平行四邊形式收砟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

鄭慧珍，王杰，王滔

平行四邊形式收砟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

鄭慧珍，王杰，王滔

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

收砟機(jī)構(gòu)作為鐵路小型收砟機(jī)的重要執(zhí)行部件，其可靠性直接影響機(jī)器性能。針對(duì)一種平行四邊形式收砟機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真分析：對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)后利用SolidWorks建立三維模型并導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真分析。其中，參數(shù)化設(shè)計(jì)得到機(jī)構(gòu)基本桿長(zhǎng)尺寸與機(jī)器設(shè)計(jì)高度之間的關(guān)系，為因底盤(pán)高度變動(dòng)造成機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)尺寸變化提供快速計(jì)算依據(jù)；虛擬樣機(jī)仿真后得到收砟機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，當(dāng)收砟耙寬度為450 mm，驅(qū)動(dòng)速度為225 mm/s時(shí)，最大受力點(diǎn)為滾輪所在鉸接點(diǎn)，數(shù)值為3967.7 N；斜收最大驅(qū)動(dòng)力為5602.3 N；以上數(shù)值為機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核、后續(xù)控制與液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。并針對(duì)實(shí)際工作中負(fù)載不均衡造成收砟機(jī)構(gòu)滾輪磨損嚴(yán)重問(wèn)題，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

收砟機(jī)；放大機(jī)構(gòu)；平行四邊形；虛擬樣機(jī)；ADAMS

據(jù)我國(guó)交通運(yùn)輸部2018年鐵道統(tǒng)計(jì)公報(bào)發(fā)布的數(shù)據(jù)，至2018年結(jié)束，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)到13.1萬(wàn)公里，減掉大面積使用無(wú)砟軌道的高速鐵路營(yíng)業(yè)里程2.9萬(wàn)公里，我國(guó)2018年有砟軌道至少已增至10萬(wàn)公里。由于鐵路總長(zhǎng)基數(shù)大，道岔、山區(qū)等不便于大型機(jī)械進(jìn)行邊坡修砟維護(hù)的里程很長(zhǎng)。然而近期在對(duì)于西南某鐵路段的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，仍采用五人一組、人工推拉鐵耙的收砟方式，工作效率低、邊坡修整質(zhì)量不易控制。因此對(duì)直接決定小型收砟機(jī)可靠性的收砟機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)與仿真分析非常有必要。

國(guó)外收砟機(jī)械均為大型配砟整型車[1]。國(guó)內(nèi)中小型邊坡收砟機(jī)的設(shè)計(jì)集中在20世紀(jì)90年代與21世紀(jì)初，常見(jiàn)的收砟機(jī)構(gòu)形式有兩種：第一種為原群英等[2]設(shè)計(jì)的鏈耙式，汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)，帶輪帶動(dòng)兩級(jí)鏈輪從而帶動(dòng)鏈耙式收砟機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，其中適應(yīng)邊坡角度的調(diào)整由卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)控制鋼絲繩控制，該機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)單，但只能收取斜坡上的石砟，無(wú)法收取道間與線間水平部分道砟；第二種為四桿機(jī)構(gòu)式[3]，結(jié)構(gòu)輕便，運(yùn)動(dòng)軌跡可變，但因收砟耙上所受負(fù)載嚴(yán)重不均造成其中一側(cè)滾輪磨損嚴(yán)重。按照反算法計(jì)算道砟阻力，然后通過(guò)不斷試驗(yàn)調(diào)整系統(tǒng)壓力以滿足使用要求。反算法延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期，并增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本。

據(jù)此，對(duì)平行四邊形式收砟機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，得到機(jī)構(gòu)基本桿長(zhǎng)尺寸與機(jī)器設(shè)計(jì)高度與之間的關(guān)系，為設(shè)計(jì)中因底盤(pán)高度變動(dòng)造成機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)尺寸變化提供快速計(jì)算依據(jù)；采用正向計(jì)算法求得機(jī)構(gòu)所受負(fù)載，為初步選取液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供理論依據(jù)；利用SolidWorks進(jìn)行三維建模后導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行了虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真，得到其動(dòng)力學(xué)特性，為機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核與后續(xù)控制與液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供可靠依據(jù)。并針對(duì)實(shí)際工作過(guò)程中負(fù)載不均而造成的滾輪部分磨損嚴(yán)重問(wèn)題提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法并仿真對(duì)比驗(yàn)證改進(jìn)的有效性。

1 收砟機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)

總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。滾輪在斜收液壓缸的驅(qū)動(dòng)下能夠沿導(dǎo)板上的滑槽往復(fù)運(yùn)動(dòng)；收砟機(jī)構(gòu)由三自由度移動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，具體實(shí)現(xiàn)方式為：斜收液壓缸主導(dǎo)斜收運(yùn)動(dòng)、調(diào)整液壓缸主導(dǎo)收砟機(jī)構(gòu)的角度調(diào)整、平收液壓缸通過(guò)拉動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)水平位置變動(dòng)而完成平收動(dòng)作。

1.上幅桿 2.斜收液壓缸 3.上滑桿 4.導(dǎo)板 5.調(diào)整液壓缸6.滾輪 7.SBR導(dǎo)軌 8.下幅桿 9.下滑桿 10.平收液壓缸 11.收砟耙

2 收砟機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

本節(jié)對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)自由度進(jìn)行核算后，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定石砟收取范圍，由范圍限定收砟機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)與底盤(pán)高度的關(guān)系，從而使機(jī)構(gòu)完成收砟范圍內(nèi)的石砟收取且不超出限界；最后計(jì)算了機(jī)構(gòu)放大比例系數(shù)的取值范圍，選定后進(jìn)行數(shù)值求解，為動(dòng)力學(xué)仿真提供確切結(jié)構(gòu)尺寸的模型。

2.1 自由度計(jì)算

如圖2，收砟機(jī)構(gòu)共有9個(gè)構(gòu)件，低副12個(gè)，高副0個(gè)（去掉虛約束），根據(jù)切貝謝夫－克魯伯公式有：

自由度為3，所以三個(gè)驅(qū)動(dòng)使機(jī)構(gòu)形成唯一確定運(yùn)動(dòng)。

2.2 收砟范圍確定

根據(jù)現(xiàn)有鐵路標(biāo)準(zhǔn)[4]，道砟坡度共有1:1.5和1:1.75兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，有砟軌道正線邊坡坡度為1:1.75，正常鐵路段道床肩寬200mm，且道岔道床的肩寬、邊坡與連接的主要線路一致，道床頂面高度低于承軌面30 mm。石砟總高度為620 mm。收砟范圍寬度增加350 mm挖砟水平寬度，高度增加50 mm余量。因此，最終有效收范圍如圖2中所示，平收550 mm，邊坡坡度為1:1.75時(shí)，斜收長(zhǎng)度為1350 mm。

圖2 收砟機(jī)構(gòu)單邊平面簡(jiǎn)圖

2.3 a與h1高度之間的數(shù)學(xué)建模

如圖2所示，Δ～Δ且＝，由此組成雙等腰三角形放大機(jī)構(gòu)。記l＝l＝l＝，各桿長(zhǎng)度關(guān)系計(jì)算有：

式中：1為點(diǎn)至石砟頂面距離，mm；2為石砟高度，mm；為石砟底角角度，°，由斜坡坡度決定；0為收砟機(jī)構(gòu)收回行程的初始底角，°；為放大機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)（l/l）。

由式（2）得與1的關(guān)系式為：

2.4 放大比例系數(shù)計(jì)算

放大比例系數(shù)由兩個(gè)因素決定：一是機(jī)構(gòu)所占空間不能太大，二是機(jī)構(gòu)強(qiáng)度剛度能滿足使用要求。即：在滿足剛度強(qiáng)度要求情況下，機(jī)構(gòu)放大比例越大，則底部三角形結(jié)構(gòu)尺寸越小。放大系數(shù)最小限值由機(jī)構(gòu)布置空間余量決定，本設(shè)計(jì)取為6；放大系數(shù)最大限值根據(jù)不能超出斜收液壓缸承載能力計(jì)算，即：

式中：max為作用在收砟耙處沿石砟斜面最大的力，根據(jù)后文動(dòng)力學(xué)計(jì)算約為600 N；為系統(tǒng)工作壓力，按照小型工程機(jī)械常用壓力范圍[5]，取為7 MPa；為斜收液壓缸剛體內(nèi)徑，選用工程常用WHY01輕型拉桿式液壓缸[5]，取最小內(nèi)徑為40 mm；為斜收液壓缸活塞桿外徑，取為20 mm。

代入數(shù)據(jù)解得：≤10.996

因此的選擇區(qū)間為6～10。

2.5 數(shù)值求解

1由機(jī)器設(shè)計(jì)高度測(cè)得，本設(shè)計(jì)1＝620 mm；為使結(jié)構(gòu)緊湊，0暫取為30°，選定值為受力情況最好的最小值6；取值為29.74°或33.69°，因與的數(shù)值大小成反比，按照＝29.74°計(jì)算桿長(zhǎng)；最后，按式（2）用去尾法算得實(shí)際尺寸為250 mm。

此類挖掘裝置實(shí)際工作速度通常為定值[6]，由于作業(yè)時(shí)速度較慢，因此忽略石砟對(duì)收砟耙的沖擊力，負(fù)載僅計(jì)算由石砟自身的重力以及石砟移動(dòng)過(guò)程中的摩擦力。如圖3所示，鐵耙伸至石砟最底面時(shí)與石砟表面垂直，根據(jù)挖掘鏟斗堆裝容量計(jì)算方式擴(kuò)大計(jì)算范圍，取石砟完整方體，該方體截面為以收砟耙高度為一邊長(zhǎng)、對(duì)角線水平的平行四邊形。最大石砟重量計(jì)算為：

式中：1為收砟耙耙釘?shù)拈L(zhǎng)度，mm，根據(jù)常用鐵耙耙釘長(zhǎng)度定為1＝150；2為石砟截面平行四邊形對(duì)角線為水平時(shí)另一邊的長(zhǎng)度，mm；為收砟寬度，mm，根據(jù)BSZ型收碴機(jī)的碴耙寬度[3]，為提高收砟效率，定為450；為摩擦系數(shù)，根據(jù)碎石間的摩擦系數(shù)保守取為0.7；為石砟密度，kg/m3，根據(jù)文獻(xiàn)[7]計(jì)算石砟對(duì)清篩機(jī)的沖擊時(shí)選用的石砟密度數(shù)值，?。?000。

根據(jù)鐵路正線標(biāo)準(zhǔn)坡度1：1.75，計(jì)算得：＝521 N，＝316.7 N。

圖3 計(jì)算石砟截面圖

3 虛擬樣機(jī)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

斜坡收砟階段各位置受力情況復(fù)雜，也為四桿機(jī)構(gòu)受力最大階段，因此動(dòng)力學(xué)分析著重分析斜收階段。對(duì)于雙邊模型進(jìn)行仿真簡(jiǎn)稱為雙邊仿真，對(duì)單邊模型進(jìn)行仿真簡(jiǎn)稱為單邊仿真。因雙邊仿真更加復(fù)雜，添加約束位置難以精確捕捉，利用單邊仿真輔助驗(yàn)證雙邊仿真的正確性。最終得到機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中最大受力位置與大小以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作所需的驅(qū)動(dòng)力。另外，針對(duì)不均衡負(fù)載工況做了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過(guò)優(yōu)化前后仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證改進(jìn)的有效性。

3.1 單邊仿真與分析

利用SolidWorks建立虛擬樣機(jī)仿真用收砟機(jī)構(gòu)模型如圖4（a），并做簡(jiǎn)化處理：調(diào)整液壓缸部分簡(jiǎn)化為對(duì)應(yīng)斜坡角度的三角形帶滑槽板件，并將.x_t格式模型導(dǎo)入ADAMS軟件中。參考常規(guī)模型處理方法[8-9]，將各零件材料類型定義為steel，并按照實(shí)際工作情況施加連接，其中，轉(zhuǎn)動(dòng)副為6個(gè)，移動(dòng)副1個(gè)，固定連接2個(gè)。為減小波動(dòng)[10]，將斜收驅(qū)動(dòng)設(shè)置于平行于石砟斜面的機(jī)構(gòu)三角形外部。

為更好地看出變化規(guī)律，本仿真設(shè)置兩個(gè)作用收砟周期，作用規(guī)律為液壓桿每2 s完成勻速伸出并收回動(dòng)作，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)速度為225 mm/s。步長(zhǎng)設(shè)為0.01。驅(qū)動(dòng)沿斜收液壓缸方向，負(fù)載1為石砟自重而產(chǎn)生的負(fù)載，方向始終向下；負(fù)載2為因石砟移動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力，方向與液壓桿運(yùn)動(dòng)方向相反。

模型驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：

STEP(time,0,0,1,225)+STEP(time,1,0,2,-225)+STEP(time,2,0,3,225)+STEP(time,3,0,4,-225)

負(fù)載1為：

STEP(time,1,0,1.1,260.5)+STEP(time,1.9,0,2,-260.5)+STEP(time,3,0,3.1,260.5)+STEP(time,3.9,0,4,-260.5)

負(fù)載2為：

STEP(time,1,0,1.1,158.35)+STEP(time,1.9,0,

2,-158.35)+STEP(time,3,0,3.1,158.35)+STEP(time,3.9,0,4,-158.35)

力的設(shè)置方式均為：在一個(gè)物體上，空間固定。

圖4 虛擬樣機(jī)仿真模型

單邊仿真分析后四處較為薄弱的鉸接點(diǎn)隨斜收油缸動(dòng)作所受的合力大小變化情況如圖5所示，JOINT_1至JOINT_4分別與圖2中、、、四處鉸接點(diǎn)依次對(duì)應(yīng)，MOTION_1為所需斜收液壓缸的驅(qū)動(dòng)力。各點(diǎn)受力變化均勻。油缸空載伸出時(shí)，圖中各點(diǎn)受力緩慢增長(zhǎng)；油缸帶載收回時(shí)，在1.1 s加載初始位置即收砟耙與石砟斜坡面垂直時(shí)受力最大，受力最大點(diǎn)為joint_2，大小為3363 N。隨后受力先減小后以相對(duì)較低變化速率增大，在1.51 s處受力最小，為2612.23 N。

3.2 雙邊仿真與分析

因仿真與模型形狀無(wú)關(guān)只與marker點(diǎn)的位置有關(guān)[11]，簡(jiǎn)化雙邊模型如圖4（b）。為解決ADAMS軟件中負(fù)載為集中載荷而非均布載荷的問(wèn)題，負(fù)載部分按照石砟計(jì)算體積與密度建模。因無(wú)法根據(jù)時(shí)段自由去除載荷，僅做收砟工作過(guò)程的仿真。沿斜收油缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為STEP（time,0,0,1.0,225），作用于斜收液壓桿處，方向沿斜面向上；因石砟自重而產(chǎn)生的負(fù)載不再外部添加；因石砟摩擦而產(chǎn)生的負(fù)載設(shè)置為316.7 N。

圖5 單邊模型仿真受力曲線

圖6 雙邊模型仿真受力曲線

雙邊仿真后四處受力較為薄弱的鉸接點(diǎn)隨斜收油缸動(dòng)作所受的合力大小變化情況如圖7所示。圖例中各曲線含義與單邊仿真一致，雙邊仿真中各曲線變化規(guī)律與單邊仿真一致，最大受力處與單邊仿真位置相同，為收砟負(fù)載開(kāi)始作用時(shí)的joint_2點(diǎn)，合力大小為3967.7 N。

各點(diǎn)受力最大值與單邊仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。其中，F～F依次為圖2中、、、鉸接點(diǎn)的受力大小，motion為斜收液壓缸所需的驅(qū)動(dòng)力。雙邊仿真相對(duì)于單邊仿真四處薄弱點(diǎn)受力增加不超過(guò)18%，因此，一方面可利用單邊仿真輔助驗(yàn)證雙邊仿真的正確性，另一方面可直接取真實(shí)工況負(fù)載的50%來(lái)進(jìn)行單邊仿真以替代復(fù)雜的雙邊仿真，所得驅(qū)動(dòng)力放大兩倍。

表1 驅(qū)動(dòng)速度為225 mm/s時(shí)單邊仿真與雙邊仿真對(duì)比 單位：N

3.3 針對(duì)不均勻負(fù)載結(jié)構(gòu)優(yōu)化

不均衡負(fù)載對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7所示，模擬收砟時(shí)收砟耙上石砟嚴(yán)重分布不均的收砟工況。優(yōu)化模型為在兩對(duì)上幅桿和上滑桿上增加兩個(gè)穩(wěn)定桿，對(duì)兩個(gè)穩(wěn)定桿進(jìn)行失效與激活兩個(gè)狀態(tài)分別進(jìn)行分析，以進(jìn)行優(yōu)化前后對(duì)比仿真試驗(yàn)。優(yōu)化前后分析滾輪處沿豎直方向受力大小如圖8所示。C點(diǎn)豎直方向最大受力優(yōu)化前為2395.8 N，加平衡桿優(yōu)化后將同一力降為2276.8 N，降幅為4.97%，優(yōu)化有效。

圖7 增加穩(wěn)定桿模型

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)一種四桿機(jī)構(gòu)式收砟機(jī)構(gòu)進(jìn)行的參數(shù)化設(shè)計(jì)與仿真分析得到結(jié)論如下：

（1）l與點(diǎn)距石砟頂面高度的關(guān)系為：

（2）機(jī)構(gòu)放大系數(shù)的取值范圍為6～10；

（3）邊坡整形過(guò)程中受力最大點(diǎn)為點(diǎn)，450 mm收砟寬度，速度為225 mm/s時(shí)，F1＝3967.7 N；

（4）對(duì)稱機(jī)構(gòu)完整模型仿真處理復(fù)雜，可由機(jī)構(gòu)的1/2負(fù)載下的單邊模型仿真替代；

（5）對(duì)于負(fù)載不均衡引起的兩側(cè)滾輪磨損不均勻的現(xiàn)象，可對(duì)模型采用添加橫桿的方法優(yōu)化，減小滾輪處豎直方向上的受力約5%。

圖8 不均衡負(fù)載情況下受力優(yōu)化曲線

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Design and Analysis of Parallelogram Ballast Recollecting Mechanism

ZHENG Huizhen，WANG Jie，WANG Tao

( School of Mechanical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

Ballast recollecting mechanism is an important execution component of small ballast recollecting machine, and its reliability directly affects the performance of the machine. In this paper, the design and simulation analysis of a parallelogram ballast recollecting mechanism were carried out. After parameterizing the structural dimensions, a three-dimensional model was built by using SolidWorks and imported into ADAMS for simulation analysis. The relationship between the basic rod length of the mechanism and the design height of the machine were obtained through the parametric design, which provides a fast calculation basis for the change of the rod length of the mechanism caused by the change of the chassis height. After the simulation of the virtual prototype, the dynamic characteristics of the closing mechanism were found out. When the width of the retracting harrow is 450 mm and the driving speed is 225 mm/s, the maximum force point is the hinge point where the roller is located, and the value is 3967.7 N; the maximum driving force of the side ramp ballast recollecting is 5602.3 N. All these values provide reliable basis for the strength check, subsequent control and the design of hydraulic system. Finally, the structural optimization was performed to deal with the serious wear of the roller of the ballast recollecting mechanism caused by the uneven load in actual situation.

ballast recollecting machine；magnification mechanism；parallelogram；virtual mockup；ADAMS

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.06.011

1006－0316 (2020) 06－0068－06

2020－01－14

四川省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2018GZDZX0015）

鄭慧珍（1995－），女，山東日照人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造，E-mail：2018223025092@stu.scu.edu.cn；王杰（1964－），男，四川成都人，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄蹸AD方法與現(xiàn)代集成制造技術(shù)。