內燃搗固鎬的減振設計

牛釗文,孫付春,張治斌

(1.成都大學工業制造學院,四川成都 610106;2.成都新宇工務機具有限公司,四川成都 610052)

0 引 言

鐵道線路的綜合維修及大修主要依靠大型養路機械作業,但在某些特殊場合則需要小型機具配合作業[1].搗固鎬是一種廣泛用于鐵路道床道砟搗固作業、調整鋼軌水平、換枕、翻砟及道床病害處理等的專用小型養路機具.內燃搗固鎬因其既沒有電動搗固鎬冗長的電纜線,也不需要液壓搗固鎬那樣配屬專門的液壓設備[2],并具有結構緊湊、上下道方便、操作輕便、作業時間機動靈活而不必專門封鎖線路來作業等特點,特別適用于道岔、隧道、橋涵等大中型養路機械不能作業的道床區域性養路作業[3].但是,在利用機具振動完成搗固作業的同時,機具本體也給操作者帶來不適的振動反饋,導致其易疲倦、記憶力減退、耳鳴、視物模糊、反應遲鈍等不良后果[4].因此,搗固鎬在設計研制過程中應在保證具有高性能的同時,必須考慮整機的減振設計.

1 搗固鎬總體結構和原理

經過反復研究和多方論證,本設計采用偏心產生振動的原理設計了一種內燃振動搗固鎬.

1.1 搗固鎬總體結構

該內然振動搗固鎬由發動機、傳動裝置、減振裝置、振動搗固裝置及夾持裝置五部分組成,其總體結構如圖1所示.

圖1中,發動機是動力源,為整個機具提供動力;傳動裝置由離合器和傳動軟軸組成,作用是將發動機的動力根據需要傳遞給振動搗固裝置;偏心振動裝置(即偏心轉動軸)置于鎬體內,與鎬頭及鎬體共同組成振動搗固裝置來產生激振力;減振裝置連接發動機和振動搗固裝置兩大部分,用于吸收高頻振動、減輕振動對發動機和工作人員的不利影響、提高操作舒適性;夾持裝置包括提手、扶手和壓板等,用來固定、連接發動機、傳動裝置、振動搗固裝置和減振裝置等.

圖1 內燃搗固鎬結構示意圖

1.2 搗固鎬工作原理

該內然振動搗固鎬的工作原理為:發動機輸出的動力通過傳動裝置傳輸到振動搗固裝置中的偏心振動軸上,由偏心振動軸產生高速振動并傳遞到特殊設計的鎬頭上,鎬頭插入到鐵道道碴中,通過高速振動將道碴打緊并抬升軌枕使兩根鋼軌保持平衡,從而保證鐵道線路的行車安全.

2 搗固鎬減震設計

搗固鎬的減震裝置是降低作業者勞動強度,提高作業效率,延長搗固鎬壽命的關鍵部件.據調查統計,目前國內的同類型搗固鎬多采用金屬減震或者僅依靠橡膠手套與減震扶手進行減震,其減震效果較差而且增加了整機的重量.而我們設計的該型搗固鎬采用4級減震結構相結合的創新性設計(目前已獲專利授權).在4級減震結構中減少了機具的螺紋連接點,在保證減震要求的情況下,最大限度地降低了搗固鎬作業時帶來的振動反饋,提高了整機的使用壽命和可靠性,降低了現場作用人員的工作強度.4級減震結構主要由減震球組件、支座與減震球彈性連接組件、扶手支架與支座的彈性連接以及符合人體工程學設計并配有減震手套的扶手部分組成.在整個減震體系中,減震球組件起主要減震作用,其結構如圖2所示.

圖2 減震球組件結構示意圖

減震球組件采用上下兩端懸空設計,下端采用碗型狀設計,內外采用硬度為邵氏50°的橡膠填充,球形結構中間通過軟軸進行動力傳遞.由于減震橡膠具有消震與吸振的作用,因此減震球采用以金屬構件為剛性骨架再進行橡膠填充,這種結構具有很好的減震作用,同時起到鎬體和扶手支架的連接作用.通過選擇合適的減震橡膠材料和成型參數,使該橡膠具有較小的動倍率和較大的靜剛度,以保證減震橡膠在靜態時的支承作用增強并減小振動的傳遞效率.同時,為了加工的方便,采取模壓法進行先填充后硫化的制作工藝,即先將設計好的橡膠填充到碗狀金屬骨架中,再通過優化后的硫化參數進行硫化成型.

3 減震裝置的動力學計算

減振裝置的減震球組件的動力學模型如圖3所示.

圖3 減震球組件動力學模型示意圖

由此,減振裝置的動力學方程為,

式(1)可變形為,

其中

式(2)的解為非齊次解,

通解 x1(t)為衰減振動,只有在振動開始階段才存在,主要為瞬態振動,因此可以忽略.

特解 x2(t)為持續的等幅振動即穩態振動,其中Ψ為響應信號滯后于激振信號的相位差,B為穩態振幅.

將 x2(t)代入式(2)得到,

其中,

因此,

由于sinΨ和cosΨ不可能同時為0,因此,要滿足上述條件則有,

可以得出,

即有,

為了得到振幅B的大小,需要確定系統的固有頻率.通常,系統的固有頻率與系統本身有關,與其阻尼系數無關,因此可以得出 n自由度的振動微分方程為,

即,

其中,mij= mji,kij= kji.

設上述方程的解為,

其中,Ai為振幅,φ為相位角.

將該解代入式(3)得到,

其矩陣形式為,

式(4)為一組Ai的n元線性齊次方程組,其非零解的條件為,

即系數行列式必須為0,展開后可得ω2n的n次代數方程,

通過解該n次方程能夠得到固有頻率,通過固有頻率得到振幅的大小,進而得到振動的傳遞效率.

同時,再利用得到的固有頻率方程和振幅幅度值計算公式,通過有限元仿真得到減震球組件對搗固鎬作業振動的傳遞效率與激振頻率關系曲線如圖4所示.

圖4 減震球組件傳遞效率—激振頻率關系曲線

圖4數據表明,使用有限元仿真分析得出減震球組件的固有頻率為31.5 Hz,且在激振頻率為120 Hz時,振動的傳遞效率約為7.5%,與實際的振動傳遞效率誤差在10%以內.

4 結 語

通過實驗和現場作業的實際工程應用效果證明,我們設計的內然振動搗固鎬具有優良的耐用性能和減震作用,搗固鎬減震結構組件實際減震效果接近90%,從各項數據的檢測結果和用戶試用的情況來看,搗固鎬質量可靠,可以很好地完成在正常及特殊場合的鐵路道床搗固作業.

[1]李錫章,王慶禮.小型養路機械在一班線路維修中的應用[J].鐵道建筑,1998,38(11):29-31.

[2]徐建明,劉紹先.養路機械化[J].鐵道知識,2000,19(2): 28-29.

[3]孫付春,張樹忠,李宏穆.淺談小型養路機械的開發[J].建筑機械化,2005,26(9):28-29.

[4]趙馳北.鐵路搗固機噪聲對職工聽力損傷調查[J].鐵道勞動安全衛生與環保,2005,32(2):85-87.

[5]楊成美,王貴成.新型內燃搗固機的振動分析[J].機車車輛工藝,2004,42(2):29-30.