黃 凱 陳 廣 劉廣華

(邯鄲中鐵橋梁機(jī)械有限公司 河北邯鄲 056003)

1 研究背景

密排軌枕及標(biāo)準(zhǔn)軌排生產(chǎn)線應(yīng)用極大地提高軌排組裝的作業(yè)效率，具有自動化程度高、錨固質(zhì)量可靠、軌枕外觀無損傷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鐵路鋪軌施工項(xiàng)目中[1]。吳啟新[2]等提出了速差勻枕法提高了軌排生產(chǎn)線的效率。盛輝[3]對機(jī)械化軌排組裝生產(chǎn)線的組裝生產(chǎn)工藝進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并指出勻枕設(shè)備作業(yè)在生產(chǎn)中起到非常大的作用。王浩[4]針對全液壓軌排生產(chǎn)線在現(xiàn)場使用中的翻枕龍門、勻枕設(shè)備所存在的問題進(jìn)行論述并提出了改進(jìn)方案，對翻枕器與軌枕間存在的間隙在內(nèi)軌梁面設(shè)置緩沖橡膠。史凌峰[5]對往復(fù)式軌排生產(chǎn)施工環(huán)節(jié)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，指出使用勻枕翻枕工序精度高、質(zhì)量可靠、滿足質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范。綜上所述，勻枕設(shè)備在軌排生產(chǎn)中占據(jù)重要環(huán)節(jié)，而翻枕器作為勻枕設(shè)備的重要構(gòu)件，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動機(jī)理的探究尤為重要。

2 勻枕機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

2.1 傳動方案設(shè)計(jì)

機(jī)械化自動軌排生產(chǎn)線生產(chǎn)工序主要包括軌枕放置、一次翻枕、硫磺錨固、二次翻枕、勻枕輸送、安裝鋼軌及扣件、軌排吊裝等[6]。勻枕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)的傳動方案采用電機(jī)(液壓馬達(dá))通過鋼絲繩柔性連接卷筒來驅(qū)動運(yùn)枕小車實(shí)現(xiàn)定速運(yùn)動。這種設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)為:隨著運(yùn)枕小車承載力的增大，鋼絲繩的伸長量增加，卷筒的定速轉(zhuǎn)動很難保證多層鋼絲繩工作時(shí)的線速度相同，尤其在軌枕間距精度要求較高的場合。新設(shè)計(jì)的勻枕機(jī)構(gòu)傳動方式統(tǒng)一采用鏈條傳動，克服了鋼絲繩傳動的弊端。新型勻枕機(jī)構(gòu)[7]構(gòu)造見圖1。

圖1 新型勻枕機(jī)構(gòu)

工作時(shí)軌枕放置于運(yùn)枕臺車上，運(yùn)枕臺車勻速平移將軌枕運(yùn)送至翻枕器；電機(jī)一驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)一，帶動翻枕器勻速旋轉(zhuǎn)，將軌枕翻轉(zhuǎn)落至勻枕輸送鏈條上；由變頻電機(jī)(變頻器驅(qū)動的交流三相異步電機(jī))驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)二，帶動勻枕輸送鏈條運(yùn)動，將軌枕輸送至下一工位。通過變頻電機(jī)調(diào)節(jié)勻枕鏈條平移速度，利用翻枕器翻轉(zhuǎn)速度與勻枕鏈條速度差來實(shí)現(xiàn)軌枕的不同間距，從而滿足一組軌排36、38、40、42、44 根和密排等不同軌枕數(shù)量的工況要求。

2.2 勻枕機(jī)構(gòu)運(yùn)動機(jī)理

勻枕機(jī)構(gòu)各組成部分運(yùn)動參數(shù)包括運(yùn)枕臺車平移速度v1、翻枕器旋轉(zhuǎn)角速度ω、旋轉(zhuǎn)半徑r、勻枕鏈條傳動速度v2、軌排長度L、單個(gè)軌排的軌枕數(shù)量N。

翻枕器運(yùn)行線速度:

軌枕間距:

翻枕器旋轉(zhuǎn)周期:

連續(xù)工作時(shí)，翻枕器旋轉(zhuǎn)一周，軌排放置于勻枕鏈條上的數(shù)量為4根，因此，軌枕被翻轉(zhuǎn)一根需要的時(shí)間為T/4，勻枕鏈條走過的距離為軌枕的間距，故:

聯(lián)立式(1)～式(4)解得勻枕鏈條速度:

由式(5)可知，勻枕鏈條的速度與v1、r、L、N有關(guān)。當(dāng)v1、r、L固定時(shí)，通過調(diào)整勻枕鏈條的速度v2可以實(shí)現(xiàn)一組軌排不同軌枕數(shù)量的要求；當(dāng)v1、L、N固定時(shí)，r與v2成反比。正常工作時(shí)，勻枕鏈條速度v2由變頻器通過矢量控制v/f輸出方式實(shí)現(xiàn)速度的精確控制要求，可以滿足很低的轉(zhuǎn)速。當(dāng)變頻器不采用閉環(huán)控制時(shí)，由于電機(jī)滑差補(bǔ)償因素v2速度不宜太低，因此結(jié)構(gòu)方案中設(shè)計(jì)翻枕器的旋轉(zhuǎn)半徑需要考慮此方面因素。參數(shù)r、L、N固定時(shí)，v1與v2成正比。

2.3 軌枕保護(hù)措施

翻枕器在翻枕過程中軌枕的保護(hù)面需要與翻枕器的翻枕叉進(jìn)行接觸，現(xiàn)場施工要求不允許軌枕接觸面有損傷[8]。因此需要對與軌枕接觸的構(gòu)件設(shè)置柔性接觸，新型翻枕器采用橡膠緩沖墊對軌枕進(jìn)行保護(hù)。

軌枕保護(hù)裝置如圖2所示。撥叉與燕尾槽墊板焊接為一體，緩沖墊通過燕尾槽孔嵌入墊板內(nèi)。在翻枕工作中緩沖墊與軌枕保護(hù)面直接接觸可以有效保護(hù)軌枕，避免磕枕和摔枕等現(xiàn)象。經(jīng)驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)可靠實(shí)用，可以滿足現(xiàn)場使用要求[9]。

圖2 軌枕保護(hù)裝置

3 翻枕器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 物理模型的建立

翻枕器的物理模型如圖3所示。4組翻枕叉機(jī)構(gòu)尺寸相同。

圖3 翻枕器物理模型

翻枕叉外圓半徑ri＝465 mm；翻枕器最大外圓半徑ro＝475 mm；軌枕支承長度a＝200 mm；橡膠墊板長度b＝185 mm，距離回轉(zhuǎn)中心rp＝490 mm；十字骨架支撐寬度c＝80 mm；翻枕器與軌枕接觸線角度θ2＝10°；橡膠墊板與軌枕支撐線角度θ1＝23°。 翻枕器旋轉(zhuǎn)速度ω＝0.95 rad/s；走行機(jī)構(gòu)軌枕速度vs＝14.3 m/min。

3.2 運(yùn)動學(xué)分析

基于剛體動力學(xué)分析軟件，對翻枕器翻轉(zhuǎn)軌枕的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究翻枕器、軌枕相對于地面的位置與姿態(tài)以及翻枕器與軌枕之間的接觸行為[10]。幾何模型通過CAD軟件建模后導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件，模型設(shè)置如下:

(1)翻枕器中心與機(jī)架添加旋轉(zhuǎn)副，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為0.95 rad/s。

(2)軌枕與翻枕器建立實(shí)體接觸模型，IMPACT碰撞模型設(shè)定力因子為1.5，其余參數(shù)根據(jù)仿真模型設(shè)定[11]。

(3)通過調(diào)整密度實(shí)現(xiàn)模型重量與實(shí)體質(zhì)量相同，重力加速度方向?yàn)槿肿鴺?biāo)系-Y軸，軌枕初始條件為沿X軸移動速度為14.3 m/min。

(4)定義軌枕自由落體時(shí)重心局部坐標(biāo)Z軸做自由旋轉(zhuǎn)，采用Adams運(yùn)動學(xué)求解器求解。

翻枕過程相對位置與姿態(tài)如圖4所示。

圖4 翻枕器與軌枕接觸位置與姿態(tài)

可以看出翻枕器與軌枕存在4個(gè)位置點(diǎn)，位置1為翻枕器與軌枕第一次接觸，位置2為翻枕器與軌枕接觸分離的臨界位置，位置3為軌枕自由下落至相鄰翻枕叉，位置4為軌枕完全被翻轉(zhuǎn)處。翻枕器翻轉(zhuǎn)過程中翻枕叉和軌枕間接觸力的幅值隨時(shí)間變化如圖5所示。

圖5 翻枕過程各階段接觸載荷變化曲線

可以看出翻枕過程可分為四個(gè)階段:

第一階段:翻枕器由位置1與軌枕接觸后，帶動軌枕繞回轉(zhuǎn)中心共同做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；載荷最大位置發(fā)生在與軌枕接觸后的0.07 s，峰值載荷為8.36 kN，這是由于軌枕接觸翻枕器后需要在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到與翻枕器的轉(zhuǎn)速同步，之后共同做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；隨著時(shí)間的增加，兩者的接觸載荷減小。

第二階段:翻枕器旋轉(zhuǎn)至位置2后，翻枕器與軌枕主接觸面實(shí)現(xiàn)分離，兩者間接觸載荷為0 kN，對應(yīng)的時(shí)間為1.31 s；軌枕由于自身重力和慣性進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)，此時(shí)軌枕的支撐點(diǎn)位于翻枕叉圓弧處，接觸位置存在滑動摩擦。

第三階段:翻枕器翻轉(zhuǎn)至位置3后，軌枕與翻枕叉發(fā)生碰撞，此時(shí)對應(yīng)的時(shí)間為1.68 s，碰撞時(shí)最大載荷為24.81 kN，載荷的方向垂直于翻枕叉的作用面；之后軌枕在慣性力、重力、與翻枕器碰撞反力和接觸摩擦力共同作用下，運(yùn)動至位置4實(shí)現(xiàn)軌枕的翻轉(zhuǎn)。

第四階段:軌枕被完全翻轉(zhuǎn)對應(yīng)的時(shí)間為1.80 s，此時(shí)對應(yīng)的最大載荷為6.58 kN；之后翻枕器與軌枕共同做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動至水平位置被放置于勻枕輸送鏈條上，完成一次翻枕動作。

翻枕器勻速旋轉(zhuǎn)就可以將運(yùn)枕小車運(yùn)來的軌枕全部翻轉(zhuǎn)，等間距放置于勻枕鏈條上。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算分析

在主體設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，對翻枕器模型進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，采用最終設(shè)計(jì)的模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析。翻枕叉上橡膠保護(hù)墊材料設(shè)置為剛體，忽略變形對靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的影響。

通過對翻枕器進(jìn)行動力學(xué)分析得出軌枕翻轉(zhuǎn)至位置3時(shí)，翻枕器承受的載荷最大為24.81 kN。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需在最大載荷時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要對該狀態(tài)下的翻枕器進(jìn)行受力分析。

翻枕器結(jié)構(gòu)分析求解采用ANSYS靜態(tài)結(jié)構(gòu)求解器，幾何結(jié)構(gòu)mesh設(shè)置全部幾何體size為15 mm，模型劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為98 835個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)為24 171個(gè)。載荷施加于位置3處，方向垂直于作用面，相鄰翻枕叉處載荷為2.15 kN，方向垂直于接觸面，在翻枕器聯(lián)軸接觸面上添加固定約束[12]。結(jié)果如圖6所示。

圖6 載荷最大時(shí)靜態(tài)計(jì)算結(jié)果

由圖6可知，翻枕器的最大應(yīng)力位于翻枕叉翻枕碰撞圓弧處，最大應(yīng)力為184.7 MPa；碰撞最大變形量為0.3 mm，滿足剛度要求。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

勻枕機(jī)構(gòu)現(xiàn)場安裝后，進(jìn)行連續(xù)翻枕作業(yè)。翻枕作業(yè)現(xiàn)場見圖7。

圖7 試驗(yàn)驗(yàn)證翻枕作業(yè)現(xiàn)場

翻枕器經(jīng)過2 h翻枕工作后，觀察翻枕器外觀無明顯磕碰、變形等損傷；對翻枕器與軌枕部分進(jìn)行平行度和垂直度測量，結(jié)果與制造外形尺寸對比偏差小于±2%，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了模型計(jì)算的正確性。

5 結(jié)論

(1)新型設(shè)計(jì)勻枕機(jī)構(gòu)采用鏈條傳動，較傳統(tǒng)的卷筒鋼絲繩傳動響應(yīng)快速、精度高；電機(jī)轉(zhuǎn)速采用變頻器閉環(huán)控制，提高了勻枕鏈條操控性，可靠性好；增加了橡膠緩沖墊保護(hù)軌枕措施，滿足現(xiàn)場使用要求。

(2)探究了勻枕機(jī)構(gòu)各運(yùn)行參數(shù)影響軌枕間距的機(jī)理。勻枕鏈條的速度與走行機(jī)構(gòu)平移速度、軌排長度L成正比，與翻枕器旋轉(zhuǎn)半徑r、單軌排的軌枕數(shù)量(N-1)成反比。

(3)對勻枕機(jī)構(gòu)翻枕過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真得出了翻枕器與軌枕接觸載荷變化曲線。將翻枕過程分為四個(gè)階段，在翻枕器旋轉(zhuǎn)至位置3時(shí)，碰撞載荷最大，此處為靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析最不利工況。

(4)新設(shè)計(jì)的翻枕機(jī)構(gòu)應(yīng)力和變形均滿足設(shè)計(jì)要求，并在現(xiàn)場進(jìn)行連續(xù)翻枕試驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好。