捣固稳定车捣固装置运动学分析

张欣+黄亚宇

摘要：有砟铁路的维修与维护对于列车的运行安全尤为重要，捣固装置是捣固稳定车的重要组成部分。捣固作业使道砟产生振动趋于稳定的方向移动，提高道砟的密实度。文章简要介绍了捣固装置的结构，着重分析了捣固装置的作业原理，对捣固镐头运动特点进行理论分析。并利用RecurDyn进行运动学的仿真，进一步分析验证捣固镐头运动特性，为后续的研究提供了基础。

Abstract： The maintenance of the ballast railway is particularly important for the operation safety of the train. The tamping device is an important part of the tamping and stabilizing vehicle. Tamping operation makes the ballast move towards the direction of stable vibration and improve the density of the ballast. This paper briefly introduces the structure of the tamping device， analyzes the working principle of the tamping device， and makes a theoretical analysis on the characteristics of the ramming movement. And RecurDyn is used to carry on the kinematics simulation， to further analyze and verify the movement characteristic of the ramming hoax， which provides the foundation for the follow-up research.

關键词：捣固装置；分析；结构；原理；RecurDyn；运动

Key words： tamping device；analysis；structure；principle；RecurDyn；movement

中图分类号：U216.63+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）32-0094-03

0 引言

我国铁路运输发展非常迅速，而铁路的维修与维护显得尤为重要。其中捣固装置是捣固稳定车的重要组成部分。捣固作业是以振动的运动方式将力传递给道砟，从而使道砟趋于稳定，提高其密实程度和稳定性。

1 捣固装置的作业原理

1.1 捣固装置结构

捣固装置是捣固作业的工作装置，文章主要以D09-32型连续式捣固车的捣固装置为例。每台捣固装置安装有16把捣镐，两台装置同时作业，可同时作业于两根轨枕。作业时内侧与外侧的捣镐朝着相对方向运动，使道碴更加的密实，从而提高轨道的稳定性。

捣固装置主要由箱体、捣固臂、捣固镐、偏心轴、液压系统和润滑系统等组成。如图1所示。

1.2 捣固装置原理

捣固装置的捣固作业开始时，外侧夹持油缸的小腔进油，使外侧夹持油缸活塞杆缩回，外侧捣镐向外张开；内侧夹持油缸的无杆腔进油，使内侧夹持油缸活塞杆完全伸出，内侧捣镐向中心处张开。当捣固装置到达工作位置时，升降油缸的无杆腔进油，在油缸和自重下沿着导柱组件向下滑动，捣镐插入道床。当捣镐插入道砟一定深度时，外侧夹持油缸的无杆腔进油，使外侧夹持油缸活塞杆伸出，外侧捣镐向中心运动；内侧夹持油缸的有杆腔进油，使内侧夹持油缸活塞杆回缩，内侧捣镐向外运动。内侧和外侧的捣镐镐掌在轨枕下，朝着相对的方向运动。在这一运动中，随着道砟不断被挤压，道床阻力变大，当道床阻力与油缸驱动力达到平衡时，夹持运动就停止。之后，油缸在液压油的作用下朝着相反向运动，镐掌开始反向运动而张开。同时整个装置开始沿着导柱向上提升脱离道床。从捣固作业开始到结束，捣镐一直处于微幅、高频振动状态。这使得捣固装置在开始作业时捣镐可以轻易插入道床。

2 捣固装置运动理论分析

捣固装置中，捣镐的振动是由液压马达驱动偏心轴旋转，偏心轴驱动内外夹持油缸，推动捣固臂摆动，从而使镐臂产生受迫振动，就内侧镐的运动为例进行运动分析，通过对捣固装置的分析，将内侧镐进行简化，其机构简图如图2所示。

偏心轴旋转作用下，使得镐臂以销轴F为中心左右摆动。从而使装在镐臂上的镐掌产生摇摆式强迫振动。图中，R为偏心轴的偏心距，α为偏心轴的转角。其中L=380mm，L1=260mm，L2=650mm，R=2.5mm。

根据刚性连接特性可知G点与E点的运动是相同的，它们之间成一定比例关系，所以可以先分析E点的运动规律。如图2所示假设E点的运动左侧最远点为E1，则E1至任意位置E的位移为S1。

S1=（L+R）-（Rcosα+Lcosβ）

由于Lsinβ=Rsinα，因此cosβ=，代入得

S1=R[（1-cosα）+]

将根式二项展开，取前两项得

=1-sin2α

因此S1=R[（1-cosα）+sin2α]

因R/L非常小可以忽略不计，故

S1=R（1-cosα）

假设E点离开中心点E0的位移为S2，则

S2=R-S1=Rcosα

由于EF、FG刚性连接G点的运动规律与E点相同，成比例关系，所以G点的位移为

SG=RcosωT=Rcos2πftendprint

速度：VG=-sin2πft

加速度：aG=-cos2πft

其中ω是指振动轴的角速度，f是振动轴的振动频率。根据上式可知G点是以R=6.25为振幅，以f=35Hz为振动频率的简谐振动。

3 基于RecurDyn捣固装置的多体动力学运动分析

针对捣固装置运动理论分析，接着利用的多体动力学仿真软件RecurDyn分析捣固镐头运动特性。考虑运算时间等其它因素，将镐臂、内油缸、外油缸和偏心轴4个部件简化，以曲柄代替偏心轴，连杆和摇杆代替捣镐臂，类似于曲柄摇杆机构如图3所示。

利用RecurDyn软件，在机构之间的销轴连接处定义约束来和驱动。曲柄驱动设置为220rad/s的转速做旋转运动，在仿真中可见曲柄以长2.5mm，使机构产生周期性的振动。仿真前在镐掌边上建立Marker点，利用Marker点对镐掌的运动进行监控，得出其X水平方向运动特性曲线。如图4～9所示。

从图4可以得出镐掌在0.2s时间内振动了7次，其周期T=0.02857，振动频率为35.00176Hz。与理论值35Hz基本一致。

圖5得出镐掌振动最大幅值为-373.78mm和最小幅值为-386.23mm。计算得出其振幅A=6.225mm，与理论值6.25mm基本一致。

图6～9得出镐掌振动最大速度为1.66m/s和最大加速度为3.04.2m/s2。计算得出其速度v=1.375m/s，加速度a=3.025m/s2，理论值与仿真结果基本一致。

4 结语

文章主要分析了捣固装置的振动结构和原理，有利于今后的维修与操作。对捣固镐头进行了运动学特性分析，进一步认识了捣固装置的振动形式。为后续的研究提供了一定的基础。

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