内燃捣固镐的减振设计(2)

将 x2(t)代入式(2)得到,

其中,

因此,

由于sinΨ和cosΨ不可能同时为0,因此,要满足上述条件则有,

可以得出,

即有,

为了得到振幅B的大小,需要确定系统的固有频率.通常,系统的固有频率与系统本身有关,与其阻尼系数无关,因此可以得出 n自由度的振动微分方程为,

即,

其中,mij= mji,kij= kji.

设上述方程的解为,

其中,Ai为振幅,φ为相位角.

将该解代入式(3)得到,

其矩阵形式为,

式(4)为一组Ai的n元线性齐次方程组,其非零解的条件为,

即系数行列式必须为0,展开后可得ω2n的n次代数方程,

通过解该n次方程能够得到固有频率,通过固有频率得到振幅的大小,进而得到振动的传递效率.

同时,再利用得到的固有频率方程和振幅幅度值计算公式,通过有限元仿真得到减震球组件对捣固镐作业振动的传递效率与激振频率关系曲线如图4所示.

图4 减震球组件传递效率—激振频率关系曲线

图4数据表明,使用有限元仿真分析得出减震球组件的固有频率为31.5 Hz,且在激振频率为120 Hz时,振动的传递效率约为7.5%,与实际的振动传递效率误差在10%以内.

4 结 语

通过实验和现场作业的实际工程应用效果证明,我们设计的内然振动捣固镐具有优良的耐用性能和减震作用,捣固镐减震结构组件实际减震效果接近90%,从各项数据的检测结果和用户试用的情况来看,捣固镐质量可靠,可以很好地完成在正常及特殊场合的铁路道床捣固作业.

0 引 言铁道线路的综合维修及大修主要依靠大型养路机械作业,但在某些特殊场合则需要小型机具配合作业[1].捣固镐是一种广泛用于铁路道床道砟捣固作业、调整钢轨水平、换枕、翻砟及道床病害处理等的专用小型养路机具.内燃捣固镐因其既没有电动捣固镐冗长的电缆线,也不需要液压捣固镐那样配属专门的液压设备[2],并具有结构紧凑、上下道方便、操作轻便、作业时间机动灵活而不必专门封锁线路来作业等特点,特别适用于道岔、隧道、桥涵等大中型养路机械不能作业的道床区域性养路作业[3].但是,在利用机具振动完成捣固作业的同时,机具本体也给操作者带来不适的振动反馈,导致其易疲倦、记忆力减退、耳鸣、视物模糊、反应迟钝等不良后果[4].因此,捣固镐在设计研制过程中应在保证具有高性能的同时,必须考虑整机的减振设计.1 捣固镐总体结构和原理经过反复研究和多方论证,本设计采用偏心产生振动的原理设计了一种内燃振动捣固镐.1.1 捣固镐总体结构该内然振动捣固镐由发动机、传动装置、减振装置、振动捣固装置及夹持装置五部分组成,其总体结构如图1所示.图1中,发动机是动力源,为整个机具提供动力;传动装置由离合器和传动软轴组成,作用是将发动机的动力根据需要传递给振动捣固装置;偏心振动装置(即偏心转动轴)置于镐体内,与镐头及镐体共同组成振动捣固装置来产生激振力;减振装置连接发动机和振动捣固装置两大部分,用于吸收高频振动、减轻振动对发动机和工作人员的不利影响、提高操作舒适性;夹持装置包括提手、扶手和压板等,用来固定、连接发动机、传动装置、振动捣固装置和减振装置等.图1 内燃捣固镐结构示意图1.振动捣固装置;2.减振装置;3.夹持装置;4.传动装置;5.发动机1.2 捣固镐工作原理该内然振动捣固镐的工作原理为:发动机输出的动力通过传动装置传输到振动捣固装置中的偏心振动轴上,由偏心振动轴产生高速振动并传递到特殊设计的镐头上,镐头插入到铁道道碴中,通过高速振动将道碴打紧并抬升轨枕使两根钢轨保持平衡,从而保证铁道线路的行车安全.2 捣固镐减震设计捣固镐的减震装置是降低作业者劳动强度,提高作业效率,延长捣固镐寿命的关键部件.据调查统计,目前国内的同类型捣固镐多采用金属减震或者仅依靠橡胶手套与减震扶手进行减震,其减震效果较差而且增加了整机的重量.而我们设计的该型捣固镐采用4级减震结构相结合的创新性设计(目前已获专利授权).在4级减震结构中减少了机具的螺纹连接点,在保证减震要求的情况下,最大限度地降低了捣固镐作业时带来的振动反馈,提高了整机的使用寿命和可靠性,降低了现场作用人员的工作强度.4级减震结构主要由减震球组件、支座与减震球弹性连接组件、扶手支架与支座的弹性连接以及符合人体工程学设计并配有减震手套的扶手部分组成.在整个减震体系中,减震球组件起主要减震作用,其结构如图2所示.图2 减震球组件结构示意图减震球组件采用上下两端悬空设计,下端采用碗型状设计,内外采用硬度为邵氏50°的橡胶填充,球形结构中间通过软轴进行动力传递.由于减震橡胶具有消震与吸振的作用,因此减震球采用以金属构件为刚性骨架再进行橡胶填充,这种结构具有很好的减震作用,同时起到镐体和扶手支架的连接作用.通过选择合适的减震橡胶材料和成型参数,使该橡胶具有较小的动倍率和较大的静刚度,以保证减震橡胶在静态时的支承作用增强并减小振动的传递效率.同时,为了加工的方便,采取模压法进行先填充后硫化的制作工艺,即先将设计好的橡胶填充到碗状金属骨架中,再通过优化后的硫化参数进行硫化成型.3 减震装置的动力学计算减振装置的减震球组件的动力学模型如图3所示.图3 减震球组件动力学模型示意图k,减震球组件刚度系数;c,减震球组件阻尼系数; m,减震球组件质量由此,减振装置的动力学方程为,式(1)可变形为,其中式(2)的解为非齐次解,其中,为式(2)对应的齐次方程的通解;x2(t)=Bsin(ωt-Ψ)为式(2)的特解.通解 x1(t)为衰减振动,只有在振动开始阶段才存在,主要为瞬态振动,因此可以忽略.特解 x2(t)为持续的等幅振动即稳态振动,其中Ψ为响应信号滞后于激振信号的相位差,B为稳态振幅.将 x2(t)代入式(2)得到,其中,因此,由于sinΨ和cosΨ不可能同时为0,因此,要满足上述条件则有,可以得出,即有,为了得到振幅B的大小,需要确定系统的固有频率.通常,系统的固有频率与系统本身有关,与其阻尼系数无关,因此可以得出 n自由度的振动微分方程为,即,其中,mij= mji,kij= kji.设上述方程的解为,其中,Ai为振幅,φ为相位角.将该解代入式(3)得到,其矩阵形式为,式(4)为一组Ai的n元线性齐次方程组,其非零解的条件为,即系数行列式必须为0,展开后可得ω2n的n次代数方程,通过解该n次方程能够得到固有频率,通过固有频率得到振幅的大小,进而得到振动的传递效率.同时,再利用得到的固有频率方程和振幅幅度值计算公式,通过有限元仿真得到减震球组件对捣固镐作业振动的传递效率与激振频率关系曲线如图4所示.图4 减震球组件传递效率—激振频率关系曲线图4数据表明,使用有限元仿真分析得出减震球组件的固有频率为31.5 Hz,且在激振频率为120 Hz时,振动的传递效率约为7.5%,与实际的振动传递效率误差在10%以内.4 结 语通过实验和现场作业的实际工程应用效果证明,我们设计的内然振动捣固镐具有优良的耐用性能和减震作用,捣固镐减震结构组件实际减震效果接近90%,从各项数据的检测结果和用户试用的情况来看,捣固镐质量可靠,可以很好地完成在正常及特殊场合的铁路道床捣固作业.参考文献:[1]李锡章,王庆礼.小型养路机械在一班线路维修中的应用[J].铁道建筑,1998,38(11):29-31.[2]徐建明,刘绍先.养路机械化[J].铁道知识,2000,19(2): 28-29.[3]孙付春,张树忠,李宏穆.浅谈小型养路机械的开发[J].建筑机械化,2005,26(9):28-29.[4]赵驰北.铁路捣固机噪声对职工听力损伤调查[J].铁道劳动安全卫生与环保,2005,32(2):85-87.[5]杨成美,王贵成.新型内燃捣固机的振动分析[J].机车车辆工艺,2004,42(2):29-30.

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