（机械电子工程专业论文）新型捣固装置设计及其电液激振器特性研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 面对我国疆域辽阔，铁路密集，新线施工与旧线维修工作量巨大，大型养路机械发 展成其必然。捣固车作为一种大型养路机械设备高效出色地完成线路维护与施工的任务， 其核心设备为捣固装置。捣固装置通过夹持与夯实激振机构产生高频振动作用于道床石 碴，促使石碴成其“石流 均匀、密实排布于轨枕之下，保证轨枕铺设质量从而利于高 速列车平稳运行。目前捣固车市场基本被奥地利、瑞士和美国三国公司垄断，产品均采 用机械式强迫振动技术实现捣固镐与石碴碰撞，结果必然会降低捣固镐寿命，加之国内 捣固车核心技术的自主创新仍旧处于起步阶段，因此，实现捣固装置的创新设计有着举 足轻重的意义。 本文基于国际现有的捣固装置技术和存在的问题，提出了一种液压激振与夹持运动 独立的新型捣固装置，该装置采用新型电液激振器实现高频振动。论文首先分析了新型 捣固装置的工作原理；建立了装置虚拟样机并进行仿真，同时对新装置进行了有限元分 析；基于新型捣固装置激振原理设计了一种阀芯旋转式四通高速换向阀和微行程双作用 液压缸；利用m | a t l a b s i m u l i n k 对电液激振器系统动态特性进行研究；利用计算流体 动力学软件对激振液压缸工作腔内部进行流场可视化分析；最后设计了新型电液激振器 试验台并拟定试验方案。 论文主要研究内容如下： 第一章论述了捣固装置的研究背景、结构、分类及现有三种主要的捣固装置激振 特点，随后讲述了捣固装置的国内外发展现状。同时基于捣固装置采用的电液激振技术， 对电液激振技术进行相关文献的跟踪学习，最后提出了本课题的研究内容及研究意义。 第二章提出了一种新型捣固装置并阐述其工作原理；基于c a x 技术创建装置虚拟 样机并进行运动学分析，研究装置结构尺寸与性能参数之间的规律，从而确定基于新型 捣固装置电液激振器的主要设计参数包括激振力、幅值、频率；同时对新装置从静力学、 模态及接触非线性等三个方面进行有限元分析，保证装置应用强度。 第三章基于新型捣固装置提出了一种新型电液激振器，阐述了其工作原理并对其 中的关键元件一阀芯旋转式四通高速换向阀和微行程双作用液压缸进行原理分析与设 计。换向阀采用步进电机驱动阀芯旋转，设计转阀峰值流量2 5 0 l m f ，l ，液压缸采用自 动限位方式避免液压缸活塞与端盖碰撞，最大幅值8 m m ，最大输出激振力2 5 槲。 第四章在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，通过简化建立电液激振器理论模型，分析研 i i 浙江大学硕士学位论文 摘要 究换向阀频率、阀口周向导通宽度及液压缸限位孔数量对电液激振器系统动态特性的影 响，为进一步优化元件设计提供依据。 第五章利用f l u e n t 软件对高频激振液压缸进行内部流场可视化研究。通过选取液 压缸不同位置处的不同截面，对压力场、速度场及流场流线进行分析，分析高频振动工 况下液压缸工作腔内部流场是否产生气蚀、气穴及漩涡带来的噪声与能量损失，从而为 液压缸内部结构优化提供依据。 第六章基于验证电液激振器性能及元件结构参数对其影响，本文在浙江大学流体 传动与机电系统国家重点实验室原有“9 8 5 工程元件测试试验平台上，设计并加工电 液激振器试验台。论文对试验台的机械结构、液压系统、负载模拟系统、参数测量与数 据采集系统进行了设计与选型，并拟定电液激振器性能测试试验方案。 第七章总结了论文主要研究工作与成果，并对今后进一步研究工作作了论述。 关键词：捣固装置；电液激振器；阀芯旋转式四通高速换向阀；徽行程双作用液压缸： 虚拟样机模型；有限元分析；m a t l a b s i m u l i n k ；流场分析 n l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r e 州ub el o t so fw o r ko fm a i n t e n a n c ea n dc o n s 仃u c t i o ni nt h er a i l w a yf i e l d s b e c a u s eo f ，i d ea r e aa n di n t e n s er a i l r o a d s a sar e s u l t ，l a 唱em a c h i n e 叮h a sb e c o m e p o p u l a r t a m p e r ，t l l ec o r ee q u i p m e n to ft a m p i n gv e h i c l e ，i sg o o d a tc o m p l e t i n gt h ew o r k t h es t o n e s ，w h i c ha r ee x c i t e db yt l l es q u e e z ea n dc o m p a c t i o nd e 讥c e ，n o wi nc o m p a c t s e q u e n c eu n d e r 廿l eb e db a u a s t f i n a l l y ，f a s tt r a i n sh a v eag o o dp e r f b r m a n c e a tp r e s e n 乞 t l l e r ea r et l l r e em a i nl d n d so ft a m p e r so nm a r k e t 行o mu s as w i 也e r l a n d ja u s 埘a f o r c e d m e c h a n i c a l 、，i b r a t i o nt e c h n o l o 盯i sa p p l i e do nt h e s ep r o d u c t sw h i c hw i l lr e d u c et h el i f e o ft a m p i n ge n d s 。s oi n n o v a 廿v ed e s i g i lo ft a m p e rh a sa ns i g i l i f i c a n c ea l o n g 、 ，i 也t l l e d e v e l o p m e n to ft a m p e ri nc h i n a an e wt y p eo ft a m p e ri sp r o p o s e di nt h ep a p e rb a s e do np r e s e n tp r o d u c t si nt h e w o r l d w h e np r o d u c tw o r l 【s ，访b r a t i o na n ds q u e e z em o t i o na r es e p a r a t e t h e 们b r a t i o ni s r e a l i z e db ye x c i t e ru s e di nt h et a m p e r t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fn e wt a m p e ri ss t u d i e d a tf i r s t t h et h r e e - d i m e n s i o nm o d e la n dl ( i n e t i cs i m u l a t i o na r e 疗n i s h e da l o n gw i t hf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s an e w 帅eo fr o t a 可v a l v e 、 ，i 也h i 曲s p e e da n dm i n u t e 。d i s p l a c e m e n t d o u b l e - r o dc y l i n d e ra r ep r o p o s e d t h ed y n a m i cp r o p e n i e sa r es t u d i e d ，i t ht l l eu s eo f m a t l a b s i m u l i n kt h ea n a l y s i so ff l o wf i e l do fc y l i n d e r i sf i n i s h e db y c o m p u t a t i o nn u i d d y n a m i cs o f t w a r e a t l a s t ，t e s tr i gd e s i g na n dp l a no fe x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u 匕 t h es t u d i e sa r ei n c l u d e da sf b u o w s ， i nc h a p t e r1 ，t i l er e s e a r c hb a c k g r o u n d js t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s 廿c so f 廿l r e em a i n l d n d so ft a m p i n gd e 们c ea r ef 0 兀n u l a t e d ，a sw e ua sm ec u r r e n td e v e l 6 p m e n ts t a t eo f t a m p i n gd e 们c e t h e nh e r ec o m er e s e a r c h e so nt h ee x c i t a t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e do n t a m p e r f i n a n yt h es i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hc o n t e n t o f t h i ss u b j e c ta r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r2 ，an e wt y p eo ft a m p i n gd e 们c ei sp r o p o s e da n do p e r a t i o np r i n c i p l ei s f o n n u l a t e d t h et h r e e d i m e n s i o nm o d e la n dk i n e 廿cs i m u l a 廿o na r ef i n i s h e dw j t ht h eu s e o fc a x ，w h i c hh e l p st os t u d yu l er e l a t i o nb e t w e e ns t r u c t u r a la n dp e r f o m a n c e p a r a m e t e r s a sar e s u l 乞t l l ed e s i g i lo fe l e c t r o h y d r a u l i ce x c i t e r i sd e t e m i n e d t h es t a t i c s ， m o d a la n dn o n - l i n e a r i 哆a n a l y s e sa r ec a r r i e do u t i nc h a p t e r3 ，an e wt y p eo fe l e c t r o h y d r a u l i ce x c i t e ri sp r o p o s e db a s e do nn l et a m p e r 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t o p e r a t i o np r i n c i p l ei sf o r m u l a t e d t h ed e s i g i l so fr o t a r yv a l v ea n d 叮i i n d e ra r ec a r r i e d o u t t h er o t a 廿o no fv a l v ei sr e a l i z e db y s t e p p e rm o t o r t h ec o m p a c tb e 咖e e np i s t o na n d w a l li sr e m o v e db yt h ea p p l i c a t i o no ft h ea u t o l i m i t a t i o ns t r u c t u r eo f 刚i n d e r i nc h a p t e r4 ，t h es i m u l a 廿o nm o d e lo fe l e c t r o h y d r a u l i ce x c i t e ri se s t a b l i s h e d 州t hu s e o fm a t l a b s i m u i i n ka 触rt h es i m p l i f i c a t i o n t h er e l a t i o n sb e t w e e n 行e q u e n 叮o fv a l v e ， c o n d u c t i n gw i d mo fv a l v ep o r t j 血en u m b e ro f p o r t so f 刚i n d e ra n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fe x c i t e ra r es t u d i e dr e s p e c t i v e l 弘w h i c hd oh e l pt 0i m p r o v et h ed e s i g l l o fv a l v ea n d 刚i n d e r i nc h a p t e r5 ，t l l ef l o wf i e i do f 刚i n d e r 们t l lh i g h 仔e q u e n 呵i ss t u d i e d 埘t ht h eu s eo f f l u e n t t h ep r e s s u r ea n dv e l o c i 妙f i e l d so fd i f f b r e n tw o r k i n gp o s i 廿o n sa n dc r o s ss e c 廿o n s a r es t u d i e d t h es t u d yo fc a v i t a t i o ne m s i o n ，a i rc a 、，i 锣a n ds p i r a lv o r t e xi nt h en o w6 e l d o fc y l i n d e r 、 ，h i c hb r i n gi nt 1 1 en o i s ea n de n e r g y - i o s si sf i n i s h e d i nc h a p t e r6 ，i no r d e rt o 、陀r i 矽t l l ep e r f o m a n c eo fe l e c t r o h y d r a u l i ce x c i t e ra sw e na s t l l er e l a t i o nb e t w e e ns 饥l c t i l r a lp a r a m e t e ra n dp r o p e r 啊t l l ed e s i g r ia n dm a c h i n eo ft e s t 啦a r eb e i n gc a r r i e do u t t h et e s tn g i sl a i do n 廿l et e s tp l a 怕mo f h y d r a u l i cp a r ti ns l ( l o fz j u t h em e c h a n i cp a n ，h y d r a u l i cs y s t e m ，l o a dm o d e ls y s t e m ，m e a s u r e m e n ta n dd a t a a c q u i s i t i o n夥s t e ma r ed e s i g n e d t h ep r o d u c tc h o o s i n gi s6 n i s h e d a tl a s 匕廿l e e x p e r i m e n tp l a ni sd e t e m i n e d i nc h a p t e r7 ，c o n c l u s i o n sa r e 百v e na n dn e wv i e w sa r ep u tf o r w a r di n 廿l ef u m r e 娜i i d s ：t a m p e r ；e l e c t r o h y d r a u l i ce x c i t e r ； r o t a 可 v a l v e州t h h i g hs p e e d ； m i n u t e - d i s p l a c e m e n td o u b l e r o d 叮l i n d e r ；r c u a lp r o t o 咖e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； m a t l a b s i m u l i n k ；f l o wf i e l da n a l y s i s v 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文是在尊敬的导师龚国芳教授的热情关怀和悉心指导下完成的。感谢龚国芳教 授在研究生期间对我的帮助与指导。龚老师是一位学识渊博、治学严谨、平易近人的老 师。他在科研项目和生活中给予我的莫大的支持与鼓励让我在科研中得到了锻炼和提高， 谨此向龚老师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 感谢杨华勇老师科研团队，团队中良好的科研气氛对我的课题研究起到了很好的促 进作用。通过课题组定期的学术交流，我学到了很多，对我的科研与生活起到了很大的 指导作用。 感谢欧阳小平副教授、阮晓东教授、徐兵教授、傅新教授、周华教授、谢海波副教 授、及邹俊副教授等在科研和生活上给予的鼓励与帮助。 感谢课题组的冯斌博士、施虎博士、朱北斗硕士、刘峰硕士、刘国斌硕士、周如林 硕士、程帅硕士、汪慧博士生、刘毅博士生、王林涛博士生、刘怀印硕士生、吴伟强博 士生、侯典清硕士生、徐巨华硕士生、胡睿硕士生、杨学兰硕士生、彭雄斌博士生、廖 湘平博士生、杨旭硕士生、韩东硕士生以及其他同学对我学习和科研工作的帮助和支持。 特别感谢我的父母及兄长闵巍庆在本人攻读硕士期间给予学习与生活上的理解与 支持。 闵超庆 2 0 1 2 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 选题背景 铁路是国民经济的大动脉，在铁路运输中线路设备是列车运行的基础。线路设备受 力复杂，环境恶劣。在机动车辆的运动过程中，风砂、雨雪、冰冻以及温度等自然环境 下，铁道线路会发生变形、磨损、腐蚀、脏污、老化等故障。这些故障，轻者限制了列 车速度，缩短了线路和列车的使用寿命，重则危及旅客和列车安全。铁道线路养护与维 修工作的目的就是防止和消除铁道线路故障的发生，经常保持线路设备状态的均衡完好， 保证列车按规定的最高允许速度、安全平稳和不间断的运行；并以最少的人力、物力、 财力获得最佳的经济效益，最大限度的延长大中维修周期，最大可能的延长线路设备的 使用寿命。铁道线路设备在一定的运输强度和自然环境下，根据其结构强度的不同，存 在着一定的变化规律。线路设备的养护和维修工作就是根据这个变化规律，有计划的消 除永久变形的积累，排除各种设备故障、更新和加强原有设备【1 】。 面对我国疆域辽阔，铁路密集，新线施工与旧线维修势必产生巨大工作量，依旧采 用传统人工维修将不能满足铁路运输发展需求，因此应用新型养路机械设备进行线路日 常维护尤其是线路大修期成为必要，养路机械设备不仅具有一般通用机械的共同特征， 而且具有如下特点：机动性强；专业化程度高；必须满足铁路限界要求：注重环境保护 【2 】。 捣固车是一种大型养路机械设备，应用于铁路运营线路维修及新线路的施工。它在 铁路新建和线路大、中修施工中，捣固车与铺轨机，起拨道机、配碴整形机及夯实机等 联合使用，可完成线路施工的机械化作业。新建、维修、中修和大修作业中，线路机械 是铁道工程机械的重要组成部分，线路养护维修作业项目繁多，所需设备众多，施工中 必须考虑综合作业的配套性能，其中捣固车及其捣固装置是不可或缺的重要装备。利用 捣固车对轨道进行起拨道、自动抄平、对枕底石碴进行夯实捣固，提高道碴密实度，增 加轨道稳定性，消除轨道包括前后左右各个方向的偏差，使轨道线路达到设计标准，满 足维修要求，保证列车安全运行。 1 2 捣固装置概述 捣固装置是捣固车的核心部件如图1 1 所示，它利用加压，冲击和振动原理，破坏道 碴原有记忆，迫使重新排列，达到紧固密实，同时枕下支撑力量达到均衡，从而道碴具有 浙江大学硕士学位论文绪论 高可靠性和稳定性，实现列车运行平稳。捣固装置安装在捣固车悬架上，通过导杆和升 降油缸完成捣固装置下插道碴的垂直升降运动。当捣固装置中的捣固镐没入道床石碴一 定深度时，捣固箱体上的夹持液压缸伸缩，同时液压马达旋转带动偏心轴高速转动，最 终激励捣固镐高速振动。 捣崮装置 图1 1 捣固车及捣固装置示意图 捣固车完成一次捣固动作，捣固轨枕的数量由捣固装置决定，捣固装置并排安装在 捣固车上，当每侧装有一套捣固装置时，捣固车一次只能捣固一根轨枕下的道碴，当袭 有两套捣固装置时，能同时捣固相邻两根轨枕下的道碴，提高捣固作业效率。同时两套 捣固装置可以单独控制，实现单侧铁轨下的道碴捣固，满足轨枕两侧道碴破坏程度不同 的工况。捣固装置由机械部分，液压动力部分，电气控制部分三大部分组成，从而实现 捣固装置下插、夹持、振动夯实和捣固宽度调节等运动。捣固装置设有自动集中润滑装 置，对装置上的捣固臂铰接处，高速运动接触区域等进行自动润滑，从而减小摩擦，提 高零部件寿命。同时配有自动张紧机构，可根据作业要求调节夹持宽度和夹持时间。在 铁路新建和线路大、中修施工中，它与铺轨机，起拨道机、配碴整形机及夯实机等联合 使用，可完成线路施工的机械化作业【3 s 】。由此可知，捣固装置完成捣固夯实道碴作业， 必须实现两个功能：一是捣镐高频振动，二是捣固镐高频振动的同时，实现捣固镐的相 对夹持运动。 1 2 1 国内捣固装置发展历程 我国从2 0 世纪5 0 年代开始使用机械捣固，捣固机械的发展大致经历了三个阶段。 5 0 7 0 年代，以电动捣固机为主，依据操纵方式可分为手提式和上架式两种；7 0 8 0 年代，发展液压中小型捣固机，仅适用于新建铁路或线路大修捣固作业，在列车密度不 大的区段亦可用于线路维修；8 0 9 0 年代，开始引进国外先进技术，制造大型综合高效 作业捣固机械。目前，昆明中铁大型养路机械集团和襄樊金鹰重型工程机械有限公司通 过引进、消化、吸收、创新，打破国外的技术壁垒，研制出一批具有自主知识产权的新 浙江大学硕士学位论文绪论 产品，站在国内养路机械技术的最前沿。国内大型综合高效作业捣固设备发展过程如下： 1 9 8 3 年6 月，中国铁路大型养路机械考察团前往瑞士、奥地利和德国，对三国的铁 路大型养路机械的运用情况进行了全面考察调研。当年7 月中旬，从奥地利p l a s s e r 公 司合作，引进了0 8 3 2 型起拔道抄平捣固车和d g s 6 2 n 型道床动力稳定车【6 】。1 9 8 9 年 开始自行研制，1 9 9 1 年我国自行研制出第一台d g s 6 2 n 型动力稳定车。稳定车的稳定 装置主要对轨道产生水平振动和垂直下压两种作用力，使得轨道在双作用力下，均匀达 到预定的下沉量，从而提高线路的稳定性和轨道的横向阻力。瑞士m a t i s a 公司的捣固 装置有别于p l a s s e r 公司的稳定车与捣固车的作业模式，工作时不配备动力稳定车，但 是振动方式为捣固镐的高频椭圆振动，使得捣固镐具有垂直和水平两个方向的作用力。 双向振动保证了道碴垂直和水平方向的加速度，道碴容易处于旋转状态，有利于道碴改 变原有位置，互相作用、咬合、嵌入，密实轨枕下的道碴。 国内企业主要对上述奥地利p l a s s e r 公司、瑞士m a t i s a 公司和美国h a r s c o 三家捣固 车公司产品进行引进、吸收、消化、实现了国产化，生产的捣固机械基本满足铁路维修 需求，但产品关键技术和核心元件依赖引进。国内大型养路机械中的捣固装置主要由昆 明中铁有限责任公司和襄樊金鹰重型工程机械有限公司引进、吸收并生产。 昆明中铁通过与p l a s s e r 公司合作并引进产品，经过多年的技术吸收消化，掌握了 捣固车的生产制造技术，并具有自主研发能力。目前，该公司已经掌握了配碴、清筛、 捣固、稳定等线路养护各个作业环节的大型养路机械生产制造技术。捣固车已实现系列 化，包括d c 3 2 i i 捣固车、c d z 3 2 捣固车、d c 3 2 捣固车、d c l 4 8 连续走行捣固车、c d c 1 6 道岔捣固车等。目前，昆明中铁已为国内铁路提供各类养路机械1 1 0 0 余台，市场占有 率达8 0 以上，成为中国研发制造能力最强、销量最大的铁路大型养路机械修理和制造 基地，生产规模居亚洲第一。所生产的产品已经广泛的应用于我国各铁路局、地方铁路 和城市地铁。 襄樊金鹰重型工程机械有限公司同昆明中铁一样，依靠项目合作、技术引进、自主 创新的技术路线，目前均能够自主生产国外三家公司的捣固装置。2 0 0 9 年襄樊金鹰承 担了铁道部“十一五”计划科研项目，开发了d c l 2 3 2 型捣固车及相应的捣固装置， 该捣固车属于连续式捣固车，用以满足市场需求。同时公司与h a r s c o 公司合作，引进 了水平扭转振动方式的捣固装置，该捣固车的图像显示、数据采集、电液控制等工作系 统均与国内各研究所高校合作。2 0 1 0 年，d c l 2 3 2 型连续式捣固车在襄樊铁路段通过 验收，验收表明，达到了各铁路段的作业试验要求。目前该公司已拥有d c l 2 3 2 型连续 3 浙江大学硕士学位论文绪论 式捣固车、d c - 3 2 捣固车、d c - 3 2 型捣固车、c d c 2 1 6 型道岔捣固车等，还构建了 捣固装置综合试验台。 国内研究单位和公司通过引进、消化、吸收先进技术，自主研发，成功的实现了养 路机械的国产化。通过国外技术在国内铁路上的实现，吸收适宜国内铁路的技术，充分 利国内的各类研发机构力量，解决国外技术不能适应的问题，从而提高了我国养路机械 的整体技术水平。 在生产捣固车的同时，国内相关研究机构对其机理进行了相关的研究。1 9 9 7 年，北 京铁路大修工程总公司的韩志青，根据d 0 8 3 2 型双枕捣固车探索了该捣固车的捣固镐振 动原理为偏心连杆摇摆式机械强迫振动，通过偏心轴旋转实现捣固镐的小幅振动同时在 分析中涉及振动器与道床石碴的谐振频率4 2 h z 。2 0 0 3 年，中国南车集团戚墅堰机车车 辆工艺研究所的李毅松和翁敏红就d 0 9 3 2 型( d 0 8 3 2 型的换代产品) 捣固装置的结构 、功能进行了分析探讨，并系统阐述了该捣固车的特点、结构组成、振动夹持实现方式 以及异步稳压捣固原理，在振动频率方面沿用3 5 h z ，但没有探讨最佳振动频率。2 0 0 5 年，中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所的高兵、王有虹，就c d 0 8 4 7 5 型道岔捣 固车的结构原理进行了分析，阐述了异步定压力捣固原理与压实过程，认为捣固头最佳 振动频率为3 5 h z ，经验认为最佳捣固振幅为3 5 m m ，最佳挤压时间为0 8 1 2 s 。2 0 0 8 年 中南大学交通工程学院的应立军、李云召，介绍了国外捣稳一体化设备研制的新进展 【7 - 1 1 】。 1 2 2 国外捣固装置发展概况 目前，全球捣固车市场比较成熟，基本被奥地利p l a s s e r 公司、瑞士m a t i s a 公司和美 国h a s c o 三家捣固车公司垄断，三家公司产品技术已趋成熟，生产的捣固机械大多为重 型、高效、多功能等型式，它能在新建铁路、线路大修和维修作业中，高速度、高质量 地完成线路捣固、起拨道、整平等作业。 p l a s s e r 公司生产的捣固车捣固装置采用偏心轴连杆摇摆式振动、异步夹持原理， 捣固装置实物图和机构简图如图1 3 、1 4 所示。装置作业时通过浸没在道碴的捣镐振动 迫使石碴产生振动并向较稳定的方向移动；同时随着捣固臂夹持合拢，把轨枕间的石碴 向枕底挤压，增加道床的密实度，提高轨道稳定性。捣固镐振动原理为装在0 点处液压 马达驱动偏心轴0 a 转动，装在偏心轴上的夹持液压缸a b 将做往复运动，夹持油缸起连 杆和偏心轴作用，推动捣固臂以中心销轴c 为支点左右摆动，同时完成捣固臂夹持运动。 这样装在捣固臂下端的捣固镐在实现夹持道碴使其向轨枕下聚集的同时也能够实现小 幅左右强迫振动。捣固装置具有异步夹持功能，即内、外夹持油缸的夹持动作是由独立 的液压控制回路单独实现，相互之间没有机械或液压同步结构，两侧捣固镐的夹持移动 4 浙江大学硕士学位论文绪论 距离，因道床阻力不同而不同，从而使道碴密实度均匀【1 2 2 0 】。 d d 图1 3p l a s s e r 捣固装置图1 4p l a s s e r 捣固装置机构简图 h a r s c o 公司捣固装置采用水平面扭转振动原理。两个偏心轴各用来驱动一个连杆， 连杆通过支持两个捣镐的偏移补偿连接器与振动器输出轴连接，在每个捣固镐镐掌附近 区域形成水平面扭转振动轨迹，使得道床底部石碴沿其轨迹流动，重新排列，该捣固装 置实物图如图1 5 所示。 该产品振动器为装置核心部件，振动器由一个液压马达驱动带2 个偏心凸轮的中 心轴以3 1 s 0r p m 匀速转动。马达外置冷却风扇用来引导气流通过振动器，降低工作 油温。中心轴上凸轮偏心距为3 8m m ，可在每个连杆上产生共计7 6 m m 的冲程，连杆 的两个凸轮转动初始角度相差1 8 0 0 。吸油室和叶轮驱动系统的孔一直钻到偏心轴端部， 偏心轴转驱动油泵，该油泵用来给振动器的上部轴承供油。两个偏心轴各用来驱动一个 连杆，连杆通过支持两个捣镐的偏移补偿连接器与振动器轴连接，该连接器长1 0 0m m ， 可在每个方向上转动2 1 5 ，捣镐振动并将振动传到道碴【2 1 - 2 7 】。这样便会使得捣镐外侧 端部移动量( 振幅为9 5 m m ，如图1 7 所示) 。捣固镐振动结构原理图如图1 6 所示。 捣固镐振动结构及正位移振动原理示意图如图1 6 和图1 7 所示。 图1 5h a r s c o 捣固装置 5 同事髫蘸 甜 图1 6 捣固镐振动原理 唐蓦曩一翼。蠹 ， ， = ? ? f rl 6 位一学一士一 硕一 学一大一 江一 兰 、掣 一 篇 熙黪 g 浙江大学硕士学位论文绪论 1 2 3 捣固装置发展趋势 通过分析研究目前国内外捣固装置发展及研究历程，可以看出捣固装置存在以下问 题：由于采用机械式凸轮偏心轴带动捣固镐高频振动，所以捣固镐振幅不能因不同工况 而改变；同时因为采用这种机械式刚性强迫振动，加快捣固镐机械磨损速度并产生恶劣 噪声；通过凸轮偏心轴与多个捣固臂固结，偏心轴旋转带动多个捣固臂振动使得因偏心 轴损坏而造成多个捣固臂不能正常工作；由于装置中夹持液压缸与激振机构通过铰接直 接或间接相连，使得捣固装置在作业时夹持与激振不独立，从而影响装置工作稳定及捣 固效果，降低装置寿命。 但同时随着铁路事业的蓬勃发展，科学技术不断进步，人们对乘车安全、舒适性及 物流速度要求越来越高，这就对线路平稳，轨枕底部道碴密实度，线路快速维修提出更 高要求。依据国外现有捣固装置技术并结合现有各学科交叉发展，可推知捣固机械设备 的发展趋势1 2 1 ：( 1 ) 向更高效率发展。由于一次捣固时间已不可能太短，因此为提高作 业效率，捣固机向同时捣固多跟轨枕方向发展。当今，捣固车作业效率可达 1 0 0 0 2 0 0 0 m ( 相当于1 8 0 0 3 6 0 0 根轨j 1 ) ( 2 ) 向综合作业性发展。捣固车大都设 有起拨道装置、抄平装置，有的还装有枕端夯实装置，故捣固车可完成多项作业。( 3 ) 向高精度、自动化发展。大多数捣固车都应用光电转换、激光抄平、计算机控制捣固车 起拨道装置。( 4 ) 提高横向移动车辆运行速度。设备作业时采取不间段的连续运行方 式，区间运行速度达到8 0 k 7 7 i 。捣固装置作为捣固车的主要工作装置，须做出相应改 进。 1 3 电液激振技术 1 3 1电液激振技术概述 激振器是附加在机械设备上用以产生激振的装置，对被激物产生一定的扰动或激励 作用，破坏原有被激物的存在状态，是利用机械振动的重要部件。激振器不同频率下振 动能使被激物获得一定形式和大小的振动能量，从而对被激物进行振动和强度试验，同 时在某些环境下可以对振动测试仪器和传感器等精密设备进行校核。它是一种产生振动 的设备。平时我们所说的振动台也是一种为振动机械、振动试验台等产生振动的设备。 一般情况下，产生振动的设备有激振器与振动台两种。他们主要区别在于振动台一般是 一种固定设备，且承载质量和体积较大，振动试件安装在振动台的台面上，一般有一个 台面。激振器一般可以移动，通过推杆或顶杆与被激物件接触且与振动台相比，承载质 量和体积较小。两者的工作原理基本相同即采用自身的高频振动去激励被激物体产生振 7 浙江大学硕士学位论文绪论 动，所以激振技术即为振动技术，两者产生机理与工作特性分析通用【3 2 。 图1 1 0 电液式振动台工作原理示意图 按照从产生振动的动力机构工作原理上划分，振动台可以分为电液式振动台，电磁 式振动台，机械式振动台。电液式振动台采用电液控制技术驱动液压动力机构产生振动， 利用反作用原理实现被激物高频振动如图1 1 0 所示，因为液压系统具有功率密度大， 流量无级调节同时与伺服控制紧密结合，而使得电液式振动台具有推力大，输出功率大 最高可达2 9 0 七w ，产生的振动幅值可达1 0 0 0 m m ，工作频宽大，对被激物产生的波形 种类有正弦、方波及随波等且波形失真度小，能够实现自动编程，编程能力强；因为液 压系统压力和流量可控，所以电液式振动台控制被激物体的运动学参数多，可以控制被 激物的位移，速度和加速度等；由于系统引入伺服控制，整个振动台的控制精度提高同 时性价比高。 机械式振动台采用机械式刚性振动对被激物体施加振动，一般采用偏心质量的圆盘， 当偏心圆盘反向旋转分别产生的离心力将合成一个按正弦规律变化的简谐力，按照工作 原理可以分为离心式机械振动台和偏心式机械振动台，前者通过偏心质量的旋转产生激 振力驱动激励被激物体作周期性简谐振动，如图1 1 1 所示振动台采用一对偏心质量圆 盘反向旋转产生激振力驱动振动台实现振动。后者通过马达驱动变速机构或直接驱动偏 心轮连杆或曲柄连杆连杆机构驱动试件往复运动。机械式振动台在三种振动台中性能 指标最小，其中包括最大推力和位移小，工作频率范围小，振动台台面振幅为o 5 7 r i m ， 负载范围一般在0 5 0 0 n ，振动频率在1 0 1 0 0 h z 。由于振动台两个传动件之间的摩擦、 冲击等影响而导致波形失真度大，且波形种类少主要是正弦波；由于未引入伺服控制技 术不能自动编程，控制精度差且控制参数单一，只能控制被激物体的位移，而不能如电 液振动台控制被激物的速度和加速度。但机械式振动台其优点为：结构简单、造价较低、 容易安装、可以进行较长试验、运用和维修简单。 8 浙江大学硕士学位论文 绪论 图1 。1 1 偏心式机械振动台 电磁式振动利用恒定磁场与通电线圈之间的相互作用产生的电磁力驱动工作台面， 使被激物产生振动。由于交流电流流过动圈时，与磁场相互作用产生电磁力，从而推动 负载运动。改变驱动线圈的交流电流的大小和频率，振动幅值和频率便随之改变。电磁 式振动台系统线性好、工作频带较宽、容易控制和波形失真度小以及能过实现自动编程 等优点，但由于受到固有磁场磁饱和的限制，导致输出力小、位移小同时低频性能差， 而且大多数电磁式振动台只能按照正弦规律进行对被激物体施振【3 3 】，如图1 1 2 所示为 电磁式振动台工作原理示意图。 鎏 f 量 【 。 s | l l 酞一 k ln p j j ， l k i 麓i s 一一 _ 一 - 爿 l 图1 1 2 电磁式振动台 目前，随着科学技术的发展出现了一类微型振动器，利用电致或磁致伸缩效应对被 激物体产生振动，该类振动台振动频率极高，振动波形基本不失真，但输出振幅和功率 小，已用于振动辅助加工及非圆车削中【3 4 3 s 】。 综合以上分析看出电液激振技术具有良好的性能指标，因此对电液激振技术进行研 究将具有十分重要理论及工程意义 9 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 3 2电液激振技术发展与研究现状 电液激振器作为一种振动试验的标准设备，性能好坏直接影响工业领域技术的发展。 国外从事电液振动台研究的机构很多，主要有m t s 公司、德国i s t 公司、英国s e r v o t e s t 公司、日本三菱、i m v 公司等，这些公司在振动模拟技术研究方面一直处于国际领先水 平。另外，墨西哥、加拿大、法国、意大利等国在7 0 年代中期以后也逐步建造了振动 台。 1 9 7 0 年，日本三菱公司为日本国家防灾中心研制了当时世界上最大的单向大型地 震台1 5 m 1 5 m 水平或垂直单独工作的地震模拟台。2 0 0 0 年，日本防灾科学技术研究 所开始建造世界上最大的地震台，水平方向有5 个激振器，垂直方向有1 4 个激振器， 台体尺寸2 0 m 1 5 仇5 5 m ，有3 个自由度。将电液伺服控制技术应用于振动台不仅可 以模拟正弦波，也可以模拟地震波和其它形式的波。日本学者s a s a l ( i y 等学者利用转阀 提高电液激振器的激振频率，需要调节系统压力来调整幅值，控制精度和响应容易提高 【3 6 3 8 】。 m t s 公司是国际上液压振动台的主要生产厂商，已生产了数十台电液式地震模拟台， 最大试验件重量到几十吨，频率上限在6 0 1 0 0 h z 之间。t e a m 公司研制的多轴电液式 振动台频率范围较大，频率上限可达2 0 0 h z 。同时该公司研制的高压油膜球铰取代了传 统的自润滑球关节轴承，改善了振动台系统高频波形失真情况，同时提高了连接器使用 寿命。美国伊利诺大学在1 9 6 8 年建造的台面尺寸为3 1 6 5 m 3 1 6 5 m 地震模拟振动台， 根据负反馈原理使系统的输出快速、准确地跟踪输入信号，运用此技术的地震模拟振动 台具有输出力大、行程大、响应快等优点【3 9 4 0 】。 我国8 0 年代初，开始将电液伺服技术用于振动方面。目前，国内研制液压振动台 的机构比较多，主要有西安交通大学、浙江大学、吉林大学、航空3 0 3 所、啥尔滨工业 大学、同济大学、中国水科院、北京自动化所、中国地震局工程力学研究所和深圳宏建 试验机制造厂等，但其中多数产品为单轴液压振动台。传统的单轴振动台仅在一个轴上 实现振动，但随着被试产品结构复杂化及体积大型化，多轴振动台在产品故障模式复现 和模拟精度方面具有明显的优越性。但是对于多轴振动台我国主要以进口或引进改造为 主。例如，东北电力试验研究院就在丹麦的4 8 1 2 型振动台上进行改造以满足计量标准 的需要；上海同济大学从美国m t s 引进了4 m 4 m 的双向水平地震模拟试验台，在其基 础上改造为具有三向六自由度的振动台。进口的多轴液压振动台多为民用低频振动台， 军用高频振动台很少，在振动台出售上，国外实行对我国禁运。国家地震局工程力学研 究所建立的5 m 5 m 三向地震模拟振动台是我国第一台自行研发的振动台。1 9 6 6 年开始 至1 9 6 9 年由机械部和电子部合作，研制出我国第一台国防专用的2 0 0 七n 电液振动台。 2 0 世纪9 0 年代，中国航空工业总公司3 0 3 所研制成功了上限频率为1 0 0 0 h z 的电液伺 服振动厶【4 1 】，达到国际先进水平。2 0 0 6 年底，国内第一个有自主知识产权的多轴液压 1 0 浙江大学硕士学位论文绪论 振动试验系统由哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所研制完成并顺利通过 验收；2 0 0 7 年，太原理工大学刘混举等【4 2 】研究了交流液压技术，取得了丰富的研究成 果，建立了交流液压试验系统，并进行研究。2 0 0 8 年，浙江工业大学研制出一种新型 2 d 阀控缸电液激振器，能够实现工作压力4 0 m p a ，公称流量2 0 0 l m f n ，输出激振力 为2 0 t 的高频振动【4 3 】。 综上所述，电液激振技术不断发展，随着人类在航空，航天等一些高精尖技术领域 的探索，新技术产品进行振动环境模拟时，需要更高响应速度，更高精度，更大频宽及 在某些情况下需要更大激振力。为满足试验要求，这就要求电液激振技术沿着上述方向 发展，新型材料、智能材料及全数字控制技术将应用于电液激振技术领域中。 1 4 课题研究意义及内容 1 4 1 课题研究意义 我国人口众多、幅员辽阔，经济发展迅猛，铁路网的整体运输能力仍然严重不足， 到2 0 2 0 年，我国铁路里程将达到1 0 万公里。铁路的飞速发展，使得干线运输密度不 断加大，于是对养护机械提出了更高要求，要求养护机械大型化和自动化，这种形势决 定了养路机械必然要发生变革，走向大型机械化的发展道路。 目前，我国大型养路机械取得较大的发展，铁道部大力支持引进新产品。产品的技 术吸收，国产化实践也取得一定成果，养护机械领域的自主研发能力也有了很大的提高。 但应注意，养护机械的研发能力跟国际相比还有相当大的差距，同时国内缺乏捣固装置 的自主知识产权，因此我国必须加大对自主研发的投入，由引进、消化吸收的体制变为 自主研发、设计及生产的体制。 针对现有捣固装置存在的问题，装置作业时捣固臂夹持与振动不独立，影响了夹持