一种液压捣固机的激振与捣固装置及参数确定方法与流程

本发明属于小型铁路养护用内燃动力液压捣固机领域，特别是涉及一种基于弹性连杆理论的强迫振动式反相位激振与捣固装置。

背景技术：

捣固机主要用于建筑施工时的混凝土浇注和铁路工务维修过程中捣实轨枕下面的石碴。在铁路行业，属于一种专用养修机械，主要用于铁路碎石道床的捣固作业。

目前我国乃至世界大部分铁路路基，都是采用枕木碎石道床的结构，它有一个特点就是需要每隔一段时间(视列车的频次而定)都需要进行捣固作业(即将被挤开的碎石重新填至枕木以下并捣实)，高速干线的捣固周期为3～6天，主要使用捣固作业车和液压式捣固机捣固(需要在线路上行走)。

如何提高捣固作业质量和效率是捣固机械需要研究的主要问题。目前我国捣固机械激振方式有二种：一种是以偏心块转动，产生离心力而带动镐板振动；一种以偏心轴转动，通过曲柄连杆机构带动镐板振动(即所谓强迫振动)(游联生.谈捣固机的两种振动方式[j].铁道建筑，1979，(05)：5～7)。

以偏心块转动产生离心力为振动源进行道床捣固，液压缸同步夹实，是大家比较熟识的一种振动方式。目前使用的电动捣固(dzg-350，ddj-300型等)和小型液压捣固机(yd-1,yd-2,xyd-1型等)均采用这种振动形式。液压捣固机为双导柱框架结构，单缸升降方式。传统的小型液压捣固机如图1所示(图1来自文献:王玉龙，金立全.ycd-4型液压道岔捣固机的研制[j].铁道建筑，2002，(11)：20～22),由柴油机或电动机驱动，有齿轮泵、手动泵、换向阀、振动体、捣镐、升降缸和夹实缸等组成。在养路工人的操作下，机械可架在轨道上推行，两台或四台为一组，一次完成一根轨枕的捣固。其工作性能完全能满足线路维修作业的需要，同样适用于新建线路的捣固作业和清筛后的捣固作业。

偏心铁的最大振动力是在机器的额定转速下(即处在空载状况)，当捣固机负荷增大、转速下降时，离心力相应下降，振动力也减少，这是我们所不希望的。另外，对于偏心块转动方式，两侧的捣固镐如图1所示，只能做同向椭圆振动，无法实现反相位捣固，捣固效果差，而且同向夹实的效果也没有反相位夹实的效果好。

采用偏心轴转动，通过连杆带动镐板振动(即所谓强迫振动)，再加上异步夹实，是国外大型捣固机普遍采用的振动方式。它具有固定的振幅，能有效地将动力传递给镐头；镐头的拨动力能随着道床阻力的增大而增大(游联生.谈捣固机的两种振动方式[j].铁道建筑，1979，(05)：5～7)，而且可以实现反相捣固，有利于捣实枕底道碴(李毅松，翁敏红.do9-32型捣固装置的机构、功能及运动分析[j].机车车辆工艺，2003，(2)：4～7)；异步夹实能自动应对道碴两侧的不同阻力，有效地将石碴重新密实排列于枕轨之下(王暹剡.小型强迫振动异步夹实液压捣固机[p].中国专利：cn201695283u，2011-01-05)。

所以，大型捣固车采用的是强迫振动和异步夹实的原理，捣固镐对道碴的作用是摇摆式振动和夹实，但其功率大，结构复杂，造价昂贵，不适合于铁路日常频繁的小规模维护保养。对此，专利(王暹剡.小型强迫振动异步夹实液压捣固机[p].中国专利：cn201695283u，2011-01-05)、(张忠海.液压捣固机[p].中国专利：cn102011350b，2012-04-04)将强迫振动方式应用于小型液压捣固机上，但是其存在的主要问题是由于刚性连接，振动幅值不能调节，因而在需要调整振动幅值的场合应用不方便。比如，由文献(刘毅，龚国芳，闵超庆.捣固机械激振技术现状与展望[j].机械工程学报，2013,49(16)：138～146)，在板结道床要求低振动幅值，在松散道床需要高振动幅值。而且，在捣固机理方面，利用振动波理论提出了一种推论：在初始的振动、捣固次数增加时，道碴的密实度有所提高，道碴密实度提高到一定程度后，随着振动、捣固次数的增加，道碴密实度反而减小。由此可见，在道碴足够密实，捣固力足够大时，振幅不减小的话，会反而降低捣固效果。

技术实现要素：

针对现有捣固机传统偏心块式激振方式和强迫振动式激振方式的不足，本发明提出了一种新型的基于弹性连杆理论的强迫振动式反相位激振与捣固装置，其目的是既能解决传统捣固机不能实现反相位振动和异步夹实问题，又能克服传统强迫振动激振方式的振动幅值不能调节问题，提高捣固效果，使捣固机的应用更加灵活。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种用于液压捣固机的激振与捣固装置，由至少一对振捣装置组成。

所述一对振捣装置由两个振捣装置组成，所述两个振捣装置在主轴轴线两侧镜像布置，两个振捣装置的距离使两个振捣装置的捣固镐的沿主轴轴向的厚度中心平面重合。

所述的振捣装置由偏心装置、夹实装置和弹性连杆装置组成。

其中，所述的偏心装置包括传动部件、主轴、偏心轴承和主轴支撑部件。原动机将动力通过传动部件传给主轴，主轴通过轴承动联接在主轴支撑部件上，使得主轴可绕自身轴线转动。主轴支撑部件用于支撑主轴，与捣固机机架静联接。偏心轴承由轴承内衬，轴承和轴承外衬组成。轴承内衬为轴套类零件，其上开有偏心孔，主轴套在偏心孔中且与轴承内衬固定，使得轴承内衬与主轴实现偏心静联接；轴承与轴承内衬同轴心，轴承的内圈套在轴承内衬上；轴承外衬为套筒类零件，其轴心处开有孔，与轴承同心，套在轴承的外圈上，使得轴承内衬与轴承外衬可以相对转动。在主轴转动时，偏心轴承相当于曲柄连杆机构的曲柄，形成偏心激振。

其中，所述的夹实装置包括液压缸和活塞杆。活塞杆位于液压缸内和液压缸同轴心且与液压缸形成动联接，即活塞杆与液压缸形成移动副。液压缸的轴心位于所述偏心装置的偏心轴承的径向方向，且与所述偏心装置的偏心轴承的轴承外衬静联接。活塞杆与液压缸的相对运动由液压动力系统驱动。液压动力系统为异步夹实的液压动力系统。

其中，所述的弹性连杆装置包括螺纹连杆，弹簧固定螺纹板，弹簧，弹簧安装板，捣固镐和捣固镐支撑部件。螺纹连杆是一个带有外螺纹的杆件，与所述活塞杆静联接且同轴心。弹簧固定螺纹板是一个带有内螺纹的板类部件，套在螺纹连杆上，通过螺纹联接与螺纹连杆固定在一起，形成可拆卸的静联接，方便装卸及更换弹簧。弹簧套在螺纹连杆上，一端与弹簧固定螺纹板静联接，另一端与弹簧安装板静联接。弹簧安装板位于弹簧固定螺纹板与所述活塞杆之间，为一个有至少两个相互垂直平面的板状部件；其中一个平面与弹簧静联接，该平面上开有比螺纹连杆直径稍大的孔，通过该孔套在螺纹连杆上，螺纹连杆与该平面夹角大于70°小于等于90°，该平面所开的孔的大小应满足在此夹角范围内螺纹连杆不与弹簧安装板干涉；另一个平面用于连接捣固镐，且与捣固镐形成可拆卸的静联接，以方便更换弹簧。捣固镐通过轴承动联接在捣固镐支撑部件上，使得捣固镐可以绕其与捣固镐支撑部件的连接处转动。捣固镐支撑部件静联接在捣固机机架上。

上述的激振与捣固装置确定参数的方法如下：首先建立捣固装置中除去夹实装置的动力学模型。

所述力学模型属于单质体弹性连杆式摆动振动模型。该模型由偏心部分，连杆部分和振动质体部分组成。所述偏心部分为一个半径为r的圆，r表示偏心装置中偏心轴承的偏心距，圆心代表偏心装置中的主轴，设转速为ω，转动方向为顺时针。所述连杆部分由一条直线段和一个弹簧力学模型组成；直线段代表弹性连杆装置中的螺纹连杆，其一端连接偏心部分的圆的圆周上一点，另一端连接一个弹簧力学模型，该弹簧力学模型轴线与所述连杆部分直线段重合；弹簧力学模型代表弹性连杆装置中的弹簧，设弹簧刚度为k，其另一端连接所述振动质体部分。所述振动质体部分为一条长度为(l+h)的直线段，代表弹性连杆装置中的捣固镐，即振动质体；该直线段与所述连杆部分直线段夹角大于70°小于90°，其一端与所述连杆部分弹簧力学模型相连，设相连点为a点；另一端为自由端，设该端为d点；在沿所述振动质体部分直线段与a点距离为l处为捣固镐转动轴心，设该点为b点，即所述振动质体部分直线可绕b点在所述偏心部分的圆所在平面内转动；在沿所述振动质体部分直线段与b点距离为p处为c点，该点代表捣固镐质心。

设捣固镐所受重力大小g，作用点为c点，方向竖直向下。设捣固镐所受弹簧弹力大小为f弹，所用于a点，方向沿所述振动质体部分的直线段的轴线。设捣固镐所受石料的反力在垂直于捣固镐方向的分力，即捣固力，为f，作用于d点，方向垂直于所述振动质体部分直线的轴线。设其所受阻尼力对b点的力矩大小与捣固镐转速成正比，比例系数，即总阻尼系数，为f，其方向为阻碍捣固镐转动趋势的方向。设捣固镐相对于轴承座b点的计算转动惯量为j。

设振动的平衡位置为所述振动质体部分直线段竖直时的位置。

参看图9，为所述单个振捣装置中除去夹实装置的动力学模型在对平衡位置沿顺时针有微小角位移θ时的动力学模型。在此条件下，振动质体部分直线段与连杆部分直线段夹角近似为

设石料的参与振动部分的结合质量为m石，则石料惯性力就是捣固力f，其大小为：

其所受阻力对b点的合力矩为f为总阻尼系数；角加速度为设顺时针方向为正。对捣固镐列转动微分方程，有：

θ很小，将其进行线性化处理，即sinθ≈θ,cosθ≈1,将其带入式(2)，再将式(1)带入式(2)，则上述方程化简为：

为标准的振动微分方程，其特解(即强迫振动位移θ的解)为：

θ＝asin(ωt-α)(4)

这里a为捣固镐振动的单侧角度参量的振幅，α为角位移落后于名义激振力矩klrsinωt的相位差角，单位都是弧度。m石h²可视为物料结合质量对b点的转动惯量。将式(4)带入式(3)，解得a的表达式为：

α的表达式为：

其中，z0为频率比，即工作频率ω与固有频率ω0之比:

而ω0为系统固有频率：

为阻尼比:

这就是弹性连杆装置的激振原理。

设其激振端(a点)振幅为λ，则：

λ＝al(10)

由式(5)至式(10)，可推得本装置设计参数的确定方法：

根据工程需要与工作条件确定基本参数λ，ω，z0，与m石的值。

再进行捣固镐部分的初步结构设计，捣固镐的结构设计完成后确定j，g，p，l与h的大小。

由式(7)推得固有频率ω0为：

再由式(8)推得弹簧刚度k为：

由式(5)与式(10)推得偏心距r为：

其捣固端(d点)的振幅为角参量振幅a乘上捣固端到捣固镐b点的距离h；从式(5)可以看出，k值改变，a即改变，捣固端振幅即改变。

这就是通过更换弹簧，改变弹簧刚度k，就可以改变捣固镐振幅的原理，这也是本捣固装置与传统捣固机相比的一大优势。

本发明实现强迫振动式反相捣固，异步夹持，提高了捣固效果；除了在结构上相对更简单以外，在功能方面，由于本发明的弹簧拆卸方便，可通过更换弹簧实现改变捣固镐振幅，以适应不同道床情况，而且根据背景技术所述捣固机理，在多次捣固同一处石碴时可凭经验及时更换弹簧，减小振幅，避免捣固效果下降。

附图说明

图1为现有偏心块式液压捣固机示意图；

图2为本发明立体示意图；

图3为图2的局部放大图；

图4为本发明的主视图；

图5为图4的左视图；

图6为图4的俯视图；

图7为图4的局部放大图；

图8为本发明的机构原理示意图；

图9为本发明的单侧捣固臂动力学模型。

图中：1下弹簧；2弹簧固定螺纹板；3捣固镐轴承座；4捣固镐；5带轮；6主轴；7平键；8偏心轴承；9液压缸；10螺纹活塞连杆；11弹簧安装板；12弹簧安装板固定螺栓；13上弹簧；14主轴轴承座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明提供一种小型液压捣固机的新型激振与捣固装置，可参看图1-图7。图1为传统液压捣固机示意图，本发明实施实例所用动力装置和机架与图1传统液压捣固机相同，本发明用于替换图1的整个振动部分。

本发明实例的设计参数为：λ＝0.75mm，ω＝293.215rad/s，z0＝4，m石＝2.326kg，j为0.565kg·m²，g＝130.124n，p＝0.119m，l＝0.245m，h＝0.490m。

将上述数据带入(11)至(13)式，算得偏心距r＝11mm，弹簧刚度k＝100226.037n/m。

内燃机通过皮带将动力传给带轮5，带轮5与主轴6通过键联接，主轴6为阶梯轴，最细端直径50mm，其与主轴轴承内圈过盈配合，主轴轴承外圈安装在主轴轴承座14上。主轴轴承座14用螺栓联接在捣固机机架上。主轴6上有4个键槽，2个键槽为一组，每组键槽的中心平面沿主轴轴线相距432mm；每组键槽的两个键槽在主轴上相位相差180度，沿主轴轴线相距103mm。每个键槽上安装一个平键7，与4个偏心轴承8的内衬实现偏心的轴毂联接，偏心距为11mm。4个偏心轴承8通过轴肩、轴套等实现轴向固定。4个偏心轴承8的外衬与4个异步夹实与弹性连杆装置相连。

由于所述4个异步夹实与弹性连杆装置在结构上完全相同，这里只以其中一组异步夹实与弹性连杆装置为例，参看图7。偏心轴承8为1个调心滚子轴承，偏心轴承8外衬与液压缸9焊接在一起，液压缸9与螺纹活塞连杆10的活塞端配合形成移动副。这里螺纹活塞连杆10即是所述夹实装置的活塞，也是所述弹性连杆装置的连杆，其一端与活塞固定在一起，另一端有长度为整个螺纹活塞连杆长度2/3的外螺纹。螺纹活塞连杆10的螺纹处大径为24mm。考虑螺纹联接的防松，弹簧固定螺纹板2有4个，每两个为一对，对顶安装于螺纹活塞连杆10上，固定于捣固镐4的两侧。考虑到弹簧传动的可靠性问题，使用两个弹簧：下弹簧1和上弹簧13，布置在捣固镐4的两侧。下弹簧1一端顶在一侧的弹簧固定螺纹板2上，另一端焊接在捣固镐4上。上弹簧12一端顶在另一侧的弹簧固定螺母2上，另一端顶在弹簧安装板11上。经计算，单个弹簧刚度为50113.02n/m，中径为40mm，弹簧钢丝直径6.5mm，有效圈数5.5圈，自由高度为60mm，可以满足设计要求。弹簧安装板11通过弹簧安装板固定螺栓12联接到捣固镐4上；弹簧安装板11的与捣固镐连接面垂直的平面上开孔直径为30mm，通过该孔套在螺纹活塞连杆10上，所述平面与螺纹活塞连杆10的夹角为90°。捣固镐4与捣固镐转轴处轴承内圈过盈配合，捣固镐转轴处轴承外圈安装在捣固镐轴承座3上。捣固镐轴承座3用螺栓固定在捣固机机架上。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行同等修改和替代，比如，偏心轴承8外圈与液压缸9用螺栓联接在一起，或例如将主轴6做成花键轴与偏心轴承8联接，又或例如将下弹簧1的一端也与上弹簧一样顶在弹簧安装板11上以及将螺纹连杆与液压缸活塞杆做成可拆卸的螺纹联接等行为，也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所做的均等变换和修改，都应涵盖在本发明范围内。

工作原理：

参看图8，为弹性连杆与夹实机构的机构示意图。主轴由内燃机通过皮带传动提供动力，绕轴心顺时针转动，转速3600r/min。偏心轴承由于偏心安装在主轴上的原因，其偏心距相当于弹性连杆机构的曲柄长度，这里偏心距取为11mm。在液压缸与活塞杆没有相对位移时，液压缸与活塞杆整体相当于弹性连杆机构的连杆。由于偏心距的原因，当主轴旋转时，弹簧在连杆一端产生位移，弹簧产生形变，这样就产生了弹力，弹力作用于捣固镐上，就使捣固镐产生左右摆动式的强迫振动。由于两侧偏心轴承相位相差180°安装主轴上，捣固镐振动的相位也就相差180度，实现反相捣固，有利于捣实枕底道碴。考虑振动频率较高，振动状态设为非共振状态，要求主轴圆频率ω为振动系统固有频率的4倍，即频率比z0＝4。当液压系统驱动两侧的液压缸使活塞杆与液压缸有相对运动时，相当于增大或减小了弹性连杆的连杆长度，会导致捣固镐振动平衡位置的变化，产生夹实动作。通过设计液压传动系统可以实现异步夹持，能自动应对道碴两侧的不同阻力，有效地将石碴重新密实排列于枕轨之下。