（机械电子工程专业论文）减速顶检测装置的特性分析与研究.pdf

浙江工业大学 学位论文原创- 性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者虢衢液 日期妒7 年月书日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位沦文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密影 ( 请在以上相应方框内打“”) 弋圳建 日期：问年1 7 - 月 艿日日期：舻j 年月 拶日 日期。杪岛年e 乙月z 矽日 摘要 减速顶是2 0 世纪6 0 年代开始在铁路上应用的一种减速设备。我 国从7 0 年代末期着手减速项研制和开发，并提出其相应的检测方法， 设计相应的检测设备。现有的检测方法以经验判断为主，辅以室外实 车试验。检测过程生产率低，费时费力。尽管目前有一些科研单位研 制出室内的检测设备，但存在设备占地面积大，试验方法繁琐的缺点， 检测过程耗费大量人力物力，不能满足生产的需求。 本文在查阅大量文献的基础上，结合减速顶的结构和工作原理， 提出采用数字阀控液压缸驱动推杆冲击减速顶来模拟车轮滚压的设计 思路。建立了基于增量式p i d 控制的数字伺服阀控制系统和液压系统， 并将该系统应用于减速顶检测。本文通过对控制系统和液压系统进行 理论方面的分析，找出系统工作过程中各个参数的变化规律及相互作 用关系，为设计和完善减速顶检测系统，提高系统的工作性能提供理 论依据。 本文的论述主要包括五个方面： 第一章，对减速顶及其检测技术进行了系统的论述。阐述了本论 文的研究目的、意义，并列出了主要的工作量。 第二章，介绍了整个减速顶检测系统的设计方案，包括数字伺 服阀的设计、控制系统的的软件设计。 第三章，详细介绍了数字阀控非对称液压缸系统的数学模型。 阐述了如何利用m a t l a b 语言编制计算机程序对液压及其控制系统进 行仿真研究，并给出了开环和仿真试验后的试验曲线。 第四章，结合检测平台，对数字阀控非对称缸动力机构作了大量 的试验，并与仿真结果相比较，结果表明仿真分析基本符合实际情况。 第五章，对论文的研究内容进行了总结与展望。 关键词：减速顶检测系统电液数字控制伺服阀2 d 数字阀 动态特性 a n a l y s i so nc h a r a c t e ro f t h er e t a r d e r t e s t i n ge q u i p m e n t a b s t r a c t t h er e t a r d e rw a s e q u i p e dw i t hr a i l w a yb y 19 6 0 s w es t a r t e dt o r e s e a r c hi tb yt h ee n do f19 7 0 s a n d ，t h ef a c i l i t yw h i c he x a m i n et h e r e t a r d e ri sf o g y i s m t h em o s to fm e t h o d si st h mw ee s t i m a t ei t b y e x p e r i e n c e p a r t i a l l y , w ec h e c ki tw i t ha p p a r a t u so u to ft h ed o o rw h e r ew e c a du s et h er a i l c a r t h em e t h o dh a sl o w e re f f i c i e n c yw h i c hm a yw a s t e m a n yt i m ea n dm o n e y s o m eo ft h ei n s t i t u t eo rc o r p o r a t i o nh a sd e s i g n e d t h ee q u i p m e n tw i t hu s i n gi n d o o r b u ti th a ss o m ed e m e r i t ，f o re x a m p l e ，i t s t i l ln e e dm o r er o o m s ，t h ep r o c e e d i n go fe x p e r i m e n t a t i o nl o a d sd o w nw i t h t r i v i a ld e t a i l s i tc a nn o tb es e a s o n e db yt h ep r a c t i c e t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dan e wi d e a le q u i p m e n tb yu s i n ga h y d r a u l i c a c t u a t i n gc y l i n d e rt oi m p a c tt h er e t a r d e r , w h i c ht a l l yw i t ht h ea c t i v es t a t e o fi t , a n db a s eo nt h es t u d y i n gr e l e v a n tw o r k i n g s id e s i g nad i g i t a ls e l - v o v a l v ec l i q u ea n dp a r t i c i p a t ei nd e s i g n i n gt h es e r v o - v a l v ec o n t r o ls y s t e mo f t h ec l i q u e a n di ti s a p p l i e d t oi ti nt h er e t a r d e re x a m i n e ds y s t e m s u c c e s s f u l l y t h ed y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o ls y s t e m a n dh y d r a u l i cs y s t e ma r ei n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i o n t h ee f f e c ti sa l s o d i s c u s s e dw h e nt h ep a r a m e t e ri nt h es y s t e mh a sb e e nc h a n g e d i tw i l lo f f e r at h e o r e t i c sd i r e c t i o nw h i c hc a nu p g r a d et h ep e r f o r m a n c e t h em a i nt a s k so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s c h a p t e r 1m a k e sa s u m m a r yo ft h e r e t a r d e r ss t r u c t u r ea n d e x a m i n a t i o nm e t h o d t h e ni n t r o d u c e st h ep u r p o s e ，m e a n i n ga n dc r e a t i v e p o i n to f t h i st h e s i s c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ew h o l ed e s i g np r o j e c to fs y s t e mi n c l u d e dt h e d i g i t a ls e r v ov a l v e 、t h es o f to f t h ec o n t r o ls y s t e m c h a p t e r3d e s c r i b e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ed i s t a l s e r v ov a l v ec o n t r o l a s y m m e t r yf l u i dc y l i n k e r a n de x p o u n d h o wt o s i m u l a t et h es y s t e mb ym a t l a b c h a p t e r4i sa b o u tt h ee x p e r i m e n ta n d t h ec o n c l u s i o nb a s e do nt h en e w e q u i p m e n t i ts e e m st h a tt h ec o n c l u s i o no fs i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a r es u c ha d j a c e n c ew h i c hm e a n st h et h e o r e t i c sb e i n gi d e n t i c a lw i t ht h ef a c t b a s i c a l l y c h a p t e r5i st h es u m m a r i z a t i o no f t h i sp a p p e ra n dp r o s p e c t k e y w o r d s ：r e t a r d e rt e s t i n ge q u i p m e n t ，e l e c t r o h y d r a u l i cd i g i t a ls e r v o c o n t r o l ，2 dd i g i t a lv a l v e ，d y n a m i cc h a r a c t e r 4 第一章减速顶及其检测技术的发展 1 1 减速顶产生背景与发展现状 1 1 1 减速顶产生的背景 在了解减速顶之前，我们先来了解一下什么是驼峰编组技术。货物在铁路货 运站或专用线装车后，由调机拉到编组站，按其去向编成列车，向目的站方向发 车。同- n 车中的货车，到站不尽相同，在其运输过程中，往往要经过多次改编。 货物列车到达其最终目的地后要解散，分别将拉到货运站或专用线路卸车。货车 的编组、改编和解散地点就是列车编组站。 编组站的调车以重力驼峰为主。所谓驼峰是指铁路线的一个突起区段，如图 卜1 所示。调机车将车列推至峰顶，人工摘开车钩，车辆利用重力加速脱离列车， 自由溜向指定的股道。驼峰调车推送速度不高，通常为3 7 k m h ，但解体作业连 续平稳，效率高，成为当代铁路调车的主要方式。“1 调机车车辆 图卜1 驼峰绷组不意图 列车在自由溜向指定的股道时，需要控制其运动速度。车辆速度太高易发生 相撞，造成损失；车辆速度太低，没有到达指定位置时已经停止，货车需要人工 牵引造成生产效率大大降低。 5 0 年代末，英国铁路编组站的钳式减速器控制系统由于不能全面适应车辆走 行阻力的动态变化。常常因减速器控制不当而造成车辆冲撞事故。据英国铁路的 试验资料记载。只有3 0 的车辆在速度为o 2 。1 3 m s 范围内安全连挂，其它则有 2 0 的车辆途停，5 0 的车辆超速冲撞。 针对这个情况，英国道蒂液压设备有服公司( 以下简称道蒂公司) 1 9 5 8 年秋丌 始研究减速项。经过6 个月的研究以及在a s c h u r c h 一条专用试验线上进行试验后。 1 9 5 9 年5 月研制出第一代无外部能源的液压减速顶。 1 1 2 国内外减速顶技术发展现状 上世纪7 0 年代起，道蒂公司在第一代液压减速顶应用研究的基础上又相继研 制出第二代第三代新型标准减速顶，并成功推广到世界各主要国家。随后德国、 日本、南非也在此基础上开发出新型减速顶，并在各自国家的铁路网络中应用推 广。 从1 9 7 4 年我国第一台具有自主知识产权的减速顶研制成功，到领先于世界水 平仅仅用了3 0 多年。这三十年的发展大体可分成实验研究阶段( 1 9 7 4 1 9 8 3 ) 、全 面开发研究阶段( 1 9 8 4 1 9 9 3 ) 、推广提高阶段( 1 9 9 4 一至今) 三个发展阶段。 目前，在国内外科技界对中国减速顶及其调速技术以取得共识的基础上，不断 加快减速顶外铁路快速的推广运用；在国外，中国减速顶在荷兰、俄罗斯、美国 等铁路纷纷被采用，己呈现可喜的市场i ；i 景。 在我国减速顶及其调速技术在国内外铁路快速推广的同时，各研制生产单位 精益求精，不断提高各自产品的技术含量和质量水平，在完善结构、扩大功能、 优化系统、提升科技水平方面取得了较大的进展。先后获得国家发明专利、实用 新型专利4 0 余项和国外专利技术5 项。因而在国际减速顶及起调速技术领域，中国 不仅达到国际先进水平，有些己居世界领先地位。 1 2 减速顶检测技术的发展现状 随着我国铁路编组站、区段站现代化技术改造r 益发展，减速顶己被广泛应 用，成为一种重要的运输设备。其各项技术性能指标的优劣，已直接影响着编解 作业的效率和安全，需要快速、准确、全面地检测减速顶调速设备的各项性能指 标。减速顶作为一种不需要外部能源的液压减速元件，在其两次检修期f b j 平均将 承受超过l o 万次的滚压。因此对其制造工艺和维修工艺都提出了较高的要求。制 造或维修完成后，减速顶的临界速度、制动功、阻力功等参数必须符合一系列技 术条件。如何更加快速便捷地对减速硕的有关参数进行检测，己成为各科研单位 不断深入研究的目标。 9 1 2 。1 室外实车检测技术 国家对于室外减速顶检测( t b t 2 4 6 0 9 3 ) 所规定的试验条件如下：”1 ( 一) 车辆条件 1 测试制动功、阻力功、i 临界速度及其误差时，车辆重量不小于2 0 t ；测试 抬起高度时，用最轻车辆( 国内铁路为1 8 t 空平板车) 。 2 测试内侧安装的减速顶时，车轮轮缘高度应为2 5 f f f n 。 3 车轮踏面直径应为8 4 0 0 。唧。 4 车轮轮缘厚度应为3 2 0 - 。i i l t n 。 ( 二) 线路条件 1 轨距为1 4 3 5 2 唧。 2 测试区段两根钢轨水平高差不超过4 m m 。 3 测试区段应为直线，其坡度不超过1 。 ( 三) 减速顶条件 1 安装高度为产品图样规定的公称值日! 。h 吼。 2 滑动油缸温度在2 卜5 0 之间。 ( 四) 车辆溜放速度要求 1 测试制动功时，要求车速超过使减速项不起制动作用的最高车速0 5 l k m h 。 2 测试阻力功时，要求车速抵于使减速顶起制动作用的最低车速0 5 - - 1 k m h 。 扶以上试验条件可以看出，室外检测是采取真实的行车环境，在铁轨内外侧 安装减速顶，配以相应的压力、位移传感器，用相同重量的铁路车辆来进行滚压 测试其是否符合要求。该检测方法直观，最接近真实的工作场合，但也存在以下 问题： 1 、测试成本高；需要足够长的铁路专用线，配重车辆等大量专用检测设备。 2 、测量效率低：实验均在室外进行，人工不断安装调节减速项，工作量大， 受天气影响严重，较难满足减速顶产品批量检验需要。 3 、测试精度低：易受天气、温度、环境等对测试系统和传感器的影响，又由 于轮对检测重复性较差，各种因素都将会降低检测精度，影响检测结果。 0 4 、测试功能少；不能做减速顶的密封试验和寿命试验，测试系统功能扩展性 也较差。 1 2 2 室内模拟实验台检测技术m 。3 鉴于上述诸多问题，国内不少科研单位开发出减速顶室内模拟试验台等新型 多功能测试系统。 此类系统大致由三部分组成： l 、模拟车轮滚动的机械回转装置：回转轮对、钢架、锁紧机构、变频电机、 钢轨、检测固定装置等组成。 2 、输入、输出闭环反馈控制系统：包括测速度、测压力、测位移、测寿命等 模拟量开关传感器、脉冲编码器、多通道a d 模数转换器、数据传输接口等。 3 、控制系统：包括主控机、测试软件、鼠标、键盘、打印机。 工作原理：在足够大的回转直径上，近似模拟车轮滚压于减速顶的真实情况， 通过输入必要的参数，由计算机传输到变频器、变频电机上，实现不同速度的检 测，借助于各种传感器，测出减速顶工作时的压力、位移、速度及工作次数，由 脉冲编码器反馈控制补偿速度，由a d 模块把转换后的实时数据传输到计算机 系统：经过专用的多功能软件采集、处理、制图、制表、存贮、打印等，完成实 时的过程检测。 2 0 0 5 年上海铁路站场调速技术中心有限公司成功开发了一套减速顶室内模 拟试验台新型多功能测试系统。该系统通过变频电机和变频调速系统控制车辆车 轮沿直径7 米的圆形单轨道上行走，从而得出不同的车轮运行速度以满足各型号 减速顶不同检测速度的要求。 试验台最大的特点是在室内运行，而且可以取代铁路轨道车、配重车、1 6 吨 守车和铁路专用线等多种传统检测设备，能够进行减速顶主要性能、密封试验和 整体寿命试验的检测，能较好地确保检测的精度和提高效率。 尽管此类室内模拟实验台大大提高了检测的效率和设备的适用范围，大幅降 低了检测成本，但仍然存在以下不足： l 、检测设备投入仍然偏高，该类系统需要建设直径为1 0 米左右的专用轨道 以及存放各种设备的配套场地。 2 、检测效率不高，仍然需要采用比较笨重的专用实验车辆对减速顶实行滚 压，检测周期长。 3 、检测精度不够理想，难以对检测车辆的速度和减速顶工作状态进行动态 监控，较难实现各种极端条件下的减速顶性能试验。 1 3 计算机仿真的发展简介 i 3 1 计算机仿真的定义 计算机仿真是建立研究系统的模型，进而在计算机上对模型进行实验研究的 过程。计算机仿真方法是以计算机仿真为手段，通过在计算机上运行模型来再现 系统的运动过程，从而认识系统规律的一种研究方法。计算机仿真以计算机作为 试验的平台，其产生和发展与计算机的发明和计算机技术的发展紧密相关。 计算机仿真技术是以计算机科学、系统科学、控制理论和应用领域有关的专 业技术为基础，以计算机为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行分析 与研究的- - f - j 新兴技术。现代计算机仿真技术综合集成了计算机、网络、图形图 像、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识，是系 统分析与研究的重要手段。计算机仿真技术具有良好的可控性、无破坏性，安全、 可靠、不受外界条件( 如气象条件和场地空域) 限制、可多次重复、高效和经济 性等特点，近年来发展十分迅速，已经成为当今众多领域技术进步所依托的一种 先进手段。 计算机仿真技术经历了模拟计算机仿真、混合计算机仿真、专用数字计算机 仿真、通用数字计算机仿真等阶段，目前已进入基于网络的分布仿真阶段。 1 3 2 液压系统仿真的主要步骤 对减速顶进行仿真研究的过程中，主要分下面四个步骤： l 、分析检测系统的数学模型。 2 、对仿真模型进行修改、校验。 3 、利用某种计算机语言编写仿真程序。 4 、运行仿真程序，通过改变其中参数来获得不同的数据，判别系统性能。 这罩涉及到三个具体的部分：第一是实际的检测系统，第二是数学模型，第 三是计算机仿真程序。这罩一共有两次模型转化，首先将实际系统进行数学建模 将其转化成数学模型，然后选择合适的计算机语言将数学模型用程序表达出来， 输出仿真结果，根据仿真结果分析方案的可行性，为设计制造检测系统实物提供 依据。 1 4 论文选题的意义及课题任务 综上所述，减速顶技术含量高、应用量大、使用频繁的特点和相对落后的快 速检测技术形成了突出的矛盾。因此丌发一种占地面积小，设备成本低，操作简 单，适合在各列车编组站、设计研发部门、减速顶维修工段使用，能够提供快速 检测的设备成为需要攻克的难题。 论文首先对减速顶的发展历史和工作、检测原理进行了简单介绍，分析了其 参数和结构要素。然后根据减速顶的使用特点，设计出减速顶快速检测的预定方 案，针对设计的检测方案建立数学模型和仿真程序。再根据检测方案进行试验平 台的搭建，进行减速顶的实际性能的试验检测，并与理论仿真进行对比，进而对 实验平台进行结构改善。论文具体任务有以下几个方面： l 、减速顶结构和工作原理及相关背景介绍。 2 、根据检测系统工作情况进行数学建模，得到系统的数学模型。 3 、将得到的数学模型进行基于m a t l a b 的性能仿真，得到仿真实验曲线，并 分析参数的变化对系统性能的影响。 4 、进行减速顶试验，得到实际曲线。 5 、理论仿真结果与试验结果分析比较。 论文希望能通过对上述问题的研究，对液压系统的工作性能和仿真建模技术 有一个比较深刻的理解，为今后在液压元件理论分析和仿真方面的工作打下一个 比较坚实的基础。 1 5 本章小结 本章首先介绍了减速顶及其检测技术的发展历程与趋势，指出现有减速顶检 测技术的局限性提出室内检测是其发展的主要方向。在此基础上介绍了计算机 仿真技术的发展现状，接着提出了本课题的研究对象。最后是本课题的主要工作 量。 4 第二章减速顶检测系统设计 2 1 减速顶结构及其工作原理旷8 1 减速顶安装在铁路钢轨上，通过滑动油缸体内油液和气体的共同作用产生制 动力对铁路车辆制动减速。它对于车辆制动作用的原理是将车辆的动能转变成油 气的压力能，由节流阀等构件将压力能再转化成热能，然后通过壳体、轨道、空 气等介质将热能散发：从而实现对车辆动能的吸收、转换和耗散的三个过程。下 面以t d w 型外侧减速顶为例介绍其结构和工作原理。 2 。1 ，1 减速顶的结构 液气减速顶的基本组成结构如图2 一l 所示，主要由滑动油缸组合件与壳体组 合件两大部分组成。滑动油缸组合件是由滑动油缸体、活塞组合件和密封组合件 组成；其内密封着一定量的油液和氮气，是减速顶的主要部分i 5 l 。 1 滑动油缸组合件 ( 1 ) 滑动油缸体是一个杯形体，在高压和高速连续撞击的恶劣工况条件下 工作。为提高耐磨性和强度，缸体的顶帽与内、外表面都经硬化处理，同时为增 加抗蚀性，缸体外表面镀有铬层。 ( 2 ) 活塞组合件是减速顶的心脏，它由内六角螺钉、钢球、调整螺钉、轴 用挡面、固定阀板、活塞杆、0 型密封圈、弹簧座、压力阀弹簧、压力阀、速度 阀弹簧、速度阀板、压力阀座等组成，它们以规定的顺序安装在活塞杆上。速度 阀板，速度阀弹簧等构成速度阀。由弹簧的刚度及丌口量可以确定临界速度精度。 由压力阀座、压力阀、压力阀弹簧、弹簧座和调整螺钉等构成压力阀，通过旋动 调整螺钉，可以调整压力阀的丌启压力。由回程阀板、轴用挡圈和活塞杆下端面 构成回程阀。 ( 3 ) 密封组合件是用来密封滑动油缸体内的油液和氮气。充氮时，拧下沉 头螺钉将充氮装置上的充气嘴压入密封盖的充氮口，即可充入氮气。活塞杆底部 装上止冲挡圈和弹性圆柱销，与壳体上的止冲销配合将滑动油缸组合件锁在壳体 内，以防弹出。另外用挡圈挡住密封盖，防止其退出滑动油缸体。 2 壳体组合件 壳体组合件是减速顶与钢轨连接的基座，对滑动油缸组合件起支撑和导向作 用。壳体用m27 双头螺栓、六角螺母与钢轨联接紧固，并用弹簧挚圈防止螺母 松动。壳体内设有储油槽，装有防尘圈和o 型密封圈，以阻挡扶尘杂物入内和防 止润滑油脂流失。壳体底部设有排气孔，排气孔由标牌覆盖，用圆头螺钉和弹簧 挚圈紧固，以防雨水及异物进入壳体内部。壳体底部装有止冲销。 1 6 l 、滑动油缸体2 、刮油防尘罔3 、壳体4 ，速度阀板5 、速度蚓弹簧6 、乐力阊痒7 、i 亓l 程 阀板8 、锥阀9 、压力州弹簧1 0 、0 型密封罔l l 、充氰n 密- q m1 2 、充氮口压力钢球1 3 、 安装螺母1 4 、活塞杆1 5 j f 冲销1 6 、密封圈1 7 、j r 冲库1 8 、 环 图2 1 减速顶结构图 1 7 2 1 2 减速顶的工作位置及主要技术参数 减速顶的工作位置如图2 2 、图2 3 所示， 图2 - 2 减速项工作位置示意图图2 - 3 减速顶安装实际位置 减速顶的技术参数和结构特性很多，不同的产品还有各自特殊的技术参数， 但是直接影响减速项使用效果的主要有4 项、即临界速度、制动功、阻力功和垂 直反力i ”。 一、临界速度 l i 缶界速度是指：减速顶对车辆是否起制动作用的边界车速。 对同一类型的减速顶，其临界速度并非是一个确定的值而是处在不起制动作 用的最高车速和起制动作用的最低车速范围内的离散值。这一速度范围，我们把 它称为该档位减速项的l | 缶界速度误差。我们要求临界速度误差越小越好。 二、制动功 制动功是指：当车轮以高于减速顶临界速度的速度滚压过去时，车轮对减速 顶做的功。 制动功的大小主要取决于减速顶压力阀的丌启压力和滑动油缸的实际工作行 程。压力大、行程长，制动功就大。但丌启压力过高，容易引起轻车脱线。同时减 速顶安装高度的提高受机车限界的制约，并且安装高度过向将会缩短减速顶的使 用寿命。 8 三、阻力功 阻力功是指：当车轮以低于减速顶临界速度的速度滚压过去时，车轮对减速 顶做的功。产生阻力功的原因是滑动油缸和壳体，滑动油缸和活塞之间的摩擦力 等。阻力功大小不单纯以它的绝对值的大小来衡量，而是用阻力功相对于制动功 的百分比来衡量，从使用上讲，我们希望阻力功越小越好。一个合格的减速项， 这个值应控制在5 以下。 四、垂直反力 垂直反力是指；当车轮以大于减速顶临界速度的速度滚压减速顶时，减速顶 施加于车轮的反作力。垂直反力不允许超过最轻车辆的轮重，以保证车轮能将滑 动油缸压下，实现减速功能。垂直反力取决于安全阀的弹簧强度、滑动油缸的直 径、腔内油气量和充气压力。 2 1 3 减速顶的工作原理 减速顶是一种连续式调速工具，它可以对速度超过其临界值的车辆或车组产 生制动力，从而起到减速作用。减速顶不需要任何外部能源就能自动控制车辆的 溜放速度。不同的车辆溜放速度使减速顶的滑动油缸体产生不同的下滑速度。它 安装方便，使用量大，个别减速顶故障，不会引起车组失控。 减速顶对车辆起制动作用的大小是由车轮下压带动减速顶滑动油缸的下滑速 度决定的。当车辆的行驶速度高某一个临界值时，减速顶对车辆起制动减速作用； 车辆速度低于这个值时，减速顶的阻力很小，对车辆几乎不起减速作用，该速度 值就是减速顶临界速度的公称值。减速顶的临界速度，是产品出厂前就己经设定 的。 一、滑动油缸下压行程 ( 一) 低于临界速度时 车轮压下滑动油缸使它较缓慢的下滑，滑动油缸内上腔的油液通过速度阀环 形缝隙经活塞杆上的d , z f l 流向下腔。此时，速度阀板的上面流速极小，而下端面 具有一定的流速。根据伯努利原理，在这一状念下速度阀板上下端面产生压力差。 但由于速度阀板下端面的油液流速较小，上下面所产生的压差还不足以克服速度 阀弹簧的预紧力，所以速度阀板保持开启状态，油液流经速度阀产生的阻力很小， 1 9 减速顶对车辆基本没有减速效果。并且，由于滑动油缸体内充有一定压力的氮气， 在滑动油缸体下滑过程中，活塞杆进入滑动油缸的下腔，并占有一定的容积，上 腔流出的液油不能被下腔完全容纳，其多余部分的油液使氮气压缩，使滑动油缸 内的油气压力比原有冲氮压力略有提高。当车辆的轮对压下减速顶滑动油缸时必 须克服滑动油缸内腔油气压力所产生的反力，但此时的反力与车辆相l t 很d , ，基 本起不到阻力作用。 ( 二) 高于i 临界速度时 车辆处于比较快速的状态时，车轮使减速顶滑动油缸快速下滑滑动油缸内 上腔的油液以较快的速度流向下腔，快速流动的液压油在速度阀板上下端面形成 较大静压差，这个压力差足以克服速度阀弹簧的预紧力，使速度阀迅速被关闭， 活塞上沟通滑动油缸上下腔的小孔被覆盖。滑动油缸仍然要继续快速向下运动， 使上腔内的油气急剧被压缩，上腔内的压力迅速上升。当上腔内压力达到压力阀 预先设定的开启压力时追使压力阀在克服压力阀弹簧的预紧力后打开，上腔油液 在极大的压力下通过压力阀口流向下腔。在这一过程中，车辆轮对必须克服减速 顶产生的反作用力，才能将减速顶滑动油缸压下，此时减速顶对车辆就起到了制 动减速作用。在油液和氮气迅速的流动和被压缩过程中，车辆的动能被转化为机 械能并进一步被转化为热能。 二、滑动油缸回升行程 当车轮通过减速顶滑动油缸最低点后，滑动油缸内上腔中被压缩的氮气迅速 膨胀，使滑动油缸体向上回升，下腔油液通过活塞杆上的小孔流回到上腔。在滑 动油缸回升行程中由于回程阀板同样覆盖住活塞上的d , ：l ，油气通过被回程阀板 覆盖的小孔时，继续受到节流阻力，从而保证滑动油缸体以适当的速度回升。 因此，在减速顶的整个工作过程中，油气通过压力阀和回程阀的二次节流，吸收 并消耗了车辆对其所作的功。 2 2 检测系统设计 2 2 1 检测方案应满足的基本条件 减速顶在各编组站均有大量的应用。以沈阳铁路局为例，全局拥有各类减速 2 0 顶超过7 万台。维修量非常大，技术力量偏低，无法对维修好的减速顶进行及时 检测，将给列车编组工作带来很大的安全隐患1 2 1 。 我国幅员广阔，铁路编组站分布广，减速顶的维修管理一直存在无法定量检 测的问题。如果全部给每个编组站配套大型检测设备又不现实。根据实际情况， 设计的检测方案应符合如下条件： 1 、设备占地面积小 考虑经济承受情况和各编组站实际条件，设备应尽可能的占有比较小的空问。 设备结构紧凑，主辅设备问距离不要过大，整体应方便移动，便于随时调整空间 布置。 2 、设备投资成本小 由于编组站众多，尽量能给每一个维修站点配备一台减速顶检测设备。要求 该设备价格不能过于昂贵，每次检测的费用也要比较低廉，才有可能为用户所接 受。 3 、设备操作简单 减速顶是一个液气共同作用的减速设备，1 9 7 4 年引进中国后尽管得到了广泛 的应用，但是总体上这方面的技术资料少，加上维修站的大部分工人技术能力偏 低，理论知识薄弱，为达到准确、快速检测的目的。该设备操作软件应具有界面 友好、维护简单、数据显示直观，机械结构操纵方便快捷的特点以便技术人员 迅速掌握使用方法，判断维修工作是否到位。 2 2 2 检测系统设计思路 根据减速顶工作的特点，直接采用某一给定速度的推卡t 直接作用在减速顶的 工作部位，使滑动油缸产生向下的运动来模拟车轮滚压减速顶。控制不同的推杆 速度来模拟不同的车速滚压减速顶。通过传感器来测量垂直反力、滑动油缸速度 和位移，这样可以检验减速项是否在临界速度时发挥制动效能。减速项加载检测 系统由计算机控制检测系统和液压伺服加载系统构成。 2 2 3 液压伺服加载系统 液压伺服加载系统部分采用液压推杆提供向下运动的速度和压力，柬模拟试 2 验条件。 动力部分采用电机驱动单向定量液压泵提供压力源，液压油连接到电控四通 伺服阀，由控制部分来发出液压阀丌关指令，在设定的条件下，调节液压推杆的 速度，完成模拟加载的过程。 由于某些试验条件( 如测量临界速度) 要求提供比较商的推杆速度，为避免 加载液压缸体内出现气穴现象，安装了两个蓄能器把液压泵输出的压力油储存起 来，然后根据系统的需要快速释放，以实现系统的动作循环，这样系统可以选取 流量较小的液压泵，减少了功率损耗，降低了系统温升，使整个检测系统的尺寸， 重量和成本大大降低。 2 2 4 检测系统计算机控制器件 ( 1 ) 计算机控制检测系统包括：一台计算机、单片机测控系统、数据采集系 统和数字伺服阀控制器。 计算机控制系统按操作人员输入的指令控制数字伺服阀完成对被测减速顶进 行加载，同时将位移传感器、速度传感器和压力传感器上接收到的信号经数据采 集放大模块处理后，输入到计算机内作进一步处理，将结果通过显示器输出并在 系统中保存。系统工作原理如图2 4 所示。 图2 - 4计算机控制检测系统组成 2 2 5 检测测试数据及方法 检测加载系统总体方案如图2 5 所示。 一、临界速度的检测 临界速度是判断减速顶制动性能的一个重要指标。如图2 5 所示，在液压推 杆的顶部安装位移传感器和速度传感器，在减速顶试验壳体底部安装一个压力传 感器，实时检测减速顶滑动油缸移动速度以及活塞杆对底部的动态反力。由于减 速顶制动或不制动时对车轮的垂直反力相差很大。因此可以通过动态反力值判断 减速顶的工作状态。 匝囹 匝圃 嗣，l = 一 。j - 一t o ? _ 1 一 山。了。 f 目， r 7 l 、计算机控制检测系统2 、动力源3 、压力继电器4 、蓄能器5 、数字伺服i f i ；| 6 、位移传感 器7 、快速加载缸8 、机架9 、被测减速顶i o ，载荷传感器i i 、压力表1 2 、导轨1 3 、导 向板p 进油口a 工作油口t 同油口 图2 5 减速顶加载检测系统示意图 二、制动功的测试 制动功的测试可以采用“示功图法”进行测量。 根据测出的减速顶位移和对底部的压力值，经a d 转换器输入计算机进行 数据处理，计算减速顶的制动功公式如下： 圈圆 圈圈，一 彬= 喜华丛 ：兰尘生( 瓯r s 。) 鲁2 。” 式中n 一一一一一采样点数 e 一一第n 采样点的垂直反力 瓯一一第n 采样点的滑动油缸位移 ( 2 1 ) 三、阻力功的测试 阻力功产生的原理同制动功一样，计算公式也相同，公式如下： 形：兰2 拿岱 ：兰2 拿( 踮咆) ( 2 2 ) 式中n 一一采样点数 c 一一一一一第n 采样点的垂直反力 鼠一一第n 采样点的滑动油缸位移 2 3 检测系统数字伺服阀的设计 2 3 1 数字伺服阀的工作原理 按照设计要求，需要步进电机驱动阀芯以实现阀口开度的精确控制。这时需 要一种能够将步进电机的角位移按比例转换成阀芯直线运动并且能够具有较高的 精度和稳定性的装置，在流体控制元件中可以采用伺服螺旋机构实现这种功能“3 。 在阀的实际结构中，阀芯一般采用圆柱体的形状，并与阀体上的阀芯孔配合 成阀口，阀芯孔对阀芯的运动还起到导向作用。此时，滑阀阀芯在阀芯孔中具有 两个运动的自由度，一方面阀芯可以作轴向往复运动；另一方面，阀芯可以绕其 轴线转动，而且这两个运动自由度之问互不干涉，因而可以用伺服螺旋机构将这 两个运动自由度联系起来，将阀芯的角位移按比例转换为阀芯的轴向位移。这样 可以直接将步进电机的旋转转换成阀芯的直线位移，减少了中间环节，简化了控 制机构。 图2 - 6 所示为一单作用四通数字伺服阀的原理图。其输入信号为阀芯的转角， 输出信号是阀口的开度。 图2 - 6 四通伺服换向阀结构原理图 从结构上看，该阀属于双级阀，阀的导控级由高低压孔及螺旋槽之问的阻力 半桥构成；而主阀的丌口由阀腔内的压力差推动阀芯的轴向位移来实现。这类阀 的性能主要由伺服螺旋机构决定，具有以下特点。1 ： 1 结构简单、无弹簧、尺寸小； 2 静态刚度高； 3 响应速度快且无超调； 4 伺服螺旋机构零位泄露量极小； 5 具有很强的抗污染能力； 6 适用各种形式的输入信号。 该伺服阀由步进电机驱动，相当于一个转角一位移阀输出机构，输入信号是步 进电机的转角，输出则为阀芯的轴向位移。其静态工况下直线位移与螺旋角之白j 的关系可表示为： z ，= r k i t a n e ( 2 3 ) 式中：r 一一一一一阀芯台肩半径； x 一一步进电机转子到阀芯之甘j 的传动比。机械结构确定， k l 就唯一确定； 口一一一一一螺旋槽升角；。 在闭环控制机构中，液压伺服螺旋机构在选择合适的结构参数条件下总是表 现出过阻尼的特性，其阶跃响应过渡过程没有超调，而且其过渡过程时间很短， 足以满足工程控制对阀响应速度的要求。其闭环传递函数可以简化为一阶惯性环 节，即： 王垃：r k i t a n f l ( 2 - - 4 、 口( s ) 嚣+ 1 式中：，：丝! 呈 8 c ac o s f l 4 ( 2 r h o h l + j 2 ) p 。 其中： a ，一一一一一阀芯面积： 一一初始重叠面积的弓型高度； p 一一一一一油液密度： 2 3 2 数字伺服阀的结构设计 数字伺服阀实物如图2 7 ，图2 - 8 所示。该数字伺服阀为四通圆柱滑阀。该阀 主要由步进电机、阀芯、阀套、阀座和齿轮机构组成。其中涉及到运动部分的主 要机构是步进电机、齿轮机构和阀芯。 图2 7 数字阀齿轮机构l 芏| 2 - 8 数 ：f u j 服川 假设在常量输入的情况下，步进电机的输入通过一个齿轮机构作用于阀芯， 由于螺旋机构的导向作用，旋转运动转化为阀芯的直线往复运动，实现步进电机 对阀芯运动的直接控制。 数字伺服阀的设计在阀的材料选用、密封设计、结构尺寸等方面都有比较高 的要求。数字伺服阀的阀芯、阀套和阀座材料都选用牌号为z c u s n l o z i l 2 锡青铜， 该材料耐蚀性、耐磨性和切削加工性能好，铸造性能好，铸件致密性较高，气密 性较好，广泛应用在中等及较高负荷和小滑动速度下工作的重要管配件，以及阀、 旋塞、泵体、齿轮、叶轮和蜗轮等。选用该牌号锡青铜j 下是因为该材料拥有良好 的切削加工性能和耐磨性，数字伺服阀的阀芯阀套结构精巧、精度高，加工难度 大，因而在选用材料时需选用加工性能良好的材料。同时阀芯经常在阀套中运动， 为了提高阀的使用寿命它们还必须具有良好的耐磨性，同时整个阀还需要良好的 耐腐蚀性，综合上述，选用该牌号的锡青铜。 图2 - 9 为数字伺服阀的结构示意图 2 1 、步进电机2 、支架3 、步进电机齿轮4 、扇形齿轮5 、阀芯6 、齿轮罩7 、阀套8 、阀座 图2 - 9 数字伺服阀结构示意图 2 4 本章小结 本章首先对减速顶的工作原理进行了简要的介绍，根据检测结果的需要拟订 了检测方案和检测设备的总体构架，确定了减速顶检测的主要参数，设计了数字 伺服阀，并分析了其结构与工作原理，为下一步的数学建模和仿真奠定基础。 第三章检测系统仿真分析 3 1 系统数学模型的假设 减速顶不需要任何外部能源就能自动判别车辆的溜放速度，产生的阻力能不 能对车辆进行有效制动取决与是产生制动功还是阻力功。因此在进行检测时要根 据减速顶给定的临界速度分别检测。 根据第二章分析，当车辆溜放速度低于制动功临界速度时，速度阀板的上下 端产生的压力差很小，不足以克服速度阀弹簧的预紧力，速度阀板保持丌启，液 压油经速度阀小孔缓慢流向下腔，此时产生的阻力很小，减速项对车辆基本没有 制动作用。这时减速顶表现出来的是阻力功。 为简化分析，去除一些不足以影响全局的因素，作以下假设，这些假设作为 本论文里所有理论推导的前提“1 ： 1 阀为理想的零开口四通螺旋比例阀，四个节流口是匹配和对称； 2 节流口外的流动为紊流； 3 液压缸为理想单出杆液压缸； 4 供油压力保持不变，回油压力为零； 5 管路的影响和流体质量可以忽略； 6 液压缸内油液温度和容积弹性模数可以认为是一常数； 7 液压缸内、外泄漏为层流流动。 3 2 车轮速度和减速顶滑动油缸速度的关系 减速顶在工作时是车轮滚压滑动油缸吸能帽，使之产生向下运动。我们在室 内做试验时，是直接以液压推杆压向吸能帽。试验台测出的滑动油缸速度和实际 工作时的速度有所不同。因此，应首先建立两者之间的换算关系。如图3 - 1 所示： 可j d = 8 4 0 r m n虬 h 0 = 7 5 m m l 、车轮2 、被测减速顶3 、铁轨 图3 一l 乍轮运动分析 根据几何学与运动学公式，由图3 1 得： ，2 + h 2 ：h d 式中： h 一一车轮与减速顶高度接触点的高度： f 一一车轮轮心与减速顶接触点的水平距离； d 一一车轮直径，普通火车车轮直径d = 8 4 0 r a m ： 由( 3 - 1 ) 式求得： h = ( d 一d 2 4 1 2 ) 2 y = d h d t = 2 ，d 2 4 1 2 式中： ? ，= 1 0 r o + t ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 一= d h d t = 2 ( i 。一r o ，) 扫e 丽丽r o ( 3 4 ) _ 一一减速顶向下运动速度，也等于推杆运动速度 f o 一一车轮轮心与减速顶接触点的初始水平位移； 一一车轮水平运动速度： 式( 3 - 4 ) 即为车轮和滑动油缸的速度关系。 式( 3 4 ) 中，毛、d 为一定值，是车轮从接触减速顶顶部丌始到压倒最 底端的速度。由于减速顶的阻力作用，理论上k 是一个不断变小的值，但对于即 便是对于我国最轻的铁道车辆，自重超过1 8 吨的平板车而言，单个减速顶是起不 到明显的作用，因此可以认为是一个定值。 图3 2 ( a ) ( b ) 是车轮以速度压过减速顶时，减速顶油缸的速度一时间曲线。 c a ) r o = 0 5 5 m s( b ) r o = 1 1 6 m s 图3 - - 2减速顶滑动油缸速度一时间曲线图 从图中我们可以看出，减速顶油缸的速度在车轮压过时并不是个常数，而是 速度随时白j 变化不断的下降。在减速顶油缸位移最大时它的速度并不为零( 图3 - 2 中曲线的末端表示此时减速顶滑动油缸已经到达其最大行程，被压到底) ，而速度 一时自j 曲线为一双曲线形，几乎接近直线。这一点从其位移一时间曲线也可以看 出。因此减速顶的液压系统在检测过程中需要控制推杆的速度，使其符合实际工 作情况，才能确保所测得的制动功和阻力功符合实际。 3 3 阀控伺服加载系统建模 3 3 1 阀控伺服加载系统静态建模 图3 3 所示是数字阀的流量关系示意图。下面对它进行建模。 幽3 - 3喇控缸作川不意图 l 、阀u i 流量方程 如图3 3 所示数字阀的阀口是一个典型的滑阀结构，在讨论滑阀的静态特性 时，为简化研究，将其作为理想零