搗固穩(wěn)定車搗固裝置運(yùn)動學(xué)分析

張欣+黃亞宇

摘要：有砟鐵路的維修與維護(hù)對于列車的運(yùn)行安全尤為重要，搗固裝置是搗固穩(wěn)定車的重要組成部分。搗固作業(yè)使道砟產(chǎn)生振動趨于穩(wěn)定的方向移動，提高道砟的密實(shí)度。文章簡要介紹了搗固裝置的結(jié)構(gòu)，著重分析了搗固裝置的作業(yè)原理，對搗固鎬頭運(yùn)動特點(diǎn)進(jìn)行理論分析。并利用RecurDyn進(jìn)行運(yùn)動學(xué)的仿真，進(jìn)一步分析驗(yàn)證搗固鎬頭運(yùn)動特性，為后續(xù)的研究提供了基礎(chǔ)。

Abstract： The maintenance of the ballast railway is particularly important for the operation safety of the train. The tamping device is an important part of the tamping and stabilizing vehicle. Tamping operation makes the ballast move towards the direction of stable vibration and improve the density of the ballast. This paper briefly introduces the structure of the tamping device， analyzes the working principle of the tamping device， and makes a theoretical analysis on the characteristics of the ramming movement. And RecurDyn is used to carry on the kinematics simulation， to further analyze and verify the movement characteristic of the ramming hoax， which provides the foundation for the follow-up research.

關(guān)鍵詞：搗固裝置；分析；結(jié)構(gòu)；原理；RecurDyn；運(yùn)動

Key words： tamping device；analysis；structure；principle；RecurDyn；movement

中圖分類號：U216.63+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）32-0094-03

0 引言

我國鐵路運(yùn)輸發(fā)展非常迅速，而鐵路的維修與維護(hù)顯得尤為重要。其中搗固裝置是搗固穩(wěn)定車的重要組成部分。搗固作業(yè)是以振動的運(yùn)動方式將力傳遞給道砟，從而使道砟趨于穩(wěn)定，提高其密實(shí)程度和穩(wěn)定性。

1 搗固裝置的作業(yè)原理

1.1 搗固裝置結(jié)構(gòu)

搗固裝置是搗固作業(yè)的工作裝置，文章主要以D09-32型連續(xù)式搗固車的搗固裝置為例。每臺搗固裝置安裝有16把搗鎬，兩臺裝置同時作業(yè)，可同時作業(yè)于兩根軌枕。作業(yè)時內(nèi)側(cè)與外側(cè)的搗鎬朝著相對方向運(yùn)動，使道碴更加的密實(shí)，從而提高軌道的穩(wěn)定性。

搗固裝置主要由箱體、搗固臂、搗固鎬、偏心軸、液壓系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等組成。如圖1所示。

1.2 搗固裝置原理

搗固裝置的搗固作業(yè)開始時，外側(cè)夾持油缸的小腔進(jìn)油，使外側(cè)夾持油缸活塞桿縮回，外側(cè)搗鎬向外張開；內(nèi)側(cè)夾持油缸的無桿腔進(jìn)油，使內(nèi)側(cè)夾持油缸活塞桿完全伸出，內(nèi)側(cè)搗鎬向中心處張開。當(dāng)搗固裝置到達(dá)工作位置時，升降油缸的無桿腔進(jìn)油，在油缸和自重下沿著導(dǎo)柱組件向下滑動，搗鎬插入道床。當(dāng)搗鎬插入道砟一定深度時，外側(cè)夾持油缸的無桿腔進(jìn)油，使外側(cè)夾持油缸活塞桿伸出，外側(cè)搗鎬向中心運(yùn)動；內(nèi)側(cè)夾持油缸的有桿腔進(jìn)油，使內(nèi)側(cè)夾持油缸活塞桿回縮，內(nèi)側(cè)搗鎬向外運(yùn)動。內(nèi)側(cè)和外側(cè)的搗鎬鎬掌在軌枕下，朝著相對的方向運(yùn)動。在這一運(yùn)動中，隨著道砟不斷被擠壓，道床阻力變大，當(dāng)?shù)来沧枇εc油缸驅(qū)動力達(dá)到平衡時，夾持運(yùn)動就停止。之后，油缸在液壓油的作用下朝著相反向運(yùn)動，鎬掌開始反向運(yùn)動而張開。同時整個裝置開始沿著導(dǎo)柱向上提升脫離道床。從搗固作業(yè)開始到結(jié)束，搗鎬一直處于微幅、高頻振動狀態(tài)。這使得搗固裝置在開始作業(yè)時搗鎬可以輕易插入道床。

2 搗固裝置運(yùn)動理論分析

搗固裝置中，搗鎬的振動是由液壓馬達(dá)驅(qū)動偏心軸旋轉(zhuǎn)，偏心軸驅(qū)動內(nèi)外夾持油缸，推動搗固臂擺動，從而使鎬臂產(chǎn)生受迫振動，就內(nèi)側(cè)鎬的運(yùn)動為例進(jìn)行運(yùn)動分析，通過對搗固裝置的分析，將內(nèi)側(cè)鎬進(jìn)行簡化，其機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。

偏心軸旋轉(zhuǎn)作用下，使得鎬臂以銷軸F為中心左右擺動。從而使裝在鎬臂上的鎬掌產(chǎn)生搖擺式強(qiáng)迫振動。圖中，R為偏心軸的偏心距，α為偏心軸的轉(zhuǎn)角。其中L=380mm，L1=260mm，L2=650mm，R=2.5mm。

根據(jù)剛性連接特性可知G點(diǎn)與E點(diǎn)的運(yùn)動是相同的，它們之間成一定比例關(guān)系，所以可以先分析E點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律。如圖2所示假設(shè)E點(diǎn)的運(yùn)動左側(cè)最遠(yuǎn)點(diǎn)為E1，則E1至任意位置E的位移為S1。

S1=（L+R）-（Rcosα+Lcosβ）

由于Lsinβ=Rsinα，因此cosβ=，代入得

S1=R[（1-cosα）+]

將根式二項(xiàng)展開，取前兩項(xiàng)得

=1-sin2α

因此S1=R[（1-cosα）+sin2α]

因R/L非常小可以忽略不計，故

S1=R（1-cosα）

假設(shè)E點(diǎn)離開中心點(diǎn)E0的位移為S2，則

S2=R-S1=Rcosα

由于EF、FG剛性連接G點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律與E點(diǎn)相同，成比例關(guān)系，所以G點(diǎn)的位移為

SG=RcosωT=Rcos2πftendprint

速度：VG=-sin2πft

加速度：aG=-cos2πft

其中ω是指振動軸的角速度，f是振動軸的振動頻率。根據(jù)上式可知G點(diǎn)是以R=6.25為振幅，以f=35Hz為振動頻率的簡諧振動。

3 基于RecurDyn搗固裝置的多體動力學(xué)運(yùn)動分析

針對搗固裝置運(yùn)動理論分析，接著利用的多體動力學(xué)仿真軟件RecurDyn分析搗固鎬頭運(yùn)動特性。考慮運(yùn)算時間等其它因素，將鎬臂、內(nèi)油缸、外油缸和偏心軸4個部件簡化，以曲柄代替偏心軸，連桿和搖桿代替搗鎬臂，類似于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)如圖3所示。

利用RecurDyn軟件，在機(jī)構(gòu)之間的銷軸連接處定義約束來和驅(qū)動。曲柄驅(qū)動設(shè)置為220rad/s的轉(zhuǎn)速做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在仿真中可見曲柄以長2.5mm，使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生周期性的振動。仿真前在鎬掌邊上建立Marker點(diǎn)，利用Marker點(diǎn)對鎬掌的運(yùn)動進(jìn)行監(jiān)控，得出其X水平方向運(yùn)動特性曲線。如圖4～9所示。

從圖4可以得出鎬掌在0.2s時間內(nèi)振動了7次，其周期T=0.02857，振動頻率為35.00176Hz。與理論值35Hz基本一致。

圖5得出鎬掌振動最大幅值為-373.78mm和最小幅值為-386.23mm。計算得出其振幅A=6.225mm，與理論值6.25mm基本一致。

圖6～9得出鎬掌振動最大速度為1.66m/s和最大加速度為3.04.2m/s2。計算得出其速度v=1.375m/s，加速度a=3.025m/s2，理論值與仿真結(jié)果基本一致。

4 結(jié)語

文章主要分析了搗固裝置的振動結(jié)構(gòu)和原理，有利于今后的維修與操作。對搗固鎬頭進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)特性分析，進(jìn)一步認(rèn)識了搗固裝置的振動形式。為后續(xù)的研究提供了一定的基礎(chǔ)。

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