CN111941591A - 无砟轨道板电磁激振成型装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速铁路用无砟轨道板电磁激振成型装置。本发明设置具有较好的振动加速度幅值及相位控制性能的多个电磁激振器代替传统情况使用的振动电机，配有程控信号源、功率放大器、加速度传感器、信号采集器、控制模块，可实现无砟轨道板振动成型加速度幅值及相位的同步控制。电磁激振器设置激振体和可输出电磁激振力的激振端头，激振端头设置有与模具可靠连接的锁定件，多个电磁激振器连接模具。无砟轨道板电磁激振成型装置组成结构简单，操作流程简便，对振动激励器输出振动信号的幅值及相位具有较高的同步控制精度及控制效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速铁路用无砟轨道板电磁激振成型装置，可实现无砟轨道板振动成型加速度幅值及相位的同步控制。
背景技术
随着我国高铁、城铁等领域的高速发展及技术进步，作为铁路轨道基础的无砟轨道板等混凝土预制构件需求量越来越大，品质要求也越来越高。该类无砟轨道板在混凝土浇筑成型过程中需进行振动工艺处理，使成型模具内的混凝土获得一定的振动加速度。当振动加速度使混凝土颗粒间接触界面上的应力超过内聚力时，混凝土颗粒间产生相对位移，进而释放夹杂的空气，使最终成型的无砟轨道板均匀且密实，达到提高产品质量的目的。
无砟轨道板流水线生产振动成型过程中，通常由多台均匀安装在成型模具上的振动电机作为激振器，为浇筑成型过程提供足够大的振动加速度。特别地，当各激振器为振动成型过程提供等幅值、同相位振动加速度时，可以使成型模具内各部位混凝土同时达到相同的振动峰值，获得更加均匀且密实的无砟轨道板产品，有效提高振动成型效率，降低功率消耗。
一般情况下，振动成型过程需逐渐将混凝土浇筑到成型模具中的各个部位，而且给料速度也很难做到非常均匀，所以，各激振器会承受不均匀负载的作用，对其控制性能提出了较高要求。然而，传统情况使用的振动电机输出振动加速度可控性较差，对不均匀负载的适应性也较差，很难为振动成型混凝土提供等幅值、同相位的振动激励加速度，导致整个振动成型过程效率较低，成型质量也受到限制。
发明内容
为有效解决传统情况使用振动电机进行无砟轨道板振动成型过程中存在的效率低、成型质量受限等问题，本发明提出一种无砟轨道板电磁激振成型装置，可实时修正无砟轨道板振动成型过程中多个激励器输出振动加速度幅值及相位的偏差，实现对各部位混凝土的等幅值、同相位振动加速度激励，获得更加均匀且密实的无砟轨道板产品，有效提高振动成型效率，降低功率消耗。
无砟轨道板电磁激振成型装置，包括轨道板模具及与其连接的多个振动装置，振动装置包括具有较好的振动加速度幅值及相位控制性能的电磁激振器，用于代替传统情况使用的振动电机；轨道板模具上的选定部位连接振动装置，保证对模具施加均匀激振力。电磁激振器配有：
程控信号源：依据控制模块的输出指令，产生各个电磁激振器的输入激励信号；
功率放大器：用于将输入激励信号放大后驱动电磁激振器产生振动加速度；
加速度传感器及其放大器或适配器：用于检测每一个电磁激振器的输出振动加速度信号；信号采集器：将所述输出振动加速度信号转换为数字信号后送入控制模块：
控制模块：通过不断修正各激振器的输出振动加速度信号幅值及相位，使各激振器输出等幅值、同相位的振动加速度信号。
控制模块包括：
谐波分析模块：基于FFT分析算法，计算得到各激振器输出振动加速度信号的基频幅值及相位；
同步判别模块：选取基频幅值最大值对应的激振器的输出振动加速度信号为参考振动加速度信号，基于参考振动加速度信号的基频幅值及相位，计算得到其余各激振器输出振动加速度信号与参考振动加速度信号的基频幅值及相位偏差，并做如下选择：若幅值偏差及相位偏差均小于幅值偏差要求值及相位偏差要求值，则保持当前状态进行振动成型过程；若幅值偏差或相位偏差有任意一项大于或等于幅值偏差要求值及相位偏差要求值，则选取修正模块进行振动加速度信号修正；
修正模块：基于各激振器输出振动加速度信号基频幅值与参考振动加速度信号基频幅值间的比例关系及相位与参考相位间的差值关系，根据补偿法原理，对输入激励信号进行幅值及相位迭代修正，使各激振器输出等幅值、同相位的振动加速度信号。
电磁激振器包括：激振体、激振端头，激振端头由激振体内伸出，激振体内输出电磁激振力到激振端头，激振端头外型为圆柱体，激振端头圆柱体外周设置有锁定件，模具内设置有与激振端头适配的圆柱孔体和与所述锁定件适配的环槽。
优选地，激振端头外周面设置有环槽，环槽内设置有弹性卡环，锁定件具体为设置于环槽内的、设有断开切口的弹性卡环，圆柱体内还设置同轴环腔，环腔内设置有通过轴向滑动撑挤弹性卡环的楔环。
优选地，楔环包括导向段和功能段，其中，导向段外周为圆柱面，内外周面均设置密封槽，功能段外周为圆锥面，同轴环腔被所述楔环分为两腔，其中，位于导向段一侧腔体为压力腔，位于功能段一侧腔体为弹簧腔，所述弹簧腔设置弹性推压楔环处于所述压力腔一侧的弹簧，压力腔配有通道外接控制油/气。
优选地，激振端头体内还设置有液控阀，通道接液控阀，液控阀的主腔和控制腔外接至激振端头外。
优选地，弹性卡环的截面为异形截面，弹性卡环自截面外至内依次为锁定部、滑动部、推顶部，其中，锁定部外侧为弧形，滑动部顶面及底面为平面，推顶部内侧设置有与所述楔环功能段圆锥面配合的接触面。
优选地，弹性卡环推顶部设置两个接触面，两接触面上下对称设置，两接触面之间为弧形的过渡面。
优选地，弹性卡环的截面为圆形。
优选地，无砟轨道板电磁激振成型装置的模具连接方法：激振端头进入模具圆柱孔体内，液控阀的主腔外接控制油/气，控制油/气通过液控阀、通道进入环腔，作用于楔环，压缩弹簧产生轴向位移，楔环功能段撑开弹性卡环沿环槽挤出，挤出的弹性卡环卡入卡环槽内，从而使激振端头与模具固定连接一体，当楔环复位时，液控阀控制腔接入控制油或气，液控阀使同轴环腔泄压，弹性卡环依靠弹性恢复收缩回环槽内保持原状，弹性卡环脱出卡环槽，激振端头轴向脱出模具。
总体而言，本发明所述无砟轨道板电磁激振成型装置，基于对各激振器输出振动加速度信号幅值及相位关系的计算，得到程控信号源产生的输入激励信号的修正值，通过迭代控制过程实时修正无砟轨道板振动成型过程中多个激振器输出振动加速度信号幅值及相位的偏差，实现对各部位混凝土的等幅值、同相位振动激励。
本发明所述无砟轨道板电磁激振成型装置组成结构简单，操作流程简便，对激振器输出振动信号的幅值及相位具有较高的同步控制精度及控制效率。
附图说明
图1是本发明激振器结构示意图；
图2是本发明激振器的激振端头连接模具接口的局部示意图；
图3是本发明激振器端头结构示意图；
图4是本发明激振器端头体采用圆形截面弹性卡环的结构示意图；
图5是本发明截面为异形的弹性卡环示意图；
图6是图5弹性卡环异形截面示意图；
图7是本发明截面为圆形的弹性卡环示意图；
图8为振动成型加速度同步控制原理图；
图9为振动成型加速度同步控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
无砟轨道板电磁激振成型装置，包括轨道板模具及与其连接的多个振动装置，振动装置包括具有较好的振动加速度幅值及相位控制性能的电磁激振器2，用于代替传统情况使用的振动电机；轨道板模具上的选定部位连接振动装置，保证对模具施加均匀激振力。
如图1-3，电磁激振器2包括：激振体201、激振端头202、弹性卡环205、楔环204，其中，激振端头202由激振体201内伸出，激振体201内输出电磁激振力到激振端头202，激振端头202外型为圆柱体，圆柱体外周设置环槽202-1，圆柱体内设置同轴环腔202-2，环槽202-1底部与同轴环腔202-2沟通，弹性卡环205设置于环槽202-1内。如图5-6所示，弹性卡环205设置有断开的切口205-1，同轴环腔202-2内设置有可轴向滑动的楔环204，楔环204包括导向段和功能段，其中，导向段外周为圆柱面，内外周面均设置密封槽，槽内装有密封208，功能段外周为圆锥面，同轴环腔202-2内孔与楔环204导向段外周为圆柱面外周适配，同轴环腔被设置的楔环204分为两腔，其中，位于导向段一侧腔体为压力腔，位于功能段一侧腔体为弹簧腔，弹簧腔202-3楔环204锥形体形适配，弹簧腔202-3内设置弹簧206，弹簧206弹性推压楔环204处于压力腔一侧的弹簧206，同轴环腔202-2设置有通道207，激振端头202体内还设置有液控阀203，通道207接液控阀203，液控阀203的主腔和控制腔外接至激振端头202外，通过液控阀203的主腔外接控制油或气进入通道207，输入至同轴环腔202-2压力腔，作用于楔环204，压缩弹簧206产生轴向位移，楔环204锥形体撑开弹性卡环205沿环槽202-1挤出，模具1设置有与激振端头202适配的圆柱孔体作为模具接口，圆柱孔体内设置与弹性卡环205适配的卡环槽101，挤出的弹性卡环205可卡入卡环槽101内，从而使激振端头202与模具1固定连接一体，当楔环204复位时，液控阀203控制腔接入控制油或气，液控阀203使同轴环腔202-2泄压，弹性卡环205依靠弹性恢复收缩回环槽202-1内保持原状，此时激振端头202可轴向脱出模具1。
进一步，楔环204锥形体撑开弹性卡环205沿环槽202-1挤出到位时，与弹性卡环205接触点为楔环204上过渡的圆柱形外周面，此时有益的效果是同轴环腔202-2内压力仅仅是克服弹簧206弹力的压力负载，而非挤压弹性卡环205的负载，实现阻断了连接部振动负载传递至控制回路，避免造成振动破坏影响。
进一步，上述的弹性卡环205在激振端头202沿轴向可以分布多个，相应的模具1的卡环槽101数量及位置做适应性改变，如图3所示，优选设置两组形式的弹性卡环205，每组弹性卡环205设置对应的楔环204及控制腔，多组控制腔的通道207可合并连接液控阀203，液控阀203可实现多组控制腔的的同步压力保持或泄压复位。
如图5-6，弹性卡环205的截面为异形，弹性卡环205自截面外至内依次为锁定部、滑动部、推顶部，锁定部外侧为规则圆弧205-2，滑动部顶面及底面为平面205-3，推顶部内侧设置有与楔环204功能段圆锥面配合的接触面205-4，弹性卡环205推顶部设置两个接触面205-4，两接触面205-4上下对称设置，两接触面205-4之间为弧形的过渡面，上述异形截面设计实现的目的在于减小振动过程中连接间隙，阻止连接部间隙增大造成的相对运动，造成振动破坏，进而影响振动效率或破坏性损伤，具体来说，平面205-3的设置是增加与环槽202-1接触面积，接触面205-4的设置是增加与楔环204圆锥面的接触面积，弧形过渡面的设置是避免棱角接触楔环204圆柱面，造成早期的破坏磨损。
如图4，图7，弹性卡环205还可以是规则圆环，规则圆环同样设计有切口205-1。
进一步，如图8所示，多个振动装置包括n个相同电磁激振器，n为大于1的整数；n个电磁激振器组成电磁激振器组；电磁激振器组配有程控信号源、功率放大器组、加速度传感器组、信号采集组及控制模块。
程控信号源用于产生各个电磁激振器的输入激励信号，其幅值及相位分别表示为Aik及Sik(k＝1,2，…n)；该程控信号源可以依据控制模块的输出指令，直接调整输入激励信号的幅值及相位，进而产生控制过程所需的修正输入激励信号。
功率放大器组包括每个电磁激振器配备的功率放大器，用于将各个电磁激振器对应的输入激励信号放大后驱动电磁激振器产生振动加速度。
加速度传感器组用于检测每一个电磁激振器的输出振动加速度信号，包括每一个电磁激振器对应的一个单轴加速度传感器及其适配器或放大器。
信号采集组为多通道信号采集器，各信号采集通道分别将每一个适配器或放大器产生的模拟输出振动加速度信号转换为数字信号后送入控制模块。
控制模块包括谐波分析模块、同步判别模块及修正模块。
谐波分析模块基于FFT分析算法，计算得到各激振器输出振动加速度信号的基频幅值及相位，分别表示为Aok及Sok。
同步判别模块选取基频幅值最大值对应的激振器的输出振动加速度信号为参考振动加速度信号，其基频幅值及相位分别假设为Aom及Som(m为1～n之间的任意整数，代表第m个激振器产生的振动加速度信号基频幅值为最大值)；基于参考振动加速度信号的基频幅值及相位，计算得到其余第k个激振器输出振动加速度信号与参考振动加速度信号的基频幅值及相位偏差分别为
和
(k≠m)；若幅值偏差λk及相位偏差
均小于幅值偏差要求值λ及相位偏差要求值
则保持当前状态进行振动成型过程。若幅值偏差λk或相位偏差
有任意一项大于或等于幅值偏差要求值λ及相位偏差要求值
则基于修正模块对输入激励信号进行幅值及相位迭代修正过程，直至满足幅值偏差λk及相位偏差
均小于幅值偏差要求值λ及相位偏差要求值
完成整个迭代控制过程。
修正模块计算得到幅值修正值
及相位修正值Siks＝Sik-Sok+Som，由该幅值及相位修正值代替程控信号源产生的第k个激振器(k≠m)的输入激励信号幅值及相位，进而驱动激振器产生幅值及相位修正后的输出振动加速度信号，使各激振器输出等幅值、同相位的振动加速度信号。
如图9所示，总体而言，无砟轨道板电磁激振成型装置振动成型加速度同步控制的具体工作流程为：电磁激振器组对成型模具产生激振力，推动混凝土产生振动加速度；基于加速度传感器及其适配器或放大器检测得到每个电磁激振器产生的模拟输出振动加速度信号；该模拟信号经信号采集后送入控制模块；控制模块首先计算得到多组输出振动加速度信号各自的基频幅值及相位，选取基频幅值最大值对应的激振器的输出振动加速度信号为参考振动加速度信号；基于参考振动加速度信号的基频幅值及相位，计算得到其余各激振器输出振动加速度信号与参考振动加速度信号的基频幅值及相位偏差；若幅值偏差及相位偏差均小于幅值偏差要求值及相位偏差要求值，则保持当前状态进行振动成型过程；若幅值偏差或相位偏差有任意一项大于或等于幅值偏差要求值及相位偏差要求值，则基于各激振器输出振动加速度信号基频幅值与参考幅值间的比例关系及基频相位与参考相位间的差值关系，根据补偿法原理，直接修正程控信号源产生的各激振器的输入激励信号的幅值及相位，使各激振器输出修正后的振动加速度信号。最终，完成整个迭代修正过程，使各激振器输出等幅值、同相位的振动加速度。
总体而言，本发明无砟轨道板电磁激振成型装置，基于对各激振器输出振动加速度信号幅值及相位关系的计算，得到程控信号源产生的输入激励信号的修正值，通过迭代控制过程实时修正无砟轨道板振动成型过程中多个激振器输出振动加速度信号幅值及相位的偏差，实现对各部位混凝土的等幅值、同相位振动激励。
本发明所述无砟轨道板电磁激振成型装置组成结构简单，操作流程简便，对激振器输出振动信号的幅值及相位具有较高的同步控制精度及控制效率。
说明书实施例所记载的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (10)
1.无砟轨道板电磁激振成型装置，包括轨道板模具及与其连接的多个振动装置，其特征在于：所述振动装置包括电磁激振器，所述电磁激振器配有：
程控信号源：依据控制模块的输出指令，产生各个电磁激振器的输入激励信号；
功率放大器：用于将输入激励信号放大后驱动电磁激振器产生振动加速度；
加速度传感器及其放大器或适配器：用于检测每一个电磁激振器的输出振动加速度信号；
信号采集器：将所述输出振动加速度信号转换为数字信号后送入控制模块；
控制模块：通过不断修正各激振器的输出振动加速度信号幅值及相位，使各激振器输出等幅值、同相位的振动加速度信号。
2.根据权利要求1所述的无砟轨道板电磁激振成型装置，其特征在于：所述控制模块包括：
谐波分析模块：基于FFT分析算法，计算得到各激振器输出振动加速度信号的基频幅值及相位；
同步判别模块：选取基频幅值最大值对应的激振器的输出振动加速度信号为参考振动加速度信号，基于参考振动加速度信号的基频幅值及相位，计算得到其余各激振器输出振动加速度信号与参考振动加速度信号的基频幅值及相位偏差，并做如下选择：若幅值偏差及相位偏差均小于幅值偏差要求值及相位偏差要求值，则保持当前状态进行振动成型过程；若幅值偏差或相位偏差有任意一项大于或等于幅值偏差要求值及相位偏差要求值，则选取修正模块进行振动加速度信号修正;
修正模块：基于各激振器输出振动加速度信号基频幅值与参考振动加速度信号基频幅值间的比例关系及相位与参考相位间的差值关系，根据补偿法原理，对输入激励信号进行幅值及相位迭代修正，使各激振器输出等幅值、同相位的振动加速度信号。
3.根据权利要求1或2所述的无砟轨道板电磁激振成型装置，其特征在于：所述电磁激振器包括：激振体（201）、激振端头（202），所述激振端头（202）由激振体（201）内伸出，所述激振体内输出电磁激振力到激振端头（202），所述激振端头（202）外型为圆柱体，所述激振端头（202）圆柱体外周设置有锁定件，所述模具内设置有与激振端头（202）适配的圆柱孔体和与所述锁定件适配的环槽。
4.根据权利要求3所述的无砟轨道板电磁激振成型装置，其特征在于：所述激振端头（202）外周面设置有环槽（202-1），所述环槽（202-1）内设置有弹性卡环（205），所述锁定件具体为设置于环槽（202-1）内的、设有断开切口的弹性卡环（205），所述圆柱体内还设置同轴环腔（202-2），所述环腔（202-2）内设置有通过轴向滑动撑挤弹性卡环（205）的楔环（204）。
5.根据权利要求4所述的无砟轨道板电磁激振成型装置，其特征在于：所述楔环（204）包括导向段和功能段，其中，导向段外周为圆柱面，内外周面均设置密封槽，功能段外周为圆锥面，所述同轴环腔被所述楔环（204）分为两腔，其中，位于导向段一侧腔体为压力腔，位于功能段一侧腔体为弹簧腔，所述弹簧腔（202-3）设置弹性推压楔环（204）处于所述压力腔一侧的弹簧（206），所述压力腔配有通道（207）外接控制油/气。
6.根据权利要求5所述的无砟轨道板电磁激振成型装置，其特征在于：所述激振端头（202）体内还设置有液控阀（203），所述通道（207）接液控阀（203），所述液控阀（203）的主腔和控制腔外接至激振端头（202）外。
7.根据权利要求5所述的无砟轨道板电磁激振成型装置，其特征在于：所述弹性卡环（205）的截面为异形截面，所述弹性卡环（205）自截面外至内依次为锁定部、滑动部、推顶部，其中，锁定部外侧为弧形，滑动部顶面及底面为平面，推顶部内侧设置有与所述楔环功能段圆锥面配合的接触面。
8.根据权利要求7所述的无砟轨道板电磁激振成型装置，其特征在于：所述弹性卡环（205）推顶部设置两个接触面，两接触面上下对称设置，两接触面之间为弧形的过渡面。
9.根据权利要求4所述的无砟轨道板电磁激振成型装置，其特征在于：所述弹性卡环（205）的截面为圆形。
10.无砟轨道板电磁激振成型装置的模具连接方法，其特征在于：激振端头（202）进入模具圆柱孔体内，液控阀（203）的主腔外接控制油/气，控制油/气通过液控阀（203）、通道（207）进入环腔（202-2），作用于楔环（204），压缩弹簧（206）产生轴向位移，楔环（204）功能段撑开弹性卡环（205）沿环槽（202-1）挤出，挤出的弹性卡环（205）卡入卡环槽（101）内，从而使激振端头（202）与模具固定连接一体，当楔环（204）复位时，液控阀（203）控制腔接入控制油或气，液控阀（203）使同轴环腔202-2泄压，弹性卡环（205）依靠弹性恢复收缩回环槽（202-1）内保持原状，弹性卡环（206）脱出卡环槽（101），激振端头（202）轴向脱出模具。
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