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参赛作品说明书

39
2020年4月19日
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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
科技创造制作A类
□科技创造制作B类

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），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，经过气源作用与控制，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。它是一种能够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。

无缝铁路应力放散方法及其设备研究报告

目 录
第1章 前 言 1
1.1 设计背景 1
1.2 作品的研究目的及意义 1
第2章 总体方案的确定 3
2.1 系统的工作要求 3
2.1.1 放散方法及设备构型必须考虑以下因素 3
2.1.2 放散方法及其设备的关键点 3
2.2 传统的应力放散方式 3
2.3 系统的设计理论基础 5
2.4 系统的组成部分 5
2.5 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 7
3.1 三维实体模型建立 7
3.2 撞轨频率模态分析 7
3.3 运动学及动力学仿真 9
第4章 设备总体设计 10
4.1 功能分析 10
4.2 结构设计 10
第5章 各功能部件的详细设计 12
5.1 小车车体的设计 12
5.2 冲击单元的设计 13
5.3 夹紧装置的设计 17
第6章 检测控制系统的设计 20
6.1 检测系统的设计 20
6.2 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，当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。中国的高铁技术虽然处于世界领先水平，可是长期以来，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，如中国创造专利《无缝线路应力放散撞轨装置》（申请号： 10242615.7 申请日： -08-02）所采用的，是由液压泵、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： 2869.5 申请日： -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
就当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经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
2.1.1 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，一端经过液压缸对其施加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，特别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，而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。

a

b

图2.1A 钢轨拉伸方法示意图
a-拉伸前；b-拉伸后

m
Mpa
L1
L2
Mpa
m

图2.1B 400t拉力作用下铁轨内应力分布规律示意图
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，经过气源作用与控制，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。它是一种能够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0.3～1.0Hz；
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）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
经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0.3～1.0Hz，需施加的激振力约为12～16kN。

第一阶 第二阶

第三阶 第四阶

图3.2 铁轨频率4阶模态分析图

表3.1 钢轨各阶频率分布情况

阶次
第一阶
第二阶
第三阶
第四阶
频率（Hz）
0.31
0.39
0.51
0.63

3.3 运动学及动力学仿真
运用solidworks进行运动学仿真，运用ANSYS进行动力学仿真。由仿真结果显示，采用此设计结构及模态分析的激振频率，调整各项参数值，装置能够完成设计要求的撞击动作，无运动干涉，并达到所需的放散效果。

经过装置三维模型的建立，撞轨频率模态分析及相关运动学及动力学仿真分析，按以下参数设计较为合理：
1）冲击式气液增压缸气源压力0.6～0.8MPa（以0.6MPa进行计算）；
2）增压缸预定位行程20mm，冲击行程20mm。
缸筒内径：80mm；活塞杆直径：40mm
3）小车总重：80～100kg。

第4章 设备总体设计
根据相关软件的分析结果及初步参数的确定，设备的总体设计相应成型，主要从功能分析和结构设计来描述。
4.1 功能分析
本设备主要包括小车车体，冲击式气液增压缸，夹紧装置和检测控制系统四大部分组成。夹紧装置经过螺栓固定在车体上，利用销钉对其定位，以防止作业过程中夹紧装置受到过大的撞击力而产生歪斜影响作业质量。冲击式气液增压缸用缸体支撑架支撑，并用螺栓紧固于车体上，同样，为了防止作业过程中冲击缸产生的强大冲击力使缸体发生滑移、歪斜，亦用销钉对缸体进行定位。同时，为了确保冲击式气液增压缸内力锤撞击过程的平稳性，在缸体与夹具体之间设计了导向支撑块，防止力锤弯曲和飞出。检测控制系统安放在侧板上，由气动三大件和钢轨应力监测单元组成，为了方便人工操作，侧板安装在车体两边，并预留有足够的操作调整空间，将各控制元器件均布两侧，这样不但美观，而且能使车体两侧受力平衡。
4.2 结构设计
参照图4.1A和图4.1B所示，本应力放散装置主要包括小车车体6，冲击式气液增压缸5，夹紧装置3和检测控制系统7四大部分组成。夹紧装置3经过螺栓11固定在车体6上，再利用销钉对其定位，以防止作业过程中夹紧装置受到过大的撞击力而产生歪斜影响作业质量。冲击式气液增压缸用缸体支撑架14支撑，并用四个螺栓13紧固于车体上，同样，为了防止作业过程中冲击缸产生的强大冲击力使缸体发生移位，歪斜，支撑架基座处装上两个销钉对缸体进行定位。同时，为了确保冲击式气液增压缸内力锤撞击过程的平稳性，在缸体与夹具体之间设计了导向支撑块4，防止力锤弯曲和飞出。检测控制系统安放在侧板2上，由气动三大件和铁轨应力监测单元组成，为了方便人工操作，侧板安装在车体两边，并在预留出人工调节空间的前提下，将各控制元器件均布两侧，这样不但美观，而且能使车体两侧受力更平衡。

图4.1 设备总体结构实体模型图

图4.1A 设备主视示意图
1－把手；2－侧板；3－夹紧装置；4－导向块；5－冲击式气液增压缸；6－小车车体；7－检测控制系统；8－车体拖运轮； 9－小车行走轮

图4.1B 设备俯视示意图
10－行走轮轮轴；11－夹具紧固螺栓；12－导向块紧固螺栓；14－缸体支撑架；15－检测系统支撑架紧固螺栓
第5章 各功能部件的详细设计
根据实际工作情况和总体方案的要求，设备由小车车体、冲击式气液增压缸、夹紧装置、检测控制系统组成。本章对各功能部件的详细设计主要从功能分析和结构设计两方面进行论述。
5.1 小车车体的设计
(1)功能分析
行走小车的车体由槽钢加工而成，小车包含有行走轮，车体拖运轮，防覆轮和小车把手几个部分。行走轮支撑并带动整个设备在钢轨上行走，把手和拖运轮方便车体在地面上的运输，防覆轮能够平衡车体的倾覆力矩，以保证作业时小车的平稳性。
(2)结构设计
参照图5.1A，图5.1B和图4.1B所示，车体318是用标准槽钢加工而成。车体主要包括行走轮13、15，防覆轮2、26，拖运轮6、22和把手11。其中行走轮轮轴14和防覆轮2、26的轮轴5、24分别是靠覆板9、19来连接的。将覆板9、19分别用螺栓7、8、20、21固定于车体两侧，用紧定螺钉10、17约束行走轮轮轴的轴向运动，再用紧定螺钉3、25约束防覆轮轴轴套4、24的轴向运动，即可实现三个轮轴的整体定位。行走轮是由两个塔轮13、15经过行走轮轴14连接而成。塔轮的轴向定位靠行走轮轴轴肩两侧的轴承12、16来实现，轴承两侧则只需用配套的卡簧卡紧即可。将行走轮做成塔轮的形状能够使轮与轨道的接触更可靠，减轻铁轨的局部应力集中，而且这种设计能降低整个装置的重心，提高作业和行走时车体的稳定性，另外还大大减轻了行走轮的重量，更经济，且美观。防覆轮主要是由轴承2、26，防覆轮轴5、23组成。两轴承（即防覆轮）的轴向定位靠轴肩与弹性挡圈来实现。防覆轮轴外端分别钻一个通孔，以便使用长销锁紧防覆轮，从而夹紧铁轨。防覆轮的设计主要是为了平衡整个车体（包括车体上的各个部件）的倾覆力矩，以确保作业时车体的稳定性。一段铁轨的应力放散作业完成后，松开防覆轮即可拖走设备进行下一段的作业。为了方便设备在地面上的托运，在轮轴5、23外端安装拖运轮6、22，并经过阶梯轴套4、24和外侧挡圈进行轴向定位，避免拖运轮6、22与覆板9,19产生运动干涉，确保其功能的可靠性。把手11的设计，则更方便了对小车的托运及起吊。

图5.1A 图5.1B
图5.1 防覆轮装配结构示意图
1、7－轴承垫圈； 2、6－防覆轮；3、10、17、25－紧钉螺钉；4、24－轴套；5、23－防覆轮轴；6、22－拖运轮；7、8、20、21－侧板螺栓；9、19－侧板；11－把手；12、16－行走轮轴承；13、15－行走轮；14－行走轮轴；18－小车车体
5.2 冲击单元的设计
(1)功能分析
冲击式气液增压缸是整个设备的核心部件，它与公知的气液增压原理的最大不同在于：此缸增设了一个腔体——冲击气缸，在相同的气源压力下，此冲击气缸能起到很大的增力作用，冲击力可达到未设冲击缸时的10倍左右，极大的提高了冲击效率。本作品所述的冲击式气液增压缸有七个密闭容腔，分别为两个液压油液腔和五个气压腔，其中冲击气压腔，起到冲击增力的作用。在控制气源作用下，该部件能够完成锤头回位-预定位-冲击的自动工作循环，能适应满足工况要求的冲击力和工作频率的要求，以提高撞轨效率和质量。
(2)原理分析
参照图5.2所示，夹紧装置夹紧铁轨以后，开通气源13（使用空气压缩机），使压缩空气经过空气过滤器14，减压阀15，油雾器17进入控制回路。开启手动换向阀11，由于此时缸内元件处于起始位置，冲击杆a的杆头压住行程阀6，使其开启，行程阀5未开启，则气源气体经过手动换向阀11上位进入行程阀6，控制二位五通气动换向阀12左位Y1开通，气源气体经过此换向阀，一方面经过i/o1口直接进入气液增压缸的IV腔推动活塞b向左缓慢运动，并利用II和III腔内油液的不可压缩性，同时推动冲击力锤a向左推进，以完成20mm的预定位行程（冲击杆靠近夹具）；另一方面，由于此时进入二位五通换向阀2右位的气体流量少，不足以使其右位开通，此时换向阀2处于左位，气体经过单向阀10，经过二位五通换向阀2的左位，由i/o3口进入VII腔。由于冲击缸VII的调定压力为0.6Mpa，VI腔内的气体已由i/o2口排出，预定位过程中，冲击缸VII内的压力小（完成0.1Mpa到0.6Mpa的增压过程），仅经过连接VI腔和VII腔的小孔作用于活塞杆c上很小的面积处，不足以推动活塞杆c向左运动因此活塞杆c仍处于静止状态。冲击杆a完成预定位行程的同时，VII腔内的压力升高至调定值0.6Mpa，使气体瞬间冲入缸VI内，压力作用于整个活塞杆c的最大横截面积上，起到极大的增力作用，从而推动活塞杆使细杆端由油液腔III经过连接小孔进入II油液腔，并将两油液腔II和III分离，活塞杆杆头挤压油液腔II内的油液，由于油液的刚度较气体好得多，在受压过程中会产生静压力，并直接作用于冲击杆a上，当油液静压达到一定值后，将推动冲击杆产生瞬间的强大冲击力，以完成剩下的20mm的冲击行程（实现冲击动作）。此时行程阀5开启，控制换向阀12左位Y1开通的气体经行程阀5排入大气中，使换向阀12处于右位（弹簧复位）。气体经换向阀12右位一方面分别经单向阀7和单向阀9由i/o4口和i/o5口进入I腔和V腔，同时推动冲击杆a和活塞杆c往回走，另一方面，气体经单向阀4使换向阀2右位Y2开通，则VII腔内的气体经换向阀502右位排出，VI腔内的气体从i/o2口排出，IV腔内的气体经换向阀512右位排出，II腔内多余的油液可直接回油箱。以此完成了一个周期的撞击动作。撞击频率可经过调整两行程阀5、6之间的距离来选定。如此重复循环以上动作，便可达到周期振动式撞击铁轨的目的。而且整个过程只需人力开启气源13和启动开关11即可，操作方便，作业质量也得到了极大的保证。

图5.2 冲击式气液增压缸工作原理图
1－缸体；2、12－三位五通换向阀；3、8－节流阀；4、7、9、10－单向阀；5、6－行程控制阀；11－手动换向阀；13－气源；14－空气过滤器；15－减压阀；16－气压表；17－油雾器
(3)结构设计
参照图5.3所示，冲击式气液增压缸包括冲击力锤5，活塞9和增力活塞杆13 。缸内分成7个腔，腔8为油液腔，其它腔充入的是气体。气体腔和油液腔8由冲击力锤5隔开，两油液腔由带孔法兰盘3连接，依次类推，法兰盘用以隔离相邻的两腔体。为了确保缸体的密封性，在每个法兰盘与缸体4接触的地方安装密封圈10，法兰盘内侧安装Y型密封圈。活塞9，增力活塞杆13和冲击力锤5圆周也安装相应的缓冲垫11。该冲击式气液增压缸的特色在于设计了冲击气缸14，它能起到很大的增力冲击作用，且利用气液配合作用，达到更好的冲击效果，又由于冲击过程是循环进行的，冲击频率由调节气体回路中的两行程阀间的距离来调定，从而实现了冲击力锤5周期振动式的冲击撞轨动作。

图5.3 冲击式气液增压缸结构图
1－锤头；2－紧钉螺钉；3－法兰盘；4－缸体；5－冲击力锤； 6－导向片；7－油口8－油液腔；9－活塞；10－密封圈；11－缓冲垫；12－气口；13－增力冲击杆；14－冲击气缸

参照表5.1，可得冲击式气液增压缸有关工作参数：在气源提供0.6Mpa压力的情况下，油液的工作压力可达到2.4Mpa，作用在直径40mm的冲击杆上可达到撞击力12KN，且预定位时间0.7s，冲击时间（包括油液静压逐渐增大的时间）2.0s，回程时间0.6s，整个周期0.7s+2.0s+0.6s=3.3s与铁轨受400t拉力作用下的频率值0.3～1.0Hz可调相吻合，在满足冲击力要求的条件下，能使铁轨达到激振效果，即无需提供很大的冲击力，就能使钢轨产生幅值较大的振动，从而使钢轨内部应力均匀化。

表5.1 冲击式气液增压缸的工作参数
气源压力（MPa）
0.6～0.8
预定位行程（mm）
20.0
冲击行程（mm）
20.0
冲击压力（MPa）
2.4～3.2
撞击力（kN）
12.0～16.0

具体计算：
气源压力为0.6MPa，气缸内径D为80mm，活塞杆直径d为40mm。活塞的总行程L为40mm（分为预定位行程和冲击行程）。因此气缸内径的截面面积,活塞杆的截面面积。
下图是冲击式气液增压缸的简图如图5.4所示：

图5.4 气液增压缸的简图
将缸体分为7个腔，如上图所示，d腔进气，活塞2推动油液使活塞杆1运动20mm。此时，锤头已经靠紧夹具上的砧座，即完成了20mm的预定位行程。d腔的长度设为L,根据体积相等原则。
，取为27mm，末端预留3mm，以便油液流动和缓冲，故d腔的总长度为30mm。
当冲击缸g达到冲击所需压力后，g腔中的气体将推动活塞杆3向前运动实现冲击动作，这里当我们考虑活塞杆1的和活塞2的回程时，将发现活塞杆1回程到位之后，活塞2回程不到位（因为回程时a腔和c腔的通流截面相等，而活塞杆1需要回程20mm，活塞2则需要回程27mm）。因此在活塞杆3进入密封前（将b腔和c腔的油液隔开），活塞2需要先回程(27-20)=7mm。因为活塞杆1上的锤头已经靠紧夹具，其不能够有位移，因此活塞杆3向前运动时挤压的油液将推动活塞2向左运动7mm，此时活塞杆3需要运动的距离为。
当活塞杆3的端部进入密封，b腔和c腔的油液被隔开，便开始增压，由于冲击动作，活塞杆3再向前运动将使油液压缩，产生高压。液体的可压缩性方程;
(一般取700MPa～1000MPa)
代入计算可知，此时当活塞杆3再向前运动1mm，将使油液压强达到3.6MPa。因此我们给其准备5mm的行程空间。即f腔的长度为(21+5)=26mm。
a腔的长度为20mm的预定位行程加上10mm的预留量，总和30mm。考虑运动周期以及前面的计算，将冲击腔（即g腔）的长度定为40mm。
因为我们由ANSYS分析得出来的频率为0.3HZ左右，因此周期T为3.33S。将周期分为三个部分(预定位时间，蓄能冲击时间和回程时间)，可根据这三个部分耗气量的比值来分配时间，计算能够知道时间分别为0.7s 2.0s 0.6s。流量。这里计算的是理论流量，实际流量要比此值大，实际流量q=(1.2～1.5)q=13.5，单位为L/min。
由q=A﹒V来计算进排气口管径（V为气体速度，一般取为10～25m/s）,综合考虑取进排气口管径为6.5×10mm（6.5mm为内径，10mm为外径）。
当活塞杆3的端部进入密封后，开始增压，由平衡条件知：
P(气)A1=P(液)A2，因此P（液）=4x0.6=2.4MPa。于是冲击式气液增压缸产生的冲击力。由于冲击惯性等原因，油液将受一定的压缩，因此实际产生的力比这个计算值要大。
5.3 夹紧装置的设计
(1)功能分析
夹紧装置主要由夹具体，三个夹紧活块，三根夹紧螺杆，三个锁紧螺母，一个砧座组成，主要是采用螺旋锁紧的方式，能够实现比现行使用的楔形块夹紧更大的增力比，而且更方便夹具的松紧，再配套力矩扳手使用，能更好地控制旋紧力，从而满足撞击力所需的夹紧力要求，解决了现行方法需要依靠工人经验估测夹紧力的问题。
(2)结构设计
参照图5.5A所示，夹紧装置包括夹具体605，侧面活块1,17，上活块12和砧座18。夹具体用6、13和与之对称的四个螺栓紧固于车体上。夹具体对铁轨的夹紧是先用两侧螺栓3、15，上面螺栓10的对铁轨进行螺旋夹紧，然后再用锁紧螺母9、4、14锁紧相应螺栓，由于作业所需的夹紧力较大，若直接在夹具体上打螺栓孔，多次使用后夹具体必会有变形和磨损，就需要将整个夹具体都更换掉，这样很浪费财力和人力。为了避免这样的问题出现，本夹紧装置设计了活块1、17、12和衬套2、16、8。其中侧面活块1、17设计成如图5.5A所示带支撑脚的形状，插入如图5.5C所示的窄槽23内，这样不但保证了活块插入夹具体后的竖直方向的定位，而且在夹紧的过程中，窄槽23对活块1、16的支撑脚有约束作用，产生附加的夹紧转矩，巩固夹紧效果。用螺栓10使上活块11与长螺栓610底部形成松连接（活块12受压紧力时，螺栓11仍为松动状态），解决了上活块的安放问题。衬套2、16和8的设计则避免了直接在夹具体上攻螺纹而带来的受力变形磨损后不易更换的问题。衬套内壁攻螺纹，外壁则设计成如图5.5D所示的形状，上下两边铣平，与如图5.5C所示夹具体上的通槽21啮合，以防止松、紧螺栓时衬套的周向转动，其它外表面仍保持衬套原有的圆柱面，可减少加工量。另外，为了防止夹具体5因多次撞击受损，在夹具体5受冲击力的一侧安装如图5.5B所示的砧座18，砧座略比夹具体端面突出，可减少砧座变形对夹具体的影响。拆卸时扭松砧座18上的内六角螺栓19，即可顶开砧座，进行更换。整个装夹过程是先将装有砧座的夹具体放在铁轨上，再将两侧活块插入夹具体与铁轨之间的空间内，定位好，用专用的力矩扳手按调定夹紧力旋紧三个螺栓10、3、15，并旋紧锁紧螺母4、9、14，即可完成撞击前的夹紧工作。作业完成后，松开螺母4、9、14和螺栓3、10、15，抽出侧面活块1、17，利用活块上的链条悬挂于夹具体上。
具体计算：
增压后油液的压强增大，产生的对夹具的冲击力将大于12KN,且考虑安全问题，取安全系数S为2.5，静摩擦系数f=0.15～0.20。f﹒F=2.5x12kN
因此总夹紧力为150kN。因为夹紧力由5跟螺栓共同产生的，因此每根螺栓需要产生的夹紧力为30KN。校核夹紧螺栓的强度：

经校核，夹紧螺栓的强度是符合工况要求的。

图5.5A 夹紧装置主、左视图

图5.5C 夹具上轴套2的套头外形图
图5.5B 夹具体左视图

1、12、17－夹紧活块；2、8、16－轴套；3、9、15、25－锁紧螺栓；4、9、14－锁紧螺母；5－夹具体；6、12、11、19、24－紧固螺栓；7、22－紧钉螺钉；1

第6章 检测控制系统的设计
为了使应力放散效果更佳，对工作循环控制更准确，检测控制系统的设计是十分关键的，本章分别从检测系统和控制系统两方面来介绍。
6.1 检测系统的设计
应力检测装置主要用应力传感器检测间隔相同的每段钢轨在放散作业过程中的应力变化状态，经过所测应力值（各段应变片所示应力值是否相等；应力值的绝对大小与当地钢轨满足工况要求的应力指标进行比较）来确定应力放散作业是否达到放散要求，实现对整个放散作业过程的实时监测与控制。相比现行划线法而言测量更精确。
拉伸钢轨
应力值
显示
应力值指标
撞击钢轨
停止撞击

图6.1 检测控制原理图
6.2 控制系统的设计
控制系统主要包括冲击式气液增压缸各气动元件对冲击动作的控制协调及撞击频率的调节。已有技术中有用到电控的，但控制不稳定，影响系统的动作精度。具体动作如下：
如图6.2所示，开通气源13，使压缩空气经过空气过滤器14，减压阀15，油雾器17进入控制回路。开启手动换向阀11，由于此时缸内元件处于起始位置，冲击杆a的杆头压住行程阀6，使其开启，行程阀5未开启，则气源气体经过手动换向阀11上位进入行程阀6，控制二位五通气动换向阀12左位Y1开通，气源气体经过此换向阀，一方面经过i/o1口直接进入气液增压缸的IV腔推动活塞b向左缓慢运动，并利用II和III腔内油液的不可压缩性，同时推动冲击力锤a向左推进，以完成预定位行程；另一方面，由于此时进入二位五通换向阀2右位的气体流量少，不足以使其右位开通，此时换向阀2处于左位，气体经过单向阀10，经过二位五通换向阀2的左位，由i/o3口进入VII腔。由于冲击缸VII的调定压力为0.6Mpa，VI腔内的气体已由i/o2口排出，预定位过程中，冲击缸VII内的压力小，仅经过连接VI腔和VII腔的小孔作用于活塞杆c上很小的面积处，不足以推动活塞杆c向左运动因此活塞杆c仍处于静止状态。冲击杆a完成预定位行程的同时，VII腔内的压力升高至调定值0.6Mpa，使气体瞬间冲入缸VI内，压力作用于整个活塞杆c的最大横截面积上，起到极大的增力作用，从而推动活塞杆使细杆端由油液腔III经过连接小孔进入II油液腔，并将两油液腔II和III分离，活塞杆杆头挤压油液腔II内的油液，由于油液的刚度较气体好得多，在受压过程中会产生静压力，并直接作用于冲击杆a上，当油液静压达到一定值后，将推动冲击杆产生瞬间的强大冲击力，以完成剩下的20mm的冲击行程。此时行程阀5开启，控制换向阀12左位Y1开通的气体经行程阀5排入大气中，使换向阀12处于右位。气体经换向阀12右位一方面分别经单向阀7和单向阀9由i/o4口和i/o5口进入I腔和V腔，同时推动冲击杆a和活塞杆c往回走，另一方面，气体经单向阀4使换向阀2右位Y2开通，则VII腔内的气体经换向阀502右位排出，VI腔内的气体从i/o2口排出，IV腔内的气体经换向阀512右位排出，II腔内多余的油液可直接回油箱。以此完成了一个周期的撞击动作。如此重复循环以上动作，便可达到周期振动式撞击铁轨的目的。而且整个过程只需人力开启气源13和启动开关11即可，操作方便，作业质量也得到了极大的保证。撞击频率经过调整两行程阀5和6之间的距离来调定。

图6.2 冲击式气液增压缸工作原理图
1－缸体；2、12－三位五通换向阀；3、8－节流阀；4、7、9、10－单向阀；5、6－行程控制阀；11－手动换向阀；13－气源；14－空气过滤器；15－减压阀；16－气压表；17－油雾器

第7章 本设备应力放散工作流程
综合以上对本作品配套设备结构及其原理的详述及其铁轨应力分布规律的分析，结合图7.1所示应力放散工作流程图所示，本作品所涉及的具体应力放散方法为：首先分析需进行应力放散的铁轨所处的外界环境，根据当地铁轨所需的满足工况的应力指标，设定放散设备的撞击频率，如上所述，撞击频率主要经过调节冲击式气液增压缸两行程阀之间的距离来调定。选好相应工作参数后，在500m施工铁路上每隔一段距离贴上用以检测铁轨内部应力变化情况的应变片，然后在铁路中段250m处安装（包括车体的稳固与夹紧设备的装夹，此处由于夹具体是利用螺栓固定在车体上的，因此只需确保夹具将铁轨夹紧，车体在防覆轮的平衡下不发生侧向倾覆即可，无需另外将小车锁紧于铁轨上）本作品所涉及的专用设备，开通冲击式气液增压缸气源，气源压力为0.6Mpa,开启手动阀，使力锤在气液增压缸各阀的控制与缸内各元器件的相互作用下完成整个撞击过程的20mm预定位行程（力锤靠近夹具）和20mm的冲击行程。强大的冲击力的形成：冲击缸内气压由0.1Mpa升至0.6Mpa的过程中，由于气体压力不足以克服活塞杆与缸内壁的摩擦力及杆身与油液的粘性摩擦，活塞杆静止不动，当气压达到0.6Mpa时，压力能够克服各种摩擦，冲开活塞杆。原作用在活塞杆头极小面积处的压力瞬间全部作用于活塞杆的最大面积处，实现瞬间增力的作用。此时活塞杆细端进入油液腔，隔离两腔油液、，并对油液腔6内油液进行挤压，由于油液的刚性较气体而言好得多，油液受压产生的静压力直接作用于冲击杆上，当油液静压达到一定值时，冲击杆瞬间产生极大的冲击力，以实现对夹具的冲击动作。此时，夹具与钢轨处于夹紧状态，其摩擦力大于力锤所产生的冲击力，因此夹具受冲击会带动钢轨产生沿线方向的微位移，逐步实现应力的均匀化。另外，根据已调定的撞击频率与钢轨此时频率状态相符，夹具受冲击产生的一系列纵波沿铁路传播，使钢轨达到激振效果，使应力放散更均匀。本应力放散方法综合气液增压方式产生的强大冲击力及周期振动式的循环作业，使放散作业效率更高，质量更优。

布置检测元件
稳固车体
夹紧装置夹紧铁轨
插入活块

旋紧螺栓
锁紧螺母
开通气源
启动手动换向阀
冲击缸工作
预定位行程
活塞、冲击力锤推进
冲击行程
增力活塞杆快移
油液静压上升，冲击杆冲击
活塞，增力活塞杆，冲击力锤退回原位
结束作业
收起设备
观测应变片上的应力值是否满足工况要求
N
Y

图7.1 应力放散工作流程图

设计体会
从