1、參賽作品說明書序胄：編碼湖北省第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽參賽作品類別：自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文哲學(xué)社會科學(xué)類社會調(diào)查報告和學(xué)術(shù)論文確技發(fā)明制作A類閑技發(fā)明制作B類無縫鐵路應(yīng)力放散方法及其設(shè)備作品簡介本作品涉及了一種無縫鐵路應(yīng)力放散方法及其專用設(shè)備。新型無曜鐵路應(yīng)力 放散方法是以周期振動式G液增壓的方式實現(xiàn)沖擊式撞軌動作，并利用檢測控制 系統(tǒng)實時觸鋼軌應(yīng)力狀態(tài)，以完成整個應(yīng)力放散作業(yè)。如下圖所示：該專用設(shè)備主要由行走小車，沖擊單元，夾緊裝置以及檢測控制系統(tǒng)四部分 組成。其中，沖擊式液增壓缸（沖擊單元），夾具和檢測控制系統(tǒng)合理安放在 小車車體上。整個作業(yè)過程先沿線均勻布置檢測元件，以便鋼

2、軌應(yīng)力等數(shù)據(jù)的采 集，再將車體安放于鋼軌上，并用夾具夾緊鋼軌，通過源作用與控制，使沖擊 式液增壓缸端部的力錘以周期振動方式瞬間沖擊夾具，并利用夾具夾緊鋼軌， 帶動鋼軌產(chǎn)生沿線方向的微位移直至檢測系統(tǒng)顯示滿足工況要求的應(yīng)力值為止， 從而實現(xiàn)鋼軌拉應(yīng)力均勻化的目的。本作品可快速高效地完成無維鐵路應(yīng)力放散作業(yè)，檢測控制系統(tǒng)的設(shè)置使整 個放散作業(yè)質(zhì)量更高，精確度更好。又由于小車體積小，質(zhì)量輕，自動化程度高,大大減少了作業(yè)人員的數(shù)量和勞動力。它是一種可以廣泛應(yīng)用于無建鐵路鋪設(shè)和維護時應(yīng)力放散作業(yè)的新型方法及專用設(shè)備。無縫鐵路應(yīng)力放散方法及其設(shè)備研究報告目錄第1章前言1設(shè)計背景112作品 的 研 究 目

3、的 及 意 義2第2章 總體方案的確定421系統(tǒng)的工作要求5552.2 傳統(tǒng)的應(yīng)力放散方式52.3 系統(tǒng)的設(shè)計理論基礎(chǔ)72.4 系統(tǒng)的組成部分82.5 主要技術(shù)參數(shù)的設(shè)定9第3章 相關(guān)參數(shù)及結(jié)構(gòu)的模擬仿真驗算1031三維實體模型建立103.2 撞軌頻率模態(tài)分析113.3 運動學(xué)及動力學(xué)仿真13第4章 設(shè)備總體設(shè)計144功能分析154.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計15第5章 各功能部件的詳細設(shè)計1751小車車體的設(shè)計174.3 沖擊單元的設(shè)計184.4 夾緊裝置的設(shè)計23第6章 檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計276.1 檢測系統(tǒng)的設(shè)計276.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計28第7章 本設(shè)備應(yīng)力放散工作流程30設(shè)計體會32參考文獻35附

4、錄:401.1 設(shè)計背景無縫線路是當(dāng)前國內(nèi)外在鐵路中普遍采用的主型軌道結(jié)構(gòu)，在鐵路建設(shè)中普 遍采用，目前的一次鋪設(shè)無縫線路施工技術(shù)，歸納起來主要有單枕、群枕和長軌 排捕設(shè)法三種，其中單枕鋪設(shè)法取消了傳統(tǒng)的軌排組裝基地，長鋼軌、軌枕直接 運抵工地進行鋪設(shè)，其綜合作業(yè)效率高，技術(shù)先進、實用、可靠。我國的高鐵技 術(shù)雖然處于世界領(lǐng)先水平，但是長期以來，在無鏈線路的鋪設(shè)和維護過程中，對 于其應(yīng)力放散方法和工藝還相對落后。為了確保無維線路鋼軌的剛度和直線度，現(xiàn)行的拉伸鋼軌方法主要以人工牽 I引的機械式為主，它是使用高強螺栓、扣板式扣件或彈條扣件對鋼軌進行約束， 將一段500m長的鋼軌一端固定，另一端施加4

5、00t的拉力,對鋼軌進行拉伸, 使其鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，但這時會出現(xiàn)靠近拉伸端拉應(yīng)力大，遠離拉伸端小的 不均勻分布情況，不利于鋼軌的應(yīng)力均勻放散；另一方面，測量應(yīng)力放散的效果 主要采用劃線法，這使得整套設(shè)備體積大且笨重，作業(yè)過程勞動強度大，效率低, 憑經(jīng)驗操作因素多，測量結(jié)果不精確。也有采用液壓撞軌器進行應(yīng)力放散方法， 如中國發(fā)明專利無縫線路應(yīng)力放散撞軌裝置（申請?zhí)枺?01010242615.7申 請日：2010-08-02 ）所采用的，是由液壓泵、沖擊裝置和撞軌裝置組成的液壓 撞軌裝置；中國實用新型專利液壓撞軌器（申請?zhí)枺?00820112869.5申 請日：2008-04-30）所公開的，

6、是由汽油發(fā)動機、油泵總成及油箱、擊發(fā)機構(gòu)、 撞軌滑塊、車架及車輪構(gòu)成的液壓撞軌裝置，以上兩種液壓撞軌裝置，其不足之 處在于：撞擊力較大，作業(yè)速度相對較慢；其次是沒有在作業(yè)現(xiàn)場安裝傳感器并 檢測鋼軌的應(yīng)力放散效果其三是撞擊設(shè)備整體較重不利于操作者安裝和運輸, 其四是安裝于鋼軌上的撞軌機無防傾覆裝置，不利于于作業(yè)中設(shè)備平穩(wěn)的定位在 鋼軌上。1.2 作品的研究目的及意義高速無縫鐵路在正常工作時其鋼軌處于拉應(yīng)力狀態(tài)，按現(xiàn)行的鋼軌鋪 設(shè)方法其沿線拉應(yīng)力狀態(tài)不均勻。本作品涉及一種用于無整鐵路應(yīng)力放散方法及 其設(shè)備，以實現(xiàn)鋪設(shè)或維護無縫鐵路時，使其拉應(yīng)力均勻化，達到鎖定軌溫的目 的。隨著現(xiàn)代鐵道運輸工業(yè)的迅

7、猛發(fā)展，為完善更高速、更安全的運輸系統(tǒng)，對 鋼軌的各項性能的要求也更高，例如在不同的地理和3候條件下，滿足工況要求 的鋼軌拉應(yīng)力具體指標(biāo)值是多少，才能有效地保證行車安全，這就意味著需要更 安全高效應(yīng)力放散裝置投入使用。因此，我們的研究對于確保無遂鐵路的行車安 全及人身財產(chǎn)安全等，具有特別現(xiàn)實的意義。31第2章 總體方案的確定就目前鐵路運輸事業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)背景技術(shù)，總體的設(shè)計方案主要通過分 析系統(tǒng)的工作要求，傳統(tǒng)應(yīng)力放散方式的優(yōu)缺點等來確定。2.1系統(tǒng)的工作要求1）應(yīng)力放散方式;以周期振動式?jīng)_擊缸撞擊鋼軌的方式實現(xiàn)鋼軌應(yīng)力均勻 化。2）本作品所涉及設(shè)備的撞擊頻率應(yīng)根據(jù)鋼軌在受到一定拉力作用下的

8、頻率 值設(shè)定3）能適應(yīng)不同地區(qū)不同G候?qū)︿撥壸矒纛l率的要求。4 ）夾緊裝置夾緊可靠安全。5 ）確保作業(yè)時設(shè)備的穩(wěn)定性。6 ）整個設(shè)備質(zhì)量輕，體積小。以機-電液一體化的自動工作模式代替人 工操作，降低勞動強度，提高工作效率與質(zhì)量。為確保設(shè)計的可靠性與先進性，應(yīng)考慮一下幾點：1）設(shè)備的撞擊力及頻率的大小的確定；2）合理設(shè)計G液增壓缸的工作循環(huán)；3 ）應(yīng)力放散質(zhì)量效果檢測方法的確定。2.2 傳統(tǒng)的應(yīng)力放散方式參照圖2.1A所示，為確保鐵軌的剛度和直線度，每500m無就鐵路（現(xiàn)工 程上常采用的應(yīng)力放散作業(yè)距離）一端用高強螺栓鎖緊，一端通過液壓缸對其施 加400t拉力，由于鐵軌與砧木間的摩擦力的存在，鐵

9、軌內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)如圖2.1B 中L1所示“左（遠離拉伸端）低右（靠近拉伸端）高”的分布規(guī)律。鐵軌在這 種應(yīng)力條件下受到外界環(huán)境（如機車碾壓，撞擊，候變化等）的影響，軌溫會 上升，根據(jù)熱漲冷縮原理，鐵軌溫升會導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，當(dāng)壓應(yīng)力達到一 定程度，就會抵消掉鐵軌內(nèi)部原有的拉應(yīng)力，尤其是在拉應(yīng)力較小的一端，會產(chǎn) 生壓應(yīng)力失穩(wěn)。為了確保鐵軌良好的工作狀態(tài)，陷在此段鐵路250m處進行應(yīng)力放散作業(yè)。 選擇250m處作業(yè)原因有二：L根據(jù)拉應(yīng)力的線性分布規(guī)律，在鐵路中段施加 與拉應(yīng)力同向的沖擊力，可平衡兩側(cè)拉應(yīng)力，使其呈現(xiàn)如圖2.1B中L2所示的 應(yīng)力狀態(tài)；2.由于本作品所涉及的應(yīng)力放散方法主要是基于激

10、振原理，而激振效 果在300m以外就相對較弱了，因此選擇250m也較為合適。放散作業(yè)完畢后, 鐵軌內(nèi)部應(yīng)力均勻化，如圖2.1B中L2所示狀態(tài)，并且仍能保證鐵軌處于拉應(yīng) 力狀態(tài)下，這種應(yīng)力狀態(tài)既能保證鐵軌的剛度和直線度，又能抵消鐵軌因外界環(huán) 境影響所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，避免了壓應(yīng)力失穩(wěn)的不良現(xiàn)象。圖2.1A鋼軌拉伸萬法示意圖a 拉伸前；b拉伸后Md圖2.1B 400t拉力作用下鐵軌內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律示意圖2.3 系統(tǒng)的設(shè)計理論基礎(chǔ)本設(shè)計基于激振原理，利用沖擊式液增壓缸周期性撞擊夾具，產(chǎn)生一系列 的縱波傳遞能量使鐵軌應(yīng)力均勻化，激起鋼軌的共振態(tài)，使鋼軌的應(yīng)力均勻化。值得說明的是：雖然激振原理廣泛應(yīng)用于機械.

11、醫(yī)療.石油化工.土木工程 等領(lǐng)域，但采用縱波激振技術(shù)用于無舞鋼軌應(yīng)力放散方式上未有先例，這是本作 品最核心的創(chuàng)新點。原理流程圖如下：）活塞一沖擊各+行氣液圖2.2原理流程圖2.4 系統(tǒng)的組成部分本作品涉及了一種無維鐵路應(yīng)力放散方法及其設(shè)備。新型無曜鐵路應(yīng)力放散 方法是以周期振動式或液增壓的方式實現(xiàn)沖擊式撞軌動作，并利用檢測控制系統(tǒng) 實時觸鋼軌應(yīng)力狀態(tài)，以完成整個應(yīng)力放散作業(yè)。如圖2.3所示：該專用設(shè)備 主要由行走小車，沖擊單元，夾緊裝置以及檢測控制系統(tǒng)四部分組成。其中，沖 擊式液增壓缸（沖擊單元），夾具和檢測控制系統(tǒng)合理安放在小車車體上。整 個作業(yè)過程先沿線均勻布置檢測元件，以便鋼軌應(yīng)力等數(shù)據(jù)

12、的采集，再將車體安 放于鋼軌上，并用夾具夾緊鋼軌，通過G源作用與控制，使沖擊式G液增壓缸端 部的力錘以周期振動方式瞬間沖擊夾具，并利用夾具夾緊鋼軌，帶動鋼軌產(chǎn)生沿 線方向的微位移直至檢測系統(tǒng)顯示滿足工況要求的應(yīng)力值為止，從而實現(xiàn)鋼軌拉 應(yīng)力均勻化的目的。本作品可快速高效地完成無維鐵路應(yīng)力放散作業(yè)，檢測控制 系統(tǒng)的設(shè)置使整個放散作業(yè)質(zhì)量更高，精確度更好。又由于小車體積小，質(zhì)量輕, 自動化程度高，大大減少了作業(yè)人員的數(shù)量和勞動力。它是一種可以廣泛應(yīng)用于 無催鐵路鋪設(shè)和維護時應(yīng)力放散作業(yè)的新型方法及專用設(shè)備。2.5 主要技術(shù)參數(shù)的設(shè)定圖2.3系統(tǒng)組成圖經(jīng)上海調(diào)研得到相關(guān)設(shè)計參數(shù)如下：1）人工撞軌頻率

13、為0.3L0Hz;2 ）小車能夠產(chǎn)生的撞擊力約為30kN ;3 ）小車車體與夾具總重400kg ;4）車體總長3m ,竟0.3m。經(jīng)實地考察，結(jié)合工人意見，應(yīng)力放散裝置可做如下改進：1）應(yīng)力放散效率及質(zhì)量應(yīng)提高；2）車體總重應(yīng)適當(dāng)減輕，體積相應(yīng)減小；3 ）裝備結(jié)構(gòu)應(yīng)得到優(yōu)化。結(jié)合調(diào)研情況與現(xiàn)有技術(shù)水平，進行了相關(guān)理論分析與模擬驗算。第3章 相關(guān)參數(shù)及結(jié)構(gòu)的模擬仿真驗算通過對方案的初步設(shè)想與實地考察，確定了設(shè)備的總體方案有一定的實際使 用意義，為了進一步驗證設(shè)計的準(zhǔn)確可靠性，本章將從實體建模，模態(tài)分析和動 力學(xué)、運動學(xué)仿真三個方面來分析。3.1 三維實體模型建立根據(jù)系統(tǒng)原理設(shè)計及采樣參數(shù)分析，應(yīng)

14、用solidworks建立裝置的三維模 型。主要包括車體、夾具等零部件的裝配及沖擊動作循環(huán)的動畫模擬。裝備的總 體三維模型圖如圖3所示：圖3.1總體三維模型圖3.2 撞軌頻率模態(tài)分析參照圖3.2所示，為了使沖擊式1液增壓缸產(chǎn)生滿足鐵軌澧振頻率要求的沖 擊力，利用ANSYS軟件對鋼軌頻率進行了一系列模態(tài)分析，圖3.2顯示的是前 4階的模態(tài)分析情況。由表1可見，隨著階數(shù)的增加，頻率逐漸增大。結(jié)合現(xiàn)有 應(yīng)力放散設(shè)備的工作頻率和相關(guān)的撞軌系統(tǒng)在各階模態(tài)下的響應(yīng)情況分析實驗,得出符合該作品專用設(shè)備的激振頻率值為0.3L0Hz,需施加的激振力約為1216kN。第一階第二階第三階第四階圖3.2鐵軌撅率4階模

15、態(tài)分析圖表3.1鋼軌各階頻率分布情況階次第一階第二階第三階第四階頻 率0.310.390.510.63(Hz)3.3 運動學(xué)及動力學(xué)仿真運用solidworks進行運動學(xué)仿真，運用AN SYS進行動力學(xué)仿真。由仿真 結(jié)果顯示，采用此設(shè)計結(jié)構(gòu)及模態(tài)分析的激振頻率，調(diào)整各項參數(shù)值，裝置能夠 完成設(shè)計要求的撞擊動作，無運動干涉，并達到所需的放散效果。通過裝置三維模型的建立，撞軌頻率模態(tài)分析及相關(guān)運動學(xué)及動力學(xué)仿真分 析，按以下參數(shù)設(shè)計較為合理：1）沖擊式G液增壓缸G源壓力0.60.8MPa （以0.6MPa進行計算）；2 ）增壓缸預(yù)定位行程20mm ,沖擊行程20mm。缸筒內(nèi)徑：80mm ;活塞桿直

16、徑：40mm3）小車總重：80 100kg。第4章設(shè)備總體設(shè)計根據(jù)相關(guān)軟件的分析結(jié)果及初步參數(shù)的確定，設(shè)備的總體設(shè)計相應(yīng)成 型，主要從功能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計來描述。4.1 功能分析本設(shè)備主要包括小車車體，沖擊式液增壓缸，夾緊裝置和檢測控制系統(tǒng)四 大部分組成。夾緊裝置通過螺栓固定在車體上，利用銷釘對其定位，以防止作業(yè) 過程中夾緊裝置受到過大的撞擊力而產(chǎn)生歪斜影響作業(yè)質(zhì)量。沖擊式液增壓缸 用缸體支撐架支撐，并用螺栓緊固于車體上，同樣，為了防止作業(yè)過程中沖擊缸 產(chǎn)生的強大沖擊力使缸體發(fā)生滑移、歪斜，亦用銷釘對缸體進行定位。同時，為 了確保沖擊式G液增壓缸內(nèi)力錘撞擊過程的平穩(wěn)性，在缸體與夾具體之間設(shè)計了

17、導(dǎo)向支撐塊，防止力錘彎曲和飛出。檢測控制系統(tǒng)安放在側(cè)板上，由氣動三大件 和鋼軌應(yīng)力監(jiān)測單元組成，為了方便人工操作，側(cè)板安裝在車體兩邊，并預(yù)留有 足夠的操作調(diào)整空間，格各控制元器件均布兩側(cè)，這樣不僅美觀，而且能使車體 兩側(cè)受力平衡。4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計S4.1設(shè)備總體結(jié)構(gòu)實體模型圖圖4.1A設(shè)備主視示意圖1 把手；2 側(cè)板；3夾緊裝置；4 -導(dǎo)向塊;5 -沖擊式G液增壓缸；6小車車體；7 -檢測控制系統(tǒng)；8 -車體拖運輪；：9 小車行走輪 圖4.1B設(shè)備俯視示意圖10 -行走輪輪軸；11 -夾具緊固螺栓；12 -導(dǎo)向塊緊固螺栓；14 -缸體支撐架；15 -檢測系統(tǒng)支撐架緊固螺栓第5章 各功能部件的詳

18、細設(shè)計根據(jù)實際工作情況和總體方案的要求，設(shè)備由小車車體、沖擊式G液增壓缸、 夾緊裝置、檢測控制系統(tǒng)組成。本章對各功能部件的詳細設(shè)計主要從功能分析和 結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面進行論述。5.1 小車車體的設(shè)計(1)功能分析行走小車的車體由槽鋼加工而成，小車包含有行走輪，車體拖運輪，防覆輪 和小車把手幾個部分。行走輪支撐并帶動整個設(shè)備在鋼軌上行走，把手和拖運輪 方便車體在地面上的運輸，防覆輪可以平衡車體的傾覆力矩，以保證作業(yè)時小車 的平穩(wěn)性。(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 5.1A圖 5.1B圖5.1防覆輪裝配結(jié)構(gòu)示意圖1、7-軸承墊圈；2、6防覆輪；3、10. 17. 25 -緊釘螺釘；4、24 一軸套；5、23防覆輪軸

19、；6、22-拖運輪；7、8、20、21-側(cè)板螺栓；9、 19 側(cè)板；11 把手；12、 16 行走輪軸承；13、 15 -行走輪;14 -行走輪 軸；18 .小車車體5.2 沖擊單元的設(shè)計(1)功能分析沖擊式1液增壓缸是整個設(shè)備的核心部件，它與公知的液增壓原理的最大 不同在于：此缸增設(shè)了一個腔體一一沖擊G缸，在相同的G源壓力下，此沖擊 缸能起到很大的增力作用，沖擊力可達到未設(shè)沖擊缸時的10倍左右，極大的 提高了沖擊效率。本作品所述的沖擊式G液增壓缸有七個密閉容腔，分別為兩個 液壓油液腔和五個壓腔，其中沖擊壓腔，起到?jīng)_擊增力的作用。在控制源 作用下，該部件可以完成錘頭回位-預(yù)定位-沖擊的自動工作

20、循環(huán)，能適應(yīng)滿足工 況要求的沖擊力和工作頻率的要求，以提高撞軌效率和質(zhì)量。(2)原理分析Mpa ,使G體瞬間沖入缸VI內(nèi)，壓力作用于整個活塞桿c的最大橫截面積 上，起到極大的增力作用，從而推動活塞桿使細桿端由油液腔m通過連接小孔 進入口油液腔，并將兩油液腔II和m分離，活塞桿桿頭擠壓油液腔II內(nèi)的油液,由于油液的剛度較G體好得多，在受壓過程中會產(chǎn)生靜壓力，并直接作用于沖擊 桿a上，當(dāng)油液靜壓達到一定值后，將推動沖擊桿產(chǎn)生瞬間的強大沖擊力，以完 成剩下的20mm的沖擊行程（實現(xiàn)沖擊動作1此時行程閥5開啟，控制換向 閥12左位Y1開通的G體經(jīng)行程閥5排入大】中，使換向閥12處于右位（彈 簧復(fù)位 G

21、體經(jīng)換向閥12右位一方面分別經(jīng)單向閥7和單向閥9由i/o4 口和 i/o5 口進入I腔和V腔，同時推動沖擊桿a和活塞桿c往回走，另一方面，1 體經(jīng)單向閥4使換向閥2右位Y2開通，則VII腔內(nèi)的3體經(jīng)換向閥502右位 排出，VI腔內(nèi)的1體從i/o2 口排出，IV腔內(nèi)的】體經(jīng)換向閥512右儂咄， II腔內(nèi)多余的油液可直接回油箱。以此完成了一個周期的撞擊動作。撞擊頻率可 通過調(diào)整兩行程閥5、6之間的距離來選定。如此反復(fù)循環(huán)以上動作，便可達到 周期振動式撞擊鐵軌的目的。并且整個過程只需人力開啟1源13和啟動開關(guān)11 即可，操作方便，作業(yè)質(zhì)量也得到了極大的保證。-13 F圖5.2沖擊式1液增壓缸工作原理

22、圖 1 缸體；2、12 三位五通換向閥；3、8 節(jié)流閥；4、7、9、10 單向閥； 5、6 行程控制閥；11 -手動換向閥；131源；14 空過濾器；15 減 壓閥；16或壓表；17油霧器 (3)結(jié)構(gòu)設(shè)計參照圖5.3所示，沖擊式1液增壓缸包括沖擊力錘5 ,活塞9和增力活塞桿 13。缸內(nèi)分成7個腔，腔8為油液腔，其它腔充入的是體。G體腔和油液腔 8由沖擊力錘5隔開，兩油液腔由帶孔法蘭盤3連接，依次類推，法蘭盤用以隔 離相鄰的兩腔體。為了確保缸體的密封性，在每個法蘭盤與缸體4接觸的地方 安裝密封圈10 ,法蘭盤內(nèi)側(cè)安裝Y型密封圈。活塞9 ,增力活塞桿13和沖擊 力錘5圓周也安裝相應(yīng)的緩沖墊110該

23、沖擊式G液增壓缸的特色在于設(shè)計了沖 擊G缸14 ,它能起到很大的增力沖擊作用，且利用G液配合作用，達到更好的 沖擊效果，又由于沖擊過程是循環(huán)進行的，沖擊頻率由調(diào)節(jié)G體回路中的兩行程 閥間的距離來調(diào)定，從而實現(xiàn)了沖擊力錘5周期振動式的沖擊撞軌動作。- a 4 、： G 7 8 9 1: 11 上 、 '工圖5.3沖擊式1液增壓缸結(jié)構(gòu)圖1 錘頭；2緊釘螺釘；3 -法蘭盤；4 缸體；5沖擊力錘；6 -導(dǎo)向片;7油口 8油液腔；9 活塞；10 密封圈;11 -緩沖墊；12G口； 13 增力沖擊桿；14 -沖擊缸表5.1沖擊式G液增壓缸的工作參數(shù)二源壓力（MPa ）0.6 0.8預(yù)定位行程（mm

24、）20.0沖擊行程（mm）20.0沖擊壓力（MPa ）2.4-3.2撞擊力（kN ）12.0-16.0具體計算：氣源壓力為0.6MPa , G缸內(nèi)徑D為80mm ,活塞桿直徑d為40mm。活塞的總行程L為40mm （分為預(yù)定位行程和沖擊行程1所以G缸內(nèi)徑的截面面積 4=乂/乂。2=5.024乂10-3/,活塞桿的截面面積4）=1乂笈乂"2 = A10444下圖是沖擊式G液增壓缸的簡圖如圖5.4所示：oli/o2 i/oA圖5.4 液增壓缸的簡圖將缸體分為7個腔，如上圖所示，d腔進1,活塞2推動油液使活塞桿1 運動20mm。此時，錘頭已經(jīng)靠緊夾具上的砧座，即完成了 20mm的預(yù)定位 行

25、程。d腔的長度設(shè)為L,根據(jù)體積相等原則。L4 =x20mm=26.6mm , 取為27mm ,末端預(yù)留3mm ,以便油 A -2液流動和緩沖，故d腔的總長度為30mm。當(dāng)沖擊缸g達到?jīng)_擊所需壓力后，g腔中的體將推動活塞桿3向前運動 實現(xiàn)沖擊動作，這里當(dāng)我們考慮活塞桿1的和活塞2的回程時，將發(fā)現(xiàn)活塞桿1 回程到位之后，活塞2回程不到位(因為回程時a腔和c腔的通流截面相等， 而活塞桿1需要回程20mm ,活塞2則需要回程27mm 所以在活塞桿3進 入密封前將b腔和c腔的油液隔開)，活塞2需要先回程S = (27-20) =7mme 因為活塞桿1上的錘頭已經(jīng)靠緊夾具，其不可以有位移，所以活塞桿3向前

26、運 動時擠壓的油液將推動活塞2向左運動7mm，此時活塞桿3需要運動的距離為 T Ax- L. = -x /mm = 2 vnmA0當(dāng)活塞桿3的端部進入密封，b腔和c腔的油液被隔開，便開始增壓，由 于沖擊動作，活塞桿3再向前運動將使油液壓縮，產(chǎn)生高壓。液體的可壓縮性方程;（一般 P 取 700MPa lOOOMPa）代入計算可知，此時當(dāng)活塞桿3再向前運動1mm,將使油液壓強達到3.6MPa 0所以我們給其準(zhǔn)備5mm的行程空間。即f腔的長度為L2 = （21+5）=26mm。a腔的長度為20mm的預(yù)定位行程加上10mm的預(yù)留量，總和30mm。考慮運動周期以及前面的計算，將沖擊腔（即g腔）的長度定為

27、40mm。因為我們由ANSYS分析得出來的頻率為0.3HZ左右，所以周期T為3.33Se將周期分為三個部分（預(yù)定位時間，蓄能沖擊時間和回程時間），可根據(jù) 這三個部分耗G量的比值來分配時間，計算可以知道時間分別為0.7s 2.0sVq. = = 0.15L/5 = 9L/min0.6se流量 /o這里計算的是理論流量，實際流量要比此值大，實際流量q=（L2L5）q=13.5 ,單位為L/min。由q=A V來計算進排G口管徑（V為G體速度，一般取為10 25m/s）, 綜合考慮取進排口管徑為6.5x10mm （ 6.5mm為內(nèi)徑，10mm為外徑當(dāng)活塞桿3的端部進入密封后，開始增壓，由平衡條件知：

28、P（，）A1=P（液）A2，所以P （液）=4x0.6=2.4MPao于是沖擊式液增壓缸 產(chǎn)生的沖擊力由于沖擊慣性等原因, 油液將受一定的壓縮，所以實際產(chǎn)生的力比這個計算值要大。5.3夾緊裝置的設(shè)計（1）功能分析夾緊裝置主要由夾具體，三個夾緊活塊，三根夾緊螺桿，三個鎖緊螺母， 一個砧座組成，主要是采用螺旋鎖緊的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)行使用的楔形塊夾緊 更大的增力比，并且更方便夾具的松緊，再配套力矩扳手使用，能更好地控制旋 緊力，從而滿足撞擊力所需的夾緊力要求，解決了現(xiàn)行方法需要依靠工人經(jīng)驗估 測夾緊力的問題。(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計參照圖5.5A所示，夾緊裝置包括夾具體605，側(cè)面活塊L17 ,上活塊12

29、和砧座18。夾具體用6、13和與之對稱的四個螺栓緊固于車體上。夾具體對鐵 軌的夾緊是先用兩側(cè)螺栓3、15 ,上面螺栓10的對鐵軌進行螺旋夾緊，然后再 用鎖緊螺母9、4、14鎖緊相應(yīng)螺栓，由于作業(yè)所需的夾緊力較大，若直接在夾 具體上打螺栓孔，多次使用后夾具體必會有變形和磨損，就需要將整個夾具體都 更換掉，這樣很浪費財力和人力。為了避免這樣的問題出現(xiàn)，本夾緊裝置設(shè)計了 活塊1、17、12和襯套2、16、80其中側(cè)面活塊1、17設(shè)計成如圖5.5A所 示帶支撐腳的形狀，插入如圖5.5C所示的窄槽23內(nèi)，這樣不僅保證了活塊插 入夾具體后的豎直方向的定位，而且在夾緊的過程中，窄槽23對活塊1、16 的支撐

30、腳有約束作用，產(chǎn)生附加的夾緊轉(zhuǎn)矩，鞏固夾緊效果。用螺栓10使上活 塊11與長螺栓610底部形成松連接(活塊12受壓緊力時，螺栓11仍為松動 狀態(tài))，解決了上活塊的安放問題。襯套2、16和8的設(shè)計則避免了直接在夾具 體上攻螺紋而帶來的受力變形磨損后不易更換的問題。襯套內(nèi)壁攻螺紋，外壁則 設(shè)計成如圖5.5D所示的形狀，上下兩邊銃平，與如圖5.5C所示夾具體上的通 槽21嚙合，以防止松、緊螺栓時襯套的周向轉(zhuǎn)動，其它外表面仍保持襯套原有 的圓柱面，可減少加工量。此外，為了防止夾具體5因多次撞擊受損，在夾具體5受沖擊力的一側(cè)安裝如圖5.5B所示的砧座18 ,砧座略比夾具體端面突出, 可減少砧座變形對夾具

31、體的影響。拆卸時扭松砧座18上的內(nèi)六角螺栓19 ,即可頂開砧座，進行更換。整個裝夾過程是先將裝有砧座的夾具體放在鐵軌上，再 將兩側(cè)活塊插入夾具體與鐵軌之間的空間內(nèi)，定位好，用專用的力矩扳手按調(diào)定夾緊力旋緊三個螺栓1。、3、15,并旋緊鎖緊螺母4、9、14,即可完成撞擊前 的夾緊工作。作業(yè)完成后，松開螺母4. 9. 14和螺栓3. 10. 15,抽出側(cè)面活塊1. 17,利用活塊上的鏈條懸掛于夾具體上。具體計算：增壓后油液的壓強增大，產(chǎn)生的對夾具的沖擊力將大于12KN,且考慮安全問題，取安全系數(shù)S為2.5 ,靜摩擦系數(shù)f=0.150.20。f , F=2.5xl2kN所以總夾緊力為15OkNo因為

32、夾緊力由5跟噱栓共同產(chǎn)生的，所以每根螺栓需要產(chǎn)生的夾緊力為3OKNo校核夾緊螺栓的強度：%1.3xl20xl034x162x10-6=93.7MPa <400MPa經(jīng)校核，夾緊噱栓的強度是符合工況要求的。圖5.5A夾緊裝置主、左視圖1B172 c 一pp圖5.5C夾具上軸套2的套頭外形圖圖5.5B夾具體左視圖1、12、17 -夾緊活塊；2、8、16 軸套；3、9、15、25 -鎖緊螺栓；4、9、14 -鎖緊螺母；5 -夾具體;6、 12、 11. 19. 24 -緊固螺栓；7、 22-緊¥丁螺釘；1第6章檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計為了使應(yīng)力放散效果更佳，對工作循環(huán)控制更準(zhǔn)確，檢測控制系

33、統(tǒng)的設(shè)計 是十分關(guān)鍵的，本章分別從檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩方面來介紹。6.1 檢測系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)力檢測裝置主要用應(yīng)力傳感器檢測間隔相同的每段鋼軌在放散作業(yè)過程 中的應(yīng)力變化狀態(tài)，通過所測應(yīng)力值（各段應(yīng)變片所示應(yīng)力值是否相等；應(yīng)力值 的絕對大小與當(dāng)?shù)劁撥墲M足工況要求的應(yīng)力指標(biāo)進行比較）來確定應(yīng)力放散作業(yè) 是否達到放散要求，實現(xiàn)對整個放散作業(yè)過程的實時監(jiān)測與控制。相比現(xiàn)行劃線法而言測量更精確。應(yīng)力值圖6.1檢測控制原理圖6.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計控制系統(tǒng)主要包括沖擊式1液增壓缸各1動元件對沖擊動作的控制協(xié)調(diào)及 撞擊頻率的調(diào)節(jié)。已有技術(shù)中有用到電控的，但控制不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的動作精 度。具體動作如下：如圖6

34、2所示，開通源13，使壓縮空G經(jīng)過空與過濾器14，減壓閥15 , 油霧器17進入控制回路。開啟手動換向閥11,由于此時缸內(nèi)元件處于起始位 置，沖擊桿a的桿頭壓住行程閥6 ,使其開啟，行程閥5未開啟，則源體通 過手動換向閥11上位進入行程閥6控制二位五通1動換向閥12左位Y1開通, G源體通過此換向閥，一方面通過i/ol 口直接進入G液增壓缸的IV腔推動活 塞b向左緩慢運動，并利用II和III腔內(nèi)油液的不可壓縮性，同時推動沖擊力錘 a向左推進，以完成預(yù)定位行程；另一方面，由于此時進入二位五通換向閥2右 位的體流量少，不足以使其右位開通，此時換向閥2處于左位，1體通過單 向閥10 ,經(jīng)過二位五通換

35、向閥2的左位，由i/o3 口進入VII腔。由于沖擊缸 VII的調(diào)定壓力為0.6Mpa , VI腔內(nèi)的G體已由i/o2 口排出，預(yù)定位過程中，沖擊缸VII內(nèi)的壓力小，僅通過連接VI腔和VII腔的小孔作用于活塞桿c上很 小的面積處，不足以推動活塞桿c向左運動所以活塞桿c仍處于靜止?fàn)顟B(tài)。沖擊 桿a完成預(yù)定位行程的同時，VII腔內(nèi)的壓力升高至調(diào)定值0.6Mpa ,使體瞬 間沖入缸VI內(nèi)，壓力作用于整個活塞桿c的最大橫截面積上，起到極大的增力 作用，從而推動活塞桿使細桿端由油液腔III通過連接小孔進入II油液腔，并將 兩油液腔II和皿分離，活塞桿桿頭擠壓油液腔II內(nèi)的油液，由于油液的剛度較 體好得多，在

36、受壓過程中會產(chǎn)生靜壓力，并直接作用于沖擊桿a上，當(dāng)油液靜 壓達到一定值后，將推動沖擊桿產(chǎn)生瞬間的強大沖擊力，以完成剩下的20mm 的沖擊行程。此時行程閥5開啟，控制換向閥12左位Y1開通的G體經(jīng)行程閥 5排入大】中，使換向閥12處于右位。1體經(jīng)換向閥12右位一方面分別經(jīng)單 向閥7和單向閥9由i/o4 口和i/o 5 口進入【腔和V腔，同時推動沖擊桿a和 活塞桿c往回走，另一方面，G體經(jīng)單向閥4使換向閥2右位Y2開通，則VII 腔內(nèi)的1體經(jīng)換向閥502右位排出，VI腔內(nèi)的1體從i/o2 口排出，IV腔內(nèi)的 體經(jīng)換向閥512右位排出，口腔內(nèi)多余的油液可直接回油箱。以此完成了一 個周期的撞擊動作。如

37、此反復(fù)循環(huán)以上動作，便可達到周期振動式撞擊鐵軌的目 的。并且整個過程只需人力開啟G源13和啟動開關(guān)11即可，操作方便，作業(yè) 質(zhì)量也得到了極大的保證。撞擊頻率通過調(diào)整兩行程閥5和6之間的距離來調(diào) 定。、:Q 21415 、17圖6.2沖擊式與液增壓缸工作原理圖1 缸體；2、12 三位五通換向閥；3、8 節(jié)流閥；4、7、9、10 單向閥； 5、6 行程控制閥；11 -手動換向閥；131源；14 空G過濾器；15 減 壓閥；16或壓表；17-油霧器第7章本設(shè)備應(yīng)力放散工作流程41圖7應(yīng)力放散工作流程圖設(shè)計體會從2010年3月至今，歷時一年多的作品設(shè)計終于結(jié)束了。這一年多來，我 們對設(shè)計的點點滴滴都深

38、有體會：初期的選題也是一個尋找志同道合者共進步的過程。我們的小組成員都是學(xué) 機電一體化的，在專業(yè)知識的學(xué)習(xí)過程中，我們感到只學(xué)習(xí)理論知識對于解決實 際工程問題是很不夠用的，為了積累實戰(zhàn)經(jīng)驗，提高自己的動手能力，決定做科 研項目的想法讓我們走到了一起。為了選擇有利民生，有現(xiàn)實推廣價值意義的項 目，我們查閱報紙，收看新聞，發(fā)現(xiàn)我國的高鐵事業(yè)發(fā)展十分迅速，尤其是無縫 鐵路應(yīng)用的推廣，大大促進了高鐵運輸行業(yè)的發(fā)展。通過調(diào)查，我們還發(fā)現(xiàn)不少 鐵路局對鐵路鋪設(shè)及維護的設(shè)備需求量較大，就目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)及國內(nèi)工程 實際應(yīng)用上來看，在這一方面還有相當(dāng)大的空缺。為此，我們對設(shè)計一種能夠應(yīng) 用于無整鐵路鋪設(shè)及維

39、護的設(shè)備產(chǎn)生了極大的興趣。深知此項目的挑戰(zhàn)性極大, 但勇者無畏，我fij毅然開始了設(shè)計之路。一個人的能力總是有限的，因此設(shè)計需要集聚團隊的智慧與力量才有希望取 得成功。我們團隊成員分工合作，各展所長，設(shè)計，繪圖，計算，實地考察 分工明確，工作效率得到了保障，這讓我們體會到了團隊精神的重要性，為著同 一個目標(biāo)，相互幫助，相互支持，才得以讓每一個人有堅持下來的決心與信心。 設(shè)計過程中，通過對大量斐料的查閱，收集，自己動手設(shè)計，制作，實驗，將實 際與理論相結(jié)合，我們各方面能力都得到了很大的提高。并且在指導(dǎo)老師的耐心 指導(dǎo)下，我們的設(shè)計理念更加科學(xué)，實際工程經(jīng)驗也更加豐富，尤其是在思考問 題的方式和做

40、事態(tài)度上，體會到了粗心懶惰是不可能有任何收獲的。思考問題既 要有遠見，又要細致入微，通過不斷地思考推敲，與指導(dǎo)老師，與合作者交流想 法，總會有新的發(fā)現(xiàn)與收獲。這次設(shè)計的體驗是我們一生的財富。相信在今后的 人生路上，它恪指引我們走得更高更遠。針對本次設(shè)計作品，我們總結(jié)下了一年多里我們對整個作品的相關(guān)認識及思 考，主要從以下幾個方面體現(xiàn)：1功能擴展及發(fā)展前景1）用無線電控開關(guān)替換增壓缸中的手動換向閥，當(dāng)應(yīng)力傳感器顯示為滿足 工況要求的應(yīng)力值時，開關(guān)自動關(guān)閉。2）G液增壓缸內(nèi)增設(shè)液控閥，可使增壓缸的工作壓力調(diào)定更準(zhǔn)確可靠。3）具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化鋪軌輔助裝備，對于確保無整鐵路的行車安 全及人身財

41、產(chǎn)安全等，具有特別的現(xiàn)實意義。2設(shè)計優(yōu)點1）行走小車由行走輪支撐并帶動整個設(shè)備在鋼軌上行走，把手和拖運輪方 便于小車的搬運，防覆輪可以平衡小車的傾覆力矩，以保證作業(yè)時小車的平穩(wěn)。2）沖擊式G液增壓缸利用較低的G源壓力，通過沖擊G缸沖擊活塞桿及G 液近十倍的增壓，提高了沖擊效率，它將液增壓缸3s左右積蓄的能量瞬間釋 放，形成強大的撞擊力，并且周期振動式的撞擊，使能量以縱波的形式傳遞疊加, 在滿足沖擊力要求的條件下，激起鋼軌的共振態(tài)，達到更好的應(yīng)力放散效果。3）夾緊設(shè)備主要是采用螺旋鎖緊的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)行使用的楔形塊夾 緊更大的增力比，夾具易松緊，如與力矩扳手配套使用，能更好地控制旋緊力， 從

42、而滿足撞擊力所需的夾緊力要求，解決了現(xiàn)行方法需要依靠工人經(jīng)驗估測夾緊 力的問題。4）檢測控制系統(tǒng)包括應(yīng)力檢測和工作頻率調(diào)定，實現(xiàn)了對整個放散作業(yè)過 程的實時監(jiān)測，相比現(xiàn)行劃線法而言測量更精確。5 ）小車的重心低，質(zhì)量小，集夾緊設(shè)備，撞擊單元和檢測控制系統(tǒng)于一體, 體車質(zhì)量只有80Kg ,相比現(xiàn)行設(shè)備約400Kg輕了很多。3主要創(chuàng)新點1）利用潴振原理，用沖擊式餐液增壓缸自帶的沖擊錘沿鋼軌縱向撞擊與鋼 軌緊固的夾具，在周期性沖擊載荷作用下，激起鋼軌的共振態(tài)，并使振動波沿鋼 軌縱向傳播，實現(xiàn)較長范圍的鋼軌應(yīng)力均勻化。2）以應(yīng)力傳感器現(xiàn)場檢測鋼軌的應(yīng)力放散效果；3）采用"人"字型夾

43、緊設(shè)備，各易損件可方便更換，夾緊動作可靠易行， 整機設(shè)備重量輕；4）防傾覆設(shè)備保證小車工作時不向側(cè)面傾覆等試驗研究。本作品所涉及的主要創(chuàng)新點，已申報國家發(fā)明專利和實用新型專利，其專利 申請?zhí)柡兔Q為：201110104822.0無罹鋼軌激振法應(yīng)力放散裝置、201120125378.6無維 鋼軌的澧振應(yīng)力放散裝置。雖然這次作品設(shè)計已經(jīng)結(jié)束了，但我們深刻地感受的到需要學(xué)習(xí)與提高的地 方還很多，今后我們還要更多地接觸這種有意義的實踐設(shè)計，繼續(xù)努力，不斷提 升自己。同時，也希望我們的作品所涉及的技術(shù)在無維線路的實際應(yīng)用中得到推 廣和應(yīng)用，努力促進科技成果的轉(zhuǎn)化，為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋪軌設(shè)備國產(chǎn)化做出應(yīng)有的貢獻。參考文獻1廣鐘沿，高慧安.鐵路無縫線路M.北京:中國鐵道出版社，2005 :1167 ,386420.2谷爰軍.鐵路無轉(zhuǎn)線路M.北京：中國鐵道出版社，2004 : 99 137.3戴春陽.鐵路線路百問百答M.北京：中國鐵道出版社，2009 : 5-30.4雷曉燕.鐵路軌道結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法M