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新型捣固装置设计及其电液激振器特性研究

作　者: 闵超庆
导　师: 龚国芳
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 捣固装置电液激振器阀芯旋转式四通高速换向阀微行程双作用液压缸虚拟样机模型有限元分析 MATLAB/Simulink 流场分析
分类号: U216.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

面对我国疆域辽阔,铁路密集,新线施工与旧线维修工作量巨大,大型养路机械发展成其必然。捣固车作为一种大型养路机械设备高效出色地完成线路维护与施工的任务,其核心设备为捣固装置。捣固装置通过夹持与夯实激振机构产生高频振动作用于道床石碴,促使石碴成其“石流”均匀、密实排布于轨枕之下,保证轨枕铺设质量从而利于高速列车平稳运行。目前捣固车市场基本被奥地利、瑞士和美国三国公司垄断,产品均采用机械式强迫振动技术实现捣固镐与石碴碰撞,结果必然会降低捣固镐寿命,加之国内捣固车核心技术的自主创新仍旧处于起步阶段,因此,实现捣固装置的创新设计有着举足轻重的意义。本文基于国际现有的捣固装置技术和存在的问题,提出了一种液压激振与夹持运动独立的新型捣固装置,该装置采用新型电液激振器实现高频振动。论文首先分析了新型捣固装置的工作原理；建立了装置虚拟样机并进行仿真,同时对新装置进行了有限元分析；基于新型捣固装置激振原理设计了一种阀芯旋转式四通高速换向阀和微行程双作用液压缸；利用MATLAB/Simulink对电液激振器系统动态特性进行研究；利用计算流体动力学软件对激振液压缸工作腔内部进行流场可视化分析；最后设计了新型电液激振器试验台并拟定试验方案。论文主要研究内容如下：第一章论述了捣固装置的研究背景、结构、分类及现有三种主要的捣固装置激振特点,随后讲述了捣固装置的国内外发展现状。同时基于捣固装置采用的电液激振技术,对电液激振技术进行相关文献的跟踪学习,最后提出了本课题的研究内容及研究意义。第二章提出了一种新型捣固装置并阐述其工作原理；基于CAX技术创建装置虚拟样机并进行运动学分析,研究装置结构尺寸与性能参数之间的规律,从而确定基于新型捣固装置电液激振器的主要设计参数包括激振力、幅值、频率；同时对新装置从静力学、模态及接触非线性等三个方面进行有限元分析,保证装置应用强度。第三章基于新型捣固装置提出了一种新型电液激振器,阐述了其工作原理并对其中的关键元件一阀芯旋转式四通高速换向阀和微行程双作用液压缸进行原理分析与设计。换向阀采用步进电机驱动阀芯旋转,设计转阀峰值流量250L/min,液压缸采用自动限位方式避免液压缸活塞与端盖碰撞,最大幅值8mm,最大输出激振力25kN。第四章在MATLAB/Simulink环境下,通过简化建立电液激振器理论模型,分析研究换向阀频率、阀口周向导通宽度及液压缸限位孔数量对电液激振器系统动态特性的影响,为进一步优化元件设计提供依据。第五章利用Fluent软件对高频激振液压缸进行内部流场可视化研究。通过选取液压缸不同位置处的不同截面,对压力场、速度场及流场流线进行分析,分析高频振动工况下液压缸工作腔内部流场是否产生气蚀、气穴及漩涡带来的噪声与能量损失,从而为液压缸内部结构优化提供依据。第六章基于验证电液激振器性能及元件结构参数对其影响,本文在浙江大学流体传动与机电系统国家重点实验室原有“985”工程元件测试试验平台上,设计并加工电液激振器试验台。论文对试验台的机械结构、液压系统、负载模拟系统、参数测量与数据采集系统进行了设计与选型,并拟定电液激振器性能测试试验方案。第七章总结了论文主要研究工作与成果,并对今后进一步研究工作作了论述。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
1 绪论  13-25
  1.1 选题背景  13
  1.2 捣固装置概述  13-19
    1.2.1 国内捣固装置发展历程  14-16
    1.2.2 国外捣固装置发展概况  16-19
    1.2.3 捣固装置发展趋势  19
  1.3 电液激振技术  19-23
    1.3.1 电液激振技术概述  19-22
    1.3.2 电液激振技术发展与研究现状  22-23
  1.4 课题研究意义及内容  23-24
    1.4.1 课题研究意义  23-24
    1.4.2 课题研究内容  24
  1.5 本章小结  24-25
2 新型捣固装置虚拟样机设计及有限元分析  25-48
  2.1 新型捣固装置工作原理  25-26
  2.2 新型捣固装置虚拟样机设计  26-34
    2.2.1 新型捣固装置捣固臂结构建模  27-30
    2.2.2 新型捣固装置激振机构建模  30-33
    2.2.3 新型捣固装置承载机构建模  33-34
  2.3 新型捣固装置运动学仿真  34-36
  2.4 新型捣固装置有限元分析  36-47
    2.4.1 静力学分析  37-41
    2.4.2 模态分析  41-45
    2.4.3 接触非线性分析  45-47
  2.5 本章小结  47-48
3 基于新型捣固装置电液激振器关键元件设计  48-66
  3.1 新型捣固装置电液激振器工作原理  48-49
  3.2 激振液压缸设计  49-61
    3.2.1 激振液压缸工作原理  49-52
    3.2.2 激振液压缸的结构设计  52-61
  3.3 阀芯旋转式四通高速换向阀设计  61-65
  3.4 本章小结  65-66
4 电液激振器系统动态特性研究  66-84
  4.1 概述  66
  4.2 电液激振器系统理论模型  66-73
  4.3 电液激振器系统动态仿真  73-75
  4.4 电液激振器系统动态特性研究  75-83
    4.4.1 不同的步进电机转速对系统动态特性影响分析  75-78
    4.4.2 不同数量的限位孔对系统动态特性影响分析  78-80
    4.4.3 不同的换向阀阀口周向导通宽度对系统动态特性影响分析  80-83
  4.5 本章小结  83-84
5 电液激振器激振液压缸流场分析  84-101
  5.1 流场分析概述  84
  5.2 不同运动位置下电液激振器液压缸流场分析  84-100
    5.2.1 流场仿真参数设置  84-85
    5.2.2 激振液压缸工作腔内部流场分析  85-100
  5.3 本章小结  100-101
6 电液激振器试验台设计及试验方案  101-109
  6.1 试验目标  101
  6.2 电液激振器试验台设计  101-107
    6.2.1 机械结构  102-103
    6.2.2 液压系统  103-104
    6.2.3 参数测量与数据采集系统  104-106
    6.2.4 负载模拟系统  106-107
  6.3 试验方案  107-108
    6.3.1 阀芯旋转式四通高速换向阀流量饱和测试试验  107
    6.3.2 电液激振器动态特性测试试验  107-108
    6.3.3 电液激振器系统参数与负载匹配试验  108
  6.4 本章小结  108-109
7 总结和展望  109-111
  7.1 论文总结  109-110
  7.2 工作展望  110-111
参考文献  111-116
作者简历及硕士期间研究成果  116

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