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1、序号： 编码： 湖北省第八届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛参 赛 作 品作品名称： 无缝铁路应力放散方法及其设备 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作A类 科技发明制作B类19无缝铁路应力放散方法及其设备作品简介本作品涉及了一种无缝铁路应力放散方法及其专用设备。新型无缝铁路应力放散方法是以周期振动式气液增压的方式实现冲击式撞轨动作，并利用检测控制系统实时监控钢轨应力状态，以完成整个应力放散作业。如下图所示：冲击单元夹紧装置检测控制系统行走小车该专用设备主要由行走小车，冲击单元，夹紧装置以及检测控制系统四部分组成。其中，冲击式气液增压缸（冲击单元），
2、夹具和检测控制系统合理安放在小车车体上。整个作业过程先沿线均匀布置检测元件，以便钢轨应力等数据的采集，再将车体安放于钢轨上，并用夹具夹紧钢轨，通过气源作用与控制，使冲击式气液增压缸端部的力锤以周期振动方式瞬间冲击夹具，并利用夹具夹紧钢轨，带动钢轨产生沿线方向的微位移直至检测系统显示满足工况要求的应力值为止，从而实现钢轨拉应力均匀化的目的。本作品可快速高效地完成无缝铁路应力放散作业，检测控制系统的设置使整个放散作业质量更高，精确度更好。又由于小车体积小，质量轻，自动化程度高，大大减少了作业人员的数量和劳动力。它是一种可以广泛应用于无缝铁路铺设和维护时应力放散作业的新型方法及专用设备。无缝铁路应力
3、放散方法及其设备研究报告目 录第1章 前 言11.1 设计背景11.2作品的研究目的及意义1第2章 总体方案的确定32.1 系统的工作要求32.1.1 放散方法及设备构型必须考虑以下因素32.1.2 放散方法及其设备的关键点32.2 传统的应力放散方式32.3 系统的设计理论基础52.4 系统的组成部分52.5 主要技术参数的设定6第3章 相关参数及结构的模拟仿真验算73.1 三维实体模型建立73.2 撞轨频率模态分析73.3 运动学及动力学仿真9第4章 设备总体设计104.1 功能分析104.2 结构设计10第5章 各功能部件的详细设计125.1 小车车体的设计125.2 冲击单元的设计13
4、5.3 夹紧装置的设计17第6章 检测控制系统的设计206.1 检测系统的设计206.2 控制系统的设计20第7章 本设备应力放散工作流程22设计体会24参考文献26附录:28第1章 前 言1.1 设计背景无缝线路是当前国内外在铁路中普遍采用的主型轨道结构，在铁路建设中普遍采用，目前的一次铺设无缝线路施工技术，归纳起来主要有单枕、群枕和长轨排捕设法三种，其中单枕铺设法取消了传统的轨排组装基地，长钢轨、轨枕直接运抵工地进行铺设，其综合作业效率高，技术先进、实用、可靠。我国的高铁技术虽然处于世界领先水平，但是长期以来，在无缝线路的铺设和维护过程中，对于其应力放散方法和工艺还相对落后。为了确保无缝线
5、路钢轨的刚度和直线度，现行的拉伸钢轨方法主要以人工牵引的机械式为主，它是使用高强螺栓、扣板式扣件或弹条扣件对钢轨进行约束，将一段500m长的钢轨一端固定，另一端施加400t的拉力，对钢轨进行拉伸，使其钢轨内部产生拉应力，但这时会出现靠近拉伸端拉应力大，远离拉伸端小的不均匀分布情况，不利于钢轨的应力均匀放散；另一方面，测量应力放散的效果主要采用划线法，这使得整套设备体积大且笨重，作业过程劳动强度大，效率低，凭经验操作因素多，测量结果不精确。也有采用液压撞轨器进行应力放散方法，如中国发明专利无缝线路应力放散撞轨装置（申请号：201010242615.7 申请日：2010-08-02）所采用的，是由
6、液压泵、冲击装置和撞轨装置组成的液压撞轨装置；中国实用新型专利液压撞轨器（申请号：200820112869.5 申请日：2008-04-30）所公开的，是由汽油发动机、油泵总成及油箱、击发机构、撞轨滑块、车架及车轮构成的液压撞轨装置，以上两种液压撞轨装置，其不足之处在于：撞击力较大，作业速度相对较慢；其次是没有在作业现场安装传感器并检测钢轨的应力放散效果；其三是撞击设备整体较重，不利于操作者安装和运输，其四是安装于钢轨上的撞轨机无防倾覆装置，不利于于作业中设备平稳的定位在钢轨上。1.2 作品的研究目的及意义 高速无缝铁路在正常工作时其钢轨处于拉应力状态，按现行的钢轨铺设方法其沿线拉应力状态不均
7、匀。本作品涉及一种用于无缝铁路应力放散方法及其设备，以实现铺设或维护无缝铁路时，使其拉应力均匀化，达到锁定轨温的目的。随着现代铁道运输工业的迅猛发展，为完善更高速、更安全的运输系统，对钢轨的各项性能的要求也更高，例如在不同的地理和气候条件下，满足工况要求的钢轨拉应力具体指标值是多少，才能有效地保证行车安全，这就意味着需要更安全高效应力放散装置投入使用。因此，我们的研究对于确保无缝铁路的行车安全及人身财产安全等，具有特别现实的意义。第2章 总体方案的确定就目前铁路运输事业发展现状及相关背景技术，总体的设计方案主要通过分析系统的工作要求，传统应力放散方式的优缺点等来确定。2.1 系统的工作要求2.
8、1.1 放散方法及设备构型必须考虑以下因素1）应力放散方式;以周期振动式冲击缸撞击钢轨的方式实现钢轨应力均匀化。2）本作品所涉及设备的撞击频率应根据钢轨在受到一定拉力作用下的频率值设定3）能适应不同地区不同气候对钢轨撞击频率的要求。4）夹紧装置夹紧可靠安全。5）确保作业时设备的稳定性。6）整个设备质量轻，体积小。以机-电-气-液一体化的自动工作模式代替人工操作，降低劳动强度，提高工作效率与质量。2.1.2 放散方法及其设备的关键点为确保设计的可靠性与先进性，应考虑一下几点：1）设备的撞击力及频率的大小的确定；2）合理设计气液增压缸的工作循环；3）应力放散质量效果检测方法的确定。2.2 传统的应
9、力放散方式参照图2.1A所示，为确保铁轨的刚度和直线度，每500m无缝铁路（现工程上常采用的应力放散作业距离）一端用高强螺栓锁紧，一端通过液压缸对其施加400t拉力，由于铁轨与砧木间的摩擦力的存在，铁轨内部应力呈现如图2.1B中L1所示“左（远离拉伸端）低右（靠近拉伸端）高”的分布规律。铁轨在这种应力条件下受到外界环境（如机车碾压，撞击，气候变化等）的影响，轨温会上升，根据热涨冷缩原理，铁轨温升会导致其内部产生压应力，当压应力达到一定程度，就会抵消掉铁轨内部原有的拉应力，尤其是在拉应力较小的一端，会产生压应力失稳。为了确保铁轨良好的工作状态，将在此段铁路250m处进行应力放散作业。选择250m
10、处作业原因有二：1.根据拉应力的线性分布规律，在铁路中段施加与拉应力同向的冲击力，可平衡两侧拉应力，使其呈现如图2.1B中L2所示的应力状态；2.由于本作品所涉及的应力放散方法主要是基于激振原理，而激振效果在300m以外就相对较弱了，因此选择250m也较为合适。放散作业完毕后，铁轨内部应力均匀化，如图2.1B中L2所示状态，并且仍能保证铁轨处于拉应力状态下，这种应力状态既能保证铁轨的刚度和直线度，又能抵消铁轨因外界环境影响所产生的压应力，避免了压应力失稳的不良现象。ab图2.1A 钢轨拉伸方法示意图a-拉伸前；b-拉伸后m MpaL1L2Mpam图2.1B 400t拉力作用下铁轨内应力分布规律
11、示意图2.3 系统的设计理论基础本设计基于激振原理，利用冲击式气液增压缸周期性撞击夹具，产生一系列的纵波传递能量使铁轨应力均匀化，激起钢轨的共振态，使钢轨的应力均匀化。值得说明的是：虽然激振原理广泛应用于机械、医疗、石油化工、土木工程等领域，但采用纵波激振技术用于无缝钢轨应力放散方式上未有先例，这是本作品最核心的创新点。原理流程图如下：开气源开启手动阀活塞和冲击力锤推进，完成预定位行程冲击气缸达到调定压力增力活塞杆推进气液增压，完成冲击行程行程阀控制换向阀换向各元件复位应力传感器图2.2 原理流程图2.4 系统的组成部分本作品涉及了一种无缝铁路应力放散方法及其设备。新型无缝铁路应力放散方法是以
12、周期振动式气液增压的方式实现冲击式撞轨动作，并利用检测控制系统实时监控钢轨应力状态，以完成整个应力放散作业。如图2.3所示：该专用设备主要由行走小车，冲击单元，夹紧装置以及检测控制系统四部分组成。其中，冲击式气液增压缸（冲击单元），夹具和检测控制系统合理安放在小车车体上。整个作业过程先沿线均匀布置检测元件，以便钢轨应力等数据的采集，再将车体安放于钢轨上，并用夹具夹紧钢轨，通过气源作用与控制，使冲击式气液增压缸端部的力锤以周期振动方式瞬间冲击夹具，并利用夹具夹紧钢轨，带动钢轨产生沿线方向的微位移直至检测系统显示满足工况要求的应力值为止，从而实现钢轨拉应力均匀化的目的。本作品可快速高效地完成无缝铁
13、路应力放散作业，检测控制系统的设置使整个放散作业质量更高，精确度更好。又由于小车体积小，质量轻，自动化程度高，大大减少了作业人员的数量和劳动力。它是一种可以广泛应用于无缝铁路铺设和维护时应力放散作业的新型方法及专用设备。夹紧装置冲击单元检测控制系统小车车体2.5 主要技术参数的设定图2.3 系统组成图经上海调研得到相关设计参数如下： 1）人工撞轨频率为0.31.0Hz；2）小车能够产生的撞击力约为30kN；3）小车车体与夹具总重400kg；4）车体总长3m，宽0.3m。经实地考察，结合工人意见，应力放散装置可做如下改进：1) 应力放散效率及质量应提高；2）车体总重应适当减轻，体积相应减小；3）
14、装备结构应得到优化。结合调研情况与现有技术水平，进行了相关理论分析与模拟验算。第3章 相关参数及结构的模拟仿真验算通过对方案的初步设想与实地考察，确定了设备的总体方案有一定的实际使用意义，为了进一步验证设计的准确可靠性，本章将从实体建模，模态分析和动力学、运动学仿真三个方面来分析。3.1 三维实体模型建立根据系统原理设计及采样参数分析，应用solidworks建立装置的三维模型。主要包括车体、夹具等零部件的装配及冲击动作循环的动画模拟。装备的总体三维模型图如图3.1所示：图3.1 总体三维模型图3.2 撞轨频率模态分析参照图3.2所示，为了使冲击式气液增压缸产生满足铁轨激振频率要求的冲击力，利用ANSYS软件对钢轨频率进行了一系列模态分析，图3.2显示的是前4阶的模态分析情况。由表1可见，随着阶数的增加，频率逐渐增大。结合现有应力放散设备的工作频率和相关的撞轨系统在各阶模态下的响应情况分析实验，得出符合该作品专用设备的激振频率值为0.31.0Hz，需施加的激振力约为1216kN。第一阶
