铁路救援起重机模型仿真边界条件研究

本文选自《起重运输机械》杂志，如需转载，请注明出处作者：滕儒民沈少石刘照东刘永钮承

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软件分析了车轮与钢轨、支撑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。

该模型仿真了铁路救援起重机曲线通过过程中的主要动力学性能，该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:themodelofrailwayrescuecranewithydrauliclevelingmechanismisestablished.basedonadamssoftware，thecontactforcebetted supportsliderandlevelingarcplateisanalyzed， andtheboundaryconditionstoensurethepassingofrailwayrescuecraneincurvearestudied.thismodelsimulatesthemaindynamicperformanceormanceod curve passing.thisresearchisofgreatsignificancetothecontrolstrategyofhydrauliclevelingsystemofrailwayreailway

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

引言0

铁路救援起重机可在轨道上进行多种作业，在铁路车辆的吊运、事故救援等方面起着重要的作用[1]。

在铁路曲线上，线路外轨高度必须超过内轨。 机车车辆高速通过时，车体向内倾斜，可以抵消高速通过产生的离心力，保证车辆的安全运行。

普通铁路救援起重机通过心盘或横承与转向架直接相连，载重量小、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 ]等研究了小型铁路救援起重机的动力学特性，对起重机的主要结构进行了优化设计； 邵俊鹏[4]学者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]等人对重载铁路救援起重机的发动机、吊臂、底架等结构进行了研究，但对重载起重机的皮带承载运行特性研究较少。

重载铁路救援吊车带载荷通过轨道曲线时，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式输送机曲线的通过安全和工作性能，车体重心必须沿安全方向偏移。 也就是说，底架以上的部分通过机构保持在水平状态。

该机构为液压调平机构，其概略结构如图1所示。

支撑块与底架相连，置于调平弧板上，底架与安装在调平弧板上的液压调平油缸活塞杆相连，调平弧板与转向架架之间通过摆动心盘相连，两侧分别设有弹簧横向承载

台车的车轮及车架部分横向倾斜时，底架在液压调平油缸的作用下可以调平弧板圆弧面为中心反向摆动，保持水平状态。

图1液压调平系统概略结构图

滕明，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

这台铁路救援起重机有8个轮对，每个转向架靠近车身重心的轮对都是驱动轮。

车轮对通过轴箱和一系列悬架与转向架相连，系列悬架具有三向刚度。

调平弧板通过摆动心盘与转向架构架连接，调平弧板相对转向架构架具有一定的旋转自由度，调平弧板两侧分别设有弹簧的横向支座，弹簧的横向支座放置在转向架构架上。

调平油缸放置在调平弧板的中央，油缸的活塞杆两侧固定在底架上。

底架在每个调平弧板上设置4个支撑块，当调平弧板在台车作用下倾斜时，滑块可以在调平弧板上根据调平液压缸的推动滑动调整底架的水平状态。

调平板和底架之间通过拉杆连接。

动臂与上车和变幅油缸连接，斗杆端通过吊钩吊下。

整车以4 km/h的速度在轨道上运行，轨道具有一定的超高。

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模型，在不影响计算准确性的情况下进行模型简化，包括上车、底架、弧板、横承、转向架、轮对、动臂、配重伸缩臂、配重、吊荷

图2铁路救援起重机仿真模型

2边界条件的应用

模型边界条件的应用应使铁路救援起重机模型仿真运动符合实际。

ADAMS2005之前的版本包含ADAMS/Rail模块，可方便地构建轨道关系[9]。 但ADAMS的较高版本中没有ADAMS/Rail模块，用ADAMS/Rail模块构建调平系统较为繁琐，本文主要研究铁路起重机在轨道运行过程中整车随轨道超高变化的动力学特性。 为此，利用三维软件建模并引入ADAMS/View模块，为ADAMS/View建立合适的边界条件，准确模拟铁路起重机在轨运行的受力特性。

轨道与大地之间由固定副连接，模拟大地对轨道的支撑作用。

车轮对与转向架构架之间有两种连接方式，车轮与车轴作为一个整体，由旋转副将车轮对与转向架构架连接。

这种连接方式下，轮对相对于转向架构架没有相对运动，不能起到一系列悬挂的作用。 由于在实际运动中车轮对可以相对于相对框有一定的偏转，车轮与车轴由旋转副连接，车轴与转向架由垂直副连接，经过修正以约束车轴绕车轴轴线相对于转向架的旋转。

调平弧板与转向架构架之间用球连接，使调平弧板能相对转向架构架偏转。

在油缸活塞杆和缸筒之间增加移动副，使活塞杆沿油缸筒体轴线运动，将调平油缸活塞杆两端固定在底架上。

调平弧板和底架通过牵引杆传递牵引力，调平弧板和牵引杆、底架和牵引杆通过连接处的结构，简化为球铰连接。

伸缩臂、乘坐、配重伸缩臂、伸缩配重与底架固结为一体。

在吊钩和伸缩臂之间添加旋转副，以模拟吊钩在变幅杆面内的旋转运动。

用球连接吊钩和起吊负荷之间，模拟钢丝绳的连接。

为模拟铁路起重机在运行过程中底架以上部分保持水平，在底架和地面增加垂直副。

如图3所示，调平油缸的缸筒放置在调平弧板上，可以沿轴线11 ‘旋转，可以设置旋转副。

理论分析表明，铁路起重机由直轨入轨过程中，由于两调平弧板与转向架构架连接点的距离在切线方向上恒定，水平方向的距离缩短，调平弧板向轴线22方向倾斜，调平缸活塞杆与缸套间的副移动

通过仿真分析可以看出，这样设置会在调平油缸和圆弧板之间施加较大的力，与实际情况不同。

通过对液压缸与弧板连接处具体结构的分析，得出液压缸还可以沿弧板上下位移，且在起重机的前进方向上也有一定的位移量，从而将调平缸与弧板的连接改为虚线副和点副[10]

图3调平弧板的结构图

在轨道、弹簧横撑与转向架构架、调平弧板与弹簧横撑、调平弧板与滑块之间增加接触，采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[11]。

用Coulomb模型模拟轨道、调平弧板与滑块的摩擦力。

车轮对与转向架构架之间的一系列悬挂具有三向刚度，而在ADAMS/View中，弹簧连接只在两个部件之间产生一个方向的力，阻尼器可以在两个部件之间产生三分量的力，可以用阻尼器或三个单向弹簧来模拟

在调平板与弹簧横撑之间增加弹簧连接，各弹簧根据提供的数据设定相应的刚度、阻尼、预压(见表1 )。

表1各部件约束表

3模拟条件设定

仿真分析共有两种情况，首先对铁路起重机进行静载牵引、冲压仿真，分析调平系统各构件之间的受力传递关系，确定支撑滑块与调平弧板之间的接触参数。

在仿真中，对两转向架构架沿大小相等的方向施加相反的拉力、压力，使起重机空载。

将模拟结果与实际实验进行比较，确定模拟摩擦参数。

然后进行整车运行仿真分析，铁路起重机吊重在轨道上以4 km/h的速度运行。

在仿真分析中，首先在起重机回转副上增加回转驱动，使铁路起重机在平轨上均匀加速至额定转速，然后以额定速度通过超高曲线轨道到测试轨道的另一端。

在底架和地面上增加垂直副，以保证仿真过程中底盘及底架部分始终水平。

运行额定转速调度曲线如图4所示，模拟时间为76.8 s。

图4额定转速时间表曲线

4分析模拟结果

4.1静载拉伸、冲压模拟分析

经过多次调整和实验对比，最终确定了静载拉伸、推压状态下平板类各构件的受力。 如表2、表3所示。

表2调平系统各部件的水平受力表

从表2可知，在受到静载荷的情况下，拉伸、压力从台车框传递到调平弧板，通过与调平弧板连接的牵引杆传递到底架，其中，支承滑块提供摩擦力的一部分，从而使滑块和调平弧板

由表3可知，底架及乘车部分的重力和锁定销对圆弧板的作用力协同作用，作用于调平圆弧板，传递到转向架构架。

牵引受压过程中台车相对于底架会发生一定的偏转，调平弧板只承受滑块一侧的压力。 与实验相比，该模拟表明力分布合理。

从而确定支承块与调平弧板之间的接触力参数、刚度系数1e6、力贡献指数1.5，并将接触参数用于整车仿真研究。

表3调平系统的各结构

4.2整车带载运行仿真结果分析

输入起重机自重和吊装工况，提取铁路起重机车轮轮压，理论模型与实际模型误差小，轮压大的一侧多在轨道超高侧。

通过对仿真运行过程的分析，发现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油缸主动驱动因素，导致起重机前方吊运偏向外侧，而不是位于轨道中心，导致内侧车轮减载

图5轨道外侧车轮的轮压

图6轨道内侧车轮的轮压

图7、图8在铁路救援起重机仿真运行过程中，在两调平弧板上均尝试了垂直滑块。

从图7可知，在进入曲线轨道的过程中，一方的圆弧板偏转，施加在该调平圆弧板的一方的支承滑块上的力增大，施加在另一方的支承滑块上的力减少，在从曲线轨道出来的过程中，圆弧板逐渐正转，施加在圆弧板两侧的支承滑块上的力

图7前调平弧板支撑滑块垂直受力

图8后调平弧板支撑滑块垂直受力

结束语5

在铁路起重机仿真模型中增加的边界条件模拟了铁路起重机调平系统的载荷和整车带载荷运行过程。 仿真分析表明，重载铁路救援吊车带载低速通过弯道轨道时，底架以上部分始终保持水平时车轮载荷均匀，但两侧车轮压力差异明显，为了使车轮载荷均匀，铁路救援吊车应采用弯道轨道

参考文献

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[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.fractionalorderpidcontrolofrailwayrescuecranelevelingsystem [ j ].keyengineeringmateringmateringmaterated

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[11]王超，杨明亮，王鹏，等.基于ADAMS的桥式起重机轨道碰撞响应分析[J] .起重运输机械，2017 ( 12 ) ( 131-135 ) .