新型軌排勻枕機構設計關鍵技術研究

黃 凱 陳 廣 劉廣華

(邯鄲中鐵橋梁機械有限公司 河北邯鄲 056003)

1 研究背景

密排軌枕及標準軌排生產線應用極大地提高軌排組裝的作業效率，具有自動化程度高、錨固質量可靠、軌枕外觀無損傷等優點，廣泛應用于鐵路鋪軌施工項目中[1]。吳啟新[2]等提出了速差勻枕法提高了軌排生產線的效率。盛輝[3]對機械化軌排組裝生產線的組裝生產工藝進行了詳細介紹，并指出勻枕設備作業在生產中起到非常大的作用。王浩[4]針對全液壓軌排生產線在現場使用中的翻枕龍門、勻枕設備所存在的問題進行論述并提出了改進方案，對翻枕器與軌枕間存在的間隙在內軌梁面設置緩沖橡膠。史凌峰[5]對往復式軌排生產施工環節中關鍵節點進行研究，指出使用勻枕翻枕工序精度高、質量可靠、滿足質量驗收規范。綜上所述，勻枕設備在軌排生產中占據重要環節，而翻枕器作為勻枕設備的重要構件，對其結構設計和運動機理的探究尤為重要。

2 勻枕機構總體設計

2.1 傳動方案設計

機械化自動軌排生產線生產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]。勻枕機構設計中傳統的傳動方案采用電機(液壓馬達)通過鋼絲繩柔性連接卷筒來驅動運枕小車實現定速運動。這種設計方案的缺點為:隨著運枕小車承載力的增大，鋼絲繩的伸長量增加，卷筒的定速轉動很難保證多層鋼絲繩工作時的線速度相同，尤其在軌枕間距精度要求較高的場合。新設計的勻枕機構傳動方式統一采用鏈條傳動，克服了鋼絲繩傳動的弊端。新型勻枕機構[7]構造見圖1。

圖1 新型勻枕機構

工作時軌枕放置于運枕臺車上，運枕臺車勻速平移將軌枕運送至翻枕器；電機一驅動傳動機構一，帶動翻枕器勻速旋轉，將軌枕翻轉落至勻枕輸送鏈條上；由變頻電機(變頻器驅動的交流三相異步電機)驅動傳動機構二，帶動勻枕輸送鏈條運動，將軌枕輸送至下一工位。通過變頻電機調節勻枕鏈條平移速度，利用翻枕器翻轉速度與勻枕鏈條速度差來實現軌枕的不同間距，從而滿足一組軌排36、38、40、42、44 根和密排等不同軌枕數量的工況要求。

2.2 勻枕機構運動機理

勻枕機構各組成部分運動參數包括運枕臺車平移速度v1、翻枕器旋轉角速度ω、旋轉半徑r、勻枕鏈條傳動速度v2、軌排長度L、單個軌排的軌枕數量N。

翻枕器運行線速度:

軌枕間距:

翻枕器旋轉周期:

連續工作時，翻枕器旋轉一周，軌排放置于勻枕鏈條上的數量為4根，因此，軌枕被翻轉一根需要的時間為T/4，勻枕鏈條走過的距離為軌枕的間距，故:

聯立式(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。當v1、r、L固定時，通過調整勻枕鏈條的速度v2可以實現一組軌排不同軌枕數量的要求；當v1、L、N固定時，r與v2成反比。正常工作時，勻枕鏈條速度v2由變頻器通過矢量控制v/f輸出方式實現速度的精確控制要求，可以滿足很低的轉速。當變頻器不采用閉環控制時，由于電機滑差補償因素v2速度不宜太低，因此結構方案中設計翻枕器的旋轉半徑需要考慮此方面因素。參數r、L、N固定時，v1與v2成正比。

2.3 軌枕保護措施

翻枕器在翻枕過程中軌枕的保護面需要與翻枕器的翻枕叉進行接觸，現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件設置柔性接觸，新型翻枕器采用橡膠緩沖墊對軌枕進行保護。

軌枕保護裝置如圖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。在翻枕工作中緩沖墊與軌枕保護面直接接觸可以有效保護軌枕，避免磕枕和摔枕等現象。經驗證此結構可靠實用，可以滿足現場使用要求[9]。

圖2 軌枕保護裝置

3 翻枕器結構設計

3.1 物理模型的建立

翻枕器的物理模型如圖3所示。4組翻枕叉機構尺寸相同。

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°。 翻枕器旋轉速度ω＝0.95 rad/s；走行機構軌枕速度vs＝14.3 m/min。

3.2 運動學分析

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

(1)翻枕器中心與機架添加旋轉副，驅動電機轉速為0.95 rad/s。

(2)軌枕與翻枕器建立實體接觸模型，IMPACT碰撞模型設定力因子為1.5，其余參數根據仿真模型設定[11]。

(3)通過調整密度實現模型重量與實體質量相同，重力加速度方向為全局坐標系-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重心局部坐標Z軸做自由旋轉，采用Adams運動學求解器求解。

翻枕過程相對位置與姿態如圖4所示。

圖4 翻枕器與軌枕接觸位置與姿態

可以看出翻枕器與軌枕存在4個位置點，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為軌枕完全被翻轉處。翻枕器翻轉過程中翻枕叉和軌枕間接觸力的幅值隨時間變化如圖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，帶動軌枕繞回轉中心共同做旋轉運動；載荷最大位置發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間內達到與翻枕器的轉速同步，之后共同做勻速旋轉運動；隨著時間的增加，兩者的接觸載荷減小。

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

第三階段:翻枕器翻轉至位置3后，軌枕與翻枕叉發生碰撞，此時對應的時間為1.68 s，碰撞時最大載荷為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，運動至位置4實現軌枕的翻轉。

第四階段:軌枕被完全翻轉對應的時間為1.80 s，此時對應的最大載荷為6.58 kN；之后翻枕器與軌枕共同做旋轉運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。

翻枕器勻速旋轉就可以將運枕小車運來的軌枕全部翻轉，等間距放置于勻枕鏈條上。

3.3 結構優化計算分析

在主體設計參數不變的情況下，對翻枕器模型進行詳細設計，采用最終設計的模型對結構進行靜態分析。翻枕叉上橡膠保護墊材料設置為剛體，忽略變形對靜態結構分析的影響。

通過對翻枕器進行動力學分析得出軌枕翻轉至位置3時，翻枕器承受的載荷最大為24.81 kN。結構設計需在最大載荷時滿足設計要求，因此需要對該狀態下的翻枕器進行受力分析。

翻枕器結構分析求解采用ANSYS靜態結構求解器，幾何結構mesh設置全部幾何體size為15 mm，模型劃分節點數為98 835個，網格單元數為24 171個。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，在翻枕器聯軸接觸面上添加固定約束[12]。結果如圖6所示。

圖6 載荷最大時靜態計算結果

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

4 現場試驗驗證

勻枕機構現場安裝后，進行連續翻枕作業。翻枕作業現場見圖7。

圖7 試驗驗證翻枕作業現場

翻枕器經過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行平行度和垂直度測量，結果與制造外形尺寸對比偏差小于±2%，達到了預期設計要求，驗證了模型計算的正確性。

5 結論

(1)新型設計勻枕機構采用鏈條傳動，較傳統的卷筒鋼絲繩傳動響應快速、精度高；電機轉速采用變頻器閉環控制，提高了勻枕鏈條操控性，可靠性好；增加了橡膠緩沖墊保護軌枕措施，滿足現場使用要求。

(2)探究了勻枕機構各運行參數影響軌枕間距的機理。勻枕鏈條的速度與走行機構平移速度、軌排長度L成正比，與翻枕器旋轉半徑r、單軌排的軌枕數量(N-1)成反比。

(3)對勻枕機構翻枕過程進行運動學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階段，在翻枕器旋轉至位置3時，碰撞載荷最大，此處為靜態結構分析最不利工況。

(4)新設計的翻枕機構應力和變形均滿足設計要求，并在現場進行連續翻枕試驗驗證，效果良好。