钢轨铣磨车磨削装置设计及磨削力控制研究

摘要

铁路高速重载趋势的发展加剧了线路钢轨的恶化，严重影响了钢轨的使用寿命以及列车运行的安全性、平稳性。近年来，钢轨铣磨车已逐渐成为线路钢轨修复的主要设备，而磨削装置是钢轨铣磨车的核心工作部件，其性能直接决定了铣磨车对钢轨修复的效果。本文以钢轨铣磨车磨削装置为研究对象，对磨削力及其控制方式进行深入研究，主要工作内容如下:
　　1、论述了钢轨打磨技术及磨削力控制技术的研究现状，针对钢轨铣磨车磨削装置的作业特点，提出采用砂轮斜接触磨削以克服砂轮表面磨损不均匀、磨削过热烧伤等问题;在分析各类驱动方式的基础上，提出采用液压与电气复合的驱动方式实现磨削装置的垂向运动，并设计了磨削装置的结构及液压系统。
　　2、依据磨削原理，在磨削砂轮受力分析的基础上，提出采用“控力磨削”方式对磨削过程进行控制，推导了磨削力与定位靴的位置关系，确定了磨削过程的控制变量。
　　3、研究磨削过程中三通比例减压阀动态特性、车辆-轨道系统振动、砂轮磨损对磨削力的影响，并通过实验分析磨削纵向进给速度及砂轮线速度对磨削力的影响，设计了磨削装置磨削力控制系统。
　　4、建立了磨削力控制系统数学模型，将广义预测控制算法应用到磨削力的控制过程中，应用MATLAB对控制系统的磨削力输出及位置控制量进行仿真研究。结果表明，该方法能够消除多种干扰因素对磨削力的影响，获得良好的控制性能。
　　5、搭建磨削装置试验平台，在磨削装置上进行了磨削试验研究。试验结果表明，本文设计的磨削装置及控制方法合理可行，能够取得较好的磨削效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 钢轨打磨技术概况

1．3 钢轨打磨装备的技术现状

1．3．1 钢轨打磨车的技术现状

1．3．2 钢轨铣磨车的技术现状

1．4 磨削力控制的研究现状

1．4．1 磨削力控制的提出

1．4．2 磨削力控制的国内外研究现状

1．5 课题来源、研究的意义和主要内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 研究的意义

1．5．3 主要内容

2 钢轨铣磨车磨削装置的设计

2．1 钢轨铣磨车磨削装置简介

2．1．1 铣磨车磨削装置的概述

2．1．2 铣磨车磨削装置的工况

2．1．3 铣磨车磨削装置的功能要求

2．2 钢轨磨削砂轮的特点

2．2．1 磨削砂轮工艺特点

2．2．2 磨削砂轮材料要求

2．3 磨削装置垂向进给驱动方式分析

2．3．1 气压驱动进给方式

2．3．2 液压驱动进给方式

2．3．3 电气驱动进给方式

2．3．4 复合驱动进给方式

2．4 磨削装置结构设计

2．5 磨削装置液压系统设计

2．5．1 磨削装置液压系统的组成

2．5．2 磨削装置液压系统的工作原理

2．6 本章小结

3 钢轨铣磨车磨削装置磨削力的研究

3．1 钢轨铣磨车磨削装置磨削力控制的必要性

3．2 钢轨磨削过程的磨削力

3．2．1 磨削力模型

3．2．2 切向力与法向力的关系

3．2．3 控力磨削方式

3．2．4 磨削力控制过程的实现

3．3 影响磨削力的主要因素

3．3．1 液压缸作用力对磨削力的影响

3．3．2 车辆-轨道振动对磨削力的影响

3．3．3 纵向进给速度对磨削力的影响

3．3．4 砂轮线速度对磨削力的影响

3．3．5 砂轮磨损对磨削力的影响

3．4 磨削装置磨削力控制系统设计

3．4．1 磨削力控制系统原理

3．4．2 磨削力的检测

3．4．3 控制系统的硬件设计

3．5 本章小结

4 钢轨铣磨车磨削装置磨削力控制策略及仿真研究

4．1 自适应预测控制

4．1．1 自适应控制

4．1．2 广义预测控制

4．2 磨削过程控制系统的建模

4．2．1 交流永磁同步电机的数学模型

4．2．2 交流伺服驱动系统的数学模型

4．2．3 机械传动装置的数学模型

4．2．4 磨削装置动力学模型

4．2．5 磨削力检测环节数学模型

4．2．6 控制系统的开环传递函数

4．3 基于广义预测控制的磨削力控制器设计

4．3．1 被控对象的数学描述与控制目标

4．3．2 基于CARIMA模型的广义预测算法

4．3．3 Doiophantine方程的递推求解

4．3．4 控制算法的计算步骤

4．4 磨削过程控制系统仿真研究

4．4．1 不同仿真参数下的GPC控制的仿真

4．4．2 不同扰动因素作用下GPC控制的仿真

4．4．3 磨削过程模型失配时GPC控制的仿真

4．5 本章小结

5 钢轨铣磨车磨削装置磨削试验与分析

5．1 试验目的及内容

5．1．1 试验目的

5．1．2 试验内容

5．2 试验条件

5．2．1 试验平台

5．2．2 试验原理

5．2．2 试验检测设备

5．3 磨削试验过程与结果分析

5．3．1 固定位切入磨削试验及结果分析

5．3．2 移动式纵向磨削试验及结果分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要研究成果

致谢