捣固装置的作业特性分析及新型捣固装置研制

摘要

捣固装置是捣固车的核心设备，用来完成铁路道床石碴的捣固作业，通过捣固装置的激振器使捣镐产生高频振动，并在夹持液压缸的作用下，使得道床石碴处于运动状态，重新排列变得密实．目前随着国内铁路事业的飞速发展，大型养路机械成为发展主流，我国必须引进大型养路机械，消化其核心技术并进行自主创新。国内养路机械的自主创新还处于起步阶段，完成捣固作业的捣固车在大型养路机械中占有重要的地位，多年来我国多次重金从国外引进不同类型的捣固车用于我国铁路养护事业，因此，捣固车的核心设备-捣固装置的创新设计有着重要的意义．
　　 本文以国际上现有的三种主要的捣固装置为研究基础，首先总结了捣固装置的运动学特性；建立了捣固装置的振动学模型，计算了道碴的结合系数、当量阻尼系数，基于振动模型分析了捣固装置的作业过程；提出了一种新型激振原理的捣固装置，设计了新型捣固装置的机构；分析了捣固装置的作业工况并进行了动力学分析，利用Pro/MECHANICA分析所设计的新型装置的关键部件的强度。
　　 本文的主要研究内容如下：
　　 第一章先阐述了捣固装置的研究背景，简单介绍了捣固装置的结构，分类以及现有的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，最后提出了本课题的研究意义及主要研究内容．
　　 第二章分别建立了Plasser公司捣固装置与Matisa公司捣固装置的运动学模型，利用解析法分析了两种捣固装置的运动特性，并通过MATLAB的SimMchanics模块对两种捣固装置进行仿真，得到了夹持液压缸、捣固臂、捣镐的运动曲线。通过对比两种捣固装置的运动曲线，总结了捣固装置的作业特性．
　　 第三章建立了捣固装置的振动模型，并考虑了道碴对振动模型的影响，计算了道碴的结合系数、当量阻尼系数，对模型所涉及到参数进行了等效计算，随后基于该振动模型分析了捣固装置的作业过程，包括夹持运动对振动系统的系统频率和振幅的影响等内容，第四章在ADAMS环境下建立了Matisa捣固装置的三维实体模型，分析了激振对夹持液压缸的干扰力，并在AMEsim环境下建立捣固系统的液压系统模型，通过机械模型与液压系统模型的联合仿真，得出了捣固时的夹持液压系统特性。
　　 第五章设计了一种基于液压激振的新型捣固装置，首先介绍了该新型装置的激振原理和电液激振器的工作原理；随后基于工作原理建立了捣固臂激振部分的运动学模型与动力学模型，计算了激振液压缸的主要动力学尺寸，根据轨枕间距、输出的夹持力以及现有的捣固装置的尺寸确定了夹持液压缸的动力学尺寸，上、下捣固臂的比例关系，内外捣固臂与内外夹持液压缸在箱体上的总体布局；最后利用Pro/E建立了新型捣固装置的三维实体模型，在Pro/MECHANICA模块中分析捣固装置的作业曲线与理论分析的一致，验证了所建模型的正确性与新型装置的可行性．
　　 第六章基于ADAMS建立了新型捣固装置的虚拟样机模型，分析了捣固装置作业过程的冲击力和振动夹持两个工况，通过ADAMS内置的函数模拟了冲击力和振动夹持两个工况，进行了动力学仿真分析．基于Pro/MECHANICA模块对捣固装置关键部件进行了有限元分析，包括下捣固臂支撑轴的强度、下捣固臂的冲击强度、内外下捣固臂的弯曲强度及内下捣固臂的疲劳强度，结果表明，所设计的新型捣固装置的部件强度满足作业要求．
　　 第七章概括了全文的主要研究工作与成果，并展望了今后需进一步研究的工作和方向。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 捣固装置概述

1.1.1 捣固装置简介

l.l.2 捣固装置的结构及分类

1.2 国外三种主要的捣固装置

1.2.1 Plasser公司捣固装置

1.2.2 Harsco公司捣固装置

1.2.3 Matisa公司捣固装置

1.3 国内捣固装置发展及研究概况

1.3.1 国内发展概况

1.3.2 国内研究概况

1.4 激振技术

1.4.1 机械式振动台

1.4.2 电动式振动台

1.4.3 电液式振动台

1.5 课题研究意义及内容

1.5.1 课题研究意义

1.5.2 课题研究内容

1.6 本章小结

2 捣固装置的运动学分析

2.1 Matisa捣固装置的运动学分析

2.1.1 Matisa捣固装置激振的运动学模型

2.1.2 解析法分析

2.1.3 SimMechanics模块仿真分析

2.1.4 夹持运动的解析法分析

2.2 Plasser捣固装置的运动学分析

2.2.1 Plasser捣固装置激振的运动学模型

2.2.2 解析法分析

2.2.3 SimMeehanics模块仿真分析

2.2.4 夹持运动的解析法分析

2.3 捣固装置的运动特性

2.3.1 激振运动特性

2.3.2 夹持运动特性

2.4 本章小结

3 捣固装置的振动分析

3.1 捣固装置的振动模型

3.2 道碴的结合系数、当量阻尼系数的计算

3.2.1 考虑道碴非线性作用力时捣固装置的振动方程

3.2.2 振动方程的一次近似解及道碴的结合系数与阻力系数

3.3 振动模型参数的等效计算

3.3.1 等效弹簧刚度

3.3.2 等效振动质量

3.3.3 等效阻尼

3.4 基于振动模型的振动分析

3.4.1 MATLAB三维绘图功能

3.4.2 夹持对振动系统的系统频率影响

3.4.3 夹持对振幅的影响

3.5 本章小结

4 捣固装置的激振对夹持动作的影响分析

4.1 联合仿真方案

4.2 液压系统建模

4.3 机构动力学分析

4.3.1 捣固装置的机械模型

4.3.2 ADAMS中的相关设置

4.3.3 干扰力仿真分析

4.4 联合仿真模型

4.5 仿真结果及分析

4.6 本章小结

5 新型捣固装置设计

5.1 新型捣固装置的激振原理

5.1.1 新型捣固装置的工作原理

5.1.2 电液激振器的工作原理

5.2 新型捣固装置激振液压缸的尺寸

5.2.1 捣固臂激振部分的运动学模型

5.2.2 捣固臂激振部分的动力学模型

5.2.3 激振液压缸的主要尺寸

5.3 新型捣固装置夹持液压缸的尺寸

5.4 新型捣固装置的整体布局

5.5 新型捣固装置的三维模型及仿真

5.5.1 捣固装置的三维模型

5.5.2 工作轨迹的仿真分析

5.6 本章小结

6 新型捣固装置的强度分析

6.1 建立新型捣固装置的虚拟样机

6.1.1 虚拟样机的特点

6.1.2 模型的传递

6.1.3 ADAMS中的相关操作

6.2 捣固装置工况及仿真分析

6.2.1 捣固装置工况分析

6.2.2 冲击力工况模拟

6.2.3 振动夹持工况模拟

6.2.4 动力学结果分析

6.3 新型捣固装置的有限元分析

6.3.1 下捣固臂支承轴的强度分析

6.3.2 下捣固臂的冲击强度

6.3.3 下捣固臂的弯曲强度

6.3.4 内下捣固臂的疲劳分析

6.4 本章小结

7 总结和展望

7.1 论文总结

7.2 工作展望

参考文献

作者简历及硕士期间发表的研究成果