机械原理中机构的定义
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机械原理中机构的定义范文第1篇
人才培养模式受到本国社会、经济和科技的发展以及历史文化背景等多种因素的制约和影响。不同的教育理念和培养模式支配着相应的教学内容的调整,教学资源的配备以及教学方法的改革。专业知识的传授是教育的主要内容之一,而创新意识、思维和能力的开发、培养则是教育更本质,更核心的内容。创新意识、思维与能力的培养是提高人才培养质量工作中不可回避的问题,也是对教学改革的深层次研究与探索。因此在教学中,不应出现重书本轻实践、重知识轻能力、重传授轻创新的情况,而应是“基础、实践、创新”教育的和谐统一。机械原理课程属于机械专业的学科基础课,通过对当前社会的人才需求进行分析,结合其课程以及授课对象的特点,从教学内容、教学方法、教学手段等几个方面对机械原理教学的创新模式进行探讨和诠释。
一、教学内容的创新
创新教育的目的就是培养和提高受教育者的创新素质和创新精神。要实现此目的,首先从改变教学内容入手,重视介绍学科发展的新动态、新方向、新内容,注重激励学生的学习欲望,调动学生的积极性,让学生了解更多更新的理论、技术与方法。例如,在绪论部分的讲述中,以往的内容主要是针对本课程的研究对象、基本概念、课程的地位和作用以及本课程的学习方法等展开的。但是,为了培养学生的创新意识,调动学生的创新积极性,除了经典部分的阐述外,还有必要结合现代科学技术的飞速发展,重点阐述机械原理学科的发展动向。如在机构的结构理论发展发面,可以让学生了解:为了广泛应用机电一体化技术,当今社会也迫切希望开展包括对液压、电磁、光电等非机械传动元件的广义机构设计。在对机构的平衡问题进行介绍时,引申到机构的动力学研究,进而让学生了解到大型机械设备的故障诊断和在线监测都是现代研究者关注的重点。有意识地将一些机械原理学科前沿的研究引入教学内容中,如微型机械的研究,它不是将传统的机械直接微型化,而是已经远远超出了传统机械的概念和范畴,是涉及多学科的综合技术的应用,也推动了处于机械原理学科前沿的微型机构学分支的产生。结合一些相关视频资料,学生在课堂上获取到这些知识的同时,兴趣也被调动了起来,拓宽了知识面和视野。让学生意识到“创新是一个民族进步的灵魂,是国家兴旺发达的不竭动力”,“一个没有创新能力的民族,难以屹立于世界民族之林”[3]。
此外,在教学内容的创新改革中,还可以尝试重心的转移,强调创新设计能力的培养,突出计算机的应用。教师在教学过程中逐渐实现淡化图解计算分析,强化解析法内容的教学,进一步加强学生对机械系统设计的综合认识。这种重心转移体现在:由图解法为主向解析法为主转变,使计算理论与计算机技术统一起来,提高机构设计的效率和正确性;由手动设计计算向计算机自动计算转变,提高学生计算机应用能力;由过去重机构分析计算向重机构综合转变,提高学生机构方案构思与设计创新能力和综合应用知识解决实际问题的能力。在教学中不断地营造创新环境,大大提高了学生的创新积极性。
二、教学方法的创新
教学方法应该能够配和教学内容的改革。创新素质就是指由知识结构、智慧品质、人格品质三种成分有机结合构成的综合素质。创新教育就是要培养具有这种综合创新素质的学生。在当前课堂教学中,以知识传授为主导的教学方法并未根本改变,教与学的关系是以教师为主导、为中心的,这种方式在某种程度上制约了学生的学习主动性及其创新潜能的发挥。在机械原理课程的教学方法上,应加强与学生的互动,要将以教师为主的“灌输式”教学向以启发式、问题式、讨论式教学为主的新的教学方法转变,让学生从被动学习转变为主动学习,真正成为教学活动的主体。以学生为本的创新教育教学方法可以通过以下几个方面来实现:鼓励学生不迷信书本知识、不迷信权威观点,敢于提出问题,无论课堂内外,对于任何问题都应多问几个为什么。如对“极位夹角”的概念解释,大部分教材上的定义是“摇杆处于两极限位置时,相应的曲柄位置线所夹的锐角”。在教学中可以引导学生进行思考,对这个广泛应用的定义提出质疑———是否所有的“极位夹角”都是锐角,是否有钝角的情况存在,而不是直接给出学生更完善的定义。在这个过程中,学生开始学会发现问题,也开始尝试如何自己解决问题。
鼓励学生的求异思维和发散思维,开阔学生的思路。当然,创新离不开科学的根基,引导学生要坚持科学的思维,在提出自己独特见解的同时,也应该能用科学的理论对其进行解释和验证。鼓励学生多参加亲身实践,只有亲自动手验证了创新思维的正确性,才能真正达到创新的目的。机械原理是一门既有高度的抽象性,又有很强实践性的课程。如机构运动简图、机构运动分析与力分析模型等都是从实际机械中抽象出来的,许多的概念需要通过动态过程才能得到准确描述。原来的教学方法大多通过教师手工绘制或将静态图展示给学生,教学效果并不理想。因此,现在的教学方法中采用多媒体手段教学,课件中涵盖了丰富的三维动画、趣味的图片、简洁的文字等。通过教师讲解、动态演示与板书相结合的方式,使学生在学习中可直观地了解机构的运动过程及其所具有的特性、产生的各种现象,加快了学生对诸如“死点”、“急回特性”等概念、原理的理解速度,激发起学生的好奇心,强化了直觉思维,加深了学生对这些概念所表达物理意义的理解程度。
三、教学手段的创新
在教学手段上,着重培养学生对机械系统的整体认识,注重学生的参与,与机械原理课程设计、机械原理创新实验相结合,加强学生对所学基础理论知识的理解。培养学生应用所学过的知识,独立解决工程实际问题的能力,培养学生的创新设计能力,使学生得到一次较完整的设计方法的基本训练。在机械原理课程设计中,教师通过介绍创新设计的方法和展示创造发明实例,启迪学生创新的思维,让学生了解设计过程,掌握设计方法。在设计过程中,能在认真思考的基础上提出自己的见解,充分发挥自己的创造性,不是简单的抄袭或没有根据的臆造。教师仅指明设计思路,主要启发学生独立思考。设计方案确定后,安排学生向小组成员介绍自己的方案,并与其他成员讨论,这样既提高了学生学习兴趣,调动了学习主动性,又破除学生对创新设计的神秘感,有助于让学生对自己的设计方案有全面的认识,使学生受益匪浅。
机械原理创新实验是一个针对机械类或相关专业学生的开放性动手实验。它是一个很好地培养学生主动学习能力、独立工作能力、创造能力以及团队协作能力的平台。学生自己拟定、设计机构运动方案,根据机构组成原理对杆组进行拆分,再将构件正确拼装实现机构的运动,这个过程就要求学生必须将所学的理论知识充分地运用到具体的实验中去。例如,学生要设计并实现一个具有急回特性的送料机构,该机构就有多种搭建方案,实验过程中学生首先提交自己根据要求拟定的设计方案,绘制该平面机构的运动简图,再计算所有的杆长、角度、位移等数据,然后在此基础上将运动简图搭建为能够正确运动的实验机构。设计过程中学生将会接触到机械原理的各大机构,也会进一步深入了解各大机构的运动特点,而搭建过程又会涉及到机械设计及零件的知识。将学生分为多组,同组学生共同拟定实验方案、协同完成实验,最后各自撰写实验报告。在设计和拼接过程中学生会遇到各种在理论学习中很少遇到的问题,在发现问题、解决问题的过程中学生各方面的能力也得到了很好的综合培养。该创新实验用问题法、探究式教育来培养学生的创新意识和科研能力,让学生学习到了许多课本上学不到或曾经被忽略的知识,参加过创新实验的学生都深有体会。
机械原理中机构的定义范文第2篇
关键词： 机械基础 网络虚拟实验 教学平台
1.引言
机械基础课程是近机械类专业的一门重要专业基础课，具有理论与实际紧密联系的特征。其中实验教学是本门课程的重要组成部分，通过实验强化理论联系实际的能力。随着高校的不断扩招，学生人数众多，原有实验场地、仪器、实验教师均不能满足实验要求，影响了教学效果，因此实验改革势在必行。
2.机械基础实验的特点
根据教学大纲，机械基础实验包括：常用机构认知实验、机构运动简图的测绘实验、齿轮范成实验和带传动实验。常用机构认知实验主要是展示常用结构的形式，分析其工作原理，包括连杆机构、凸轮机构、圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗轮、蜗杆、齿轮系和间歇运动机构等内容。机构运动简图的测绘实验，为学生展示较为复杂的机构，像多杆机构、齿轮连杆组合机构、凸轮与连杆组合机构等。让学生动手对这些机构进行测绘，绘制出机构运动简图，进行机构的结构分析，计算机构的自由度。该实验可提高学生的绘图能力，使其对机械结构分析有更深刻的认识，形成对现有机构进行分析的能力。齿轮范成实验是演示范成法加工渐开线齿轮的基本原理及渐开线齿轮齿廓曲线的形成过程，通过齿轮范成仪进行模拟齿轮切削过程，学生了解齿轮加工方法，掌握齿轮加工时产生的根切现象，学会正确加工齿轮的方法。带传动实验主要通过实验验证欧拉公式的正确性，使学生掌握摩擦传动的特性。
3.实验的虚拟实现
针对各实验，教师先利用三维建模软件如Solidworks、UG等进行机构的实体建模。然后利用三维建模软件中的运动仿真模块进行机构的运动仿真。在运动仿真中，可跟踪零件的运动轨迹，分析各构件的运动情况。将各个视角的运动图转化成视频文件，实验时点击相应视角，即可观察机构运动情况。学生可以选择机构运动的一个具置，用尺子测量机构的结构尺寸，用机构运动简图表述出机构，依据所画机构运动简图进行自由度计算，进行结构分析。范成实验进行演示，观察根切产生的原因，熟悉产生根切现象齿轮的形状，为实际工作中杜绝根切现象打下基础。带传动实验，调整带轮包角，对带施加初拉力，在临界打滑的状态，记录刻度盘上的刻度紧边拉力，验证欧拉公式。最后完成实验报告，上传到教师邮箱。
虚拟实验过程中最关键的是如何在网络的框架下，完成建模零件的虚拟装配，并且进行运动学仿真，检查各零件的干涉现象。为实现以上目的，首先要进行各零件进行建模，利用三维有限元软件如SolidWorks或UG进行各零件建模，如各种形状的杆件、不同类型的齿轮、凸轮及间歇运动机构。然后进行装配，利用软件自带功能，生成爆炸视图效果，转化成视频文件，供学生从不同角度观察复杂机构。更进一步，可以采用SolidWorks和3DMAX对机械组件进行实体建模；用CULT3D和JAVA结合对实体模型进行多视角处理，完成模型的平移、放缩、旋转等功能；以VirTools和VSL（Virtools scripting Language）对动画中的实体模型进行轨迹控制；最后用网页技术将各种资源进行整合。利用SolidWorks运动仿真模块进行机构的运动仿真，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力，建立各种复杂的实际系统仿真模型。为了设计的动画和材质能够形象地演示出零件的基本结构和工作过程。在3D Studio MAX动画中，为模拟自然界中各种物体表现出来的千差万别的材料质感，应从三个方面定义模型的色彩特征，即色彩、纹理模型及属性。除定义几何物体的色彩外，还需定义光的色彩及类型。而运动轨迹的设定，则是在系统机械零部件动态过程虚拟设计中，采用关键帧法来设计运动轨迹。首先在某些帧（称为关键帧）预先设定好物体的位置及属性，然后在这些关键帧之间进行样条或线性插值来完成运动轨迹的设定。
采用Solidworks建立模型，完成了动态过程的设计后，要利用Cult3D对模型进行交互性设计，主要步骤：
（1）用3DMAX软件建立三维场景，然后将其通过相应的Cult3D export plug-in转换为Cult 3D（*.c3d）文件格式。模型经过3DMAX软件进行转化，导出模型到Cult 3D Designer作为交互设计的对象。
（2）用Cult 3D Designer把*.c3d打开，添加交互动作，并进行编辑。
（3）把制作好的文件保存为网页格式文件，Project文件制作完成后进行压缩就可以制作网页接收文件（*.co），最后将*.co文件嵌入HTML网页。
4.网络平台的搭建
虚拟实验教学平台面向教师、学生和实验管理员三大类对象，他们分布在网络终端，可以在任何使用TCP/IP连接网络的地方使用这个系统。该系统采用Client/Server两层结构，由本地虚拟实验管理服务器和远程客户组成，平台的网络传输使它们通过局域网或者INTERNET连接成一个有机的整体。实验的虚拟操作在学生本地机器上进行，而实验的管理配置，教师对学生的实验的教学交互则通过网络来实现，相对于很多把实验过程放在服务器上进行的平台来说，本平台减轻了服务器处理数据的压力，同时在当今网络带宽没有达到可能的时候，减少了系统内部之间信息的传输量，对网络速度的限制减少，因此更适合广大的大专院校使用，整个平台的构成如下图所示。
5.结语
机械基础网路实验系统不仅提供了良好的人机交互功能，而且提供了实验教学的新思路，大大降低机械学科的教育成本，改善相关实验的实训环境，优化教学过程，解决实验教学活动中普遍存在的实验设备不足、型号落后难以更新换代跟上科技发展的困难。实践表明，虚拟实验能节省教学资源，优化教学过程，激发学生的学习兴趣，有效提高教学质量。
参考文献：
[1]高江红.机械基础课程虚拟实验子系统的研发[J].南京工程学院学报（自然科学版），2003，1（1）：52.
[2]于英华，徐兴强.基于Pro/ENGINEER2001的减速器虚拟装配与运动仿真[J].机械设计与制造，2006（1）：103.
[3]江洪，陆利锋，魏峥等.Solidworks动画演示与运动分析实例[M].北京：机械工业出版社，2006.
机械原理中机构的定义范文第3篇
同时还解释了动瞬心线沿定瞬心线做无滑动的滚动，有利于学生加深理解，为瞬心线机构的分析设计提供帮助。
关键词：动瞬心线 定瞬心线 瞬心线机构
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
中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0213-01
1 问题的提出
针对机械原理课程教学过程中，学生对某些原理性的概念普遍感觉抽象难以理解的特点，通过合理安排课程设计内容，创新教学方法，启发创造性思维，可采用课后小组讨论、鼓励多查找专业文献等方式，加强对学生综合分析问题能力和创新能力的培养。本文以瞬心线为例，采用作图法和解析法进行研究，帮助学生加深对概念的理解，以更好地分析和设计相关瞬心线机构。
2 瞬心线概念
由基本理论可知，瞬心的位置是随两构件的运动而变动的，它将在各自构件上形成一条轨迹，即为瞬心线。对于平面铰链四杆机构ABCD，以AD为机架，两个连架杆的瞬心以A/D为起始/终止点的为定瞬心线，以B/C为起始/终止点的为动瞬心线，而且动瞬心线沿着定瞬心线作无滑动的纯滚动。
上述的描述晦涩难懂，给学生的理解带来很大问题。下面将采用两种方法，详细阐述：
2.1 作图法分析
根据已知条件，机架AD杆固定不动，连杆BC转动，可以确定一条瞬心线即定瞬心线。同理采用机构倒置方法，将连杆BC作为机架，构件AD相对于新的机架的瞬心构成另一条瞬心线，即动瞬心线。作图过程如图1和图2所示。
由于机架AD杆固定不动，2、3、4杆长度确定，并做相对转动，因此定瞬心线与动瞬心线形状不变。在画动瞬心线时，无论1、3杆相对位置如何，2、4杆延长线的交点，即为两条瞬心线重合点。同时在转动过程中，1、3杆相对位置不同，所以其重合点的位置会发生变化。根据瞬心的定义可知，无论是动瞬心线还是定瞬心线，都表示1、3两个杆件相对速度为零的轨迹，由于分析时机架选择的不同，两条瞬心线的转动角速度不同，因此动瞬心线相对于定瞬心线做滚动。
2.2 解析法分析
假定在定瞬心线上任意取一点E，连线AE、DE，分别减去AB、CD，以B为圆心，B’E为半径，以C为圆心，C’E为半径分别作圆，交于点E’，于是根据静瞬心线便可确定动瞬心线。即：
AE=AB+BE’
DE=DC+CE’
只要确定了静瞬心线，就可以确定动瞬心线
下面确定定瞬心线的轨迹。以A为原点，为X轴，AD向上为y轴，则B点轨迹为：x2+y2=r2AB；C点轨迹为：（x-xD）2+y2=r2CD，则直线AB’方程：y=
因此，当已知时，可进一步化简或利用计算机做出定瞬心线的轨迹曲线。
3 结语
本文通过采用作图和解析两种方法，详细分析了平面铰链四连杆机构的瞬心线问题，有利于加强学生对瞬心线这一抽象定义的理解，并进一步为瞬心线机构的创新设计打好基础。
参考文献
[1]朱孙科，罗天洪，钟厉，等.机械原理课程教学方法探索与实践[J].科技视界，2013（17）.
[2]黄小龙，刘相权.机械原理课程设计改革的研究与实践[J].中国科技信息，2011（24）.
机械原理中机构的定义范文第4篇
关键词 虚拟仿真；教学系统；matlab软件
中图分类号TH13 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）96-0136-02
在机械教学中，机械特性的教学占有很重要的位置，但是传统的教学很大程度是经验规律的传授，很难使学生形成直观和具体的切身体验，效果不是很好。
随着现代仿真技术的兴起，各种各样的仿真的技术和仿真方法的出现，使原来抽象的机械规律现象变得更加的直观，在机械的教学中，四杆机构是一种典型的机械结构。而其特性的教学确是很难为学生掌握。主要的原因是四杆机构的运动形式不直观和运动的参数不直观。使学生对四杆机构的认识停留在理论的简单层次，不能很好的认识，更不能应用。针对这种情况，考虑设计一款软件，既能实现四杆机构的运动形式的仿真，同时也能实现四杆机构运动物理参数的实施输出。Matlab本身就以强大的数据处理能力著称，simulink工具箱使机械机构的建模变得更为容易。
SimMechanics是Matlab仿真中的一个工具箱，同时结合Simulink、Matlab的功能。利用SimMechanics模块框图对机构运动进行建模和动态仿真。通过一系列关联模块来表示机构系统，在仿真时通过SimMechanics可视化工具将机构系统简化为机构结构的直观显示。
SimMechanics模块组提供了建模的必要模块，可以直接在Simulink中使用。SimMechanics支持用户自定义的构件模块，可以设定质量和转动惯量。通过节点联接各个构件来表示可能的相对运动，还可以在适当的地方添加运动约束、驱动力。
物理仿真是一个发展的趋势，现在做到的系统，最多只能是半沉浸式，最终的目标是物理仿真的完全沉浸式，并且实现实时的人机交互，给体验者完全真实的环境，实现教学的体验代替书本理论的时代。
参考文献
[1]张剑平.现代教育技术——理论与应用.北京：高等教育出版社，2006：6-7.
[2]维基百科.虚拟现实.
[3]周建兴.MATLAB从入门到精通.北京：人民邮电出版社，2008：4-6.
机械原理中机构的定义范文第5篇
关键词：捣固装置；镐臂；受力分析；检查预防
1 概述
根据国家中长期政策目标，最新《中长期铁路网规划》中提出：计划到2020年前后，会建成投产大批标志性项目，铁路网规模将达到15万公里，其中高速铁路超过3万公里，覆盖中国80%以上的大城市。目前，300km/h的高速铁路多为无碴线路，200～250km/h的动车仍采用有碴轨道。随着我国铁路运输逐步向高速重载方向发展，线路养护的重要性越来越凸显出来，成为铁路运输的关键项目之一。
捣固车作为大型养路机械中的关键装备，全国共有一千多台。在我国线路上使用的主要车型有：DC-32捣固车、DCL-32连续走行捣固车、CDC-16道岔捣固车和DWL-48连续走行捣固稳定车等。
捣固装置是捣固车的主要工作装置，也是该车的核心部件之一。其主要作用是打散板结道床，捣固钢轨两侧的轨枕底部的道砟，提高轨枕底部道砟的密实度，并与起拨道装置等配合作业，使轨道方向、左右水平和前后高低均恢复到线路设计标准的要求，增加了轨道的平顺性和稳定性，进而保证了列车安全运行。
2 捣固装置的发展历程
在上世纪五十年代以前，道砟捣固主要是通过大批人工用叉子、铁锹和捣镐来完成的。每根轨枕都必须先用千斤顶等工具抬到预定高度，再用捣镐等工具将道砟塞进轨枕的下方，以保证达到统一的高度。整个过程耗费了大量的人力物力，而线路的精度和耐久度却无法保证。
随着技术的发展，发明家们开始研究用机械取代人工进行线路捣固。1893年，埃文斯先生首先在美国的专利中介绍了一种机械装置，这种装置可以在轨道上行驶，使用许多把捣镐将道砟推到轨枕下方。但这种装置对整个轨枕下方都进行捣固，超出了所需的捣固范围。
随后，更多的发明家开始注册了关于捣固机械的专利。1933年由舒切尔先生在瑞士注册的一种作业装置对现代捣固机械的产生最为重要。他的机构主要有两种运动，一种是捣固工具的振动，这种振动由偏心机构生成；第二种运动是利用捣固工具的合紧，将道砟挤压到轨枕的下方。整个机构可以作为整体来升起和下降，从而将捣镐插入到道床中，并通过冲击力将板结的道床打散，该机构靠电力驱动。
舒切尔先生的机构奠定了现代捣固装置的结构基础。1953年，奥地利的普拉萨・陶伊尔在此基础上发明了一种新的捣固机械：PlasserVKR01型。该专利第一次提到由液压作为机构的动力，驱动捣镐的合紧动作。由于液压的特性，可以在不同的捣镐上产生同样的合紧力，每个捣镐都可以实现独立的动作。这种捣镐独立动作被称为异步捣固模式，这种捣固模式可以使道砟在轨枕下面的密实性更加均匀。目前，世界上主要有Plasser、MATIS、HTT三家公司生产捣固装置，其中以Plasser公司生产的捣固装置技术最为成熟，应用最为广泛。
3 捣固装置结构及工作原理简介
3.1 捣固装置的主要结构
虽然捣固装置有多种型号，但他们的结构组成是相似的。以DCL-32型捣固装置为例，捣固装置主要由以下几大部件组成（如图1所示）：
（1）箱体部件。箱体属于机架部分，由铸钢件和钢板等零件焊接而成。其上安装其他各部件，并承受各部件的作用力。
（2）振动轴部件。振动轴部件的作用是产生振动，主要由偏心轴和一系列振动轴承组成，安装有单耳内油缸和叉形内油缸。
（3）油缸部件。油缸部件一方面与振动轴的偏心档、镐臂和箱体组成连杆机构，将振动轴偏心档的旋转转化为镐臂的摇摆振动，另一方面通过活塞杆的伸缩驱动镐臂完成夹持动作。
（4）镐臂部件。根据安装位置的不同，分为内镐臂和外镐臂。镐臂下部安装有捣镐，将振动力和加持力传递给捣镐，同时承受捣镐的反作用力。
（5）导柱部件。为捣固装置的提升和下降动作提供导向。
（6）分配体部件。实际是一个由液压油路和压缩空气管路组成的分配块，将捣固装置上各处液压和气动管路汇总，方便与整车接口。
（7）行程限制部件。通过调整油缸活塞杆的行程来改变捣镐的下插位置，来适应不同的轨枕间距。
（8）支承臂及油箱部件。一方面为各稀油部位供油；另一方面作为飞轮罩，起到安全防护作用。
3.2 捣固装置的工作原理
捣固装置的工作原理主要分为两方面：振动发生原理和异步稳压原理。
振动轴的直档部分与箱体铰接，偏心档部分与油缸的一端铰接，油缸的另一端与镐臂的上端铰接，镐臂的中部与箱体铰接。这样，箱体、振动轴、油缸、镐臂组成了曲柄摇杆机构，当振动轴做定轴旋转时，连杆机构将偏心档的圆周运动转化成镐臂的微幅摆动。此为捣固装置的振动发生原理。
镐臂的夹持动作是由液压油缸来驱动的，根据液压油路的特性，油缸产生的加持力是相同的。而线路各处的道砟疏密程度是不同的，所以道砟疏松的地方捣镐所受阻力就小，捣镐夹持速度就快，道砟密实的地方捣镐所受阻力就大，捣镐夹持速度就慢，此为异步原理。夹持动作最终结束时，捣镐的夹持力与道砟的阻力实现平衡。由于各油缸的夹持力是相同的，所以线路各处道砟的阻力也是相同的，即密实效果是相同的，此为稳压原理。异步稳压原理的优势在于，通过液压特性对捣镐的夹持运动进行自动调整，最终使各处道砟达到相同的密实程度。
4 受力分析
4.1 捣固装置动力学分析
动力学模拟用专业软件ADAMS进行。考虑运算时间等其它因素，将内镐臂、外镐臂、内油缸、外油缸和偏心轴5个部件视为刚体，将箱体模拟为缺省系统坐标系。
建模时，内镐臂、外镐臂、内油缸、外油缸和偏心轴部件等属性通过Body元素来定义，之间的销轴连接等约束来定义，动力学模型如图2，3所示。
偏心轴以35Hz的频率进行旋转运动，由于偏心2.5mm，所以机构产生周期性的振动。线路工况中一个工作周期的负荷变化分布图4，表1所示，以此为根据，选取线路工况在总的里程中比例，编辑成完整的随机载荷谱。
镐臂销轴孔节点的x向和y向分力时间载荷历程如图5所示。
4.2 镐臂有限元分析
镐臂承担捣固装置的传递所有作用力，而且其捣固工作状态下环境更为恶劣，因此必须具备足够的强度承受捣镐捣固地面时作用于镐臂静载荷和动载荷。作为捣固装置的重要工作部件，其强度直接关系到捣固车运行的安全性、可靠性、稳定性等。捣固装置的镐臂分为外镐臂和内镐臂。外镐臂外观平直，内镐臂造型复杂，因而内镐臂的内力情况更为复杂，应力集中情况更多。内镐臂分为对称内镐臂和不对称内镐臂两种，显然不对称内镐臂的受力情况更为恶劣，故本节以不对称内镐臂为对象进行静强度分析。
4.2.1 非线性有限元处理方法
镐臂为低合金铸钢件，采用ANSYS中梁单元BEAM188模拟销轴和只受压不受拉的杆单元LINK180模拟镐臂与镐臂孔的连接，采用大变形计算方法。
4.2.2 单元介绍
BEAM188-3-D线性有限应变梁：
BEAM188适用于分析细长梁。各元素基于Timoshenko 梁理论。具有扭切变形效果。
BEAM188 是一个二节点三维线性梁。BEAM188在每个节点上有6或7个自由度，数目的变化，由KEYOPT（1）来控制。当KEYOPT（1）=0时，每个节点有6个自由度。分别沿x轴、y轴、z轴的位移及绕其轴的转动。当KEYOPT（1）=1时，会增加一个自由度（即第七自由度翘曲量）。这个元素能很好地应用于线性（分析）中，大偏转、大应力的非线性（分析）。
BEAM188包含了应力刚度，在默认的情况下，在某些分析中，用 NLGEOM来打开。当进行弯曲（flexural）、侧向弯曲（lateral）、扭转稳定性（torsional stability）分析的时候，应力刚度是被打开的。
BEAM188能够采用SECTYPE，SECDATA，SECOFFSET，SECWRITE和SECREAD来定义任何形状的截面。弹性、蠕变、和塑性模型都是允许的（其中不考虑次截面的形状）。
在整体（偏移）距离（不是单个元素）的情况下，记录下这个比值是非常重要的。当悬臂梁受到向下的负载时，悬臂梁的向下负载会产生横向切应变的一个估评。虽然这样的结果还不能外推到所有的情况，却可以作为指导。推荐细长比大于30时。
扭转变形的St.Venant翘曲，决定了一个综合状态，它能使材料在屈服后的切应力变得平均。ANSYS不提供对横截面上扭切分布情况的换算。所以，因扭转负载引起的大的非弹性变形，应当进行讨论。（ANSYS）会检查并给出警告。在这种情况下，推荐用实体或壳模型来代替，在默认的情况下，BEAM188元素假设横截面上的弯曲很小，可以被忽略（KEYOPT（1）=0）。可以使用KEYOPT（1）=1，打开弯曲度的自由度。
LINK180――三维有限应变杆（或桁架）单元：
LINK180三维有限应变杆单元，是被广泛应用的杆单元，用它可以模拟弹簧、缆索、连杆、桁架等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点都有三个自由度：沿节点坐标系X轴Y轴Z轴方向的平动。如同铰接结构一样，此单元不承受弯矩，具有蠕变、旋转、塑性、大应变、大变形等功能。在默认的情况下，能进行任何假设分析，当用命令NLGEOM，ON的时候，LINK180单元的应力刚化效应开关被打开。同时该单元还具有各向同性塑性硬化、Hill（各向异性塑性）、动力塑性硬化、Chaboche（非线性塑性硬化）、弹性、以及蠕变等性能。仅受拉或仅受压，杆单元详见LINK10。
图8给出了该单元的几何图形、节点坐标及单元坐标系。单元通过两个节点、横截面的面积（AREA）、单位长度的质量（ADDMAS）以及材料的属性来定义。该单元的X轴是沿节点I到节点J的单元长度方向。LINK180单元允许通过改变截面面积来实现轴向伸长的功能。缺省时，单元的截面面积改变，但体积保持不变，即使变形后亦是如此，缺省值适用于弹、塑性分析。也可以通过设置KEYOPT（2），使截面面积保持不变（或刚性）。单元的结果输出有两种形式：
（1）包括所有节点解的节点位移；（2）附加的单元输出，如图9 Stress Output。
杆单元假定是一直杆，轴向载荷作用在末端，从杆的一端到另一端，均为同一属性。杆长大于零，所以节点I和J不重合。面积大于零。假定温度沿杆长线性变化，则：位移函数在杆上具有相同的应力。
在有限元的建模过程中，内镐臂离散的节点数为：229762，单位个数为147946， 弹性模量为190GPa， 泊松比为 0.25。实体模型及有限元模型，如图10所示。
4.2.3 静强度计算工况及载荷的确定
捣固装置在作业过程中，要经过捣固、保持和松开三种计算工况。各工况的载荷计算方法，通过ADAMS随机载荷曲线的极限值，提取参数。作用于箱体上的作用力，方向和位置，如图11（箱体机械载荷作用位置和方向），表2（工况载荷）所示。
低合金铸钢的机械性能见表3。为确保安全，取安全系数S=2.0，进行许用应力校核。
从图12到图17中可以看出，不同载荷工况最大von Mises应力均小于各区域对应的各材料许用应力，因此镐臂满足静强度评定要求。载荷分别加载时，在三种工况下，最大von Mises应力均出现在镐臂板与凸台连接区域如图18所示。
5 维护保养和检查预防
裂纹对于镐臂来说是较常见且对结构的强度造成较大影响的损坏方式。一方面在振动和冲击的情况下本身容易产生疲劳裂纹，另一方面裂纹产生时极为隐蔽较难发现，一旦裂纹发展扩大将无法修复甚至在施工中直接断裂。而其他损坏例如铰接孔磨损和捣镐安装孔磨损对结构强度和施工都影响较小，而且大修时可进行修复。
因此，及时发现裂纹并进行修复处理可以减少设备的故障率，减少内镐臂报废的数量从而降低设备维护成本。
根据受力分析，裂纹可能发生在板形结构与块形结构的交接位置。在日常维护保养时，应重点关注这些位置，发现裂纹及时上报和处理，以免裂纹进一步扩大，造成零件报废和影响施工进度。在捣固装置检修时，需对以下位置进行磁粉探伤（见图19）。同理推断，需对对称内镐臂的相应位置进行磁粉探伤。
探伤发现裂纹后，检查裂纹扩展情况，如果裂纹较浅，可进行焊补修复。但必须将裂纹打磨消除后（如图20），才可进行焊补。如果裂纹扩展较深，难以打磨消除干净，焊接无法满足强度要求，镐臂报废。
6 结束语
捣固作业历经了由人工作业发展到大型机械化作业的漫长过程，其结构和工作原理日趋成熟。但由于作业的工况恶劣，机构受力复杂，其机械部件难免出现损坏，镐臂就是其中的一种。在捣固作业过程中，镐臂不仅本身进行受迫高频振动，还要承受下插时的冲击力和加持时的弯矩。其中的内镐臂由于外形结构比外镐臂复杂，受力情况更为恶劣。
考虑到内镐臂制造成本高，且在现场更换困难，需要在大修时尽可能多的发现问题并进行修复，以减少零件报废，避免影响施工进度和现场维修，从而降低设备使用维护成本。使用有限元的方法对零件受力进行仿真计算，找到结构的薄弱之处，为探伤检查的位置提供了理论指导。为同类产品的设计生产提供参考依据。
参考文献
[1]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京大学出版社，2003.
[2]王勖成.有限单元法[M].清华大学出版社，2003.
[3]韩志青，唐定全.超平起拨道捣固车[M].中国铁道出版社，2006.
