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機械原理中機構的定義范文第1篇

人才培養(yǎng)模式受到本國社會、經濟和科技的發(fā)展以及歷史文化背景等多種因素的制約和影響。不同的教育理念和培養(yǎng)模式支配著相應的教學內容的調整,教學資源的配備以及教學方法的改革。專業(yè)知識的傳授是教育的主要內容之一,而創(chuàng)新意識、思維和能力的開發(fā)、培養(yǎng)則是教育更本質,更核心的內容。創(chuàng)新意識、思維與能力的培養(yǎng)是提高人才培養(yǎng)質量工作中不可回避的問題,也是對教學改革的深層次研究與探索。因此在教學中,不應出現重書本輕實踐、重知識輕能力、重傳授輕創(chuàng)新的情況,而應是“基礎、實踐、創(chuàng)新”教育的和諧統(tǒng)一。機械原理課程屬于機械專業(yè)的學科基礎課,通過對當前社會的人才需求進行分析,結合其課程以及授課對象的特點,從教學內容、教學方法、教學手段等幾個方面對機械原理教學的創(chuàng)新模式進行探討和詮釋。

一、教學內容的創(chuàng)新

創(chuàng)新教育的目的就是培養(yǎng)和提高受教育者的創(chuàng)新素質和創(chuàng)新精神。要實現此目的,首先從改變教學內容入手,重視介紹學科發(fā)展的新動態(tài)、新方向、新內容,注重激勵學生的學習欲望,調動學生的積極性,讓學生了解更多更新的理論、技術與方法。例如,在緒論部分的講述中,以往的內容主要是針對本課程的研究對象、基本概念、課程的地位和作用以及本課程的學習方法等展開的。但是,為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識,調動學生的創(chuàng)新積極性,除了經典部分的闡述外,還有必要結合現代科學技術的飛速發(fā)展,重點闡述機械原理學科的發(fā)展動向。如在機構的結構理論發(fā)展發(fā)面,可以讓學生了解:為了廣泛應用機電一體化技術,當今社會也迫切希望開展包括對液壓、電磁、光電等非機械傳動元件的廣義機構設計。在對機構的平衡問題進行介紹時,引申到機構的動力學研究,進而讓學生了解到大型機械設備的故障診斷和在線監(jiān)測都是現代研究者關注的重點。有意識地將一些機械原理學科前沿的研究引入教學內容中,如微型機械的研究,它不是將傳統(tǒng)的機械直接微型化,而是已經遠遠超出了傳統(tǒng)機械的概念和范疇,是涉及多學科的綜合技術的應用,也推動了處于機械原理學科前沿的微型機構學分支的產生。結合一些相關視頻資料,學生在課堂上獲取到這些知識的同時,興趣也被調動了起來,拓寬了知識面和視野。讓學生意識到“創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂,是國家興旺發(fā)達的不竭動力”,“一個沒有創(chuàng)新能力的民族,難以屹立于世界民族之林”[3]。

此外,在教學內容的創(chuàng)新改革中,還可以嘗試重心的轉移,強調創(chuàng)新設計能力的培養(yǎng),突出計算機的應用。教師在教學過程中逐漸實現淡化圖解計算分析,強化解析法內容的教學,進一步加強學生對機械系統(tǒng)設計的綜合認識。這種重心轉移體現在:由圖解法為主向解析法為主轉變,使計算理論與計算機技術統(tǒng)一起來,提高機構設計的效率和正確性;由手動設計計算向計算機自動計算轉變,提高學生計算機應用能力;由過去重機構分析計算向重機構綜合轉變,提高學生機構方案構思與設計創(chuàng)新能力和綜合應用知識解決實際問題的能力。在教學中不斷地營造創(chuàng)新環(huán)境,大大提高了學生的創(chuàng)新積極性。

二、教學方法的創(chuàng)新

教學方法應該能夠配和教學內容的改革。創(chuàng)新素質就是指由知識結構、智慧品質、人格品質三種成分有機結合構成的綜合素質。創(chuàng)新教育就是要培養(yǎng)具有這種綜合創(chuàng)新素質的學生。在當前課堂教學中,以知識傳授為主導的教學方法并未根本改變,教與學的關系是以教師為主導、為中心的,這種方式在某種程度上制約了學生的學習主動性及其創(chuàng)新潛能的發(fā)揮。在機械原理課程的教學方法上,應加強與學生的互動,要將以教師為主的“灌輸式”教學向以啟發(fā)式、問題式、討論式教學為主的新的教學方法轉變,讓學生從被動學習轉變?yōu)橹鲃訉W習,真正成為教學活動的主體。以學生為本的創(chuàng)新教育教學方法可以通過以下幾個方面來實現:鼓勵學生不迷信書本知識、不迷信權威觀點,敢于提出問題,無論課堂內外,對于任何問題都應多問幾個為什么。如對“極位夾角”的概念解釋,大部分教材上的定義是“搖桿處于兩極限位置時,相應的曲柄位置線所夾的銳角”。在教學中可以引導學生進行思考,對這個廣泛應用的定義提出質疑———是否所有的“極位夾角”都是銳角,是否有鈍角的情況存在,而不是直接給出學生更完善的定義。在這個過程中,學生開始學會發(fā)現問題,也開始嘗試如何自己解決問題。

鼓勵學生的求異思維和發(fā)散思維,開闊學生的思路。當然,創(chuàng)新離不開科學的根基,引導學生要堅持科學的思維,在提出自己獨特見解的同時,也應該能用科學的理論對其進行解釋和驗證。鼓勵學生多參加親身實踐,只有親自動手驗證了創(chuàng)新思維的正確性,才能真正達到創(chuàng)新的目的。機械原理是一門既有高度的抽象性,又有很強實踐性的課程。如機構運動簡圖、機構運動分析與力分析模型等都是從實際機械中抽象出來的,許多的概念需要通過動態(tài)過程才能得到準確描述。原來的教學方法大多通過教師手工繪制或將靜態(tài)圖展示給學生,教學效果并不理想。因此,現在的教學方法中采用多媒體手段教學,課件中涵蓋了豐富的三維動畫、趣味的圖片、簡潔的文字等。通過教師講解、動態(tài)演示與板書相結合的方式,使學生在學習中可直觀地了解機構的運動過程及其所具有的特性、產生的各種現象,加快了學生對諸如“死點”、“急回特性”等概念、原理的理解速度,激發(fā)起學生的好奇心,強化了直覺思維,加深了學生對這些概念所表達物理意義的理解程度。

三、教學手段的創(chuàng)新

在教學手段上,著重培養(yǎng)學生對機械系統(tǒng)的整體認識,注重學生的參與,與機械原理課程設計、機械原理創(chuàng)新實驗相結合,加強學生對所學基礎理論知識的理解。培養(yǎng)學生應用所學過的知識,獨立解決工程實際問題的能力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力,使學生得到一次較完整的設計方法的基本訓練。在機械原理課程設計中,教師通過介紹創(chuàng)新設計的方法和展示創(chuàng)造發(fā)明實例,啟迪學生創(chuàng)新的思維,讓學生了解設計過程,掌握設計方法。在設計過程中,能在認真思考的基礎上提出自己的見解,充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造性,不是簡單的抄襲或沒有根據的臆造。教師僅指明設計思路,主要啟發(fā)學生獨立思考。設計方案確定后,安排學生向小組成員介紹自己的方案,并與其他成員討論,這樣既提高了學生學習興趣,調動了學習主動性,又破除學生對創(chuàng)新設計的神秘感,有助于讓學生對自己的設計方案有全面的認識,使學生受益匪淺。

機械原理創(chuàng)新實驗是一個針對機械類或相關專業(yè)學生的開放性動手實驗。它是一個很好地培養(yǎng)學生主動學習能力、獨立工作能力、創(chuàng)造能力以及團隊協作能力的平臺。學生自己擬定、設計機構運動方案,根據機構組成原理對桿組進行拆分,再將構件正確拼裝實現機構的運動,這個過程就要求學生必須將所學的理論知識充分地運用到具體的實驗中去。例如,學生要設計并實現一個具有急回特性的送料機構,該機構就有多種搭建方案,實驗過程中學生首先提交自己根據要求擬定的設計方案,繪制該平面機構的運動簡圖,再計算所有的桿長、角度、位移等數據,然后在此基礎上將運動簡圖搭建為能夠正確運動的實驗機構。設計過程中學生將會接觸到機械原理的各大機構,也會進一步深入了解各大機構的運動特點,而搭建過程又會涉及到機械設計及零件的知識。將學生分為多組,同組學生共同擬定實驗方案、協同完成實驗,最后各自撰寫實驗報告。在設計和拼接過程中學生會遇到各種在理論學習中很少遇到的問題,在發(fā)現問題、解決問題的過程中學生各方面的能力也得到了很好的綜合培養(yǎng)。該創(chuàng)新實驗用問題法、探究式教育來培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科研能力,讓學生學習到了許多課本上學不到或曾經被忽略的知識,參加過創(chuàng)新實驗的學生都深有體會。

機械原理中機構的定義范文第2篇

關鍵詞： 機械基礎 網絡虛擬實驗 教學平臺

1.引言

機械基礎課程是近機械類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，具有理論與實際緊密聯系的特征。其中實驗教學是本門課程的重要組成部分，通過實驗強化理論聯系實際的能力。隨著高校的不斷擴招，學生人數眾多，原有實驗場地、儀器、實驗教師均不能滿足實驗要求，影響了教學效果，因此實驗改革勢在必行。

2.機械基礎實驗的特點

根據教學大綱，機械基礎實驗包括：常用機構認知實驗、機構運動簡圖的測繪實驗、齒輪范成實驗和帶傳動實驗。常用機構認知實驗主要是展示常用結構的形式，分析其工作原理，包括連桿機構、凸輪機構、圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸輪、蝸桿、齒輪系和間歇運動機構等內容。機構運動簡圖的測繪實驗，為學生展示較為復雜的機構，像多桿機構、齒輪連桿組合機構、凸輪與連桿組合機構等。讓學生動手對這些機構進行測繪，繪制出機構運動簡圖，進行機構的結構分析，計算機構的自由度。該實驗可提高學生的繪圖能力，使其對機械結構分析有更深刻的認識，形成對現有機構進行分析的能力。齒輪范成實驗是演示范成法加工漸開線齒輪的基本原理及漸開線齒輪齒廓曲線的形成過程，通過齒輪范成儀進行模擬齒輪切削過程，學生了解齒輪加工方法，掌握齒輪加工時產生的根切現象，學會正確加工齒輪的方法。帶傳動實驗主要通過實驗驗證歐拉公式的正確性，使學生掌握摩擦傳動的特性。

3.實驗的虛擬實現

針對各實驗，教師先利用三維建模軟件如Solidworks、UG等進行機構的實體建模。然后利用三維建模軟件中的運動仿真模塊進行機構的運動仿真。在運動仿真中，可跟蹤零件的運動軌跡，分析各構件的運動情況。將各個視角的運動圖轉化成視頻文件，實驗時點擊相應視角，即可觀察機構運動情況。學生可以選擇機構運動的一個具置，用尺子測量機構的結構尺寸，用機構運動簡圖表述出機構，依據所畫機構運動簡圖進行自由度計算，進行結構分析。范成實驗進行演示，觀察根切產生的原因，熟悉產生根切現象齒輪的形狀，為實際工作中杜絕根切現象打下基礎。帶傳動實驗，調整帶輪包角，對帶施加初拉力，在臨界打滑的狀態(tài)，記錄刻度盤上的刻度緊邊拉力，驗證歐拉公式。最后完成實驗報告，上傳到教師郵箱。

虛擬實驗過程中最關鍵的是如何在網絡的框架下，完成建模零件的虛擬裝配，并且進行運動學仿真，檢查各零件的干涉現象。為實現以上目的，首先要進行各零件進行建模，利用三維有限元軟件如SolidWorks或UG進行各零件建模，如各種形狀的桿件、不同類型的齒輪、凸輪及間歇運動機構。然后進行裝配，利用軟件自帶功能，生成爆炸視圖效果，轉化成視頻文件，供學生從不同角度觀察復雜機構。更進一步，可以采用SolidWorks和3DMAX對機械組件進行實體建模；用CULT3D和JAVA結合對實體模型進行多視角處理，完成模型的平移、放縮、旋轉等功能；以VirTools和VSL（Virtools scripting Language）對動畫中的實體模型進行軌跡控制；最后用網頁技術將各種資源進行整合。利用SolidWorks運動仿真模塊進行機構的運動仿真，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構中零件的速度、加速度、作用力，建立各種復雜的實際系統(tǒng)仿真模型。為了設計的動畫和材質能夠形象地演示出零件的基本結構和工作過程。在3D Studio MAX動畫中，為模擬自然界中各種物體表現出來的千差萬別的材料質感，應從三個方面定義模型的色彩特征，即色彩、紋理模型及屬性。除定義幾何物體的色彩外，還需定義光的色彩及類型。而運動軌跡的設定，則是在系統(tǒng)機械零部件動態(tài)過程虛擬設計中，采用關鍵幀法來設計運動軌跡。首先在某些幀（稱為關鍵幀）預先設定好物體的位置及屬性，然后在這些關鍵幀之間進行樣條或線性插值來完成運動軌跡的設定。

采用Solidworks建立模型，完成了動態(tài)過程的設計后，要利用Cult3D對模型進行交互性設計，主要步驟：

（1）用3DMAX軟件建立三維場景，然后將其通過相應的Cult3D export plug-in轉換為Cult 3D（*.c3d）文件格式。模型經過3DMAX軟件進行轉化，導出模型到Cult 3D Designer作為交互設計的對象。

（2）用Cult 3D Designer把*.c3d打開，添加交互動作，并進行編輯。

（3）把制作好的文件保存為網頁格式文件，Project文件制作完成后進行壓縮就可以制作網頁接收文件（*.co），最后將*.co文件嵌入HTML網頁。

4.網絡平臺的搭建

虛擬實驗教學平臺面向教師、學生和實驗管理員三大類對象，他們分布在網絡終端，可以在任何使用TCP/IP連接網絡的地方使用這個系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Client/Server兩層結構，由本地虛擬實驗管理服務器和遠程客戶組成，平臺的網絡傳輸使它們通過局域網或者INTERNET連接成一個有機的整體。實驗的虛擬操作在學生本地機器上進行，而實驗的管理配置，教師對學生的實驗的教學交互則通過網絡來實現，相對于很多把實驗過程放在服務器上進行的平臺來說，本平臺減輕了服務器處理數據的壓力，同時在當今網絡帶寬沒有達到可能的時候，減少了系統(tǒng)內部之間信息的傳輸量，對網絡速度的限制減少，因此更適合廣大的大專院校使用，整個平臺的構成如下圖所示。

5.結語

機械基礎網路實驗系統(tǒng)不僅提供了良好的人機交互功能，而且提供了實驗教學的新思路，大大降低機械學科的教育成本，改善相關實驗的實訓環(huán)境，優(yōu)化教學過程，解決實驗教學活動中普遍存在的實驗設備不足、型號落后難以更新換代跟上科技發(fā)展的困難。實踐表明，虛擬實驗能節(jié)省教學資源，優(yōu)化教學過程，激發(fā)學生的學習興趣，有效提高教學質量。

參考文獻：

[1]高江紅.機械基礎課程虛擬實驗子系統(tǒng)的研發(fā)[J].南京工程學院學報（自然科學版），2003，1（1）：52.

[2]于英華，徐興強.基于Pro/ENGINEER2001的減速器虛擬裝配與運動仿真[J].機械設計與制造，2006（1）：103.

[3]江洪，陸利鋒，魏崢等.Solidworks動畫演示與運動分析實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

機械原理中機構的定義范文第3篇

同時還解釋了動瞬心線沿定瞬心線做無滑動的滾動，有利于學生加深理解，為瞬心線機構的分析設計提供幫助。

關鍵詞：動瞬心線 定瞬心線 瞬心線機構

Abstract：In view of the centrode problem of planar hinge four-bar linkage in the course of mechanical principle， method of graphic and analytic is applied to clearly show the drawing process of moving centrode and fixed centrode， as well as the trajectory equation of centrode in an analytic mode. The reason of moving centrode rolling without sliding along the fixed centrode is also explained in order to help student understand the theory， and design the centrode mechanism.

Key Words：moving centrode；fixed centrode；centrode mechanism

中圖分類號：TH112 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0213-01

1 問題的提出

針對機械原理課程教學過程中，學生對某些原理性的概念普遍感覺抽象難以理解的特點，通過合理安排課程設計內容，創(chuàng)新教學方法，啟發(fā)創(chuàng)造性思維，可采用課后小組討論、鼓勵多查找專業(yè)文獻等方式，加強對學生綜合分析問題能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本文以瞬心線為例，采用作圖法和解析法進行研究，幫助學生加深對概念的理解，以更好地分析和設計相關瞬心線機構。

2 瞬心線概念

由基本理論可知，瞬心的位置是隨兩構件的運動而變動的，它將在各自構件上形成一條軌跡，即為瞬心線。對于平面鉸鏈四桿機構ABCD，以AD為機架，兩個連架桿的瞬心以A/D為起始/終止點的為定瞬心線，以B/C為起始/終止點的為動瞬心線，而且動瞬心線沿著定瞬心線作無滑動的純滾動。

上述的描述晦澀難懂，給學生的理解帶來很大問題。下面將采用兩種方法，詳細闡述：

2.1 作圖法分析

根據已知條件，機架AD桿固定不動，連桿BC轉動，可以確定一條瞬心線即定瞬心線。同理采用機構倒置方法，將連桿BC作為機架，構件AD相對于新的機架的瞬心構成另一條瞬心線，即動瞬心線。作圖過程如圖1和圖2所示。

由于機架AD桿固定不動，2、3、4桿長度確定，并做相對轉動，因此定瞬心線與動瞬心線形狀不變。在畫動瞬心線時，無論1、3桿相對位置如何，2、4桿延長線的交點，即為兩條瞬心線重合點。同時在轉動過程中，1、3桿相對位置不同，所以其重合點的位置會發(fā)生變化。根據瞬心的定義可知，無論是動瞬心線還是定瞬心線，都表示1、3兩個桿件相對速度為零的軌跡，由于分析時機架選擇的不同，兩條瞬心線的轉動角速度不同，因此動瞬心線相對于定瞬心線做滾動。

2.2 解析法分析

假定在定瞬心線上任意取一點E，連線AE、DE，分別減去AB、CD，以B為圓心，B’E為半徑，以C為圓心，C’E為半徑分別作圓，交于點E’，于是根據靜瞬心線便可確定動瞬心線。即：

AE=AB+BE’

DE=DC+CE’

只要確定了靜瞬心線，就可以確定動瞬心線

下面確定定瞬心線的軌跡。以A為原點，為X軸，AD向上為y軸，則B點軌跡為：x2+y2=r2AB；C點軌跡為：（x-xD）2+y2=r2CD，則直線AB’方程：y=

因此，當已知時，可進一步化簡或利用計算機做出定瞬心線的軌跡曲線。

3 結語

本文通過采用作圖和解析兩種方法，詳細分析了平面鉸鏈四連桿機構的瞬心線問題，有利于加強學生對瞬心線這一抽象定義的理解，并進一步為瞬心線機構的創(chuàng)新設計打好基礎。

參考文獻

[1]朱孫科，羅天洪，鐘厲，等.機械原理課程教學方法探索與實踐[J].科技視界，2013（17）.

[2]黃小龍，劉相權.機械原理課程設計改革的研究與實踐[J].中國科技信息，2011（24）.

機械原理中機構的定義范文第4篇

關鍵詞 虛擬仿真；教學系統(tǒng)；matlab軟件

中圖分類號TH13 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）96-0136-02

在機械教學中，機械特性的教學占有很重要的位置，但是傳統(tǒng)的教學很大程度是經驗規(guī)律的傳授，很難使學生形成直觀和具體的切身體驗，效果不是很好。

隨著現代仿真技術的興起，各種各樣的仿真的技術和仿真方法的出現，使原來抽象的機械規(guī)律現象變得更加的直觀，在機械的教學中，四桿機構是一種典型的機械結構。而其特性的教學確是很難為學生掌握。主要的原因是四桿機構的運動形式不直觀和運動的參數不直觀。使學生對四桿機構的認識停留在理論的簡單層次，不能很好的認識，更不能應用。針對這種情況，考慮設計一款軟件，既能實現四桿機構的運動形式的仿真，同時也能實現四桿機構運動物理參數的實施輸出。Matlab本身就以強大的數據處理能力著稱，simulink工具箱使機械機構的建模變得更為容易。

SimMechanics是Matlab仿真中的一個工具箱，同時結合Simulink、Matlab的功能。利用SimMechanics模塊框圖對機構運動進行建模和動態(tài)仿真。通過一系列關聯模塊來表示機構系統(tǒng)，在仿真時通過SimMechanics可視化工具將機構系統(tǒng)簡化為機構結構的直觀顯示。

SimMechanics模塊組提供了建模的必要模塊，可以直接在Simulink中使用。SimMechanics支持用戶自定義的構件模塊，可以設定質量和轉動慣量。通過節(jié)點聯接各個構件來表示可能的相對運動，還可以在適當的地方添加運動約束、驅動力。

物理仿真是一個發(fā)展的趨勢，現在做到的系統(tǒng)，最多只能是半沉浸式，最終的目標是物理仿真的完全沉浸式，并且實現實時的人機交互，給體驗者完全真實的環(huán)境，實現教學的體驗代替書本理論的時代。

參考文獻

[1]張劍平.現代教育技術——理論與應用.北京：高等教育出版社，2006：6-7.

[2]維基百科.虛擬現實.

[3]周建興.MATLAB從入門到精通.北京：人民郵電出版社，2008：4-6.

機械原理中機構的定義范文第5篇

關鍵詞：搗固裝置；鎬臂；受力分析；檢查預防

1 概述

根據國家中長期政策目標，最新《中長期鐵路網規(guī)劃》中提出：計劃到2020年前后，會建成投產大批標志性項目，鐵路網規(guī)模將達到15萬公里，其中高速鐵路超過3萬公里，覆蓋中國80%以上的大城市。目前，300km/h的高速鐵路多為無碴線路，200～250km/h的動車仍采用有碴軌道。隨著我國鐵路運輸逐步向高速重載方向發(fā)展，線路養(yǎng)護的重要性越來越凸顯出來，成為鐵路運輸的關鍵項目之一。

搗固車作為大型養(yǎng)路機械中的關鍵裝備，全國共有一千多臺。在我國線路上使用的主要車型有：DC-32搗固車、DCL-32連續(xù)走行搗固車、CDC-16道岔搗固車和DWL-48連續(xù)走行搗固穩(wěn)定車等。

搗固裝置是搗固車的主要工作裝置，也是該車的核心部件之一。其主要作用是打散板結道床，搗固鋼軌兩側的軌枕底部的道砟，提高軌枕底部道砟的密實度，并與起撥道裝置等配合作業(yè)，使軌道方向、左右水平和前后高低均恢復到線路設計標準的要求，增加了軌道的平順性和穩(wěn)定性，進而保證了列車安全運行。

2 搗固裝置的發(fā)展歷程

在上世紀五十年代以前，道砟搗固主要是通過大批人工用叉子、鐵鍬和搗鎬來完成的。每根軌枕都必須先用千斤頂等工具抬到預定高度，再用搗鎬等工具將道砟塞進軌枕的下方，以保證達到統(tǒng)一的高度。整個過程耗費了大量的人力物力，而線路的精度和耐久度卻無法保證。

隨著技術的發(fā)展，發(fā)明家們開始研究用機械取代人工進行線路搗固。1893年，埃文斯先生首先在美國的專利中介紹了一種機械裝置，這種裝置可以在軌道上行駛，使用許多把搗鎬將道砟推到軌枕下方。但這種裝置對整個軌枕下方都進行搗固，超出了所需的搗固范圍。

隨后，更多的發(fā)明家開始注冊了關于搗固機械的專利。1933年由舒切爾先生在瑞士注冊的一種作業(yè)裝置對現代搗固機械的產生最為重要。他的機構主要有兩種運動，一種是搗固工具的振動，這種振動由偏心機構生成；第二種運動是利用搗固工具的合緊，將道砟擠壓到軌枕的下方。整個機構可以作為整體來升起和下降，從而將搗鎬插入到道床中，并通過沖擊力將板結的道床打散，該機構靠電力驅動。

舒切爾先生的機構奠定了現代搗固裝置的結構基礎。1953年，奧地利的普拉薩?陶伊爾在此基礎上發(fā)明了一種新的搗固機械：PlasserVKR01型。該專利第一次提到由液壓作為機構的動力，驅動搗鎬的合緊動作。由于液壓的特性，可以在不同的搗鎬上產生同樣的合緊力，每個搗鎬都可以實現獨立的動作。這種搗鎬獨立動作被稱為異步搗固模式，這種搗固模式可以使道砟在軌枕下面的密實性更加均勻。目前，世界上主要有Plasser、MATIS、HTT三家公司生產搗固裝置，其中以Plasser公司生產的搗固裝置技術最為成熟，應用最為廣泛。

3 搗固裝置結構及工作原理簡介

3.1 搗固裝置的主要結構

雖然搗固裝置有多種型號，但他們的結構組成是相似的。以DCL-32型搗固裝置為例，搗固裝置主要由以下幾大部件組成（如圖1所示）：

（1）箱體部件。箱體屬于機架部分，由鑄鋼件和鋼板等零件焊接而成。其上安裝其他各部件，并承受各部件的作用力。

（2）振動軸部件。振動軸部件的作用是產生振動，主要由偏心軸和一系列振動軸承組成，安裝有單耳內油缸和叉形內油缸。

（3）油缸部件。油缸部件一方面與振動軸的偏心檔、鎬臂和箱體組成連桿機構，將振動軸偏心檔的旋轉轉化為鎬臂的搖擺振動，另一方面通過活塞桿的伸縮驅動鎬臂完成夾持動作。

（4）鎬臂部件。根據安裝位置的不同，分為內鎬臂和外鎬臂。鎬臂下部安裝有搗鎬，將振動力和加持力傳遞給搗鎬，同時承受搗鎬的反作用力。

（5）導柱部件。為搗固裝置的提升和下降動作提供導向。

（6）分配體部件。實際是一個由液壓油路和壓縮空氣管路組成的分配塊，將搗固裝置上各處液壓和氣動管路匯總，方便與整車接口。

（7）行程限制部件。通過調整油缸活塞桿的行程來改變搗鎬的下插位置，來適應不同的軌枕間距。

（8）支承臂及油箱部件。一方面為各稀油部位供油；另一方面作為飛輪罩，起到安全防護作用。

3.2 搗固裝置的工作原理

搗固裝置的工作原理主要分為兩方面：振動發(fā)生原理和異步穩(wěn)壓原理。

振動軸的直檔部分與箱體鉸接，偏心檔部分與油缸的一端鉸接，油缸的另一端與鎬臂的上端鉸接，鎬臂的中部與箱體鉸接。這樣，箱體、振動軸、油缸、鎬臂組成了曲柄搖桿機構，當振動軸做定軸旋轉時，連桿機構將偏心檔的圓周運動轉化成鎬臂的微幅擺動。此為搗固裝置的振動發(fā)生原理。

鎬臂的夾持動作是由液壓油缸來驅動的，根據液壓油路的特性，油缸產生的加持力是相同的。而線路各處的道砟疏密程度是不同的，所以道砟疏松的地方搗鎬所受阻力就小，搗鎬夾持速度就快，道砟密實的地方搗鎬所受阻力就大，搗鎬夾持速度就慢，此為異步原理。夾持動作最終結束時，搗鎬的夾持力與道砟的阻力實現平衡。由于各油缸的夾持力是相同的，所以線路各處道砟的阻力也是相同的，即密實效果是相同的，此為穩(wěn)壓原理。異步穩(wěn)壓原理的優(yōu)勢在于，通過液壓特性對搗鎬的夾持運動進行自動調整，最終使各處道砟達到相同的密實程度。

4 受力分析

4.1 搗固裝置動力學分析

動力學模擬用專業(yè)軟件ADAMS進行。考慮運算時間等其它因素，將內鎬臂、外鎬臂、內油缸、外油缸和偏心軸5個部件視為剛體，將箱體模擬為缺省系統(tǒng)坐標系。

建模時，內鎬臂、外鎬臂、內油缸、外油缸和偏心軸部件等屬性通過Body元素來定義，之間的銷軸連接等約束來定義，動力學模型如圖2，3所示。

偏心軸以35Hz的頻率進行旋轉運動，由于偏心2.5mm，所以機構產生周期性的振動。線路工況中一個工作周期的負荷變化分布圖4，表1所示，以此為根據，選取線路工況在總的里程中比例，編輯成完整的隨機載荷譜。

鎬臂銷軸孔節(jié)點的x向和y向分力時間載荷歷程如圖5所示。

4.2 鎬臂有限元分析

鎬臂承擔搗固裝置的傳遞所有作用力，而且其搗固工作狀態(tài)下環(huán)境更為惡劣，因此必須具備足夠的強度承受搗鎬搗固地面時作用于鎬臂靜載荷和動載荷。作為搗固裝置的重要工作部件，其強度直接關系到搗固車運行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性等。搗固裝置的鎬臂分為外鎬臂和內鎬臂。外鎬臂外觀平直，內鎬臂造型復雜，因而內鎬臂的內力情況更為復雜，應力集中情況更多。內鎬臂分為對稱內鎬臂和不對稱內鎬臂兩種，顯然不對稱內鎬臂的受力情況更為惡劣，故本節(jié)以不對稱內鎬臂為對象進行靜強度分析。

4.2.1 非線性有限元處理方法

鎬臂為低合金鑄鋼件，采用ANSYS中梁單元BEAM188模擬銷軸和只受壓不受拉的桿單元LINK180模擬鎬臂與鎬臂孔的連接，采用大變形計算方法。

4.2.2 單元介紹

BEAM188-3-D線性有限應變梁：

BEAM188適用于分析細長梁。各元素基于Timoshenko 梁理論。具有扭切變形效果。

BEAM188 是一個二節(jié)點三維線性梁。BEAM188在每個節(jié)點上有6或7個自由度，數目的變化，由KEYOPT（1）來控制。當KEYOPT（1）=0時，每個節(jié)點有6個自由度。分別沿x軸、y軸、z軸的位移及繞其軸的轉動。當KEYOPT（1）=1時，會增加一個自由度（即第七自由度翹曲量）。這個元素能很好地應用于線性（分析）中，大偏轉、大應力的非線性（分析）。

BEAM188包含了應力剛度，在默認的情況下，在某些分析中，用 NLGEOM來打開。當進行彎曲（flexural）、側向彎曲（lateral）、扭轉穩(wěn)定性（torsional stability）分析的時候，應力剛度是被打開的。

BEAM188能夠采用SECTYPE，SECDATA，SECOFFSET，SECWRITE和SECREAD來定義任何形狀的截面。彈性、蠕變、和塑性模型都是允許的（其中不考慮次截面的形狀）。

在整體（偏移）距離（不是單個元素）的情況下，記錄下這個比值是非常重要的。當懸臂梁受到向下的負載時，懸臂梁的向下負載會產生橫向切應變的一個估評。雖然這樣的結果還不能外推到所有的情況，卻可以作為指導。推薦細長比大于30時。

扭轉變形的St.Venant翹曲，決定了一個綜合狀態(tài)，它能使材料在屈服后的切應力變得平均。ANSYS不提供對橫截面上扭切分布情況的換算。所以，因扭轉負載引起的大的非彈性變形，應當進行討論。（ANSYS）會檢查并給出警告。在這種情況下，推薦用實體或殼模型來代替，在默認的情況下，BEAM188元素假設橫截面上的彎曲很小，可以被忽略（KEYOPT（1）=0）?？梢允褂肒EYOPT（1）=1，打開彎曲度的自由度。

LINK180――三維有限應變桿（或桁架）單元：

LINK180三維有限應變桿單元，是被廣泛應用的桿單元，用它可以模擬彈簧、纜索、連桿、桁架等。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓單元，每個節(jié)點都有三個自由度：沿節(jié)點坐標系X軸Y軸Z軸方向的平動。如同鉸接結構一樣，此單元不承受彎矩，具有蠕變、旋轉、塑性、大應變、大變形等功能。在默認的情況下，能進行任何假設分析，當用命令NLGEOM，ON的時候，LINK180單元的應力剛化效應開關被打開。同時該單元還具有各向同性塑性硬化、Hill（各向異性塑性）、動力塑性硬化、Chaboche（非線性塑性硬化）、彈性、以及蠕變等性能。僅受拉或僅受壓，桿單元詳見LINK10。

圖8給出了該單元的幾何圖形、節(jié)點坐標及單元坐標系。單元通過兩個節(jié)點、橫截面的面積（AREA）、單位長度的質量（ADDMAS）以及材料的屬性來定義。該單元的X軸是沿節(jié)點I到節(jié)點J的單元長度方向。LINK180單元允許通過改變截面面積來實現軸向伸長的功能。缺省時，單元的截面面積改變，但體積保持不變，即使變形后亦是如此，缺省值適用于彈、塑性分析。也可以通過設置KEYOPT（2），使截面面積保持不變（或剛性）。單元的結果輸出有兩種形式：

（1）包括所有節(jié)點解的節(jié)點位移；（2）附加的單元輸出，如圖9 Stress Output。

桿單元假定是一直桿，軸向載荷作用在末端，從桿的一端到另一端，均為同一屬性。桿長大于零，所以節(jié)點I和J不重合。面積大于零。假定溫度沿桿長線性變化，則：位移函數在桿上具有相同的應力。

在有限元的建模過程中，內鎬臂離散的節(jié)點數為：229762，單位個數為147946， 彈性模量為190GPa， 泊松比為 0.25。實體模型及有限元模型，如圖10所示。

4.2.3 靜強度計算工況及載荷的確定

搗固裝置在作業(yè)過程中，要經過搗固、保持和松開三種計算工況。各工況的載荷計算方法，通過ADAMS隨機載荷曲線的極限值，提取參數。作用于箱體上的作用力，方向和位置，如圖11（箱體機械載荷作用位置和方向），表2（工況載荷）所示。

低合金鑄鋼的機械性能見表3。為確保安全，取安全系數S=2.0，進行許用應力校核。

從圖12到圖17中可以看出，不同載荷工況最大von Mises應力均小于各區(qū)域對應的各材料許用應力，因此鎬臂滿足靜強度評定要求。載荷分別加載時，在三種工況下，最大von Mises應力均出現在鎬臂板與凸臺連接區(qū)域如圖18所示。

5 維護保養(yǎng)和檢查預防

裂紋對于鎬臂來說是較常見且對結構的強度造成較大影響的損壞方式。一方面在振動和沖擊的情況下本身容易產生疲勞裂紋，另一方面裂紋產生時極為隱蔽較難發(fā)現，一旦裂紋發(fā)展擴大將無法修復甚至在施工中直接斷裂。而其他損壞例如鉸接孔磨損和搗鎬安裝孔磨損對結構強度和施工都影響較小，而且大修時可進行修復。

因此，及時發(fā)現裂紋并進行修復處理可以減少設備的故障率，減少內鎬臂報廢的數量從而降低設備維護成本。

根據受力分析，裂紋可能發(fā)生在板形結構與塊形結構的交接位置。在日常維護保養(yǎng)時，應重點關注這些位置，發(fā)現裂紋及時上報和處理，以免裂紋進一步擴大，造成零件報廢和影響施工進度。在搗固裝置檢修時，需對以下位置進行磁粉探傷（見圖19）。同理推斷，需對對稱內鎬臂的相應位置進行磁粉探傷。

探傷發(fā)現裂紋后，檢查裂紋擴展情況，如果裂紋較淺，可進行焊補修復。但必須將裂紋打磨消除后（如圖20），才可進行焊補。如果裂紋擴展較深，難以打磨消除干凈，焊接無法滿足強度要求，鎬臂報廢。

6 結束語

搗固作業(yè)歷經了由人工作業(yè)發(fā)展到大型機械化作業(yè)的漫長過程，其結構和工作原理日趨成熟。但由于作業(yè)的工況惡劣，機構受力復雜，其機械部件難免出現損壞，鎬臂就是其中的一種。在搗固作業(yè)過程中，鎬臂不僅本身進行受迫高頻振動，還要承受下插時的沖擊力和加持時的彎矩。其中的內鎬臂由于外形結構比外鎬臂復雜，受力情況更為惡劣。

考慮到內鎬臂制造成本高，且在現場更換困難，需要在大修時盡可能多的發(fā)現問題并進行修復，以減少零件報廢，避免影響施工進度和現場維修，從而降低設備使用維護成本。使用有限元的方法對零件受力進行仿真計算，找到結構的薄弱之處，為探傷檢查的位置提供了理論指導。為同類產品的設計生產提供參考依據。

參考文獻

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