（机械制造及其自动化专业论文）内燃机车清洗机研究与设计.pdf

摘要 随着我国铁路运输的高速发展，内燃机车的清洗自动化成了急需解决的问 题。本论文是结合杭州机务段内燃机车清洗机项目展开的，旨在开发一套适合国 内机车情况要求的具有较高自动化水平、安全可靠、性价比高的内燃机车清洗机。 论文对内燃机车的清洗流程、清洗工位、工位清洗方式以及清洗机的三大组成部 分即机械设计、喷淋系统、控制系统进行研究并且完成设计。样机在杭州机务段 投入了运行，取得了一致的好评。具体的研究内容如下： 第一章阐述了研制内燃机车清洗机的重要意义，论述了清洗原理以及国内 外机车清洗的研究现状和设备的性能优缺点。结合课题背景，提出了本论文的主 要研究内容。 第二章在需求分析的基础上，提出了内燃机车清洗机的设计要求。结合国 内内燃机车清洗污渍多、表面复杂的特点提出了多种清洗方式相结合的清洗机总 体设计方案。对清洗流程、清洗工位、工位清洗方式进行了详细设计。 第三章结合机电系统设计理论对内燃机车清洗机的机械系统进行研究并完 成了机体结构、动力源、机械执行机构三个方面的设计。 第四章对喷淋系统进行了研究。将射流清洗技术运用到内燃机车清洗中， 完成管路设计、水泵的选择、喷嘴的选择布置等设计内容。 第虫章对内燃机车的控制系统进行设计。针对多车型多操作模式的复杂控 制需求，采用现场控制和上位机监控相结合的控制设计。本章着重研究现场控制 部分的设计，对p l c 在清洗机控制系统中的应用做了详细描述。 第六章介绍控制系统的上位机监控部分。着重研究p l c 与上位机通信和上 位机监控程序设计。本章还对清洗车辆信息的数据库进行了初步研究。 第七章给出了全文的结沦和展望 关键词：清洗机、机械设计、喷淋系统、p l c 、数据库 塑兰查兰堡主兰垡堡兰! 堕塑! ! 兰塑垫垫型塞皇堡生一 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a i l a g e ，t h ea u t o i m m u n i z a d o n o f w a s h i n g s y s t e m f o rd i e s e ll o c o m o t i v e sb e c o m e si n c r e a s i n g l ys e r i o u sa n d n e e d st ob er e s o l v e d a c c o r d i n gt o t h ep r o j e e lt h a tc o n t a i n st h es t u d ya n dd e s i g no ft h ew a s h i n g m a c h i n ef o rt h el o c a ld i e s e ll o c o m o t i v e so fh a n g z h o ud e p o t ，t h i sp a p e ri s m a d e b a s e do i lt h ed e t a i l e dc o m p a r a t i v e l ya n a l y s i so f w a s h i n gm a c h i n e sb o t hi na n d o u to f c h i n a ，a sw e l la sa c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f m a i n t e n a n c ef o rd i e s e ll o c o m o t i v e ， a l la u t o m a t i cr e l i a b l ee c o n o m i c a lw a s h i n g s y s t e m i se s t a b l i s h e d t h e d e s i g n o f w a s h i n g - p r o c e e d i n g ，w a s h i n g w a y ，w a s h j n g p o s i t i o n h y d r a u l i c w a s h i n gs y s t e m f r a m e w o r k s y s t e ma n dc o n t r o l s y s t e mw e r eg i v e ni nt h ep a p e r t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri sg i v e ni nt h ef o l l o w i n gp a r a g r a p h s c h a p t e ro n ei n t r o d u c e s t h es i g n i f i c a n c eo fw a s h i n g s y s t e md e v e l o p m e n t ，a n d d e t a i l e dc o m p a r a t i v e l ya n a l y s i so ff o r e i g no rl o c a lw a s h i n gm a c h i n e b a s e do nt h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c ht a s ki se x p r e s s e d c h a p t e rt w og i v e st h ew h o l ed e s i g no f t h ew a s h s y s t e m ，a f t e rd e t a i l i n ga n a l y s i s o fl o c a ld i e s e tl o c o m o t i v e s d i r t yc o m p l e x s u r f a c e 、a n dd e t a i l d e s i g n w a s h i n g r p r o c e e d i n gw a s h i n g w a ya n dw a s h i n g p o s i t i o n c h a p t e rt h r e eg i v e sd e s i g no f m a c h i n eo f w a s h i n g s y s t e m r e s e a r c h e sd r i v e ，s t e e l f r a m e w o r ka n d e x e c u t i n g - p a r t ，a c c o r d i n g t om e c h l o r e t h a m i n e d e s i g n m l e c h a p t e rf o u ri n t r o d u c e st h eh y d r a u l i c w a s h i n gs y s t e m t h e nd e s i g nw a t e rp i p e s y s t e ma n dc h o o s e sa d a p tw a t e rp u m pa f t e rc a l c u l a t i n g a l s od e s i g nt h en o z z l e s p o s i t i o n c h a p t e rf i v ef r a m e st h el o c a lc o n t r o ls y s t e m ，a f t e rd e t a i l e dr e s e a r c ht h ed e t a i l e d r e s e a r c hm u l t i p l e xc o n t r o ln e e d ，d e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea b o u tt h ep l c c o n t r o ls y s t e mo f w a s h i n g m a c h i n e c h a p t e rs i xg i v e st h ed e s i g no f p c b a s e dm o n i t o r , r e s e a r c ht h ec o m m u n i c a t i o no f p ca n dp l c ，f l a m et h es o f t w a r e ，a n da l s od e s i g nad a t a b a s eo fd i e s e ll o c o m o t i v e s m a i n t e n a n c ei n f o r m a t i o n i nt h el a s tc h a p t e r , a l lo t t h ew o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m e d u p t h ef u t u r e r e s e a r c ho f w a s h i n g s y s t e mi sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：w a s h i n gm a c h i n e ，m a c h i n ed e s i g n ，h y d r a u l i c w a s h i n gs y s t e m ，p l c d a t a b a s e i i 堑坚奎兰堡：! 堂些堡三! ；：查塑型! 兰塑鲨! ! 婴窒量塑生 一一一 第一章绪论 【摘要】本章介绍了研制内燃机车清洗机的重要意义。论述了清洗原理以及国内外机车 清洗的的研究现状币设备的性能优缺点。结合课题背景，提出了本论文的主要研究任务。 1 1 开发意义 随着我国铁路运输的高速发展，机车的机械化清洗问题急需解决。目前国 内的机车清洗以人工清洗为主，使用了大量人力，且清洗时间长，质量不稳定。 一辆d f 4 机车采用人工清洗，一般需要8 人2 0 分钟的清洗时间，在机务段繁忙 的铁路线上有时造成待清洗机车长时间等待、占道。这对铁路机车的高效运营产 生了一些不利的影响。另外，机车清洗质量的好坏还直接影响到机车车体外表美 观和车体的油漆寿命。定期高质量的外皮清洗对延长车体表面油漆寿命有着重 要的作用。据前苏联研究研究证明，由于机车外皮清洗维护不良，经1 2 年后 漆面的质量就显著下降。往往不到正常维修期，就不得不重新涂刷新油漆【孙。这 种情况在国内机务段更为常见。目前发达国家机车清洗基本上实现了机械化。机 械化清洗具有清洗速度快，清洗质量稳定，自动化化程度高等特点。国内少数机 务段自行制造了清洗装置，如哈尔滨、湘潭等地，并取得一定的效果，但具有造 价较高、设备复杂、运行成本高、扩展能力不强等缺点。无法满足机务段对机车 清洗机的高要求。 综上所述，开发一种高效先进的低成本内燃机车清洗机对提高机车的维护 水平、提高机务段的工作效率以及机车的服务质量都具有重要意义。本课题结合 杭州机务段对内燃机车清洗的具体要求，立足于国际先进清洗设备水平，吸收欧 洲、同本铁路机车清洗装备的优点，采用先进控制技术，设计开发一种内燃机车 专用清洗机。 塑坚叁兰! ! 主堂堡笙奎! 塑塑! ! ! 鲨! 型堕兰翌堑上一 1 2 国内外机车清洗机的研究现状 1 2 1 清洗原理 清洗是指用某些力( 物理力或化学力) 把污垢从被洗物上除掉3 1 。可以根据使用 的清洗力( 清洗要素) 的种类来分类，清洗要素主要有溶剂的溶解力、界面活性力、 化学反应力、吸附力、物理力等 。通常进行清洗时，很少单独使用一种力， 而是将几种力组合使用。 1 ) 清洗力： 溶剂的溶解力、离散力 常用溶剂主要是水和有机溶剂两类。水足一种廉价的溶剂，可溶解电解质( 有 机、无机) 、碳水化合物、蛋a 质、脂肪酸、酒精类等，具有不燃、无毒、无味、 无臭，且不需要复杂的附属设备的优点。水的缺点是对油脂类的溶解力不足。除 掉该类污垢时，需要与其它清洗要素组合使用。有机溶剂的种类极多，通常根据 清洗的目来选择和组合法用。在使用州，还应当充分考虑经济性( 溶剂的回收利 用等) 和使用性( 易燃性、阻燃性、爆炸性、毒性、公害、废液处理等) 。 界面活性力 界面活性剂是含有疏水基( 亲油基) 和亲水基的有机化合物，吸附在固液界 面、液一液界面、气一液界面上，是一种可显著改变界面性质的材料。根据其分 子结构的不同，分为阴离子界面活性剂( 最常见的是肥皂、合成洗涤剂等) 、阳离 子界面活性剂( 作为杀菌剂、消毒剂使用) 及非离子界面活性剂( 能够与酸性溶液及 碱性溶液混合使用) 三类。应用广泛。 化学反应力 如果选择对污垢和被洗物都最为恰当的化学药品并进行完善的处理，这是最为 简单、有效、且经济性好的清洗要素，但其缺点是易损伤被洗物，且对操作者有 危害等。酸类洗涤剂主要用于除去金属类的污垢( 金属表面的锈迹、氧化皮、变 质层等) ，碱类洗涤剂主要用于除去油脂性( 动植物性、矿物性) 污垢以及蛋白质、 淀粉等的高分子有机物( 加水可分解为低分子) 形成的污垢。 物理力 物理力( 热、压力、摩擦力等) 是与溶解力同等重要的清洗要素不利用物理力 2 浙江犬学；【o i - t ：学位论文：内燃机车清洗机研宄与设计 的清洗系统可以说是不可能的。加热不仅可使化学反应速度加快( 温度每升高1 0 0 度反应速度约增加一倍) ，而且可使高粘度油脂类的粘度降低，从而提高洗涤效 果；搅拌和刷洗等引起的摩擦以及用高压水喷射等均可使污垢与被洗物分离，使 污垢易溶于溶剂。推动清洗。 2 ) 污垢的粘附状态。在决定清洗方法时，需弄清被洗物的特性和污垢的性质。 要掌握被洗物所用材料的物理性质是属于易受损伤表面还是坚硬表面，与洗涤剂 是否超化学反应等；列于污垢，在选用合适的清洗方式时候，还要看其粘附状态、 所属种类等f 3 , 5 】。 污垢的粘附状态如图1 1 所示，从机械性的覆盖至渗透、扩散到被洗物内部， 有各种各样的状态。状态a 可较容易地除去，但状态e 要完全除去是困难的，对 被洗物的损伤不可避免。各种状态都需要通过考虑综合使用合适清洗力，完成清 洗。 1 i 嵌i l l l 箍盏 似i 盏 馘鹞 h ，分f 十l ”牧 童龇均 c r 乜了：l l l 致 l 譬敬随期, l l 。r 辅被托掳 d - 。i 。- j “i t a r t e 分，i f i l l 甄栩溶透 图1 1 污渍与被洗物粘附状态 1 2 2 机车清洗方式研究 对机车外蒙皮的清洗，按照自动化程度分，有两种清洗方式，是人工清洗， 就是以人为主，使用刷子、喷枪等工具完成清洗，二是机器自动清洗，既以自动 机械为主完成清洗。在机器自动清洗中又包含两大类：射流式和滚刷式 6 】( 如图 1 2 ) 。劓流式清洗以美国的i n t e r c l e a n 公司为代表。主要特点式：利用高压射流 对清洗表面进行冲击，剥削污浊物，达到去处污渍的作用。刷式清洗主要利用洗 堂! ! 叁兰竺! ! ! 堂些笙兰! 塑塑! ! ! 塑垫! ! ! ! 丝兰兰生一 刷部件与蒙皮表面发生相划运动，在清洗剂的参与下摩削污浊物，进而进行清沈， 如平常使用的洗刷清洗等。国际领导厂商是w a s h t e c 公司。 图1 2 射流式和滚刷式清洗机 各种清洗方式有相应的特点，对一些清洗机的主要特征参数进行对比研究后 得出下表： 表l ，1 三种清洗方式特征对比表 对比i 目人f 清洗滚刷式射流式备注 清洗对象有。定限制有定限制较广 清洗面平整度要求低高 【1 清洗面洁净程度高高 由 清洗成本与人工费相关低中 维护成本与人t 费相关 由 低 单协清洗瑚水 南 低 高如同用基本相同 清洗水压 中 低高 对被清洗物体损伤 低 中高 殴备造价 少 高中 国际使用情况 少j 较广 浙江人学硕士学位泛文：内燃机车清洗机研究与设计 1 2 3 国外机车清洗机研究现状 机车清沈机在国外研究较早，在二十世纪八十年代出现了一些成熟的应用。如 美国的i n t e r c l e a n 公司1 9 8 8 开发的机车清洗机。目前美国的w a s h t e c 公司和 i n t e r c l e a n 公司推出的系列机车清洗机，日本的新干线机车用清洗机以及前苏联 顿涅茨和十月铁路局装备的清洗机都是些比较先进的机型。以i n t e r c l e a n 公司 的射流式以及w a s h t e c 公司的滚刷式清沈机为典型分别说明。 i n t e r c l e a n 公司建立于】9 8 5 年，是一家以重型汽车，公共汽车，载货卡车以 及火车的洗车系统为主要产品的工程制造骨干企业。该公司的产品以射流式清洗 设备为主。是该领域的佼佼者7 1 。以下是该公司产品的一些特点： 1 ) 使用高效喷嘴，压力达到2 7 0 3 3 0 磅。清洁能力高( 如图1 3 ) 。 2 ) 喷射覆盖面好，全部使用a u t o c a d3 d 设计。对喷射面进行良好的覆盖 ( 如图1 4 ) 。 3 ) 使用中央微电脑控制，自动化程度高。清洗速度快。一辆公共汽车，清 洗时间在1 分钟内。 4 ) 设备可靠度高，可以做的无人值守。 5 ) 循环用水处理先进，清洗用水回用率达到9 0 。 6 ) 使用环保清洗剂，对环境损害小。 7 ) 模块化设讨，安装方便。 图13 喷嘴设计 图14 射流覆盖 该公司产品也有一些缺点：1 ) 由于使用射流清洗，对顽固污迹以及含有油 脂的污渍剥离效果较差，清洗能力欠佳( 如图：1 , 5 ) 。2 ) 清洗用水量较大，需 采用昂贵水处理设备。 塑堕查兰里! ! ：竺垡堕苎! 塑燮! ! 羔塑鲨! ! ! ! 壅兰丝旦一一 图1 1 5 清洗剩余污渍 滚刷清洗机的典型厂家是w a s h t e c 公司，该公司产品在美洲欧洲市场具有较 高的知名度。在刷洗控制，使用寿命等方面有领先的技术，清洗效果良好【8 1 。设 备如下图。 图1 6w a s h t e c 公司产品 浚公司产品多使用钢梁结构支撑洗刷，采用西门子p l c 作为控制元件。机车 在室内完成清洗。以1 f 是该公司产品的一些优点： 1 ) 清洗效果好，清洁度商。对顽固、含油污渍也有很好的清沈效果。( 如图1 7 ) 。 2 ) 清洗用水少，单位车辆清洗用水是i n t e r c l e a n 公司的j ，水处理简单。 3 ) 列车辆表面损伤较小。 该公司的产品也有一些缺点： 1 ) 清洗面适应程度小，对复杂表面达不到较好的清洗效果。 2 ) 采用了室内清洗，工程造价较高。 3 ) 采用昂贵控制器件，制造成本高。 6 塑婆查茎堡：! 兰些堡兰! 塑塑! ! ! 塑些! ! 婴壁皇堡望一 图1 ，7 清洗前后效果对比 1 。2 4 国内机车清洗机研究现状 国内目前有多家机务段自主完成了清沈机设计制造。其中哈尔滨铁路研究所 在德黑兰中标的地铁清洗系统是机车清洗机一个典型的代表( 如图1 8 ) 。以下是 改产品的一些特点1 9 。 1 ) 多清洗工位设计。主要包含侧面、剥顶面、端面清洗工位。 2 ) 控制系统i m 】。利用先进的工业级控制系统，对清洗机进行控制。哈尔滨铁路 研究所刀：发设备布局如下：3 个控制屏和1 个操作控制台组成。控制屏分别为可 编程控制器p l c 、强电控制屏和供电屏。其使用了s i n c el 2 型p l c 。总体设计 如下： 采用分布式控制方式。减少了移动电缆的总数，提高了系统的可靠性和经 济性。 远程扩展部分设在移动设备上。可方便地解决现场就地调试问题。 控制系统的丌放性，系统采用p l c 可扩展模块，同时在i o 资源的分配 上保证有足够冗余，软件上也留有相应开发区段以备变更或扩展再开发。 3 ) 其他设计 可靠性设计：包括信号联锁、速度限制等设计。 防腐蚀设汁，包括腐蚀面的处理，以及在清洗剂条件下的设备防腐。 外观综合设计：包括外观用材，视觉效果设计等。 塑望查堂堡! 兰兰些笙苎：塑整! ! ! 塑堕垫! ! 壅兰丝生一 该清洗机代表了国内清洗机设计制造最高水平，具有很多可以借鉴的设计思 路。同时该产品也有一些缺点； 1 ) 端面需要停车清洗机车通过时间较长，且对停车定位有较高的要求。 2 ) 端刷设计复杂，制造成本高。 3 ) 移动部件上有重要控制器件，对设备防尘防水有高要求。 4 ) 对复杂表面如车轮等处，未进行清洗。 图i 8 哈尔滨铁路研究所研制清洗机 1 3 论文的课题背景与研究的主要内容 本课题是应上海铁路局下属杭州机务段的要求立项的。上海铁路局是中国铁 路特大型运输企业，固定资产4 4 3 6 亿元，员工2 0 万人。主要担负安徽、江苏、 浙江、福建和上海四省一市范围的铁路运输经营以及建设任务，铁路运输业务辐 射全国各地。杭州机务段作为该局的一级站局，拥有内燃机车近五百辆。担负了 杭州段f i 益繁忙的客运、货运机车车头运营管理及日常维护工作。在杭州机务段 大力提高铁路服务水平、提高设备现代化的指导思想下，结合该机务段的实际情 况，提出了内燃机车专用清洗机的立项要求。论文作者通过对发达国家先进机车 清洗机的研究，结合杭州机务段实际情况，对高可靠性、性价比因素等因素综合 考虑，完成内燃机车清洗机的设计与部分实施。目前该系统的主要部分已经在杭 州机务段得到实施，获得了使用者的好评。 本论文的主要内容有； 机车清洗机种类与现状研究。对国内外的机车清洗机的种类以及代表厂家、 设备的优缺点进行对比研究介绍。 浙江大学坝i t 学位论文：内燃机车清洗机研究与设计 清洗机清洗原理研究。包含了对清洗的理论以及实际运用情况进行研究。 内燃机车清洗流程以及清洗机清洗方式和工位布置研究。 清洗机的机械结构设汁。对清洗机的机械部分的三大要素：机体结构、动力 源、机械执行机构进行研究设计。 清洗机喷淋系统设计。将射流清洗引入到机车的蒙皮清洗中来。对管路、水 泵、以及唢嘴的选型漫计。 清洗机现场控制设计。现场控制系统设计，对清洗机工作模式以及控制方式 进行研究。对现场控制的核心p l c 控制进行重点研究。 清洗机上位机监控系统没计。在保证网络自动化控制的同时提供良好的人机 界面。主要包括p l c 与上位机的通信，上位机程序模块和清洗车辆信息数据库 设计的研究。 浙江大学硼士学位论文，内燃机车清洗机研究与设计 第二章总体设计方案 【摘要】本章通过对清洗需求分析后得出清洗机的设计要求，结合国内内燃机特点以及 杭州机务段实际情况，提出了内燃机车清洗机的总体清洗设计方案。对清洗流程、清洗工位、 清洗方式进行了设计。 2 1 设计理论 内燃机车清洗机属于一套复杂的机电设备，合理的设计是基于先进可靠的机电 系统设计理论的。 2 1 1 机电系统设计 设计是人类的种创造性智力活动，它意味着用种有规律的方法和过程来 创造并获得对某利一问题的解】。在各种工程实践中，人们的设计活动往往是由各 种需求与限制因素驱动的【1 2 1 ，例如： 满足实际指定的功能需求。 符合明确或隐含非功能需求。 符合明确或隐含的设计条件限制。 符合设计过程的资源限制，如开发成本、时问及支持工具等。 在需求的驱动下综合使用各种技术，完成开发。 机电系统是在f ：| 益发展的机械、电子信息技术相接合的产物。随着微电子技 术和信息技术向机械工业的渗透与深入应用，机械工业开始了一场巨大的变革。 方面，在传统的机械产品设计中不断强化智能、自动控制设计理念，产品的功 能和性能大大增强；另一方面，在机械系统的制造中也引入了信息技术，生产的 过程中自动化程度不断提高，使得企业的生产系统效率和竞争力不断提高”引。 内燃机车清洗机设计属于一套复杂的机电系统设计，涉及到多个领域，尤其是机 械、电气电子、射流( 液) 、光( 传感器) 、计算机等技术。包含了团队的分工设 计，相互配合等。是复杂机电系统设计的一个典型应用。具有复杂机电系统的共 有特点”： 多种技术交叉融合。机电产品系统是机械、电子、信息等技术相互交叉运用 1 0 浙江夫学硕二卜学位论文：内燃机车清洗机研究与设计 和发展的产物，其设计过程综合机、电、磁、光、液、生物、化学等多种科 学知识。如图2 1 所示。 知识密集的开发过程。系统本身涉及到多种科学技术领域，因此开发中需要 多方面理论知识和相当丰富的实践经验。 系统备个模块之间及与外部环境的信息交换提升了产品的附加值，是机器智 能化及协调控制的基础。 2 1 2 一般设计方法 图2 1 多领域交叉的机电系统 复杂机电系统的设计工作基本可以划分为两个方面，一是系统功能设计，二 是系统内部模块间的接口和人机接口设计。而技术实现应按照横向分层次分工实 施，( 如图2 , 2 ) 。上层模块的实现和可靠性是建立在下层模块的基础上的( 1 6 l 。机 电系统包含了7 个基本要素：动力源、执行机构、驱动器、控制器、数据采集与 检测、机体结构及各个要素问的接口。设计的主要目标就是将这7 个要素合理的 实现，并优化组合，完成设计目标。 塑坚查兰塑：! 竺丝堡兰：堕塑! ! 垩塑选! 型! 堑兰堂生一 壤 。操作系统1 。i 鼍 机f b 醚备 j ”：。二j 图2 - 2 机电系统实现层次划分 机电设计的一般的设计步骤如下降2 “： 1 ) 功能分析。在完成需求分析后，明确该系统实现的目标、完成的功能，将复 杂的功能体系分解成为容易实现的简单功能体。 2 ) 在功能分析的基础上进一步细化，将每一功能对应于个机电单元模块，获 得单元模块的组合体。 3 ) 冗余分析。对上述单元的组合体进行时序和空间分析，对功能相近，时序上 和空间上无冲突的单元加以注意，考虑进行某种归并，简化设计。 4 ) 具体实现。根据简化后的单元利用现有技术获得实施。 内燃机车清洗机的实施将按照这指导进行设计。 2 2 设计要求 2 2 1 内燃机车清洗需求分析 杭州机务段拥有各类机车上千辆，其中乔司分局作为内燃机车的主要维护地 点，承担了杭州机务段6 0 机车的保养、加油、调度等工作。内燃机车清洗作 为f _ l 常保养的必各工作之，该局对每辆入库保养机车都要求清洗维护。目前拥 有清洗班组1 个，清洗工1 6 人。每天白天需要对入库的2 5 - - 4 0 辆车辆进行清洗 ( 夜间工作条件太差，无法实旖清洗，夜间入库车辆为1 5 2 5 辆) 。场地为露天， 工作强度大、清洗环境较差。同时由于人工清洗的特殊性，清洗时间较长，通常 为1 8 - - 2 5 分钟一辆。而机车入库时候，往往是3 4 辆同时入库。这时入库通道 经常出现占道现象，对同益繁忙的入库通道形成了瓶颈。而且占用大量等待机车 的驾驶员宝贵的时问。 1 2 天 鲨! 坚生兰堡、! 兰些堕苎! 塑整塑! 翌堕坠竖坐堕蔓丝堕一 通过对乔司局的实地考察，对机车入库情况做出了分析，清洗机设计清洗量在 4 0 6 5 辆f i ( f 1 夜工作) 之间。清洗的车型9 6 为d f 4 b 型。其3 为d f l l 型，1 为其他车型。一辆车的清洗时间不应超过7 分种( 入库车辆最小间隔时 间) 。清洗机的主要清洗对象是d f 4 型内燃机车。( 如不特别说明，以下d f 4 内 燃机车简称内燃机车) 。 d f 4 内燃机车具体参数说明如下：d f 4 型机车是交直流电传动干线内燃机车， 分客运和货运两种，除牵引齿轮传动比不同外，两者结构完全相同。机车柴油机 的最大工作功率为2 4 3 0 k w 。机车柴油机驱动台三相交流同步牵引发电机，产 生的三相交流电经过硅整流后输送给牵引发动机，再经牵引齿轮驱动轮对。 机 车车体为棚式侧壁承载结构。两端设有司机室，任何一端都可操纵机车。机车中 部为动力间，其中装有柴油发电机组及辅助设备。动力间西端为电气间及冷却问。 燃油箱装在主车架中部的下方，蓄电池安装在燃油箱两侧。机车的走行部为两台 可互换的三轴转向架，采用低位四连杆机构牵引和滚动轴承轴箱，轴箱弹簧和支 承像胶元件组成两系悬挂。牵引电动机为轴悬式安装。制动系统采用j z 一7 型 空气制动机，可以单独制动机车或同时制动机车和机车，机车还设有电阻制动。 柴油机空气滤清采用v 型滤网、高效多旋流管式空滤器一纸质滤芯三级滤清。 机油滤清采用高效丙纶滤清器。 d f 4 型机车是国内数量最多的主要机车，它具有牵引性能好、油耗低，使 用可靠，维修方便及司机工作条件好等特点f 2 2 】。 表2 1d f 4 内燃机车主要参数表 用途 十线客 慷大速艘溶运： 120km ，h 运、货运 b 运： 1o0km ，h 螂l 斟- l4 3 5n 1i l l 持续速度客运： 285km ，h 货运：2 】6km ，h 鼬吱 c0 一co 起动乖引力 客运：327 ，kn 货运：43 5kh 轴径1 【) 5 ( 【nm砖墩耷一，nh客运；24 3kn 赀运：324kn rf3 1 罂：絮，。 臣l10o 3309 h75 5r f lm 整蔷重量i 138 3t汹过盟小i l l l 线 l45m 降径 塑羔苎竺壁! 堂丝堡! ：塑丝! ! 圭塑垫! 幽! ! 兰壁生 一一 一一一一一一- 一一一一一一+ 。1 + r 一一1 【车拿轴距| l 56m渺f i 占量 j 8 00kg 一一一o 一 外形如下图： 图2 3 d f 4 内燃机车 在调研了杭州机务段机车使用情况后，对与清洗密切相关的机车污渍种类进行 分析。机车大部分时删属下室外运行，运行条件复杂，如日照、雨水、雪、粉尘、 以及自身运行产生的一些污渍物，都刈机车的清洁程度产生影响。通过对杭州机 务段1 5 辆内燃机车取样研究，得出了下表： 表2 2 内燃杉【车污渍分布情况表 序号车体部分污渍种类粘附状态 1 车辆端部与鸟类昆虫冲撞引起的污渍，尘十表明覆盖为主 - 辆底 | ；生- t 。、制动装置及轮毅磨损铁粉、油脂 表面穰盖为主、少量分 子渗透 3 车辆侧面1 i 辆顺部的污渍r 落、车轴底部| ! i 勺污渍上表面覆盖为主、其他都 浮、粉尘、自州宙润滑n i i 脂有、少量分子渗透 4 1 ：辆顶告| i 柴油机油烟，人气 j 染 表面覆盖为主 5 干轮粉尘、轮毂磨损铁粉、少量润滑汕脂表面覆盖为主、其他都 有、少量分子渗透 6 车峦粉尘表面覆薷 i ! j 丁以看h 1 内燃机车清沈与其他种类的车辆清洗机相比，主要难点之一就是污渍 种类复杂、粘附紧密，清洗阑难。特别是在对车体不损伤的情况下，对油脂以及 金属粉尘的清沈较蹦难。这对清洗机设计提出了较高要求。 为了进一一步了解客户剥内燃机车的清洗要求，在杭州机务段的配合下，完成了 内燃机车使用客，。刈机车清洁皮要求的渊查。设计调查问卷，要求客户对最关注 的车体部分进行选择，最不喜欢看到污渍的车体进行选择，以及结合清洁机车和 污渍机车照片， = l = l 客户对这些照片满意程度进行评分。调查取样人员为：a 机车 驾驶员1 7 人。b 清洗员5 人c 普通人员2 1 人。统计分析得出以下数据如下图： 塑坚查堂堡主兰竺笙苎：塑塑! ! 兰塑丝! ! 堕塾兰垦生 图2 4 客户对内燃机车清洁需求表 根据该表。可以得出内燃机车客户对机车清洗需求，主要是集中在车辆两侧以 及斜顶面，机车驾驶员对端面清洁程度要求较高。同时客户对车轮、车顶清洁也 有一定的要求，要求最低的是车底。只有6 人( 主要是维修人员) 对车底清洁做 出了要求。 2 2 2 设计要求 参考客户内燃机车清洁需求分析表，结合入库车辆分析，征求原有清洗工作人 员意见，综合考虑经济性、高效性等因素，提出了以下设计要求： 能在不停车状态下自动完成d f 4 内燃机车侧面、斜顶面、端面、车轮清洗。 单内燃机车清洗时问不超过5 分钟。 提供先进的控制功能和良好的可操作性能。至少提供全自动和手动两种工作 模式。 良好的安全性，能保征没备幂1 人员的人身安全。 良好的可靠性，较少维护，操作人员只需1 人。 提供计算机监控能力。可以采用p c 机控制，提供网络功能。二期能与杭州 机务段现有调度系统结合使用。 良好的可扩展性，能根据车型、清洗面积的变动进行扩展。 良好的经济效益，省水、省电。 在结合实际情况仔细分析后，得出部分非功能的隐含设计要求： 浙江人学硕：l 学位论文：内燃机车清洗机研究与设计 1 ) 工程容易实施，单台造价不超过3 5 万。 2 ) 良好的外观。 3 ) 良好的环保配套特性，可以与现成的废水回收环保系统很好的配合。 4 ) 稍加改进即可完成机车车厢清洗。 从该设计要求来看，需要在追求良好清洗性能的同时充分考虑可靠性、性价比、 可扩展性等要求。 2 2 3 总体设计思想 作为一个复杂机电系统的开发任务，系统的总体设计涉及的内容非常广泛， 结合机电设计的方法，在分析设计要求后，仔细考虑系统机电系统的7 个设计要 素。确定总体设计思想如下： 需要一个高效合理的清洗工位设计，包含对不同的内燃机车清洗部件提供合 适的清洗方式，达到清洗标准。 对清洗机自身支撑提供经济合理、性能可靠的机体结构设计。 配置合理的动力源：包括电机优化选择、合理机械传动。 没计合理的射流清洗系统，选择合适的水泵、喷嘴。需要对清洗部件做到清 洗力合适、覆盖均匀良好。 选择优良的传感器，为自动控制提供正确的信息。 设计先进的现场控制系统，采用安全可靠、使用寿命长的控制器件和驱动器。 完成清洗机管理软件的设计，提供良好的人机接口。提供网络控制功能。且 软件程序具有丌放性，且能与杭州机务段现有网络结合，实现部分数据共享。 还应提供多种扩展功能，如新车型程序设计等。 对工程具体实施中的一些问题提供的合理、高效、经济的具体解答。 该系统设计实施完成后，应具有高效、先进、经济、环保等的特点。 2 3 总体设计方案 在对杭州机务段内燃机车清洗机设计要求充分理解下，根据设计总体思想设计 包含如下内容： 塑垩查堂堡：! 竺丝丝苎! 塑整坐! 塑些! 型型i ! ! 坠 2 3 1 清洗流程设计 图2 5 清洗机设计内容说明 内燃机车与汽车很大的不同就是不能很方便的停车，从正常速度到完全停止需 要很长的距离和时间。在启动过程中，发动机的磨损也比正常行驶时候要大。 而且要使机车停车，驾驶员需要很多操作步骤( 如鸣笛) ，因此机务段和机车驾 驶员都希望整个清洗过程可以在不停车的情况下完成。对清洗时机车通过速度 上，与杭州机务段在孩设备实施后，通过试验，正常清洗时，内燃机车速度定在 3 k m h 以下。设计清洗流程如下： 堑垩查兰塑! ：兰些望苎! 塑燮塑至塑塑! ! 型圣量丝丛一一 自动完成清洗 图2 6 清洗流程 内燃机车在进入乔司局后，通过调度，驶入f j 常维护车道。出于安全考虑， 在清洗机实施地段设置了一个信号灯( 该信号灯由调度控制) 。如果清洗机准备 完毕，且整个清洗段内没有其他正在清洗的机车，信号灯在不断闪烁后绿灯放行， 驾驶员关好门窗后以3 k m h 的速度通过清洗机，一次性完成清洗。该清洗流程 具有清洗自动化程度高，且避免了一些清洗机设计的需要机车在清洗段来回开动 臼勺麻烦。 2 3 。2 清洗工位与清洗方式设计 清洗工位与清洗方式设计是浚课题的重点之一。其设计的好坏与清洗机清洗 质量、效率、能耗、实施成本有直接的影响。杭州机务段对设计要求提出：霈完 成内燃机车侧面、斜顶面、端面、车轮的清洗。本次设计采用了多个创新，针对 不同的清洗面采用了合适的清洗相结合的方式。 1 ) 预喷淋工位。预喷淋工位的作用是在内燃机车进行清洗前，对内燃机车进行 预先喷淋清洗剂、清水的工作。采用射流喷射。科研人员发现，清洗剂与被洗物 反应的时i - 日j 越长，清沈效果越好。前苏联的多台清洗机通过提前预喷淋工位的位 置，都提高了清洗效果。结合实际，将预喷淋工位提前列下一清洗工位3 5 m 处。 这样清洗剂有4 2 秒( t = 3 5 3 0 0 0 + 6 0 + 6 0 ) 的反应时间。 2 ) 端面清洗工位。端面是指内燃机车前后两个面。该面包含车窗、车灯、挂钩、 保险杆、刮雨器等部件。从侧面看，清洗面落差很大，最大的地方达到3 7 1 m m ， 污渍以粉尘，鸟类昆虫冲撞遗骸为主。驾驶员对该面清洁要求较高。在选择合适 的清洗方式时，对比了以下两种方案。 浙江大学碳士学位论义：内燃机车清洗机研究与设计 洗刷清洗。优点：清洗干净，覆盖面好。缺点：第一：需要停车清洗，且对 驾驶员停车位置有很高的要求。第二：由于清洗面落差大，固定式洗刷无法完成 清洗工作，如采用活动洗刷，结构复杂，成本很高( 在湘潭机务端得一活动端面 洗刷，成本占到了该系统总成本的4 5 ) 。第三：由于该洗刷工作位置在机车的 通过通道上，如果出现故障，将对机车的通行造成影响。 采用射流清洗。优点：第一、清洗面适应性强，第二、可不停车清洗，第三、 对粉尘等污渍去除效果好。缺点：第一、耗水量大，第二、对含油污渍去除效果 较差。 通过对比，结合该端面清洗面情况与污渍情况，考虑到该面的油类污渍很少， 且清洗机选用了废水处理装置。最终该清洗工位选择了非常合适的射流清洗的模 式。 3 ) 侧面清洗工位。侧面是指内燃机车的左右两个面，是清洗机清洗的主要面， 也是客户关注以及清洁要求最高的面。污渍包含车辆顶部的污渍下落、车辆底部 的污渍上浮、粉尘、百叶窗润滑汕脂等。粘附状态以表面覆盖为主、其他都有， 少量分子渗透。主要设计思想是保证清洗面的清洁，同时内燃机车侧面平整，除 了上下车把手、牵引钩等少量部件，基本上可以看成一个平面。因此采用了清洗 效果最好的滚刷式清洗方式。 4 ) 斜顶面清洗工位。斜顶面是一个关注程度次于侧面，但是注目度也比较高的 个面，而且该面上由于存在内燃发动机散热百叶窗( 在检修过程中，存在大量 的机油残留) ，使用射流清洗无法达到清洗要求。采用与侧面清洗相似的洗刷清 洗。在完成剁顶面的清洗过程中，也可以利用洗刷完成了与斜顶面相连的部分顶 面清洗。 5 ) 车轮清沈： 位。车轮在长期的运行过程中，积累了大量的粉尘以及轮毂磨损 铁粉和少量润滑油胎。清洗可以减缓污渍引起的腐蚀，延长车轮的使用寿命。在 j ：位设计中使用射流清沈方式。原因如下：第一：机车在清洗过程中不停车，因 此被洗物车轮在足不断运动的。如采用洗刷式，可能发生缠结危险。第二： 车轮清洗面落差也较大。第三：射流清洗对粉尘有很好的清楚效果，可以达到清 洗要求。在车轮射流清洗设计中，由于存在轮毂磨损铁粉和少量润滑油脂，设计 中使用较大的清洗力来达到设计要求。 塑翌查兰堡主兰堡垒奎! 塑塑! ! 兰塑堕! ! ! ! 塑皇堡茎 6 ) 终喷淋工位。终喷淋工位的作用是在内燃机车完成清洗后，对内燃机车进行 清水喷淋，以达到除去残留清洗剂的目的。采用射流喷射。该工位对内燃机车的 车体保养有一定的作用，也对清洗剂回收处理产生重要影响。 各清洗工位如图2 7 清洗”1 ：位设计 图2 7 清洗工位设讨 在完成了工位的设计后，对各个工位的数量和摆放位置进行设计。主要考虑 的设计原则就是： 清洗面完全覆盖。 达到足够的清洗强度。 后一工序的清洗不能对前工序造成二次污染。 易于工程实施，造价不能太高。 综合考虑后，创新的使用了2 侧面、2 刹顶面工位组合设计。该设计可以提 高清洗质量，第一组侧面清洗工位与斜顶面工位主要作用是，在洗刷的帮助下让 表面的污渍被清洗剂软化，进而形成种糊膏状物，第二组刷可以在糊膏状物的 帮助下形成一种类似刷牙过程的软磨，大大提高清洗质量。同时考虑到斜顶刷在 刷洗过程中有污水下流，因此两组斜顶刷都布置在中间，这样下流的污水可以被 侧刷组清洗干净。各个工位的平面布置如图2 ，8 ： 浙江大学颧l 学位论文：内燃机车湔洗机研究与设计 2 3 3 机械设计 清洗t 位平面布置 图2 8 清洗工位平面布置图 机械部件作为改系统的实施基础，提供一个平台的作用。针对内燃机车清洗 机的机械设计主要包含以下设计： 支持框架结构设计。对侧刷、剁顶刷、喷淋等工位以及相关零部件提供 固定、支撑。 洗刷动力部件选择设计。对侧刷、斜项刷工位进行电机选型、电机悬挂 支撑、传动输出等设计。 重要零件的详细设计校核：如侧刷输出轴，支撑轴承。 2 3 4 赜淋系统设计 喷淋系统提供了本系统的射流清洗功能。主要包含了以下设计： 管路设计。完成系统喷淋系统的管路设计。 水泵选择。选择合适的水泵提供射流清洗所需的压力、流量。 喷嘴选择设计u 对清洗面进行分析，合理的排布喷嘴，对清洗面进行很 好的覆盖。同时对不同的污渍粘附状态配备合适型号喷嘴，达到较好的 清洗效果。 2 l 浙江大学颂二 学位论文内燃机车清洗机研究与设计 2 3 5 控制设计 控制设计是本系统的重点和难点之一。由于该系统服务于铁路系统，铁路系 统对系统的安全、可靠性要求就尤为重要。进而在此基础上进行自动化设计。随 着网络技术的迅猛发展，杭州机务段也对设备提出了网络要求，要求与该局的内 部局域网连接。可以完成网络管理功能。在比较了多种网络结构后，选用了成熟 可靠的技术。 控制系统总体结构设计如下： 挑1 ：肌 图2 8 控制系统结构图 主要设计内容有： p l c 控制。结合手动操作，完成洗车机的基本功能实现。 p c 与p l c 的通信。由上位杌完成监控功能。 上位机监控程序。建立清洗工作状况监控，实现网络控制。 浙江大学硕士学位论文：内燃机车清洗机研究与设计 上位机与杭州机务段局域网通信。进行调度车辆信怠通信。 清洗车辆数据库系统 2 4 总结 本章对杭州机务段的清洗需求进行了细致的分析，提出了设计要求。结合复 杂机电系统设计方法论，对清洗机系统进行了总体设计。并且对清洗流程、工位 以及清洗方式进行了深入研究，进而提出了相关设计方案。创新的将射流式与滚 刷式清洗方式相结合，以及设计采用了2 侧刷2 斜顶刷工位的组合工位。同时对 机械、喷淋、控制等设计项目进行了说明，在随后章节将详细展开介绍。 塑坚查堂婴! 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