油密度。

主阀芯的力平衡方程为。 -PA。- "。)% D警(9)式中：P为先导控制压力；Kc为弹簧刚度；c为弹簧预压缩量； 为主阀芯质量；D为黏性阻尼系数。

设状态变量为X。P。，X 。， 。 。，由式(6)～(9)可得三通减压阀起溢流作用时控制状态方程为： Xl -A。 。

( 。-Cd'wX2 A0 (1o) An √ -。，) X2X3 (11)恐 ( A。- 。-K(c )-DX3)(12)2.1.2 减压状态油缸下移时，有杆腔体积增大，三通减压阀处于减压加载状态。

主阀下腔流量连续方程为A。 誓 ，油缸下移产生的流量为 · a (14)通过主阀进油口的流量方程为c 。 (15)式中：P，为进油口压力。

设状态变量 X4P。，Xs o，X6 ，由式(7)，(11)，(12)和(13)可得三通减压阀起溢流作用时控制状态方程为： (CdwX re(P1- X4)- - A。 。-A。x6) (16)X5：x6 (17)Mo(XIA。-PA。- (c墨)-DX6)(18)2.2 AMEsim建模与仿真在 AMEsim模型中，直接用恒压源代替恒压泵和蓄能器的组合，忽略液压缸空行程的过程，直接将液压缸的初始行程设置为油缸位移位于波磨中心线位置，弹簧阻尼模拟钢轨，信号系统模拟波磨。

第 3期 汤万文，等：钢轨打磨车恒压加载系统压力波动分析 l19图3 系统 AMEsim仿真模型Fig.3 AMEsim simulation model of system仿真关键参数如下：有杆腔活塞直径25 m，无杆腔缸径40 mm，油缸倾斜角为0。，打磨单元总质量为300 kg，打磨设定压力为7.8 MPa，波磨磨深为 3 mm。

钢轨波磨波长为30～2 500 mm 。对于小于打磨砂轮直径的波长，可以不考虑对加载压力的影响，因此，本 文 仿 真 波 长 范 围设 定 为 300～2 500 mm，打磨速度设定为7 km/h，则波磨频率范围取为0.7-6.5 Hz。

吕、 趟O 0.5 1.0 1.5 2.O 2.5 3.O时间，s图4 主阀芯位移曲线Fig.4 Displacement curve of valve core图4所示为频率1.7 Hz时的三通减压阀主阀芯位移曲线。由图4可以看出：阀芯和加载油缸组成了-个位置随动系统。阀芯位移曲线的波峰和波谷是平的，即被削峰”，主阀阀芯在正负最大开口时的位移是稳定的，且以某-值为中心振动，此时减压阀有着稳定的流量，阀芯不会处于静止状态，从动力学理论来说这有利于减小液动力对阀芯的影响，提高比例阀的动态特性，结果表明三通减压阀具有良好的跟随性。

图5为 1.7 Hz时的加载油缸有杆腔压力曲线。从图5可知：加载油缸有杆腔压力稳定在 7.8MPa左右，存在周期性的尖峰压力。第-个尖峰压力出现在0.6 S左右，即加载油缸的位移刚好处于波磨的中心线上，此时加载油缸的速度和流量都处于最大值，砂轮的切削点也由波磨的波谷转为波峰，有杆腔容腔冲液速度达到极大，产生压力冲击，冲击值小于 3%。

12O10o8O06o402OO时间，s图5 加载压力曲线Fig.5 Pressure curve of loading pressure120 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2013年 6月图6和图7所示分别是波磨频率为0.7 Hz和6.5 Hz时加载油缸有杆腔 的压力 曲线。对 比图5～7可知：随着波磨频率的增大，压力的波动率增大；在0.7 Hz时，加载油缸振动慢，有杆腔容积变化速率小，压力冲击校从图6可知：有杆腔压力曲线基本是-条直线，在 6.5 Hz时，加载油缸快速振动，有杆腔容积变化速度很快，在加载油缸位移由波谷转为波峰，并处于波磨中心位置时产生了较大的压力冲击，其波动率小于3.8%。因此，在整个波磨频率范围内，恒压特性好。

8060商山4O20OO 0.5 1.O 1.5 2.O 2.5 3.0时I司/S图6 0.7 Hz时的加载压力曲线Fig.6 Pressure curve of loading pressure in 0.7 Hz908O书7O2、 605O40O O.5 1.O 1.5 2.O 2.5 3.O时间/S图 7 6.5 Hz时的加载压力曲线Fig.7 Pressure curve of loading pressure in 6.5 Hz3 结 论(1)三通比例减压阀具有 良好的动态特性和跟随性。

(2)加载油缸位移由波谷转为波峰并处于波磨中心线位置时，其速度和流量处于最大值，不可避免地产生了压力冲击。但在整个波磨频率范围内，压力冲击校(3)使用三通比例减压阀的钢轨打磨车恒压加载系统，加载压力的波动，随着波磨频率的改变而改变，频率增大时，有杆腔容积变化率增大，波动增大∩以通过合理控制行车速度，降低打磨波磨频率，从而减杏载压力的波动，提高打磨质量。