摘要
近年来，随着经济增长和人民生活水平的提高，铁路运输不断向高速、重载、大功率方向发展，在此情况下，钢轨表面和内部容易出现波磨、裂纹、肥边等损伤。为了改善钢轨表面质量，提高列车运行的舒适性与安全性，各种打磨设备应运而生，但现有打磨设备大多存在人力需求大、共振等问题。基于此，本文结合机器人技术设计并实现了一款高度自动化的钢轨打磨车，且针对机械结构的共振问题，提出了一种基于整体有限元分析及正交试验法的模态优化方法，并将其应用于本文设计的钢轨打磨车中，避免了共振，提高了打磨精度与质量。本文主要完成了以下几个方面的研究工作: 在机器人化钢轨打磨车的结构设计与运动学仿真中，首先，针对钢轨轨形和打磨需求，确定了机器人化钢轨打磨车总体设计方案，重点研究了钢轨打磨单元，采用模块化设计方法完成了其初步的构型设计;然后，基于虚拟样机技术对打磨单元进行运动学分析及仿真;最后，结合上述分析确定机器人化钢轨打磨车结构和相关部件选型。 其次，在对有限元理论进行研究的基础上，选用了模态优化法对机器人化钢轨打磨单元进行减振及动态特性优化。另外，针对单独零件模态优化法及全面试验存在的优化范围小、优化效果受限、过程繁杂等问题，提出了一种基于整体有限元分析及正交试验法的模态优化方法，并对其原理和实施方法进行了详细阐述。 第三，针对本次设计机器人化钢轨打磨车，应用本文所提出的基于整体有限元分析及正交试验法的模态优化方法，选取车架作为正交试验对象，对打磨车进行了优化。实验结果表明，优化后打磨车的前6阶固有频率都有所升高，其中第1阶固有频率由原来的8.0096Hz增加到1O.922Hz，升高了36.3％，且第1阶固有频率相对于优化前离钢轨激振频率6Hz更远，第6阶固有频率25.142Hz远小于发电机、打磨电机工作频率66.7Hz和各打磨模块电机工作频率50Hz，完全避开了各激振频率范围，防止了共振的发生。同时打磨车位移与应力与优化前相比有所减小，符合强度要求，优化后车架质量有小幅度增加，其余部件质量不变，提高了打磨车工作时的稳定性。 最后，完成了机器人化钢轨打磨车实验平台的搭建和打磨实验研究。对打磨后钢轨进行粗糙度测试及廓形检测，并用钢轨质量指数GQI对打磨车作业质量进行评价。实验结果表明，优化后的钢轨打磨车能够安全、平稳运行，所有测量点粗糙度均在Ra6.3以下，GQI数值较高，为87.3％～100％，打磨质量与精度均优于手动打磨，验证了本方法的可靠性。通过对打磨数据的分析，定性得出了打磨量、打磨角度及打磨功率的关系，为编制打磨模式提供了依据。
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