一種液壓搗固機的激振與搗固裝置及參數確定方法與流程
本發明屬于小型鐵路養護用內燃動力液壓搗固機領域，特別是涉及一種基于彈性連桿理論的強迫振動式反相位激振與搗固裝置。
背景技術：
搗固機主要用于建筑施工時的混凝土澆注和鐵路工務維修過程中搗實軌枕下面的石碴。在鐵路行業，屬于一種專用養修機械，主要用于鐵路碎石道床的搗固作業。
目前我國乃至世界大部分鐵路路基，都是采用枕木碎石道床的結構，它有一個特點就是需要每隔一段時間(視列車的頻次而定)都需要進行搗固作業(即將被擠開的碎石重新填至枕木以下并搗實)，高速干線的搗固周期為3～6天，主要使用搗固作業車和液壓式搗固機搗固(需要在線路上行走)。
如何提高搗固作業質量和效率是搗固機械需要研究的主要問題。目前我國搗固機械激振方式有二種：一種是以偏心塊轉動，產生離心力而帶動鎬板振動；一種以偏心軸轉動，通過曲柄連桿機構帶動鎬板振動(即所謂強迫振動)(游聯生.談搗固機的兩種振動方式[j].鐵道建筑，1979，(05)：5～7)。
以偏心塊轉動產生離心力為振動源進行道床搗固，液壓缸同步夾實，是大家比較熟識的一種振動方式。目前使用的電動搗固(dzg-350，ddj-300型等)和小型液壓搗固機(yd-1,yd-2,xyd-1型等)均采用這種振動形式。液壓搗固機為雙導柱框架結構，單缸升降方式。傳統的小型液壓搗固機如圖1所示(圖1來自文獻:王玉龍，金立全.ycd-4型液壓道岔搗固機的研制[j].鐵道建筑，2002，(11)：20～22),由柴油機或電動機驅動，有齒輪泵、手動泵、換向閥、振動體、搗鎬、升降缸和夾實缸等組成。在養路工人的操作下，機械可架在軌道上推行，兩臺或四臺為一組，一次完成一根軌枕的搗固。其工作性能完全能滿足線路維修作業的需要，同樣適用于新建線路的搗固作業和清篩后的搗固作業。
偏心鐵的最大振動力是在機器的額定轉速下(即處在空載狀況)，當搗固機負荷增大、轉速下降時，離心力相應下降，振動力也減少，這是我們所不希望的。另外，對于偏心塊轉動方式，兩側的搗固鎬如圖1所示，只能做同向橢圓振動，無法實現反相位搗固，搗固效果差，而且同向夾實的效果也沒有反相位夾實的效果好。
采用偏心軸轉動，通過連桿帶動鎬板振動(即所謂強迫振動)，再加上異步夾實，是國外大型搗固機普遍采用的振動方式。它具有固定的振幅，能有效地將動力傳遞給鎬頭；鎬頭的撥動力能隨著道床阻力的增大而增大(游聯生.談搗固機的兩種振動方式[j].鐵道建筑，1979，(05)：5～7)，而且可以實現反相搗固，有利于搗實枕底道碴(李毅松，翁敏紅.do9-32型搗固裝置的機構、功能及運動分析[j].機車車輛工藝，2003，(2)：4～7)；異步夾實能自動應對道碴兩側的不同阻力，有效地將石碴重新密實排列于枕軌之下(王暹剡.小型強迫振動異步夾實液壓搗固機[p].中國專利：cn201695283u，2011-01-05)。
所以，大型搗固車采用的是強迫振動和異步夾實的原理，搗固鎬對道碴的作用是搖擺式振動和夾實，但其功率大，結構復雜，造價昂貴，不適合于鐵路日常頻繁的小規模維護保養。對此，專利(王暹剡.小型強迫振動異步夾實液壓搗固機[p].中國專利：cn201695283u，2011-01-05)、(張忠海.液壓搗固機[p].中國專利：cn102011350b，2012-04-04)將強迫振動方式應用于小型液壓搗固機上，但是其存在的主要問題是由于剛性連接，振動幅值不能調節，因而在需要調整振動幅值的場合應用不方便。比如，由文獻(劉毅，龔國芳，閔超慶.搗固機械激振技術現狀與展望[j].機械工程學報，2013,49(16)：138～146)，在板結道床要求低振動幅值，在松散道床需要高振動幅值。而且，在搗固機理方面，利用振動波理論提出了一種推論：在初始的振動、搗固次數增加時，道碴的密實度有所提高，道碴密實度提高到一定程度后，隨著振動、搗固次數的增加，道碴密實度反而減小。由此可見，在道碴足夠密實，搗固力足夠大時，振幅不減小的話，會反而降低搗固效果。
技術實現要素：
針對現有搗固機傳統偏心塊式激振方式和強迫振動式激振方式的不足，本發明提出了一種新型的基于彈性連桿理論的強迫振動式反相位激振與搗固裝置，其目的是既能解決傳統搗固機不能實現反相位振動和異步夾實問題，又能克服傳統強迫振動激振方式的振動幅值不能調節問題，提高搗固效果，使搗固機的應用更加靈活。
本發明是通過以下技術方案來實現的：
一種用于液壓搗固機的激振與搗固裝置，由至少一對振搗裝置組成。
所述一對振搗裝置由兩個振搗裝置組成，所述兩個振搗裝置在主軸軸線兩側鏡像布置，兩個振搗裝置的距離使兩個振搗裝置的搗固鎬的沿主軸軸向的厚度中心平面重合。
所述的振搗裝置由偏心裝置、夾實裝置和彈性連桿裝置組成。
其中，所述的偏心裝置包括傳動部件、主軸、偏心軸承和主軸支撐部件。原動機將動力通過傳動部件傳給主軸，主軸通過軸承動聯接在主軸支撐部件上，使得主軸可繞自身軸線轉動。主軸支撐部件用于支撐主軸，與搗固機機架靜聯接。偏心軸承由軸承內襯，軸承和軸承外襯組成。軸承內襯為軸套類零件，其上開有偏心孔，主軸套在偏心孔中且與軸承內襯固定，使得軸承內襯與主軸實現偏心靜聯接；軸承與軸承內襯同軸心，軸承的內圈套在軸承內襯上；軸承外襯為套筒類零件，其軸心處開有孔，與軸承同心，套在軸承的外圈上，使得軸承內襯與軸承外襯可以相對轉動。在主軸轉動時，偏心軸承相當于曲柄連桿機構的曲柄，形成偏心激振。
其中，所述的夾實裝置包括液壓缸和活塞桿。活塞桿位于液壓缸內和液壓缸同軸心且與液壓缸形成動聯接，即活塞桿與液壓缸形成移動副。液壓缸的軸心位于所述偏心裝置的偏心軸承的徑向方向，且與所述偏心裝置的偏心軸承的軸承外襯靜聯接。活塞桿與液壓缸的相對運動由液壓動力系統驅動。液壓動力系統為異步夾實的液壓動力系統。
其中，所述的彈性連桿裝置包括螺紋連桿，彈簧固定螺紋板，彈簧，彈簧安裝板，搗固鎬和搗固鎬支撐部件。螺紋連桿是一個帶有外螺紋的桿件，與所述活塞桿靜聯接且同軸心。彈簧固定螺紋板是一個帶有內螺紋的板類部件，套在螺紋連桿上，通過螺紋聯接與螺紋連桿固定在一起，形成可拆卸的靜聯接，方便裝卸及更換彈簧。彈簧套在螺紋連桿上，一端與彈簧固定螺紋板靜聯接，另一端與彈簧安裝板靜聯接。彈簧安裝板位于彈簧固定螺紋板與所述活塞桿之間，為一個有至少兩個相互垂直平面的板狀部件；其中一個平面與彈簧靜聯接，該平面上開有比螺紋連桿直徑稍大的孔，通過該孔套在螺紋連桿上，螺紋連桿與該平面夾角大于70°小于等于90°，該平面所開的孔的大小應滿足在此夾角范圍內螺紋連桿不與彈簧安裝板干涉；另一個平面用于連接搗固鎬，且與搗固鎬形成可拆卸的靜聯接，以方便更換彈簧。搗固鎬通過軸承動聯接在搗固鎬支撐部件上，使得搗固鎬可以繞其與搗固鎬支撐部件的連接處轉動。搗固鎬支撐部件靜聯接在搗固機機架上。
上述的激振與搗固裝置確定參數的方法如下：首先建立搗固裝置中除去夾實裝置的動力學模型。
所述力學模型屬于單質體彈性連桿式擺動振動模型。該模型由偏心部分，連桿部分和振動質體部分組成。所述偏心部分為一個半徑為r的圓，r表示偏心裝置中偏心軸承的偏心距，圓心代表偏心裝置中的主軸，設轉速為ω，轉動方向為順時針。所述連桿部分由一條直線段和一個彈簧力學模型組成；直線段代表彈性連桿裝置中的螺紋連桿，其一端連接偏心部分的圓的圓周上一點，另一端連接一個彈簧力學模型，該彈簧力學模型軸線與所述連桿部分直線段重合；彈簧力學模型代表彈性連桿裝置中的彈簧，設彈簧剛度為k，其另一端連接所述振動質體部分。所述振動質體部分為一條長度為(l+h)的直線段，代表彈性連桿裝置中的搗固鎬，即振動質體；該直線段與所述連桿部分直線段夾角大于70°小于90°，其一端與所述連桿部分彈簧力學模型相連，設相連點為a點；另一端為自由端，設該端為d點；在沿所述振動質體部分直線段與a點距離為l處為搗固鎬轉動軸心，設該點為b點，即所述振動質體部分直線可繞b點在所述偏心部分的圓所在平面內轉動；在沿所述振動質體部分直線段與b點距離為p處為c點，該點代表搗固鎬質心。
設搗固鎬所受重力大小g，作用點為c點，方向豎直向下。設搗固鎬所受彈簧彈力大小為f彈，所用于a點，方向沿所述振動質體部分的直線段的軸線。設搗固鎬所受石料的反力在垂直于搗固鎬方向的分力，即搗固力，為f，作用于d點，方向垂直于所述振動質體部分直線的軸線。設其所受阻尼力對b點的力矩大小與搗固鎬轉速成正比，比例系數，即總阻尼系數，為f，其方向為阻礙搗固鎬轉動趨勢的方向。設搗固鎬相對于軸承座b點的計算轉動慣量為j。
設振動的平衡位置為所述振動質體部分直線段豎直時的位置。
參看圖9，為所述單個振搗裝置中除去夾實裝置的動力學模型在對平衡位置沿順時針有微小角位移θ時的動力學模型。在此條件下，振動質體部分直線段與連桿部分直線段夾角近似為
設石料的參與振動部分的結合質量為m石，則石料慣性力就是搗固力f，其大小為：
其所受阻力對b點的合力矩為
θ很小，將其進行線性化處理，即sinθ≈θ,cosθ≈1,將其帶入式(2)，再將式(1)帶入式(2)，則上述方程化簡為：
為標準的振動微分方程，其特解(即強迫振動位移θ的解)為：
θ＝asin(ωt-α)(4)
這里a為搗固鎬振動的單側角度參量的振幅，α為角位移落后于名義激振力矩klrsinωt的相位差角，單位都是弧度。m石h2可視為物料結合質量對b點的轉動慣量。將式(4)帶入式(3)，解得a的表達式為：
α的表達式為：
其中，z0為頻率比，即工作頻率ω與固有頻率ω0之比:
而ω0為系統固有頻率：
這就是彈性連桿裝置的激振原理。
設其激振端(a點)振幅為λ，則：
λ＝al(10)
由式(5)至式(10)，可推得本裝置設計參數的確定方法：
根據工程需要與工作條件確定基本參數λ，ω，z0，
再進行搗固鎬部分的初步結構設計，搗固鎬的結構設計完成后確定j，g，p，l與h的大小。
由式(7)推得固有頻率ω0為：
再由式(8)推得彈簧剛度k為：
由式(5)與式(10)推得偏心距r為：
其搗固端(d點)的振幅為角參量振幅a乘上搗固端到搗固鎬b點的距離h；從式(5)可以看出，k值改變，a即改變，搗固端振幅即改變。
這就是通過更換彈簧，改變彈簧剛度k，就可以改變搗固鎬振幅的原理，這也是本搗固裝置與傳統搗固機相比的一大優勢。
本發明實現強迫振動式反相搗固，異步夾持，提高了搗固效果；除了在結構上相對更簡單以外，在功能方面，由于本發明的彈簧拆卸方便，可通過更換彈簧實現改變搗固鎬振幅，以適應不同道床情況，而且根據背景技術所述搗固機理，在多次搗固同一處石碴時可憑經驗及時更換彈簧，減小振幅，避免搗固效果下降。
附圖說明
圖1為現有偏心塊式液壓搗固機示意圖；
圖2為本發明立體示意圖；
圖3為圖2的局部放大圖；
圖4為本發明的主視圖；
圖5為圖4的左視圖；
圖6為圖4的俯視圖；
圖7為圖4的局部放大圖；
圖8為本發明的機構原理示意圖；
圖9為本發明的單側搗固臂動力學模型。
圖中：1下彈簧；2彈簧固定螺紋板；3搗固鎬軸承座；4搗固鎬；5帶輪；6主軸；7平鍵；8偏心軸承；9液壓缸；10螺紋活塞連桿；11彈簧安裝板；12彈簧安裝板固定螺栓；13上彈簧；14主軸軸承座。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的說明：
本發明提供一種小型液壓搗固機的新型激振與搗固裝置，可參看圖1-圖7。圖1為傳統液壓搗固機示意圖，本發明實施實例所用動力裝置和機架與圖1傳統液壓搗固機相同，本發明用于替換圖1的整個振動部分。
本發明實例的設計參數為：λ＝0.75mm，ω＝293.215rad/s，z0＝4，
將上述數據帶入(11)至(13)式，算得偏心距r＝11mm，彈簧剛度k＝100226.037n/m。
內燃機通過皮帶將動力傳給帶輪5，帶輪5與主軸6通過鍵聯接，主軸6為階梯軸，最細端直徑50mm，其與主軸軸承內圈過盈配合，主軸軸承外圈安裝在主軸軸承座14上。主軸軸承座14用螺栓聯接在搗固機機架上。主軸6上有4個鍵槽，2個鍵槽為一組，每組鍵槽的中心平面沿主軸軸線相距432mm；每組鍵槽的兩個鍵槽在主軸上相位相差180度，沿主軸軸線相距103mm。每個鍵槽上安裝一個平鍵7，與4個偏心軸承8的內襯實現偏心的軸轂聯接，偏心距為11mm。4個偏心軸承8通過軸肩、軸套等實現軸向固定。4個偏心軸承8的外襯與4個異步夾實與彈性連桿裝置相連。
由于所述4個異步夾實與彈性連桿裝置在結構上完全相同，這里只以其中一組異步夾實與彈性連桿裝置為例，參看圖7。偏心軸承8為1個調心滾子軸承，偏心軸承8外襯與液壓缸9焊接在一起，液壓缸9與螺紋活塞連桿10的活塞端配合形成移動副。這里螺紋活塞連桿10即是所述夾實裝置的活塞，也是所述彈性連桿裝置的連桿，其一端與活塞固定在一起，另一端有長度為整個螺紋活塞連桿長度2/3的外螺紋。螺紋活塞連桿10的螺紋處大徑為24mm。考慮螺紋聯接的防松，彈簧固定螺紋板2有4個，每兩個為一對，對頂安裝于螺紋活塞連桿10上，固定于搗固鎬4的兩側。考慮到彈簧傳動的可靠性問題，使用兩個彈簧：下彈簧1和上彈簧13，布置在搗固鎬4的兩側。下彈簧1一端頂在一側的彈簧固定螺紋板2上，另一端焊接在搗固鎬4上。上彈簧12一端頂在另一側的彈簧固定螺母2上，另一端頂在彈簧安裝板11上。經計算，單個彈簧剛度為50113.02n/m，中徑為40mm，彈簧鋼絲直徑6.5mm，有效圈數5.5圈，自由高度為60mm，可以滿足設計要求。彈簧安裝板11通過彈簧安裝板固定螺栓12聯接到搗固鎬4上；彈簧安裝板11的與搗固鎬連接面垂直的平面上開孔直徑為30mm，通過該孔套在螺紋活塞連桿10上，所述平面與螺紋活塞連桿10的夾角為90°。搗固鎬4與搗固鎬轉軸處軸承內圈過盈配合，搗固鎬轉軸處軸承外圈安裝在搗固鎬軸承座3上。搗固鎬軸承座3用螺栓固定在搗固機機架上。
以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為范例，本發明并不限制于以上描述的具體實例。對于本領域技術人員而言，任何對本發明進行同等修改和替代，比如，偏心軸承8外圈與液壓缸9用螺栓聯接在一起，或例如將主軸6做成花鍵軸與偏心軸承8聯接，又或例如將下彈簧1的一端也與上彈簧一樣頂在彈簧安裝板11上以及將螺紋連桿與液壓缸活塞桿做成可拆卸的螺紋聯接等行為，也都在本發明的范疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和范圍下所做的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明范圍內。
工作原理：
參看圖8，為彈性連桿與夾實機構的機構示意圖。主軸由內燃機通過皮帶傳動提供動力，繞軸心順時針轉動，轉速3600r/min。偏心軸承由于偏心安裝在主軸上的原因，其偏心距相當于彈性連桿機構的曲柄長度，這里偏心距取為11mm。在液壓缸與活塞桿沒有相對位移時，液壓缸與活塞桿整體相當于彈性連桿機構的連桿。由于偏心距的原因，當主軸旋轉時，彈簧在連桿一端產生位移，彈簧產生形變，這樣就產生了彈力，彈力作用于搗固鎬上，就使搗固鎬產生左右擺動式的強迫振動。由于兩側偏心軸承相位相差180°安裝主軸上，搗固鎬振動的相位也就相差180度，實現反相搗固，有利于搗實枕底道碴。考慮振動頻率較高，振動狀態設為非共振狀態，要求主軸圓頻率ω為振動系統固有頻率的4倍，即頻率比z0＝4。當液壓系統驅動兩側的液壓缸使活塞桿與液壓缸有相對運動時，相當于增大或減小了彈性連桿的連桿長度，會導致搗固鎬振動平衡位置的變化，產生夾實動作。通過設計液壓傳動系統可以實現異步夾持，能自動應對道碴兩側的不同阻力，有效地將石碴重新密實排列于枕軌之下。
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