固定式高铁轮轨固体润滑涂敷机的设计.doc

济南大学毕业设计- 19 -1 前言1.1 铁路运输的发展与意义铁路是国家的重大基础设施，它连接现代经济。这类产业一般关系国计民生且多处于垄断状态,能够影响现代社会绝大多数其它产业运行以及全体人民生活水平,同时涉及国家安全,社会稳定,以及整体经济发展。对发展中国家意义尤为重要。铁路建设关系到国家的能源安全，金融安全，军事安全，政治安全等内容。重大基础设施产业拥有显著的外部收益，其中包括对其他产业或企业的影响，对国内外资本，特别是对国家经济政治战略布局、社会安定等方面的影响。2004年1月,中国政府发布了中长期铁路网规划,明确了中国铁路网中长期建设目标。预计到2020年,中国铁路营业里程达到10万公里。国家每年在轨道交通领域投入大量人力物力进行科学研究和基础建设，轨道交通自身的建设对经济的发展就起到了巨大作用，拉动了内需，活跃了经济。它的建成，对经济、政治等领域的作用更是显而易见的。轨道交通发挥着巨大的连接作用，他的作用是持续的、长期的、深远的并且广泛的。中国的铁路建设已经走出国门，一些技术已经处于世界领先水平，并且在发达国家建成多个项目。总之，铁路建设对国家对人民都发挥着不可替代的作用。轨道交通运输设备采用钢制轨道，由于地理因素等多种原因，轨道线路设计有直线、曲线以及岔道。机车在轨道上运行时，进入曲线段就要产生离心力，重量越大、速度越快，离心力就越大，此时将加大曲线钢轨内侧上角与车轮边缘的磨损，这将增加维修维护成本与运输成本，产生噪声与振动，轻着增加更换钢轨的频率，重着发生交通事故，造成财产损失及人员伤亡。并且，随着铁路的提速，货物列车牵引质量的提高,重载列车的开行对数的增加，钢轨侧磨更加严重。以往都是在钢轨上涂油，虽然有一定得减磨作用，但是效果并不明显，而且润滑油容易扩散，污染道床和轨道。一旦润滑油污染了钢轨的顶部，它能引起爬坡时动力不足以及刹车时发生意外。干式润滑技术能够有效减少钢轨侧面磨损以及机车轮缘磨损，价低噪声与振动，提高机车运行时的平稳性，并减少牵引能量的消耗。为此，设计固定式高铁轮轨固体润滑涂敷机。1.2 毕业设计的内容与要求1.2.1毕业设计的内容随着货物列车牵引重量的提高(3 000 t，4 000 t，5 000 t等)，重载列车的开行对数的增加，以及速度的提高，对钢轨的强度要求越来越高。传统的润滑油润滑已经满足不了铁路运输发展对钢轨润滑的要求，干式润滑技术能有效减少钢轨侧面磨耗及机车轮缘磨耗，降低车辆经过时的噪声，减轻振动，提高列车运行平稳性。为此，设计固定式高铁轮轨固体润滑涂敷机。固定式高铁轮轨固体润滑涂敷机是一种便于使用维护的机车干式轮缘润滑装置。该装置刻固联在列车尾部，持续有效地润滑机车轮缘部分，保证油膜不向轨顶扩散，不污染道床和轨道结构，减磨效果明显。能够大大延长车轮、钢轨的使用寿命，降低运营费用。1.2.2 毕业设计的要求油脂罐容量：250公斤，可供润滑距离约5000公里；油脂罐喷头安装在构架上能使喷出的雾状油脂喷在轮缘的根部位置上即：喷嘴中心线与轮对水平中心线成45度角，轮对在构架中心位置时喷嘴与轮缘之间距离在4045 mm内，喷嘴与车轮踏面之间垂直距离在2832 mm内。工作环境温度: -50 +70 ； 额定工作电压: 45 V；油脂消耗量: 50克/公里加热保温温度：130 轮轨间距：1435 毫米1.3 铁路润滑的研究背景与意义1.3.1 铁路润滑的国内外研究现状 铁路运输事业在近几年内得到了讯速发展，铁路运输的优势决定了它的发展空间。日新月异的装备现代化和相对滞后的基础设施维护水平逐渐显露出不协调，其中突出的问题就是二者的结合点轮轨关系。随着车速提高、运量加大，轮轨关系的矛盾表现为曲线钢轨磨耗严重、车轮损伤突出，此问题亟待解决。国内外长期关注研究曲线线路磨损状况，对侧磨成因分析，并提出减小侧面磨耗的多种措施。有效的润滑能够减小摩擦磨损，降低噪声与振动，利于保护钢轨周围环境，降低能耗，减少钢轨更换费用，在多方面意义重大，国内外都在润滑方面花费大力气来减小侧面磨耗。车轮与钢轨之间的摩擦是非常复杂的，既有踏面的滚动摩擦，又有车轮轮缘与轨道侧面的滑动摩擦，其中有害的是侧面摩擦。就轮轨润滑而言，准确地将润滑剂输送到指定部位是技术的关键。目前，轮轨润滑技术大致分为以下几类：车载式轮缘润滑系统，车载式润滑系统，地面钢轨润滑系统，车载轮缘固体润滑技术。润滑剂分为润滑油、润滑脂、油性润滑剂、固体润滑剂，固体润滑剂是近几年来新兴的润滑剂，黏着性强，抗极压性强，减磨效果明显，有较好的发展前景。从20世纪60年代开始，我国铁路工务系统一直采用搭载客车尾部的曲线钢轨涂油润滑方式，近十余年来逐渐显现出润滑效果不理想和钢轨涂油过量造成剥离等许多问题。随着客货分离、运量增大、高铁增多，上述问题更加严重。最近，为解决山区小半径曲线钢轨磨损严重问题，开发一种搭载客车尾部的机械系统，固体润滑剂分布在润滑脂中，加热至低粘度由油泵油嘴组合喷射到钢轨侧面，涂覆在曲线钢轨侧面。该综合技术突破了传统材料附着性差、机械涂覆位置准确性低、劳动强度大等一系列技术难题，实现了机械、电子、材料、润滑多学科的融合优化。通过跟踪的现场应用数据看出，此技术后与其他润滑方式比较钢轨磨耗大大降低，消除了钢轨涂油剥离、污染等现象，为减少轮轨磨损提供了有效的技术途径。1.3.2铁路润滑的目的及意义固定式高铁轮轨固体润滑涂敷机是一种便于使用维护的机车干式轮缘润滑装置。该装置刻固联在列车尾部，持续润滑机车轮缘部分，保证油膜不向轨顶扩散，不污染道床和轨道结构。能够大大延长车轮、钢轨的使用寿命，降低运营费用。实际应用表明，线路在此期间运量增加而换轨数量没有增加，节省换轨费用以及降低车轮磨耗和牵引能量消耗，产生巨大的间接经济效益。项目实施以来已取得明显的效果，社会效益显著，机械装置满足了整体技术的要求，特别适用于山区小半径曲线集中的区段。中国铁路系统庞大，如果全路范围内推广使用该固定式高铁轮轨固体润滑涂敷机，每年可节省数十亿元的轮轨材料费用和动力费用。并且在资源日益紧张的今天，通过该技术，以较小的投入减少钢铁、能源等战略物资的消耗，必将对未来节能减排和经济可持续发展带来深远的影响。2 钢轨摩擦磨损研究2.1 钢轨的物理结构钢轨直接承受列车的荷载，依靠钢轨头部内侧面和机车车辆轮缘的特殊结构相互作用， 引导列车运行。同时钢轨依靠本身的刚度和弹性将荷载分布开来，传递给轨枕。刚贵的主要作用在于为车轮提供可连续、平顺的轮面，同时支持引导车轮沿着运行方向前进。车轮与钢轨自身的结构决定了车轮与钢轨之间不可避免的存在摩擦，尤其是车轮轮缘与钢轨肩部内侧的摩擦，这种摩擦是有害摩擦，造成了车轮及钢轨的持续性磨耗磨损，增加了更换带来的成本，同时，车轮与轮缘的摩擦造成了噪声、振动。车轮踏面与轮轨踏面的摩擦是有益摩擦，这种摩擦为机车行进带来动力，为刹车带来阻力。为充分发挥上述各种功能，满足使用要求，加强有益方面，减小有害方面，就钢轨的设计和制造本身而言，有诸多矛盾因素存在。比如，钢轨踏面粗糙与光滑，钢轨的刚度与具有一定可挠性，钢轨的强度与具有一定塑性，钢轨的硬度与具有一定韧性等。这些相互矛盾的要求，都在科学技术的不断发展和实践研究中逐步得以改善和攻关解决。2.2 钢轨摩擦磨损机理根据调查资料显示，在我国小半径曲线轨道上的钢轨，有98%是由于侧磨超过限度而报废，其侧磨量达1520mm，半年就需更换。且近年来随着运量迅猛增加，机车轴重的增加，以及行车速度和行车密度的加大，曲线侧磨速度也日益增加。减小钢轨侧磨是摆在科研人员面前的头等大事，近来，钢轨侧磨研究也取得了巨大进展。在现场实际中，钢轨的使用寿命和更换周期是衡量铁路线路运行条件和运行状况的重要依据。其中，起到决定作用的因素之一就是钢轨磨耗。顾名思义，钢轨磨耗就是由于车轮与钢轨的接触摩擦、导向及冲击等作用而引起的钢轨断面损失,导致几何尺寸发生改变，有效截面减小。钢轨的持续性磨耗，直接导致使用寿命的缩短，加大了更换频率，从而加大了铁路运输成本降低了运输效益。列车运行条件下，钢轨磨耗是永恒的，磨耗达到限度必须更换，否则将危及行车安全，这就使得钢轨磨耗研究越来越急切，越来越重要。图2.1 钢轨侧面压溃钢轨的磨耗是多方面的，主要有侧面磨耗、垂直磨耗、鞍型磨耗和波浪磨耗等，其中最有害的是侧面磨耗。侧面磨耗是曲线钢轨磨耗的唯一标志， 尤其在小半径曲线外股钢轨上，它是换轨的主要控制因素。研究侧面磨耗，加强曲线钢轨的养护维修，可大幅度改善曲线侧磨条件，延长钢轨的使用寿命，降低钢轨更换频率，提高铁路运输的经济效益。机车直线行驶时，钢轨与车轮只是在踏面处接触，钢轨踏面承受机车重力以及机车行进所需的摩擦力，此时，车轮轮缘与钢轨侧面并不接触，也就不存在侧面摩擦磨耗。一旦机车进入曲线路线，钢轨与车轮之间产生水平方向的导向力与冲击力，这种力产生在车轮轮缘与钢轨肩部之间，引起侧面磨耗。钢轨的侧面较为粗糙，当车轮轮缘与钢轨肩部接触时并不是面接触，而是一系列的点接触。点接触造成接触应力非常大，当接触应力超过钢轨材料的屈服应力极限时，接触点顶部发生塑型变形，如果缺少润滑，车路轮缘与钢轨侧面不存在表面膜，两表面接触点就发生黏着。车轮滚动时，轮缘在钢轨侧面产生相对滑动，久而久之，往复进行，形成了钢轨侧面磨耗。 图2.2 钢轨侧面磨耗示意图一系列研究发现，钢轨润滑对减缓钢轨侧面磨耗是有效地。定期涂油对减小侧面磨耗，延长钢轨使用寿命效果明显。以固体润滑代替传统油润滑有多种优势，近年来，发展迅速。3 涂覆机设计3.1 涂敷机的设计思路对钢轨侧磨成因分析，研究钢轨与车轮的接触面，找到润滑时润滑剂与钢轨的喷射角，最大发挥润滑剂功能。该设计核心功能是涂敷功能。油脂罐喷头安装在构架上能使喷出的雾状油脂喷在轮缘的根部位置上即：喷嘴中心线与轮对水平中心线成45度角，轮对在构架中心位置时喷嘴与轮缘之间距离在4045 mm内，喷嘴与车轮踏面之间垂直距离在2832 mm内。油嘴的固定方式应该可靠且可以调节，以保证喷射位置准确。研究润滑脂粘温特性，在合适温度喷射，即不容易扩散，又容易造雾，加热保温温度130 。其他功能，选择油泵类型，考虑粘度、压力、效率等，齿轮泵、柱塞泵、转子泵的结构、尺寸、价格、泄露、压力各有特点，应综合考虑。选择喷嘴类型，因为要求喷射位置准确，且集中不能飞溅。搅拌的功能，防止固体润滑剂与润滑脂的偏析而造成喷射不均匀，喷射质量下降，搅拌由何种方式实现，搅拌器的形式，搅拌的动力及搅拌的速度等都应考虑。工作环境温度 -50 +70 ，油罐、输油管应具有保温功能，加热功能。加热温度控制要求准确，且油脂易燃，容易因为高温而变质，所以增加温度反馈功能，时刻对油温进行检测。选择加热器类型，适合于润滑油加热。传感器实现油温检测控制，实现温度的准确。输油管输油过程的加热如何实现，油管较长较细，环境可能有严寒，保证输送过程温度的保持从而保证喷射质量。喷嘴支架与机车之间的连接，不能破坏机车结构又要连接可靠。额定工作电压 45 V，选择电动机类型，电压匹配，功率与液压泵匹配。油脂消耗量50克/公里，喷射量的控制。轮轨间距1435 毫米，车轮间距与轮轨匹配，这些都是考虑问题。机械结构方面，车底的设计，整个装置固定于车底盘上，底盘能够沿着钢轨行进，与机车通过连接装置有效连接，由机车拖动车底盘行驶。储油罐的设计，三层结构，内胆储油，中间层为保温层，外层为外罩，其中有骨架支撑，以提供足够强度，内外层为铁皮。桶体盖强度、刚度足够，液压泵通过螺栓连接在支架上，电机通过螺栓连接在支架上。桶体盖上焊接有油管接头，用来连接内外油管。桶体盖通过螺栓与通体连接，桶体通过螺栓与车底连接，支架通过螺栓与车底盘连接。电机与液压泵采用带传动。每个喷嘴组合都位于机车底盘的外面,由计量器计量活塞、喷嘴和防护外壳以及架设硬件所组成。所有的组件经设计可以抵御严峻的环境暴露。喷嘴能独立地控制给机车处于曲线时对轮轨喷涂。3.2 涂敷机的设计方案3.2.1 涂敷机设计概述此涂敷机主要功能为喷涂，辅助功能为加热、保温、控温、搅拌等。总体功能如何实现，思路为喷涂的实现采用油泵加压，油管将润滑剂输送到喷嘴，经喷嘴喷雾来实现，并且，直线行驶时不喷涂，曲线行驶时才喷涂。3.2.2 涂敷机的功能实现加压采用液压泵，输送采用油管，喷雾采用喷嘴实现。加热采用电加热，保温采用保温层，搅拌采用搅拌器。油泵有齿轮泵、转子泵、柱塞泵可供选择，本设计选用柱塞泵，它结构紧凑，功率密度大，工作压力高，容易实现变量。采用四个螺栓将液压泵固定在支架上，液压泵在支架下方。油泵采用电机驱动，使用火车车载电源。电机的固定采用螺栓固定，四个螺栓将电机固定在支架上。油泵与电机的传动采用带传动。油泵电机组合有两套，每套分别单独给一侧钢轨喷涂，容易控制。油管有铜管、钢管、耐温胶管可供选择，钢管、铜管适用于静连接，耐温胶管是软管，用于有相对位置运动的连接，本设计中连接喷嘴与油管接头的选用耐温胶管，中间加有钢丝编织物，柔软，可弯曲调节，符合使用要求，桶体内部液压泵的吸油管与压油管采用铜管。喷嘴有实心锥、空心锥、扇形喷嘴可供选择，本设计选用实心锥喷嘴，实心锥喷射范围小，喷射位置准确。喷嘴内有钨丝加热，钨丝两端靠螺栓夹紧并通电，喷嘴材料为四氟乙烯，接口处加工有螺纹，用来连接油管接头。加热有钨丝、PTC加热元件、铸铝加热板可供选择，本设计采用铸铝加热板，是金属铸造加热器，是以管状电热元件为发热体，并弯曲成型，进入模具用优质金属合金材料为外壳以离心式浇铸成各种形状，有圆型、平板、直角型、风冷、水冷及其它异型等多种形状。经精加工后它能和被加热体紧密贴合，本设计中铸铝加热板与润滑油接触面积大，加热效果较好，它具有长寿命、耐腐蚀、抗磁场、保温性能好、机械性能强、节能环保等优点，可以根据要求做成需要的形状。本设计将铸铝加热板做成圆形，置于桶底，并用螺栓固定。其中，螺栓穿透桶底，加热板与桶底之间靠橡胶密封圈密封。图3.1 加热器固定示意图加热器的电源线通过在桶体上开口安装护套引出，要求电源线与护套之间、护套与桶体之间有可靠密封。保温采用聚氨酯保温层，搅拌采用叶片型搅拌器，连接减速器，减速器由电机带动。减速器和电机分别通过螺栓连接在支架上，减速器和搅拌器之间通过锥齿轮传递动力。搅拌器通过套杯与桶体盖连接，使用两个深沟球轴承，端部采用毡圈密封，四个螺栓将套杯、端盖固定于桶体盖上。图3.2 搅拌器与桶体盖连接示意图搅拌器、油泵、内油管、油管接头、加料口固定于缸体盖，便于定位和拆装。油罐为内外层设计，内层为内胆，材料为铁皮，其中，桶壁为铁皮弯曲成形，桶底为铁皮冲压成型，二者翻边连接。外层为外壳，材料为铁皮，中间为保温层，由于油罐底部与机车地板接触，底部保温层比周围保温层稍厚，其中，桶体盖的保温层在桶体盖内侧。为保证桶体具有足够强度，桶体内有骨架支撑，采用扁铁焊接而成。保温输料管腔体内采用钨丝加热，防止润滑剂输送过程中降温，导致喷涂质量下降。为确保喷涂位置的准确，喷嘴支架必须带有位置调节功能。喷嘴支架与机车的固定连接采用螺栓连接的喷嘴支架固定在车底上。加料口焊接在桶体盖上，端部加工有螺纹，用来连接加料口盖。加料口盖上盖上外罩盖，外罩盖与加料口盖之间为紧配合，外罩上开有圆孔放置外罩盖。两个油管接头焊接在桶体盖上，通孔加工有螺纹，外端连接保温输油管，内端连接液压泵的压油管。桶体盖通过八个螺栓固定在桶体上，桶体通过四个螺栓固定在车底上。图3.3 车底车底由钢管焊接而成，连接四个钢制车轮，轮间距等于钢轨间距，车底上有挂钩用来连接机车。车轮结构为机车车轮的踏面、轮缘结构，踏面成锥形。车轮轮轴与车底钢管配合，并用轴销锁紧，车轮采用深沟球轴承。整个桶体上方为一个铁皮外罩，起到防止异物进入带轮的安全作用与美观作用。3.3 计算过程3.3.1 储油罐体积计算要求油脂罐容量M=250千克，取密度=1000kg/m3,得体积V=M/=250/1000=0.25（m3）取桶体内胆尺寸直径800mm，高640mm。3.3.2 车底强度计算以储油罐质量集中在中点处计算，则设计趋于安全，润滑油250kg,电机记为20kg，液压泵记为20kg，其它零件总共50kg，则总质量340kg，每根钢管受集中力F=1700N，弯矩最大处为x=l/2处，对钢管，=d/D，d=34mm，D=40mmW=，所以，车底安全。图3.4 车底钢管弯矩图分析得，轮轴危险截面为钢管端部截面，轮轴只承受车轮压力产生的弯矩每根轮轴承受压力F=850N图3.5 轮轴弯矩图3.3.3 轴承的校核分析得，轮轴处轴承只承受径向力，故选择深沟球轴承，型号为6008轴承受力分析得，车轮轴承只受径向力，取火车速度300公里/小时，转速为n=，求得比值 查表得深沟球轴承 e =0.22，此时查表得径向载荷系数和轴向载荷系数为X=1，Y=0，轴承旋转中为普通载荷，取。轴承当量动载荷 P=查手册得深沟球轴承基本额定动载荷C=17kN=17000N,验算轴承寿命 所以所选轴承符合使用要求。3.3.4 油压及电机的计算取机车车速为v=300km/h=83.3m/s,孔半径r=0.75mm油脂消耗量为50g/km,即0.05g/m,计算得油脂每秒消耗量为q=0.0583.3=4.17g/s，即4.17根据短孔流量公式得 查表得小孔面积密度= 液压泵理论功率总体分析得，虽然润滑油消耗功率不大，但是油管较长，油压沿途消耗大，液压泵效率问题，带传动效率问题，电机效率问题是功率消耗的主要因素，综合考虑选取电动机功率200W。4 结 论本产品较好地解决了曲线钢轨的侧面磨耗问题，延长了钢轨与车轮的使用寿命，降低了更换频率，降低了运输成本，取得了巨大的经济效益，同时，减小机车经过时的噪声与振动，提高机车运行的平稳性。本设计结构简单，制作简单，成本低廉，使用方便，维护简便，不破坏原来机车结构，解决了地面人工涂油劳动强度大、效果差的问题。产品投入小，减磨效果明显，相对于传统润滑方式优点突出，适合大面积推广。在使用过程中，产品性能稳定，带有温度反馈调节，温度准确，喷嘴位置可调，保证了喷涂质量，润滑剂喷涂到钢轨侧面凝固成固态，解决了传统润滑润滑油扩散带来的污染道床和钢轨顶部的问题。同时，可以根据使用环境的变化，润滑剂类型的变化作出相应调整，时期工作在最佳状态。一次加油可以连续工作五千公里，工作过程通过按钮操控即可，方便、安全。使用过程中，需要定期检查轴承润滑脂情况，检查搅拌器锥齿轮润滑脂，保证良好的润滑。检查皮带使用情况，及时更换破损皮带，以免因带传动问题导致钢轨润滑不到位。储油罐加入润滑油时，应有过滤措施，加注完毕，及时拧入加料口盖，以免进入杂物。降低钢轨磨耗的措施很多，润滑只是其中之一，任何直接或间接的减磨措施都可以节约能耗，意义重大，比如钢轨淬火、磨耗型车轮踏面、径向转向架等，对钢轨磨耗的研究应该是永不止步的，以取得更大的经济效益、社会效益。参 考 文 献1 Kosuke, Yoshihiro, Takashi, etal.A Method to Apply Friction Modifier in Railway System. 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