內(nèi)燃搗固鎬的減振設(shè)計(jì)

牛釗文,孫付春,張治斌

(1.成都大學(xué)工業(yè)制造學(xué)院,四川成都 610106;2.成都新宇工務(wù)機(jī)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(yǎng)路機(jī)械作業(yè),但在某些特殊場合則需要小型機(jī)具配合作業(yè)[1].搗固鎬是一種廣泛用于鐵路道床道砟搗固作業(yè)、調(diào)整鋼軌水平、換枕、翻砟及道床病害處理等的專用小型養(yǎng)路機(jī)具.內(nèi)燃搗固鎬因其既沒有電動(dòng)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(shè)備[2],并具有結(jié)構(gòu)緊湊、上下道方便、操作輕便、作業(yè)時(shí)間機(jī)動(dòng)靈活而不必專門封鎖線路來作業(yè)等特點(diǎn),特別適用于道岔、隧道、橋涵等大中型養(yǎng)路機(jī)械不能作業(yè)的道床區(qū)域性養(yǎng)路作業(yè)[3].但是,在利用機(jī)具振動(dòng)完成搗固作業(yè)的同時(shí),機(jī)具本體也給操作者帶來不適的振動(dòng)反饋,導(dǎo)致其易疲倦、記憶力減退、耳鳴、視物模糊、反應(yīng)遲鈍等不良后果[4].因此,搗固鎬在設(shè)計(jì)研制過程中應(yīng)在保證具有高性能的同時(shí),必須考慮整機(jī)的減振設(shè)計(jì).

1 搗固鎬總體結(jié)構(gòu)和原理

經(jīng)過反復(fù)研究和多方論證,本設(shè)計(jì)采用偏心產(chǎn)生振動(dòng)的原理設(shè)計(jì)了一種內(nèi)燃振動(dòng)搗固鎬.

1.1 搗固鎬總體結(jié)構(gòu)

該內(nèi)然振動(dòng)搗固鎬由發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、減振裝置、振動(dòng)搗固裝置及夾持裝置五部分組成,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1中,發(fā)動(dòng)機(jī)是動(dòng)力源,為整個(gè)機(jī)具提供動(dòng)力;傳動(dòng)裝置由離合器和傳動(dòng)軟軸組成,作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力根據(jù)需要傳遞給振動(dòng)搗固裝置;偏心振動(dòng)裝置(即偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸)置于鎬體內(nèi),與鎬頭及鎬體共同組成振動(dòng)搗固裝置來產(chǎn)生激振力;減振裝置連接發(fā)動(dòng)機(jī)和振動(dòng)搗固裝置兩大部分,用于吸收高頻振動(dòng)、減輕振動(dòng)對發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、振動(dòng)搗固裝置和減振裝置等.

圖1 內(nèi)燃搗固鎬結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 搗固鎬工作原理

該內(nèi)然振動(dòng)搗固鎬的工作原理為:發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過傳動(dòng)裝置傳輸?shù)秸駝?dòng)搗固裝置中的偏心振動(dòng)軸上,由偏心振動(dòng)軸產(chǎn)生高速振動(dòng)并傳遞到特殊設(shè)計(jì)的鎬頭上,鎬頭插入到鐵道道碴中,通過高速振動(dòng)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(shè)計(jì)

搗固鎬的減震裝置是降低作業(yè)者勞動(dòng)強(qiáng)度,提高作業(yè)效率,延長搗固鎬壽命的關(guān)鍵部件.據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),目前國內(nèi)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(jìn)行減震,其減震效果較差而且增加了整機(jī)的重量.而我們設(shè)計(jì)的該型搗固鎬采用4級(jí)減震結(jié)構(gòu)相結(jié)合的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)(目前已獲專利授權(quán)).在4級(jí)減震結(jié)構(gòu)中減少了機(jī)具的螺紋連接點(diǎn),在保證減震要求的情況下,最大限度地降低了搗固鎬作業(yè)時(shí)帶來的振動(dòng)反饋,提高了整機(jī)的使用壽命和可靠性,降低了現(xiàn)場作用人員的工作強(qiáng)度.4級(jí)減震結(jié)構(gòu)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(xué)設(shè)計(jì)并配有減震手套的扶手部分組成.在整個(gè)減震體系中,減震球組件起主要減震作用,其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 減震球組件結(jié)構(gòu)示意圖

減震球組件采用上下兩端懸空設(shè)計(jì),下端采用碗型狀設(shè)計(jì),內(nèi)外采用硬度為邵氏50°的橡膠填充,球形結(jié)構(gòu)中間通過軟軸進(jìn)行動(dòng)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(gòu)件為剛性骨架再進(jìn)行橡膠填充,這種結(jié)構(gòu)具有很好的減震作用,同時(shí)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(shù),使該橡膠具有較小的動(dòng)倍率和較大的靜剛度,以保證減震橡膠在靜態(tài)時(shí)的支承作用增強(qiáng)并減小振動(dòng)的傳遞效率.同時(shí),為了加工的方便,采取模壓法進(jìn)行先填充后硫化的制作工藝,即先將設(shè)計(jì)好的橡膠填充到碗狀金屬骨架中,再通過優(yōu)化后的硫化參數(shù)進(jìn)行硫化成型.

3 減震裝置的動(dòng)力學(xué)計(jì)算

減振裝置的減震球組件的動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示.

圖3 減震球組件動(dòng)力學(xué)模型示意圖

由此,減振裝置的動(dòng)力學(xué)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(dòng),只有在振動(dòng)開始階段才存在,主要為瞬態(tài)振動(dòng),因此可以忽略.

特解 x2(t)為持續(xù)的等幅振動(dòng)即穩(wěn)態(tài)振動(dòng),其中Ψ為響應(yīng)信號(hào)滯后于激振信號(hào)的相位差,B為穩(wěn)態(tài)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(shí)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(tǒng)的固有頻率.通常,系統(tǒng)的固有頻率與系統(tǒng)本身有關(guān),與其阻尼系數(shù)無關(guān),因此可以得出 n自由度的振動(dòng)微分方程為,

即,

其中,mij= mji,kij= kji.

設(shè)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(shù)行列式必須為0,展開后可得ω2n的n次代數(shù)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(jìn)而得到振動(dòng)的傳遞效率.

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

圖4 減震球組件傳遞效率—激振頻率關(guān)系曲線

圖4數(shù)據(jù)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(shí),振動(dòng)的傳遞效率約為7.5%,與實(shí)際的振動(dòng)傳遞效率誤差在10%以內(nèi).

4 結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場作業(yè)的實(shí)際工程應(yīng)用效果證明,我們設(shè)計(jì)的內(nèi)然振動(dòng)搗固鎬具有優(yōu)良的耐用性能和減震作用,搗固鎬減震結(jié)構(gòu)組件實(shí)際減震效果接近90%,從各項(xiàng)數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果和用戶試用的情況來看,搗固鎬質(zhì)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(yè).

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