（机械制造及其自动化专业论文）钢轨精磨机整体方案与液压系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 钢轨作为轨道交通建设的重要部件之一，具有直接承受车轮传递的列车及其荷载的 重量并引导列车运行方向的作用。而单根钢轨的长度仅为2 5 米或1 0 0 米，必须通过焊接技 术来连接成为5 0 0 米长的钢轨。钢轨焊接接头必须进行加工使接头处平直才能满足实际的 使用要求。钢轨精磨机就是对钢轨焊接接头进行精磨加工的专用精磨设备，其自主研发 需求十分迫切。 本文将对钢轨精磨机床进行整体方案设计，此设计方案对机床机械系统的性能、尺 寸、外形、质量及生产成本具有重大影响，因此在整体设计中充分应用现代设计方法中 提供的各种先进设计原理，综合利用机械、电子等关键技术并重视科学实验，力求在原 理上新颖正确，在实践上切实可行，在技术上力求先进，在经济上节约合理。 本文根据国内某焊轨厂的钢轨焊接工艺情况，进行了机床整体方案的设计，总体方 案主要包括加工方案、机床布局、液压系统参数设置、电气控制系统、吸尘及辅助装置 等几个方面。本文重点对精磨机床液压控制方面进行了比较系统的设计和计算。尤其是 液压缸和液压泵，从参数分析到型号确定，都一一进行分析和选择。最后采用a m e s i m 仿真软件建立了液压控制系统的仿真模型，并对各液压执行件进行了动态仿真和优化。 通过对机床液压系统的研制，可以为钢轨精磨机提供一套比较先进可靠且高效的液 压控制系统，同时为其他铁路设备的研发提供了有价值的参考和借鉴。 关键词：钢轨；精磨；液压；a m e s i m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si nt h er a i lt r a f f i cc o n s t r u c t i o n , r a i lc a nd i r e c t l y b e a rt h ew e i g h to ft h et r a i na n di t sl o a d i n gw e i g h tp a s s e db yw h e e l s ，a n dg u i d et h er u n n i n g d i r e c t i o no ft h et r a i n w h i l et h el e n g t ho fs i n g l er a i li so n l y2 5o r10 0m e t r e s ，c o n n e c t i n g d i f f e r e n tr a i lt oa sl o n ga s5 0 0m e t r e sb yw e l d i n gt e c h n o l o g yi sn e c e s s a r y o n l yb yp r o c e s s i n g t h er a i lj o i n t st om a k et h e ms m o o t ha n ds t r a i g h tc a l lp r a c t i c a lr e q u i r e m e n tb em e t r a i lf m e g r i n d i n gm a c h i n ei sas p e c i a lg r i n d i n ge q u i p m e n t o nr a i lw e l d i n gj o i n t ，s oi t so w nr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ti su r g e n t l yn e e d e d t h eo v e r a l lp r o g r a mo fr a i lf m eg r i n d i n gm a c h i n ei sd e s i g n e d ，w h i c hh a sas i g n i f i c a n t i m p a c to ns y s t e mp e r f o r m a n c e ，s i z e ，s h a p e ，q u a l i t ya n dp r o d u c t i o nc o s t t h u si nt h eo v e r a l l d e s i g n , w es h o u l dm a k ef u l lu s eo ft h em o d e md e s i g nm e t h o d ，w h i c hp r o v i d e sav a r i e t yo f a d v a n c e dd e s i g np r i n c i p l e ，c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fm e c h a n i c a l ，e l e c t r o n i ca n do t h e rk e y t e c h n o l o g ya n da t t a c hi m p o r t a n c et os c i e n t i f i ce x p e r i m e n t sf o rn o v e la n dc o r r e c ti np r i n c i p l e ， f e a s i b l ei np r a c t i c e ，a d v a n c e di nt e c h n o l o g y , r e a s o n a b l ea n ds a v ei ne c o n o m y i nt h i sp a p e r , 、析mt h eb a c k g r o u n do fad o m e s t i cr a i lw e l d i n gp l a n tr a i lw e l d i n g t e c h n o l o g y , am a c h i n eo v e r a l lp l a n i sd e s i g n e d t h eo v e r a l ls c h e m em a i n l yi n c l u d e st h e p r o c e s s i n gs c h e m e ，m a c h i n el a y o u t ，h y d r a u l i cs y s t e m ，e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mp a r a m e t e r s e t t i n g ，d u s ta n da u x i l i a r yd e v i c ee t c t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef i n eg r i n d i n g m a c h i n e h y d r a u l i cc o n t r o lw h i c hi sc o m p a r e di nt e r m so fs y s t e md e s i g na n dc a l c u l a t i o n ，e s p e c i a l l yf o r t h eh y d r a u l i cc y l i n d e ra n dt h eh y d r a u l i cp u m p ，w h i c hi sd e s i g n e df r o mt h ep a r a m e t e ra n a l y s i s a n dm o d e li d e n t i f y i n g f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nm o d e lo fh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d b yu s i n gt h ea m e s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n dd y n a m i cs i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no f h y d r a u l i ca c t u a t o r sa r ec a r d e do u t b a s e do nt h ed e v e l o p m e n ti nt h eh y d r a u l i cs y s t e mo fr a i lf m eg r i n d i n gm a c h i n e ，as e to f a d v a n c e d ，r e l i a b l ea n de f f i c i e n th y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi sp r o v i d ef o rr a i lf m eg r i n d i n g m a c h i n e a tt h es a m et i m e ，i tp r o v i d e sv a l u a b l er e f e r e n c ea n dr e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fo t h e rr a i l w a ye q u i p m e n t s k e yw o r d s ：r a i l ；f i n eg r i n d i n g ；h y d r a u l i c ；a m e s i m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 高速铁路及轨道交通现状及前景 现在交通运输方式主要包括铁路交通运输、公路交通运输、航空交通运输、水路交 通运输和管道运输等五大类【1j ，相对于其他交通运输方式，铁路运输具有适应性强、运 输能力大、能耗较小、运送速度较快、运输成本低、安全程度高、环境污染程度小、正 点率高等特点，十分符合我国经济和社会的发展现状，非常适于在我国幅员辽阔、环境 气候差异巨大的国土上建设和发展。 高速铁路不但具有铁路运输的传统优势，而且还具有速度更高、安全性好、舒适性 好等显著特点。为了使列车运行满足上述要求，轨道就必须具有平顺规则的运行表面， 以满足列车高速通过的需要。列车轨道平顺性主要涉及两个方面，包括钢轨和轨下基础。 钢轨表面质量主要影响钢轨的短波不平顺和中波不平顺，轨下基础则影响长波不平顺。 各种不平顺可以相互影响，如果短波不平顺不能得到有效遏制，那么其在列车高速运行 过程中可能会导致出现长波不平顺现象。例如：一个大小为0 2 m m 的迎轮台阶形微小焊 缝不平顺，当列车以高达3 0 0 k m h 速度通过时，所引起的高频振动作用力可高达7 2 2 k n ， 低频轮轨力可达3 2 1 k n ，足可导致道砟破碎，道床路基产生不均匀沉陷，从而形成较大 的中长波不平顺，进而引起很大的噪声，严重情况时还可能引发钢轨、轮轴断裂等，导 致更严重的恶性脱轨事故1 2 j 。 高速铁路一般是指运行速度达2 0 0 k m h 及2 0 0 k m h 以上的铁路，主要分为轮轨式和 磁浮式p j ，现在我国大部分高速铁路都是轮轨式，只有部分观光用磁浮式高速铁路。 从1 9 9 7 年开始，随着经济的飞速发展，我国铁路已经进入大建设的快速发展时期， 尤其是高速铁路的建设更是一日千里。从上世纪末至今，我国建设了大量的高速铁路和 城际专线铁路，主要包括京津、武广、郑西和沪宁等十几条，目前我国高速铁路的营业 里程已经达到7 5 3 1 公里1 4 j ，但其建设还是远远落后于经济的发展，根据国务院中长期 铁路网调整规划方案，在“十二五”期间，铁路新线投产总规模达3 万公里，全国铁路 运营里程将达1 2 万公里左右，其中客运专线为1 6 万公里以上；而到“十二五”末，以 高速铁路为主骨架的快速铁路网将达到4 5 万公里左右，将建成“四纵四横”的高速铁 路专线网。在国家的“十二五规划中，我国铁路建设会继续加快推进，将安排近3 万 亿元左右的铁路投资，每年投入的资金将达到4 0 0 0 亿7 0 0 0 亿元【5 1 。高速铁路已经成为 我国“十二五 期间的新兴战略性产业【6 1 ，具有广阔的发展前景和巨大的市场空间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 轨道交通是一种现代化的城市公共客运系统，其基本功能是为城市人口提供大众化 的出行服务。轨道交通具有占地面积小、运能大、速度快、交通伤亡率较低、环境污染 较低等优点，主要包括地铁、轻轨、有轨电车、跨座式独轨、磁浮列车、城际列车等多 种类型，分别适用于不同类型的城市和环境。在当今世界各大城市当中，轨道交通已经 在整个交通系统中处于骨干地位，分担了大部分城市的交通运输任务1 7 1 。我国主要是以 发展地铁为主，个别城市也有部分轻轨在运营。 进入2 1 世纪以来，国内大多数城市的交通拥挤情况日益严重，城市地铁和轻轨的发 展变得极其迫切。截至2 0 1 1 年上半年，我国共有北京、上海、广州等数十个城市开通地 铁和轻轨等轨道交通运营线路共计4 9 条，运营总里程达1 5 1 1 公里，运营车站9 7 7 座【8 】， 还有长沙等数十个城市的地铁在建中。据专家预计，到2 0 2 0 年，我国内地将约有4 0 多 个城市开展轨道交通建设，总规划里程达7 0 0 0 多公里【9 j 。 不管是高速铁路还是轨道交通，他们的发展都需要大量的设备和部件，其中就包括 大量高规格的钢轨。 1 1 2 钢轨特l 生及其加工情况简介 众所周知，高速铁路和轨道交通的发展离不开钢轨，尤其是高标准高质量的的无缝 钢轨。无缝钢轨不是几千公里没有缝隙的，而是把2 5 米长的基本钢轨焊接起来连成几百 米长甚至几千米长，然后在铺在路基上。无缝钢轨一段和一段之间还是有1l m m 的空隙。 在实际中，为保证无缝钢轨能够达到使用要求，其技术标准要求钢轨在焊接接口处1 5 m 以内的平直度误差不超过0 2 m m 。 按照材料分类，现在国内广泛使用的是u 7 1 m n 和u 7 5 v 钢种钢轨，强度等级为 8 8 0 m a 和9 8 0 m p a ，其化学成分见图表1 1 ， 表1 1 钢轨的化学成分 标准钢种cs im nps v u 7 1 m n0 6 5 旬7 60 1 5 旬3 51 1 1 4 0s 0 0 3 0 s 0 0 3 0s 0 0 3 0 t b 厂i 2 3 4 4 u 7 5 v0 7 1 o 8 0o 5 0 d 8 0o 7 0 1 0 5s 0 0 3 0 s o 0 3 0 0 0 4 旬1 2 u 7 1 m n 钢种钢轨是我国使用时间最长的c m n 钢轨，其含碳量较低，m n 含量较高， 硬度为2 6 0 , - , 3 0 0 i - - i b ，韧塑性较好，尤其是低温性能较好，焊接性能优良，十分适于加工 和后期处理l lu j 。 按钢轨截面形状来说，钢轨断面类似为工字形，由轨头、轨腰、轨底三大部份组成， 具有受力好、省材料、抗弯性能好等特点i l 。钢轨的类型和强度以k m 来表示，每米 钢轨的质量越重，其所能承受的额定荷载就越大。我国现行的钢轨标准有5 0 k g m 、6 0 k g m 和7 5 k g m 三种。为了提高线路的通过和承载能力，我国铁路部门正逐步淘汰小重量钢 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 轨，主要线路一般铺设6 0 k g m 或7 5 k g m 的重型钢轨1 1 2 1 。以铁路常用的6 0 k g m 钢轨为 例，其截面如下图1 1 所示： 3 4 。6 8 2 s ，3 3t卜 q j 幻 厂 、r 融j 入 毡 笾 l # 3 0 0 一 掣 、 胆 哂 、 兀 卜k 裘： 饕 1 f 腼 薅 乜一 q 跫 、 蹬 r 2 0 一 惫： k 隔 。、 i 跎 砣 题 2 9 。2 s刃52 9 。2 5 l 图1 16 0 k g r n 钢轨截面 在我国，生产钢轨的主要企业有攀钢、武钢、鞍钢和包钢，总生产能力每年约为1 7 0 万吨，由于受国内市场需求的影响，近几年来，总产量维持在1 2 0 万吨左右 1 引。我国钢 轨焊接方式是在焊轨基地采用固定式闪光焊等方式将基本长度钢轨焊接成5 0 0 m 长钢 轨，然后再运输到施工现场进行铺设1 1 4 1 。从最基本的2 5 m 钢轨到5 0 0 m 长钢轨，必须经 过严格的加工工序才能实现，其中主要包括： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 l 、轨端除锈和刷面：主要是利用除锈刷面机，对待加工钢轨的踏面、轨底底面及 端面进行除锈工作。工序加工范围到轨端的距离为5 0 m m 6 0 0 m m ，加工完成后 钢轨表面呈现金属光泽，加工进给距离应小于0 2 m m 。此工序加工必须在焊接 工序前2 4 小时以内完成，否则此加工工序必须重新进行； 2 、焊接：钢轨焊接主要包括闪光焊、气压焊和铝热焊等，其中闪光焊因其质量稳 定可靠而被广泛使用。在电阻闪光焊接过程中，当钢轨被熔化后，焊机自动启 动并工作，使两根钢轨受到挤压并完成焊接工序。焊接完成后，在焊缝的四周 会自然地残留一圈焊瘤，经过简单处理后，其高度约为1 o m m 左右； 3 、轨底轨头打磨：轨底轨头打磨需采用专用设备，首先在钢轨焊接处两侧和轨底 边缘进行预打磨，然后再进行底面打磨。在打磨加工时，应避免因砂轮对钢轨 的冲击或砂轮的跳动而出现凹坑现象和因进给量过大或加工过程冗长而出现的 钢轨材料表皮发黑和发蓝现象； 4 、焊缝的正火和风冷：钢轨焊接工序之后为正火工序处理，当钢轨的温度下降到 4 5 0 - - 5 0 0 。c 时，需用特制的正火设备进行焊接处钢轨的正火处理，以达到细化 金属结晶、均匀组织的目的，同时能够提高焊缝硬度，减少或部分消除焊接的 残余应力，改善并提高焊缝及附近区域的力学性能； 5 、焊缝踏面及工作面粗打磨：将焊缝顶面和两侧面的残留焊瘤及全部的毛边除尽， 保持轨头原圆弧部分形状以保证焊缝较钢轨母材高0 6 m m 左右； 6 、焊轨调直：先利用专用设备的测量装置检测钢轨焊缝l m 范围内的平直度，并确 定恰当的调直位置和力度，然后利用专用调直设备进行调直，然后再次进行测 量并调直，直至所测量的平直度符合要求为止； 7 、焊缝精磨：焊缝精磨加工时，根据设备检测的焊缝左右l m 范围内的平直度结果 确定精磨加工的进给量。当精磨加工完成之后，再次测量其平直度，若数据大 于0 2 n u r d m ，必须再次进行精磨加工操作，直至完全合格为止； 8 、焊缝超声波探伤及检验：在钢轨内部，使用超声波探伤仪和全断面组合探头对 每个焊缝进行无损探伤作业，以检验钢轨内部的情况。在外部，使用专用的直 靠尺、塞尺等测量工具对每一个焊缝和长轨进行最终检验，测量并记录长轨出 厂轨温和长度l l 。 可见，钢轨的加工处理是一项十分严谨和重要的工作，需要经历将近十几项工序才 能完成最后的加工，期间会涉及到多项加工技术以及除锈机、焊机、调直机和精磨机等 钢轨加工设备，具体的加工路线如下图1 2 所示，只有检验合格的钢轨才能够运至铁路 建设现场进行铺设，承担起承载列车的重任。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 标准轨存放 选型送至输送线 轨墙除锈和捌面 焊接 轨底打磨 焊缝正火及风冷 焊缝踏面及粗打磨 截轨 焊缝调直 焊缝精磨 焊缝超声波探伤 及检验 检验合格 、 否 长钢轨贮存及装车出厂 图1 2 长钢轨焊接工艺流程图 1 1 3 钢轨打磨技术及钢轨精磨机国内外研究现状 在钢轨焊接加工时，熔融的钢轨在焊缝处不可避免地会形成一个凸台，这就是钢轨 焊接接头，也被业内称为“最危险的皱纹”，其焊接和打磨处理速度是影响铁路、地铁 和轻轨等建设速度的重要因素之一，其处理质量也是影响列车运行速度和平稳性的关键 因素之一i l6 j 。高质量的钢轨焊接接头能够消除车轮对钢轨轨头的冲击，从而提高列车的 运行速度和平稳度，延长线路设备和机车车辆的使用寿命，减少噪音和线路养护维修的 工作量，而且能够增加旅客乘坐列车的舒适度，是未来高速、重载铁路的必要条件和轨 道结构现代化的发展方向【l7 1 。 现阶段在国内，闪光焊因其质量稳定可靠而被广泛应用于钢轨的焊接。为了满足百 米定尺钢轨的焊接需要，近年来，铁道部在全路新建或者改建了十几个焊轨基地，全年 的钢轨焊接完成量可达2 万k m 以上。 在焊轨基地，钢轨主要是采用固定式闪光焊的方式来进行加工，将基本长度钢轨焊 接成5 0 0 m 的长钢轨，待运至铁路建设现场后，再利用移动式闪光焊或者铝热焊来完成 最后钢轨的焊接工作。 钢轨打磨技术主要分为两类，一种是使用前的打磨力n - r - ，主要是在钢轨焊接工序之 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 后，对钢轨焊接接头进行磨削加工，以确保钢轨的形状和表面质量达到铁路建设的实际 使用要求；另一种为钢轨使用后的维护打磨，主要是因为钢轨在使用中出现了如波浪形 磨耗、轨面剥离、轨侧严重磨损、轨面擦伤裂纹和轨头压溃等各种表面伤损，影响了铁 路运输能力和经济效益，必须通过打磨来延长钢轨的使用寿命，防止损伤的产生以及进 一步恶化，从而保证行车的安全性和舒适性i l 引。 前一种打磨加工就涉及到了一种铁路大型机械设备，即钢轨打磨机，其中参与打磨 加工最后一步的就是钢轨精磨机，主要是在钢轨出厂前对钢轨进行精磨加工处理，以保 证焊接成的5 0 0 m 长钢轨的焊接接头处的平直度和表面质量，然后这些钢轨再被运至铺 轨现场进行下一步的铁路建设。 精磨作业前，需要钢轨焊接接头应该具有以下特点： 1 钢轨轨头的推凸余量应小于1i l l r n ； 2 接头的错边余量符合下表1 2 规定的技术要求； 表1 2 接头错边余量技术要求 位置 参数 钢轨顶面 0 2 m m 轨头侧面工作边 0 2 m m 轨脚边缘水平方向q o m m 3 经过矫直加工的焊接接头平直度处于下图1 3 所示的范围内。 l o o 8 o 6 基 毒0 4 燕 o 2 o - - 0 2 0 4 i 一上限( 峰值o 3 3 ) l 一 f _ ，n * 1 ，、f 一j i 一 t 、 一5 0 0- 4 0 03 0 0一2 0 0一1 0 00l o o2 0 03 0 04 0 05 0 0 图1 - 3 矫直工位控制的轨顶面平直度合格范围( 不计推凸余量) i i 卅 钢轨精磨机作为铁路大型机械设备之一，其主要作用是对钢轨的焊接接头( 焊缝) 进行处理和精磨加工，以保证高速铁路和轨道交通的实际使用要求，其研究水平对于我 国铁路尤其是高速铁路和轨道交通的建设和发展具有重要意义。 钢轨焊接接头需要采用钢轨精磨机进行外形精磨，精磨的对象主要是焊筋，精磨长 度越短越好，最长不应超过焊缝两侧各4 0 0 r a m 的限度。限制打磨长度，目的是保留平 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 直度测量基准，超范围打磨后，在1m 范围内测量平直度可能是合格的，但没有消除轨 道方向上的整体不平顺【l 州。 关于钢轨精磨加工机械装备的研究，国内外已经做了大量工作，并设计制造了一些 用于实践的机械装备。但是随着列车速度的提升以及对列车运行不平顺要求的提高，国 内现有多数精磨机的加工质量难以满足使用要求。铁道部曾于2 0 0 2 年前后，陆续为全国 铁路十几个焊轨基地引进了法国吉斯玛公司生产的m a s l 5 0 钢轨精磨机，主要用于加工 钢轨焊接接头，提高其外观质量和使用性能。但是，由于对m a s l 5 0 钢轨精磨机的各项 性能掌握不透彻，维修和保养不到位以及不能对m a s l 5 0 钢轨精磨机某些不适应生产的 设备系统进行及时改造，致使在m a s l 5 0 钢轨精磨机的使用过程中故障频繁甚至个别部 件出现损坏严重的情况。因此，现在国内多数的m a s l 5 0 钢轨精磨机都处于损坏或闲置 状态，只有少数几台处于正常使用中。 在国内，也有部分精磨机的研发，例如双电机钢轨平面精磨机和便携式钢轨精磨机 等，但因其功能单一，自动化程度低，连续工作能力差等原因，推广使用比较困难，而 且普及面较窄，不能满足我国铁路高速发展的要求。所以，现在急需国内自主研发和改 进的精磨机，不仅能够打破国外产品的垄断，而且相对来说价格较低，能够达到标准的 质量和生产速度，以满足我国铁路高速发展的要求。 1 2 液压技术简介 液压传动系统或液压伺服控制系统是以液体为工作介质，利用液体的压力能来进行 能量传递和工作的一种系统，其一般由以下几个部分组成： 1 能源装置：主要包括各种液压泵等，其作为系统的能力来源，提供能量将机械 能转化为液体的压力能； 2 执行装置：主要包括液压缸和液压马达等，作为能量转化装置，将油液的压力 能变为机器工作所需的机械能。工作过程中，执行装置在油液压力作用下输出 速度、力矩和扭矩等，以驱动运动部件工作； 3 控制调节装置：液压系统中控制或调节油液压力、流量和方向，以保证机器完 成预期工作的装置，。主要包括电磁阀、换向阀、单向阀、溢流阀、减压阀、调 速阀、节流阀等元件，这些装置的不同组合便形成了不同功能的液压系统； 4 辅助装置：它是指除上述三类组成部分以外的的其他装置，是系统中不可或缺 的组成部分，其主要包括管接件、油管、油箱、过滤器、蓄能器和压力表等各 种元件，起着连接、输油、贮油、过滤、贮存压力能、测量系统流量和压力等 作用； 5 传动介质：它在液压系统中起传递运动、动力及信号的作用，一般很难压缩的 液压油和其他合成液体等，具有动力大、稳定可操控等优点【2 0 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 与传统的机械传动做比较，液压传动拥有以下的优势： 1 在功率相同的情况下，液压传动设备的质量轻、所需空间小、结构紧凑，容易 获得较大的力或力矩，而且液压元件空间位置灵活，既可以采用管道式连接， 也能采用集成式连接，其布局和安装灵活，可以组成其他传统机械传动方式难 以实现的复杂系统； 2 液压系统能在大范围内实现无级调速，不但调速范围大，而且能在系统运行过 程中进行调速： 3 液压系统执行机构的运动比较平稳，能在低速条件下稳定运动，同时因其惯性 小、反应快，所以易于实现快速启动、制动和频繁换向。能够使得执行元件的 运动十分均匀稳定，可使运动部件换向时无换向冲击。 4 液压系统操作简单，调整控制方便，比较容易实现自动化控制，可实现大负载、 高精度、远程自动控制等功能； 5 液压装置易于实现过载保护且液压件能够自行润滑，故使用寿命较长； 6 液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造、维修和推广使 用【2 0 1 。 但是，在具有很多优点的同时，液压系统也存在以下不足： 1 液压油的泄漏和可压缩性会影响元件运动的准确性，所以液压传动无法保证严 格的传动比且存在能量损失( 泄漏损失、溢流损失、节流损失、摩擦损失) ，传 动效率较低，不适用于远距离传动； 2 液压系统对油温变化比较敏感，工作稳定性容易受到温度变化的影响，不宜在 温度变化很大的环境下工作； 3 为了减少泄露，液压元件精度要求较高，因此造价相对要昂贵一些，对油液的 污染也比较敏感； 4 液压系统出现故障的原因较复杂，因此故障查找困删2 0 j 。 综上所述，液压传动的优点是主要的、突出的，它的缺点随着生产技术水平的提高 正在被逐步克服。因此，液压传动在现代生产中有着广泛的前途，尤其是在数控机床、 工程机械、起重机械和智能机械等方面。 1 3 项目研究意义及目标 在我国现阶段，相对于公路、水路和航空等其他运输方式，铁路运输作为国家主要 的交通运输方式，其具有污染程度低、运输成本小、运能潜能大、运行速度快、安全程 度高、运送距离远等优势，更主要的是天气条件和气候变化对铁路运输的影响相对较小， 十分适合在我国广阔的国土上运行和使用。 根据我国中长期铁路网调整规划方案，到2 0 2 0 年，我国将建设大量的高速 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 轨道交通设施，形成“四横四纵”的铁路网，而且北京、上海、郑州、武汉、广州、 西安、成都等中心城市，与邻近省会城市将形成一至两小时交通圈，大大缩短城市 间的距离。 同时，由于城市交通问题日益严重，越来越多的城市开始规划地铁和轻轨等公共交 通工具。权威统计表明，到2 0 1 0 年底，我国已有3 6 座城市向国家主管部门上报了城市 轨道交通建设规划，其中有2 8 座城市的轨道交通近期建设规划得到政府批准，共规划线 路9 0 多条，总里程约2 7 0 0 公里，总投资超过1 0 7 2 0 亿元。未来1 0 年将是我国城市轨道 交通大发展的时期。预计到2 0 2 0 年，我国大陆将约有4 0 个城市发展轨道交通，总规划 里程达7 0 0 0 多公里【2 。 铁路运输和轨道交通的发展必然离不开轨道的铺设，而轨道包括道床、轨枕、道岔、 钢轨、防爬设备和联结零件等。这是一项整体且严谨的工程，在路基之上铺设的轨道， 对列车行进起着导向作用，钢轨必须具有足够的平顺度才能保证列车平稳安全地运行。 近几年来，国家陆续出台与铁路建设相关的政策法规，以保障并加快高速铁路的建设与 发展。铁路基础设施的建设，不仅增加了铁路的运营里程，提高了列车的运行速度j 而 且对钢轨等铁路相关设备的需求量和质量要求也大大提高。 钢轨精磨a nt 的焊缝数量众多，而且加工要求时间较短、连续工作性强及自动化程 度高，因此本项目的研究，应该达到以下几个目标： 1 钢轨精磨机的整体设计必须安全可靠，结构合理； 2 要保证一定的打磨精度和生产速度； 3 对钢轨焊接接头的打磨要实现高自动化、高效率和环保要求； 4 液压系统应该简单有效，能够保证实现所有预定的动作； 5 机床加工噪声低、污染及灰尘小。不仅要求减轻工人劳动强度，而且要改善工 人工作环境并减少对周边环境的污染。 1 4 论文主要工作和内容 根据上述背景，特进行钢轨精磨机的研究，由于任务量大且时间有限，在此，本论 文主要负责钢轨精磨机总体方案和液压系统的设计，其余部分只是略有涉及，并未深入 进行研究。 本论文的第一部分首先是对精磨机进行运动分析并确定加工方案，随后通过精磨机 的运动种类和方式对机床进行总体布局的设计。钢轨精磨机的总体设计方案具体要求如 下： 1 自动化的设计：若想提高钢轨焊接接头的外观质量就必须使用先进的自动化设 备，即用专业自动化的精磨机取代人工仿形打磨机。用自动化精磨机打磨后的焊 接接头，无论从接头的平直度、光洁度、圆顺度以及打磨质量的统一度上都优于 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 用人工仿形打磨机打磨的焊接接头； 2 控制系统的设计：以工业控制计算机和p l c 作为控制系统的核心，整个系统的动 作在一台计算机的控制下完成，便于控制； 3 液压系统的设计：对机床液压系统的各参数进行选择和优化。设计钢轨精磨机的 液压控制图，并对液压泵和液压缸等部件进行数据分析和选型，最后使用a m e s i m 仿真软件进行液压系统的仿真和优化； 4 辅助系统设计：为了保证机床加工的顺利完成，在设计钢轨精磨机时，将专门设 计辅助装置。 论文第二部分为液压系统的设计，也是本文的重点。通过总体设计对执行件进行力 学分析，计算执行件的实际参数并设计选择其附属结构，通过动作执行顺序选择控制元 件，通过系统的要求设计选择液压辅件等，最后绘制出液压原理图。液压系统的设计内 容和步骤为： 1 液压系统草图设计：液压系统草图设计阶段就是液压系统的总体方案设计阶段， 在此阶段，要完成下列工作： 1 ) 了解并明确整台机床对液压系统的要求和实现动作； 2 ) 明确设计计算的原始数据； 3 ) 拟定机床液压系统原理图； 4 ) 概略计算液压系统中的流量，压力和功率，预选出拟采用的液压系统部分标准 元件。 2 技术设计：主要涉及计算液压系统各部件的具体参数，在此阶段，要完成下列工 作： 1 ) 详细计算液压系统的压力，流量和功率； 2 ) 根据压力和流量选择全部液压元件； 3 ) 设计液压系统中的专用元件，画出正式结构图，标注出较详细的连接尺寸。 3 计算机仿真：主要涉及液压系统，利用计算机强大的仿真和优化能力，利用计算 机仿真软件a m e s i m 建立液压控制系统的仿真模型，以验证所涉及液压系统的可 靠性，主要完成以下工作： 1 ) 完成在a m e s i m 软件中的液压系统建模； 2 ) 利用计算机对从系统进行仿真，以检验其正确性并优化系统，形成最优化方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章钢轨精磨机整体方案与辅助结构设计 2 1 钢轨精磨机整体方案设计 任何机械系统设计的第一个环节都是整体方案设计，也就是说在具体的部件设计之 前应该对所要设计的机械系统的各方面进行综合性设计。这种设计不但要求简单安全， 而且要求经济美观。整体方案设计是一个十分重要的阶段，就是从机械系统的设计背景 和实际要求出发，做出完整的方案以实现机械系统的预期功能，然后才能进行整体结构 的优化和局部部件的设计瞄j 。 对于一个机械系统而言，其整体设计主要包括以下内容：最初解决问题的原理和方 案、主要系统结构和方案的选择及优化、机床整体布局设计和实际环境因素的考虑、影 响设计性能的重要指标性参数的选择和确定、设计方案的评价及检验等团】。 其中机床总体布局的内容包括确定机床各主要部件间的相对运动和相对位置关系两 方面，它是机床设计中带有全局性的重要问题，它取决于被加工零件的结构类型和加工 工艺，影响着机床的使用性能，特别是要求高精度、高效率和高自动化的加工。 2 1 1 钢轨精磨机加工原理及方案确定 钢轨精磨机是铁路大型设备，主要功能是对钢轨焊接接头进行精磨加工，以使钢轨 达到高速铁路或者轨道交通的使用要求。由于钢轨表面属于复杂不规则曲面，钢轨焊接 接头的精磨加工属于一种复杂的加工情况，根据实际情况，由于钢轨的体积和重量庞大， 故决定磨削加工时钢轨固定，以加工刀具旋转为主运动，同时依靠刀具的进给实现加工 位置的变化。 磨削是在磨床上用砂轮或者砂带作为切削刀具对工件进行切削加工的一种机械加工 方法，主要包括砂轮磨削和砂带磨削两类。不论砂轮还是砂带，其都是多刀切削工具， 其切削功能都是通过粘在基体上的磨粒来完成的【2 4 1 。切削加工的主要特点是： 1 磨削加工刀具本身具有很高的硬度和耐热性，因此磨削加工的对象可以为硬度很高 的材料，如淬硬的钢、硬质合金等； 2 磨削加工刀具和其机床的特性决定了磨削工艺系统可以进行均匀的微量切削，一般 为口。= o 0 0 1 m m o 0 0 5 m m ，同时由于磨削加工的高速性和机床的刚度好，磨削能 够获得高的加工精度( i t 6 盯5 ) 和较小的表面粗糙度( 尺。= 0 8 p m 0 2 9 m ) ； 3 磨削加工时剧烈的磨擦会使磨削区温度很高，造成工件产生应力和变形，甚至造成 工件表面烧伤，因此磨削时必须注入大量冷却液，以降低磨削温度，同时冷却液还 可起排屑和润滑作用； 4 磨削时的径向力很大，这会造成机床一砂轮一工件系统的弹性退让，使实际切深小 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 于名义切深。因此磨削将要完成时，应不进刀进行光磨，以消除误差； 5 由于磨削刀具的本身自锐性，使磨削加工在一定时间内能正常进行，但当加工时间 超过一定限度后，应进行人工修整，避免因磨削力的增大而引起振动、噪声及损伤 工件表面质量等现象的出现。 磨削加工主要分为砂带磨削和砂轮磨削两种，虽然都是磨削加工，但其加工原理和 适用范围也不尽相同。 砂带磨削原理：砂带磨削装置主要部件包括砂带、驱动轮、张紧轮以及接触轮或压 磨板等磨头主体，还有调偏机构、张紧机构、吸尘装置等功能部件，通过合理的组合成 一个整体，以便完成工件的磨削工作。其磨削过程就是通过砂带高速运行，来对工件进 行磨削或抛光1 2 引。 砂带结构如下图2 1 所示， 其磨削示意图如下图2 - 2 所示： 图2 1 砂带结构图 图2 2 砂带磨削示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 其主要特点为： 1 砂带磨削为弹性磨削，所以砂带磨削被认为是一种可以进行磨削、研磨、抛光等多 种加工的复合加工工艺； 2 砂带上的磨粒比砂轮磨粒有更强的切削能力，故砂带磨削的效率非常高； 3 磨削速度稳定，由于接触轮不磨损，砂带运动可保持恒速，而不会象砂轮那样越磨 直径越小，速度越慢； 4 砂带磨削的精度较高，可以进行精密和超精密的加工； 5 砂带磨削的成本低廉，其装置结构简单可靠，传动链短，操作简明方便，辅助时间 少，切削效率高； 6 砂带磨削工艺灵活性大、适应性强。 虽然砂带磨削有以上种种的优点，但是同时，其在磨削加工过程中也存在以下不足 之处： 1 有尺寸精度要求的盲孔和腔孔等仍难以用砂带磨床加工； 2 螺纹和有些齿轮尚未能用砂带磨削，并且砂轮磨削不能加工凸面； 3 在精度方面，砂轮磨削比砂带磨削耐2 6 1 。 砂轮磨削原理：砂轮表面分布着无数磨粒，每个磨粒的棱角都相当于一个刀具的切 削刃口，当砂轮高速转动时，磨粒就从工件表层切去一条条细微的金属切屑，厚度很小， 但数量很大。因此，砂轮磨削过程可以看成类似于密齿切削工具的超高速切削过程。砂 轮磨削可以加工外圆面、内孔、平面、成形面、螺纹、齿轮等，砂轮结构如下图2 3 所 示， 图2 - 3 砂轮结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 其磨削示意图如2 - 4 所示： 工 图2 4 砂轮磨削示意图 轮 其加工特点为： 1 使用磨料、磨具( 如砂轮、砂带、油石、研磨料等) 为工具，进行切削加工； 2 可以用来) j n t 硬度较高的材料； 3 加工精度高、光洁度高； 4 一般加工余量较小。 同理，虽然砂轮磨削有以上种种的优点，但是同时，其在磨削加工过程中也存在以 下缺点和不足之处： 7 1 磨削时磨粒所受的磨削力较复杂，主要有切向分力，法向分力和轴向分力，一般情 况下法向分力较其他分力大； 2 磨削热较大，磨削过程中所消耗的能量几乎全部转变为磨削热。磨削温度较高，在 磨削区的平均温度约为4 0 0 1 0 0 0 0 c ，磨粒经过磨削区的时间极短，一般在o 0 1 o 1 m s 以内，在这短时间内，工件表面局部的温度迅速上升，会对工件表层材料的性能产 生极大影响并会加速砂轮表面的磨损； 3 磨削精度和表面质量，大多数情况下磨削是最终加工工序，直接决定工件的质量。 加工过程中因磨削力产生的机床变形及振动和因热量产生的机床热变形都影响工件 的磨削精度。工艺系统的振动可能引起表面波纹度。由于磨削热和塑性变形等原因， 磨削表面会产生残余应力。残余压应力可提高工件的疲劳强度和寿命；残余拉应力 则会降低疲劳强度。磨削过程中因塑性变形而发生的金属强化作用，使表面金属显 微硬度明显增加，但也会因磨削热的影响，使强化了的金属发生弱化，同时会产生 磨削烧伤： 4 砂轮磨削效率低下，当工作台每次单行程或双行程结束时，由砂轮向工件轴线作少 量移动，使砂轮与零件接近到要求的位置。因此需要经过若干次行程才能磨掉全部 加工余量； 5 砂轮会出现堵塞现象，磨削产生的部分细屑可能会填充到砂轮气孔中，依附在磨料 周围，引起砂轮的堵塞，导致磨削精度下降，烧伤工件，并缩短砂轮的寿命【2 7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 结论：砂带磨削虽然优秀，但是由其磨削机理可知其无法完成凸圆的成型磨削，无 法保证钢轨焊接接头表面不规则曲面的加工，因此舍弃此种方案，而砂轮磨削的加工精 度相对于砂带磨削来说更高，能够加工钢轨焊接接头且效率及加工质量较高，所以在此 精磨机床的设计中采用砂轮磨削。 确定了机床磨削加工的形式，钢轨精磨机的主要工作原理是：在钢轨精磨机工作时， 由检测部件检测到钢轨焊缝到达加工位置中心左右后，发送信号使输送系统停止工作， 然后钢轨精磨机做少量的位置调整后，使焊缝处于正确的加工位置，之后夹紧机构动作 并夹紧钢轨，以确保打磨过程中钢轨的位置相对保持不动。同时，在钢轨的长度方向， 依靠钢轨精磨机的检测系统，测定钢轨的位置并反馈给工业控制计算机，工业控制计算 机通过数值计算后发送信号给执行机构以调节横梁高度，使加工出来的钢轨表面在两端 点之间为平滑的直线，以保证焊缝的打磨效果能够满足钢轨平直度的要求；而当钢轨进 行磨削加工时，在钢轨的宽度方向，利用仿形拟合技术，把钢轨轮廓磨削近似为多段小 直线磨削，其进给量由程序设定或通过触摸屏来进行修正，通过工业控制计算机的数值 分析及处理，利用左右摆动装置的旋转和垂直伺服机构的移动对钢轨轨面的圆弧面进行 拟合磨削，以使钢轨表面的平直度和光滑度达到钢轨现场铺设的使用要求。 当段焊缝加工完成后，由检测设备检验合格后发送指令信号，夹紧机构松开，各 部件回到初始位置，输送系统动作，把钢轨下一个焊缝部分运送至加工部位进行加工， 直至几百米的一段无缝钢轨全部加工完毕。 2 1 2 钢轨精磨机总体布局方案设计原则 运动数目，尤其是其中进给运动数目的多少，与表面形成运动和机床的加工功能直 接相关；而运动的分配与部件的布局是机床总布局中的核心问题。钢轨焊接接头的精磨 加工，是一种复杂的曲面加工情况，它需要加工出高精度的表面质量，加工高度自动化 和高效率，而且加工最终产品要符合技术要求的严格规定，所以精磨机床在布局时必须 考虑的问题是： 1 必须保证较好的加工精度、较低的表面粗糙度值、较高的生产率和高度自动化的加 工： 2 加工刀具端面到其摆动中心到的距离不要过大，以防止因为摆动中心的微小变化造 成的切削点位置的剧烈变化，最好的设计是摆动中心改变时，加工刀具的轴线方位 改变而其切削点的空间位置不变； 3 考虑到实际情况，钢轨的尺寸与质量均较大，刀具的进给运动依靠安装刀具的部件 来实现，以便减小其结构尺寸并减轻其质量； 4 刀具摆角坐标应能在半球空间范围的任意方位变动，以保证能够加工到钢轨所有需 要加工的位置； 5 机床布局方案应保证机床各部件总体上有较好的结构刚度、抗振性、热稳定性和易 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 于排屑性等【蕊j 。 根据以上机床