内燃机钢轨仿形砂带打磨机设计方案

内燃机钢轨 仿形砂带打磨机 设计方案 第一章 任务 分析 计 背景及其意义 火车钢轨是轨道结构最重要的部件，它直接承受车辆载荷。由于长时间运行致使轨道表面疲劳点蚀和磨损破坏圆弧部分压溃为不规则形状及侧面形成毛刺等。钢轨打磨技术可以用来消除钢轨的波形磨耗、车轮擦伤、钢轨端部裂纹、接头的马鞍形磨耗和轨道表面裂纹萌生，控制钢轨表面接触疲劳的发展。因此钢轨打磨是铁道建设和养护的重要措施，随着高速、重载列车的运行，钢轨打磨变得尤为重要。 根据给铁路轨枕的生产过程中，发现的人工打磨存在效率低下和环境污染的问题 。焊缝打磨机最早是加拿大的研究人员发明研制，后来法国科研人员提出了改进。我国最早从上 海引进，发现仍存在问题。根据焊后打磨工序中打磨存在的上述问题，因此提出设计方案，意义在于加强环保，提高企业效益。 设计 要解决的问题 内钢轨 仿形打磨存在的问题 （一 ） 金属结构厂打磨技术领域的效率较低 随着我国加入世贸组织，中国机械行业，特别是板材、模具、焊接等机加行业在国际接轨合作上获得大步发展。我国机械制造业属于劳动密集型产业，效率低，成本高，投入产出性价比低。如今随着科技的迅速发展，自动化技术得到的普遍重视，大量的体力劳动被一些自动化装置所代替，大大降低了生产成本，提高了生产效率。但在 国内实际的机械加工生产当中，特别是在机加工车间当中，焊缝的打磨都是用人工的，效率低下，且打磨不彻底。三五个人可能需要半天或一天才能打磨完。具体因中国国情，人口多劳动力廉价，厂家多雇佣更多劳动力来提高产量，因而导致效率不高。 （二 ） 打磨内容单调且安全措施差 机械材料焊缝打磨过程中，往往单调、噪音很大，安全性差。打磨是重复性工作，动作单调相对固定。打磨过程产生的粉尘会随着抛光机砂轮的切线方向以高速飞溅而出，对工人的身体特别是眼睛易造成伤害，同时粉尘会弥漫在半高的空气当中，对工作人员的身体影响较大，特别是呼吸器官 有损害，工作环境质量差。 （三）金属结构加工厂板材、型材、模具焊缝打磨的综合性较差 金属结构厂板材大多是 通钢板，和 45#钢，另外是各种型钢如：圆钢（ 45#材质）、角钢、方钢、槽钢、工字钢，用于加工各种大型设备的机加部分以及模具制造 【 1】 。对于轨枕模具，有其自身的特点，就其加工工艺而言，在其焊合各种端板和底板及侧板等板料后，需要对其上平面槽间隔壁。焊缝进行打磨，达到一定的平整度，其粗糙度符合一般要求即可，但因为其生产属大批量生产，因此，机械加工生产效率对于金属机械加工公司而言是最重要的。就 整个机加工工艺工程而言，焊缝打磨过程的效率直接影响工程工艺的进度，按照现有的打磨方式，经常会发生这样的情况，打磨的工序过程中，工人不停的打磨，工作过程累且不太安全，互相之间有干扰，下一个工序的工人因为前边打磨的太慢节奏跟不上在等活。同时现有打磨方式常常影响设备性能，主要因素有：当切刀变钝，不仅难以切削，而且切削过程中会增加电能损耗，故必须保持切刀的锋利和正确的切削角度；由于叶轮挡板的周边被磨损，则其推压力不能使木片保持正确的方向，而产生推力角向下，此时，木片不能与轮鼓的内面相平行。久之，挡板边缘的磨损会愈加 严重 【 2】 。挡块、垫板磨损由于推压的方向不正确，会造成挡块和垫板的磨损加剧，并且使挡块和垫板间的间隙变大 成挡块和垫板间产生较大的压力，阻碍打磨机的正常运转；少量木片的端部在通过切刀与压板间的间隙时，也受到挤压，其结果是不仅耗电量大，而且生产效率低，磨削质量下降。切刀的安装位置准确与否决定着磨削的程度及质量，故切刀的位置必须安装准确。铁屑在切刀和压板间的空隙中排出，故须保持槽道的清洁，以免堵塞 上分析，为了使打磨机生产性能达到最佳效果，除了有针对性地排除可能出现的 影响因素外，还必须重视设备的设计质量和结构型式，如切削角、叶轮臂的形状等，以改进设备的工作性能，提高产品质量 【 2】 。 （四 ） 结合工厂实际生产能力的定位 因此焊缝打磨的自动化，符合我国社会的现状原则，符合我国改革开放的基本要求。能够推动科学技术进步，改善环境保护。就一般的金属机械加工厂的生产能力，可知，通常拥有车床、铣床、刨床、磨床、钻床，高级一些的厂家有数控机床，加工中心。因此，最经济有效的解决方式在自己的机械加工能力范围内完成该打磨设备的研制，以最大限度降低成本，快速应用解决实际生产问题。本设计就是在已有 产品的基础上，加以改进和创新，使其结构更简单，操作更简便，不过其专用性也较强，适于大批量生产。 内外 研究状况 内 相应打磨机 技术 发展 并不 成熟 中国历史环境和和近代社会的变革：中国历来是农业大国，中华民族几千年文明创造的宝贵财富，虽历经时代变迁，农业占经济主导地位，机械工业发展相当缓慢。近代，清末民国时期，在西方诸烈强的工业经济冲击下，社会发生重大变革后才发生了重大进步，特别是新中国成立后，国家大力发展工业，但因底子薄，人口多，但远远落后于欧美国家。随着改革开放，中国生产力大力发展，中国制造业逐步缩小了与欧美的差距，更兼加入世界贸易组织，国际交流频繁，吸收借鉴，促使我国制造业又好又快发展。金属制造各方面取得长足进步，但某些方面还是存在差距，例如：金属板材打磨存在这样的情况，人手多，效率低下，这就是各种社会原因造成了当前金属板材、模具等行业打磨的现状。 投入少，自身实力不强，发展时间短，与国际交流少 【 3】 ，另外，每个金属结构厂厂的企业文化，工人的工作状态，工厂所处的发展阶段，都是影响企业竞争力，造成机械加工能力不强的因素 。进一步影射到打磨工艺方面，实际的工作状态就是人多效率低下。 国内自行研制的应用型工具产品不断扩大 。如推车式底板打磨机的研制避免手工把持机器蹲下操作，减少劳动强度，保证质量：水轮机座环平面打磨机的研制配合径向垂直进给完成设备平面磨削 【 4】 、双毂轮打磨机的研制成功比水平圆盘打磨重量减轻 2/3，产量增加 40 【 5】 ，大大提升了国内机械加工领域的实际应用水平。美国采用小型钢轨打磨机可减少列车沿钢轨运行时的噪声振动等级 【 6】 。但是国内实际生产中，对于焊缝方面的处理工艺存却比较落后，如：道路轨枕模具加工工艺，机械加 工过程中，上一工序焊接完成后，工人对焊缝进行打磨，工人手握抛光机身体半躬，离焊缝较近，就会出现上效率低污染大，不安全的问题。机械行业焊缝打磨技术一直停留在传统的手携式小型打磨机操作上，工人手持小型机打磨不仅效率低，而且长时间作业的疲劳和粉尘都严重损害人身健康。尤其是粒径为 5粉尘可通过呼吸道直接到达肺部而沉淀，使人容易得矽肺病 【 7】 。拟定设计解决方向：可通过工作头内部风扇的转动产生负压，将磨墙产生的灰尘吸入吸尘箱，通过过滤网和出气口将空气排出，减少灰尘对工人的伤害，同时起到环保作用。 此设计可广 泛应用于木工件和金属件的打磨抛光和旧油漆的除漆处理等，大大提高施工效率和工程质量，打磨效率是人工的 4 【 7】 。也可在工作部位设置安装除尘罩。 际 打磨机技术发展相对成熟 当前，国际技术上对于解决的方案，设计中普遍采用的设备有：新型直线打磨机 (量轻噪音小；砂带工具 (绝热、安全、舒适；新型无齿盘打磨器 (用齿轮设计减少停机和维修；万能工具箱 ( 【 8】 。 纽约州的 司推出的新型气动直线打磨机是打磨木材和各种坚固材料表面的粗型 ,平整和倒圆的理想工具。因其上有一个打磨平面用的标准打磨垫 ,也可装上适合轮廓形状的、能进入尖角的和到达工件棱 【 8】 。线打磨机的优点是快捷高效适用于平面直线作业 ，但不灵活，因此拟定方向将直线打磨工作行进过程改为二维操作，即在一定平面内对焊缝进行打磨 ；能够完成不同平面的要求；适用于大批大量生产、形状相对规整 的平面或立面等。从而实现高效率，易控制，便于操作，安全性好。因而，要求启动打磨机后，将它垂直放到工作面上，进行来回打磨。每个行程应尽可能的长。并且应垂直于工作面方向施加足够的压力。但应注意，在砂盘上施加的压力过大，并不能增加打磨的速度。相反，还会减慢工作速度，并会增加砂盘的磨损。由于这种打磨方式在板件卜留行交叉的打磨痕迹，故又称交叉打磨。回程将磨削去程时留卜的毛刺，从而保证打磨的表面的光滑 【 9】 。由于模具体积较大，进给运动只能通过砂轮的运动实现，因此要求砂轮具有足够的运动坐标，以实现复杂表面的的打磨 【 9】 。 类型 仿形打磨机 不会进步目前铁路线路维修用于钢轨打磨的机具主要分为两类。一是进口的大型钢轨打磨列车；二是各铁路单位自行研制的小型钢轨打磨机。 二者均是以砂轮为磨具，在现场使用中这两类打磨工具分别存在着一些不足。前者价格昂贵、能耗大、砂轮耗材大等，后者的功能和应用多限于小范围、离散病害点的单一性病害的修理性打磨，无法打磨出较理想的标准钢轨端部的复杂廓面。因此设计出一种实用可靠、效率高的小型打磨机很有必要。 第二章 内燃式钢轨仿形砂带打磨机总体 设计方案 燃式钢轨仿形砂带打磨机设计 原理 - 通过小车沿轨道在 X 方向上移动 ,找到相应的打磨位置，手轮转动螺杆实现 过轨道在支架上沿 Y 轴移动和 绕 x 轴的转动 实现打磨运动。如图 2理图。 该打磨机由打磨系统和行走系统两部分组成。打磨系统安装在机体上 ， 可在机体上上下移动，机体安装在行走轮上。行走轮移动至预定位置。打磨头经传送带系统 和 汽油机驱动，打磨头与钢轨相对接触位置的调节和锁定由竖直方向和轨距方向的螺旋调节机构进行。底盘轮轴上装配可调间隙的圆柱滚子轴承使打磨机通过时其曲线具有随轨自适性。该打磨机的执行 动作为，将打磨机推至工作区间，放下接触轮，然后预调打磨头与钢轨的接触位置。根据钢轨病害诊断结果 (由专门设备完成 )，确定分次打磨的实际切深，再细调并锁定，最后开机至一定转速，合上带传动系统，开始打磨。打磨机由人力推动进给，打磨效果用专门的检验设备检验。 整个设计过程需达到方案论证充分、设计计算准确、结构设计合理、工作安全可靠。 图 2计 原理 合 实际问题 提出 具体设计方案 缝的 确定 不同的焊接方法，生成的焊缝的质量，包括强度和硬度不同，进而影响到下一步机械设计过程中的强度和磨削的计 算。因此先从焊接方法考虑以确定焊缝的质量。焊接过程是根据被加工件的复杂程度、要求的焊缝等级和具体的设备加工能力所决定的。焊接方法的选择必须符合：能保证焊接产品的质量优良可靠，生产率高，生产费用低，能获得较好的经济效益。因焊缝长短、形状、焊接位置不同，使用焊接方法结构不同 【 10】 。 电弧焊缝是由容池内的液态金属凝固而成，是特殊冶金过程。由于按等强度原则选用焊条，通过渗合金实现合金强化，因此焊缝强度一般不低于母材。 根据钢轨生产要求，一般钢模对焊后的尺寸和表面平整度要求较高，因此需打磨焊缝。模具上表面的焊缝必须 打磨平整与焊接上的钢板母材的上边沿等齐。 由图 2知打磨得位置主要是焊缝自身和熔合区。 图 2碳钢焊接接头的组织和性能变化示意图 后 打磨工艺 一般焊后的打磨普通采用手提式小型打磨机，实现小面积打磨。图 2示模具的结构相对复杂，涉及空间多方位，属结构类产品，因此选用埋弧焊、手工电弧焊和气体保护焊。从经济性和质量要求考虑，焊条电弧焊设备简单轻便操作比较灵活，是主要的焊接方式。因此焊缝主要是电弧焊缝。 钢轨模具上表面的焊缝为分布均匀的点焊如图 2寸都是在图纸要求的标准内，因此构思设计一打磨装置，该设备在模具上表面进行打磨，实现人力的解放，提高效率。在预定的轨道内，通过小车在 X 轴和小车导轨在 Y 轴方向的运动实现砂带打磨。 焊缝的打磨方式的确定 :本次设计选择中型，自动化程度高的设备。 打磨的空间定位属二维操作，即砂带在 面内运动。 根据焊缝打磨时砂轮的转速以及摩擦力，相应力传递的扭矩，计算主轴转速，根据传动功率计算所需电动机的最低转速和功率。 根据模具的焊缝所在面设计轨道方案。 最后，合理优化选定各自方案，确定最终方案。 图 2轨模具模型图 计 方案选择确定 方案一 ： 砂轮式，如图 2特点 ：设计简单 成熟 ，单次打磨面积大 ， 维修更换 方便 ； 方案二 ： 打磨头 传动用三轮式 ，如图 2特点： 张紧 动作和 使 打磨头 上下运动简单易执行 ； 方案三 ：加横杆 式，如图 2特点：伸 杆可承受机体倾斜 时 部分重量 、 可作为机体 倾斜时 的基准； 方案四 ： 两轮可横移砂带 式 ，如图 2特点：机体体积 和重量 大为 缩减，可横移，可倾斜 图 2轮式 图 2磨头 传动用三轮式如图 2横杆 式 图 2轮可横移砂带 式 方案比较：方案一不能较准确打磨标准钢轨轮廓面；方案二导致 机体体重 增大 且砂带由于受热等因素的影响变长后必须进一步张紧；方案三无 横移动作且机体较大 ；故本课题选第四方案： 钢轨仿形打磨机是专于精确打磨轨头，以及去除钢轨铝热焊、闪光焊焊缝处的焊瘤。从而修整轨头的廓形，达到标准要求 产品特点： 0范围内进行打磨。 打磨机能够在钢轨上移动和作业。 磨作业轻便、快捷。 序号 项目 单位 特性参数 1 发动机 原装 进口 空转怠速 (3d=算得 d=整得 d=12设计选用的砂带轮轴最小轴颈为： 15 将 15 入公式（ 3： T 06 53 2800 =40验算满足强度要求。 因此，对于本课题得主轴尺寸确定为：大径大径为 20 ，中径为 17 ，小径为15 。 整支座 作用：与调整螺杆配合，用于调整砂带轮轴的升降。 因为存在配合关系，并且，与调整螺杆经常摩擦，因此要求材料具有一定得耐磨性和强度要求，所以选择材料为 45 号钢。 定螺钉 固定螺杆用于固定砂轮轴上端与机架部分下端要有螺纹加工，因此对强度和韧性有一定要求，选定为 45#钢上端要进行火焰淬火达到一定硬度要求。 架 机架主要用来支撑主轴，并安装各种配件。对加工精度要求不高，因此多采用型材加工制造。本设备选用槽钢。 常用槽钢主要是热轧槽钢和冷弯槽钢两种型号查机械设计手册单行本 【 13】 。本课题选用型号： 18a 槽钢，参数 68 7。 气焊下料后，按图拼接组装好后，进行焊接连成一体。 整螺杆机构 作用：与调整支座配合，通过丝杠与固定螺母的作用，调节打磨机主轴的升降，进而实现纵向进给。 如图 3示其为竖直方向的螺旋调节机构，用以控制接触轮与钢轨的正确接触和施力。设计中采用结构简单、易于 自锁、转运平稳的差动螺旋装置。图中支架上的螺纹与手轮螺杆的螺纹构成一螺旋副与接触轮联接在一起的螺母中的螺纹与螺杆的螺纹构成另一螺旋副，两螺旋副组成差动螺旋机构。套筒通过螺钉与支架固联为一体，螺母可在套筒内移动。为了使打磨接触轮工作可靠在调整结束后应用紧定螺钉将螺 4 固定在套筒。 圆弧形 槽 与曲柄组成曲柄滑块机构，可仅使工作轮在竖直方向上移动而不用使整个机体上下。 材料： 45 号钢。 图 3整螺杆机构 紧装置设计 如图 3示，图示 列出了张紧 装置 松弛和张紧两个状态 。 在 松弛 状态下顺时针 转动把手 90 ，中间的旋转块推动 伸臂 ，使两个轮中心距扩大，达到张紧砂带的效果。 图 3紧装置设计 旋转块的 推动部分采用半圆柱 状 ，方便推动伸臂，而伸臂对应位置设置了圆弧卡槽，在伸臂旋转 90 之后，能后卡在卡槽内不会轻易弹出。 图 3紧装置设计 手 设计 如图 3示，方便 两边 工人 控制机器 ，可操作 机器倾斜 90 度。 图 3手 设计 走轮 设计 如图 3示，采用凹形结构，形状与钢轨轮廓相似以减少砂带在打磨过程中的变形次数，提高寿命，硬度在 40)之间。 图 3走轮 设计 字 显 示 装置设计 电子 数 字 显 示 装置 如图 3示，利用位移 传感器 。该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当接触轮出 下降 接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测其竖直 位移 的目的。 图 3子 数 字 显 示 装置 械 数 字 显 示 装置 如图 3示，类似弹簧 测力计 原理 ， 套筒内 装有弹簧 与 升降装置相连，弹簧处于自然状态 时 使 机械 数 字 显 示 装置 显示零刻度 。当 升降 装置升降时，弹簧受力发生形变 ， 其形变量 通过 数学换算等量换算成升降装置的位移量。 图 3械 数 字 显 示 装置设计 第四章 整体 工程图和 主要 零件零件图 注 ：由于篇幅限制 所有详细工程图见 附录 1. 配 工程图 要 零件零件图 - 主动轴 第五章 典型结构零部件的工艺设计 注 ：由于篇幅限制 所有零部件详细工艺图表见 附录 2. 零部件的工艺设计 零部件的工艺设计 第六章 典型结构零部件的数控加工程序设计 数控加工程序设计 一 、 工作轴 _1) ( 19H: 13:09) ( C:件车( D:C( M - 2024) 1 1) ( 80 2 04 08) 18 018 96979 0. 0100 2 2) ( 80 2 04 08) 18 20. 25. 9 0. 0200 3 3) ( 18 028 0300 二 、 主动轴 _2) ( 18H: 17:45) ( C:件车( D:C( M - 2024) 1 1) ( 80 2 04 08) 18 018 9 0. 0100 2 2) ( 80 2 04 08) 18 24. 20. 28 0200 3 3) ( 18 028 0300 数控加工程序设计 一 、 盖板 2 铣 (刀具名称 = 刀具号码 =3 刀径补正 =3 刀长补正 =3 刀具直径 =50. 刀角半径 =0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 0102 763106 108 11. 114 116 118 122 126 91(刀具名称 = 20. 刀具号码 =229 刀径补正 =0 刀长补正 =0 刀具直径 =20. 刀角半径=0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 0134 11. 140 10. 11140. 1166 10178 80 91(刀具名称 = 10. 刀具号码 =20 刀径补正 =0 刀长补正 =0 刀具直径 =10. 刀角半径 =0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 863188 192 80 9105 30 二 、 工作定杆铣 刀具名称 = 25. 刀具号码 =234 刀径补正 =0 刀长补正 =0 刀具直径 =40. 刀角半径 =0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 0102 0106 50. 10. 114 11115. 0. 1115. 40. 148 1010. 160. 111115. 110198 1204 206 208 210 212 091(刀具名称 = 10. 刀具号码 =20 刀径补正 =0 刀长补正 =0 刀具直径 =10. 刀角半径 =0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 876222 226 80 91(刀具名称 = 25. 刀具号码 =234 刀径补正 =0 刀长补正 =0 刀具直径 =40. 刀角半径=0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 0236 10. 242 10. 1115. 40. 1272 10282 1288 290 292 294 296 0304 306 (刀具名称 = 10. 刀具号码 =20 刀径补正 =0 刀长补正 =0 刀具直径 =10. 刀角半径 =0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 0312 10. 318 1091(刀具名称 = 25. 刀具号码 =234 刀径补正 =0 刀长补正 =0 刀具直径 =40. 刀角半径=0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 0332 336 1150. 111110. 01376 380 384 388 392 396 400 091(刀具名称 = 20. 刀具号码 =229 刀径补正 =0 刀长补正 =0 刀具直径 =45. 刀角半径=0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 0410 414 416 1422 424 426 430 432 434 436 442 0863448 1454 1460 462 464 468 470 472 474 480 09105 30 % 三 、 滑杆铣 刀具名称 = 刀具号码 =3 刀径补正 =3 刀长补正 =3 刀具直径 =40. 刀角半径 =0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 0102 763106 108 10. 114 116 118 120 122 124 126 128 130 91(刀具名称 = 20. 刀具号码 =229 刀径补正 =0 刀长补正 =0 刀具直径 =20. 刀角半径=0. ) (加工余量 : 0. 0. ) (工件坐标 = 100138 10. 144 1110. 1166 1091(刀具名称 = 25. 刀具号码 =234 刀径补正 =0 刀长补正 =0 刀具直径 =25. 刀角半径