（机械工程专业论文）轨枕螺栓自动涂油机研制.pdf

摘要 摘要 铁道线路的维修作业中，主要有轨枕螺栓的涂油、更换轨挚和轨枕等。在轨枕螺栓 涂油作业中，大多是线路工用手持式电动扳手松开和拧紧轨枕螺栓，在螺栓上手工刷涂 油液。沈阳工务机械段研制的机械式涂油机，拧紧力矩和涂油量都要靠操作者控制，操 作难度大，止步于样机。 国外一些发达国家对铁道线路轨枕螺栓的维护，采取的是大型的自动化程度较高的 综合型设备。在小型线路维修机械的研制中，没有国外的技术可以借鉴，需要自主研发， 轨枕螺栓自动涂油机在这方面作了有意的尝试。 本文阐述轨枕螺栓自动涂油机的整结构、动力、行星式减速以及螺母套筒的惯性冲 击扭紧的设计，计算了在拧动阻力较小时的静扭转和拧动阻力较大时的冲击扭转。这是 一种最优化的结构，构成了轨枕螺母的松紧过程中的两种工作状态。通过螺母套筒的惯 性冲击把锈紧在轨枕螺栓上的螺母松开以及实现精确的拧紧力矩。 本文依据自动控制原理，设计了轨枕螺栓自动涂油机的p l c 控制系统以及涂油作业、 自动定位、喷油压力等控制程序。设计选用各种传感器，主要有检测轨枕螺的会属感应 传感器，检测松开螺母距离的光电编码器，检测喷油压力的膜片式压力传感器。 轨枕螺栓自动涂油机经沈阳铁路局沈阳工务机械段在全段管辖的线路上使用效果 很好，螺栓拧紧力矩准确。劳动强度低，生产效率高。涂油均匀，节油。 关键词：涂油机；拧紧力矩；传感器；p l c 人连交通入学l ：稃硕十学何论文 a b s t r a c t d u r i n gr a i l w a ym a i n t e n a n c e ，i ti sm a i n l yi n c l u d i n gs l e e p e rb o l t so i l e d ，r a i lw a s h e r sa n d s l e e p e r se x c h a n g e d r a i l w a yw o r k e r s l o o s ea n dt i g h t e ns l e e p e rb o l t su s i n gh a n d i n ge l e c t r i c s p a n n e r s ，o i lt h e mb yh a n dw h e nt h e yo i ls l e e p e rb o l t s t h em e c h a n i c a lo i l i n gm a c h i n ew a s c r e a t e db ys h e n y a n gr a i l w a ym a i n t e n a n c ed e p a r t m e n t b o t ho ft i g h t e n i n gt o r q u ea n do i l i n g q u a n t i t ya r ec o n t r o l l e db yo p e r a t o r t h em a c h i n ei sd i f f i c u l tt oo p e r a t ea n do n l yas a m p l e l a r g e - s i z ea n dh i g h l ya u t o m a t i ci n t e g r a t e dm a c h i n ei sw i d e l yu s e do nr a i l w a ys l e e p e r b o l t sm a i n t e n a n c ei nd e v e l o p e dc o u n t r i e s t h e r ea r en o ta n ys m a l l s i z er a i l w a ym a i n t e n a n c e m a c h i n et e c h n o l o g yo fo t h e rc o u n t r i e sc a l lb eu s e df o ro u rr e f e r e n c e i tn e e d ss e l fr e s e a r c h a n d d e v e l o p i ti sa ni n t e r e s t i n ga t t e m p t t oc r e a t ea u t o m a t i cs l e e p e rb o l t so i l i n ge q u i p m e n t t h ef r a m eo ft h ea u t o m a t i cs l e e p e rb o l t so i l i n gm a c h i n ei st h ew h o l eo fm a k i n go fb y w e l ds t a i n l e s sp i p e s i ti l l u m i n a t e st h ed e s i g no ft h ep o w e ro fo i l i n gm a c h i n ea n dt h e t r a n s m i s s i o nb yp l a n e tr e d u c t i o nd e v i c ea sw e l la ss c r e wh o l d e r sd r i v e nb yi n e r t i ad y n a m i c f o r c e i ta c c o u n t st h es t a t et i g h t e n i n gt o r q u ew h e nas m a l lr e s i s t a n c ea n dt h es h o c kt i g h t e n i n g t o r q u ew h e n t h eh i g ht i g h t e n i n gr e s i s t a n c e t h i si sa d v a n c es t r u c t u r ew h i c hc o m p o so ft w o w o r k i n gs t a t e sd u r i n gb o l t sa r et i g h t e n i n gp r o c e s s e s w h e nt i g h t e n i n gr e s i s t a n c ei ss m a l l e r ， t u r nr o u n di sm o t i o n l e s s ，o t h e r w i s ei ss h o c k i n gt i g h t e n i n g d e s i g na c c o u n t i n gi st h e f o u n d a t i o nb a s i so fc o m p o s eo f o i l i n gw o r k i n ge f f i c i e n c ya n da c c u r a t et i g h t e n i n gt o r q u e t h ed e s i g no fp l cc o n t r o ls y s t e mo ft h ea u t o m a t i cs l e e p e rb o l t so i l i n gm a c h i n ei sb a s e d o na u t o m a t i cc o n t r o lp r i n c i p l e o i l i n gm a c h i n ec h e c k ss l e e p e rb o l t sb ym e a n so fs e n s o rw h i c h i n s t a l l e do nt h ef r o n to ft u r nr o u n dh e a da n dl o o s i n gs c r e wd i s t a n c eb yp h o t o e l e c t r i c i t yc o d i n g d e v i c e ，g u a r a n t e e so i le v e nb ym e a n so fc o n t r o l l i n gs c r e wt i g h t e n i n gf o r c e ，p l cc o n t r o lo i l q u a n t i t yp r e c i s e l y a u t o m a t i cs l e e p e rb o l t so i l i n gm a c h i n eh a v e b e e n u s e di nm a i n t a i n i n gr a i l w a y sw h i c h a d m i n i s t e r e db ya l lr a i l w a ym a i n t e n a n c ed e p a r t m e n t so fs h e n y a n gr a i l w a yb u r e a ua n d a c h i e v e dg o o dr e s u l t s b o l t st i g h t e n i n gt o r q u ei sa c c u r a t e i n t e n s i t yo fl a b o u ri sr e d u c e d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yh a sb e e ni n c r e a s e d i tj e to i lu n i f o r m l ya n de e o o m i z eo no i l k e yw o r d s ：o i l i n gm a c h i n e ；t i g h t e n i n gt o r q u e ；s e n s o r s ；p l c i l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属盘整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 导：马自够留黟 日期：2 0 0 8 年1 2 月1 2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：沈阳铁路机械学校电话：0 2 4 6 2 4 5 4 7 9 5 通讯地址：沈阳市皇姑区怒江街1 7 0 号邮编：11 0 0 3 5 电子信箱：x i a n j i c h s o h u c o r n 者碰 l 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 撇黼张一私氍 日期：2 0 0 8 年1 2 月1 2 日 第一章概述 第一章概述 随着铁路的提速和重载化，对线路的要求在不断的提高。因此在现代铁路的建设和 维修中，大量地使用大型、自动化程度很高的机械设备。如架桥机、铺轨机、捣固机、 清筛机、钢轨打磨机、道床整形机等等。铁道线路建设及维修主要作业的机械化和自动 化的程度已经较高，作业的质量已经达到一个新水平。但是在一些非主要维修作业中， 如轨枕螺栓的维护大都是人工作业，这种维护不仅劳动强度大、作业效率低，而且很多 人为的因素难以控制，轨枕螺栓的维护质量低。 从铁路线路运行的现状和其发展趋势上来看，轨枕螺栓维修作业的现代化技术水平 急需提高，急需一些小巧的自动化机电设备在铁路线路的维修中应用。使一些重体力操 作变得更加方便、快捷，进一步改善劳动条件、提高劳动生产效率，更重要的是提高铁 路线路的维修质量。 1 1 轨枕螺栓维修作业的现状 在国内的铁道线路维修作业中，涉及到轨枕螺栓的比较多。主要有轨枕螺栓的涂油、 轨垫的更换、更换轨枕等都需要进行松紧轨枕螺栓。特别是轨枕螺栓的涂油，需要松开 轨枕螺母，在轨枕螺杆上均匀地涂上用以保护螺栓的油或油脂后，再把螺母拧紧。在人 工作业的过程中的主要问题是涂油不均匀，涂油后螺母的拧紧力矩不均匀，且多为其拧 紧力矩不够，更有甚者并不是松开螺母再涂油，而是只在表面上涂油，这样的操作根本 无质量可言。 采用电动扳手对轨枕螺栓进行松紧作业，大致有手持式和在轨上推行式两种电动板 手。线路工用手持式电动扳手松开和拧紧轨枕螺栓，或者用推行式电动扳手松紧轨枕螺 栓，都需要用油刷或棉纱蘸油涂在螺栓上，涂油不均匀，滴油，涂油效率低。推行式电 动扳手功率大，扭转力矩大，靠操作者控制拧紧时间来控制拧紧力矩的大小。这个扭矩 控制是很重要的一个环节，这是轨枕螺栓的固定是否正常，轨枕和钢轨定位是否达到线 路的标准。会出现两个极端的现象，一是螺栓没有拧紧，另一种是把螺栓从轨枕铆固中 拨出来。 为了改善劳动条件，提高维修质量，达到铁道部制定的铁道线路维修标准的要求， 沈阳铁路工务段的相关技术人员经过了大量的现场实践，完成了轨枕涂油机的实验样机 的研制，这是一个机械控制的涂油机。机械式涂油机采用带有冲击拧紧装置松紧螺母的 方案是合理的。但采用的是机械控制的方法，仍然无法实现拧紧力矩的调节控制，还是 要靠操作者控制拧紧时间来控制拧紧力矩的大小。 机械式涂油机松开螺母的距离是采用的丝杠螺母传动控制，故螺母松开的距离是固 大连交通火学+ i ：程硕十学位论文 定的，无法进行调节，作用单一。这种采用丝杠螺母传动控制，是靠一个弹簧片弹起螺 母进入丝杠的螺纹中。这其中弹簧片与螺母之间存在着磨擦，螺母和丝杠的螺纹端头都 是在不断的磨擦中，这会很快地使这个控制失效。 机械式涂油机不能适用于不同级别轨道的螺栓维修作业，不同级别的轨道的轨面 至轨枕螺栓的距离不同，而机械式涂油机的螺母套筒的升降高度是固定，不能随着轨型 的变化而调节，应用受限。 机械式涂油机采取压力喷油式进行涂油，较为合理。但是喷油时不精确，不易调节， 为了达到涂油的效果，往往是多喷一点，有点浪费。仍然采用人工定位，自动化程度低、 作业效率低。 国外一些发达国家对铁道线路轨枕螺栓的维护，采取随着铁道线路的维修综合解 决，使用大型的自动化程度较高的综合型设备。如钢轨打磨机、道床整形机等。使用的 是大型机械，在线路维修过程中，要封闭线路。国内的铁道线路运行较忙，封闭线路难 度较大。因此，要自主设计开发小型的自动化的线路维修机械，在线路正常运行情况下， 利用列车运行的间隔，对线路进行一些小型的维修与维护。轨枕螺栓自动涂油机将是这 些小型线路维修机械之一。 1 2 本文主要工作 ( 1 ) 整体结构和系统设计 本文要完成涂油机的总体结构和控制系统设计。要依据现代控制理论，阐述轨枕螺 栓自动涂机的自动控制系统的设计原理。屏弃机械式涂油机存在着人工定位、拧紧力矩 和喷油不精确、易产生机械械磨损故障、功能单一等弊端。 ( 2 ) 动力、传动及扭矩的设计计算 。 本文要完成轨枕螺栓自动涂油机的机械结构设计、行星减速机构的设计计算、冲击 转换离合机构的扭矩计算及电动机功率计算。特别是要论述扭转装置的静扭矩和冲击扭 转的设计方案，以实现小动力输入完成快速和大扭矩两个工况的最佳模式。要通过螺母 套筒惯性冲击的扭转方式，解决把锈紧在轨枕螺栓上的螺母松开以及实现精确的拧紧力 矩这两大难点。实现小功率、重量轻、上下道轻便和安全的设计思想。 ( 3 ) 主电路和p l c 控制程序及传感元件的设计 本文要阐述涂油机的主电路、核心控制装置p l c 的硬件系统以及各种作业模式控制 程序的设计。主电路的设计要力求简单可靠。选型用于各控制检测传感元件，如光电编 码器、金属感应器及压力传感器等。完成一个程序控制、机电一体化的小型线路机械的 设计。 2 第一章概述 1 3 设计研制目标 ( 1 ) 实现自动化、多功能 轨枕螺栓自动涂油机要采用p l c 控制技术、传感器技术等，其控制系统要能实现涂 油机自动定位、螺母套筒自动套合、螺母松开的距离和拧紧力矩的精确控制、喷油量和 均匀度的控制。涂油机除了其主要功能轨枕螺栓的涂油外，不可用轨垫的更换、更换轨 枕等进行松紧轨枕螺栓作业。在轨枕螺栓的维修作业中，要适用于至少两种常用的轨型， 实现一机多用。 ( 2 ) 继承机械式涂油机的优点 机械式涂油机采用带有惯性冲击拧紧装置，这种装置在松开锈紧螺母和拧紧螺母的 扭矩上效果很好，可谓是一个经典结构。压力喷油的涂油模式，具有结构简单、易于控 制及涂油效果好的特点，也是可取的涂油方案。 螺母套筒要设计为具有一个小角度的自由转动范围，利用套筒锥形敞口进行与螺母 的自动套合。若经实验不能实现，可采用p l c 输出脉冲控制微驱动套筒，内六角套筒与 轨枕螺母相对微动作，实现套筒与螺母的棱角对正，以便顺利套合。由于轨枕螺栓存在 个别不规范者，套筒与螺母的套合可能是个难点，需要反复实验。 ( 3 ) 控制整机重量 轨枕螺栓自动涂油机可利用列车运行的间隔时间，轻便、安全地上下道，进行轨枕 螺栓的涂油作业。由于铁路运行安全性要求高，机量是一个重要的控制指标，在4 0 k g 左右，两人可轻松进行上下道操作，应急时一人也能提下道或推下道。 ( 4 ) 应用新技术 近几年来，在机电设备中，可编程序控制技术、传感器技术等得到广泛应用。可编 程控制器已经从开关量、摸拟量控制发展到经模块组合可以实现诸如p i d 回路、模糊逻 辑控制、位置控制、凸轮控制、比例调节及阀门控制等。如s 7 2 0 0 系列p l c 中的e m 2 5 3 定位模块，精确地协调速度和精度，可以控制微型步进电机和智能司服驱动系统等。现 场总线、智能继电器、各种子传感器、光电编码器等电气元件日斟完善乜3 。利用程序控 制，完全可以实现涂油机的上述各种控制的精确性。由于芯片技术的集成化，可使涂油 机小型化和重量大大降低。 在众多技术条件下，、一个小巧的、自动的机电一体化轨枕螺栓涂油机的设计目标是 完全可以实现的。 1 4 轨枕螺栓自动涂油机的设计要求 ( 1 ) 轨枕螺栓自动涂油机要具有的功能 涂油机要具有自动定位 3 大连交通人学i - rv 硕十学伊论文 涂油机利用安装在扭转头l j 面的感应传感器检测到轨枕螺栓，经p l c 控制此后涂油 机行走的距离来进行准确定位。 松开螺母的距离精确控制 用光电编者按码器检测松开螺母的圈数，这样螺距与螺母松丌圈数之积就是螺栓松 开的距离了。利用p l c 的计数器功能进行四倍计数，要达到较高的螺母松开距离的精度。 拧紧力矩的精确控制 在精确的螺母松开距离情况下，要通过p l c 对拧紧螺母的时间进行控制，达到精确 控制拧紧力矩的目标。并且要通过调节拧紧螺母的时间来改变拧紧力矩。 喷油量和均匀度的控制 利用p l c 控制喷油压力和时间，喷油压力确定喷油的均匀度，喷油时间可以较精确 地控制喷油量。 实现一机多用 涂油机除了其主要功能轨枕螺栓的涂油外，还可用轨挚的更换、更换轨枕等进行松 紧轨枕螺栓作业。 ( 2 ) 轨枕螺栓自动涂油机要达到的技术参数 整机重量：5 0k g 作业重量：3 5k g 功率：0 4 5 k w 电机转速：6 5 0 r m i n 螺母力矩：1 0 0 - 3 0 0 n m 。 套筒升降行程：4 0 - 5 0 m m 油箱容积：3 8 l 油箱压力：0 3 - 0 5 m p a 对钢轨绝缘： 2 m q 作业速度：5 s 棵 上下道时间：8 s 本章小结 本章主要介绍国内轨枕螺栓维修作业现状，说明在铁道线路的维修作业中急需自动 化程度较高的机电设备。因此，设计轨枕螺栓自动涂油机的工作非常必要。本章也并阐 述了轨枕螺栓自动涂油机设计目标和应具有的功能。 4 第二章轨枕螺栓白动涂油机的机械结构设计 第二章轨枕螺栓自动涂油机的机械结构设计 轨枕螺栓自动涂油机要完成的主要工作是松拧轨枕螺母这样的机械动作，机械结构 构成该机的基础。动力源产生的扭矩经过行星减速增扭，再经冲击转换机构传至螺母套 筒。本章主要介绍涂油机整体结构、行星减速及冲击转换机构的设计。 2 1 轨枕螺栓自动涂油机的整体结构设计 轨枕螺栓自动涂油机设计为用于铁路轨枕螺栓的涂油作业，还可以更换轨垫、更换 轨枕等过程中的松紧轨枕螺栓作业，实现一机多用。轨枕螺栓自动涂油机是一个采用p l c 控制技术、传感器技术的机电一体化小巧设备。可利用列车运行的间隔时间，轻便、安 全地上下道，进行轨枕螺栓的涂油作业。使这些作业变得更加方便、快捷，进一步改善 劳动条件，提高工作效和保证维修质量。 轨枕螺栓自动涂油机主要由扭转驱动装置、控制系统、涂油系统、机架行走机构、 电源组成。图2 1 为轨枕螺栓自动涂油机的结构简图。 1 0 4 1 5 ) 6 ) 1 ) 油箱：2 ) 驱动装置；3 ) 控制箱；4 ) 操纵手柄；5 ) 后轨行轮；6 ) 后陆行轮； 7 ) 喷油环；8 ) 螺母套筒；9 ) 检测装置；1 0 ) 前陆行轮；1 1 ) 摆动销轴 图2 1 轨枕螺栓自动涂油机结构简图 f i g 2 1s i m p l i f i e dd i a g r a mo f t h ea u t o m a t i co i l i n gs l e e p e rb o l t sm a c h i n e 2 1 1 扭转驱动装置 扭转驱动装置由单相交流电动机驱动，经过行星式减速、牙嵌式离心冲击装置驱动 具有万向联接螺母套筒。通过电动机的正反转来改变扭转头的转动方向，实现螺母的松 开与拧紧。行星式减速具有体积小、重量轻、减速速比较大。离心式冲击装置具有蓄能 5 火连交通人学l ：稃硕十学忙论文 作用，特别是对于松开那些锈紧的螺母起关键性作用。 在轨枕螺栓的松开过程中，首先要由螺母的紧固状态或者锈死状态把螺母松开，这 个过程要求作用在螺母上的扭转力矩较大。而在螺母从紧固状态松开之后，是要把螺母 拧转几圈，把原来螺栓与螺母结合部位露出，以便于涂油，这个过程的扭转力矩较小。 这就要求转动螺母套筒的驱动装置输出的扭转力矩的能有两种状态：低速大扭矩与高速 小扭矩。两种状态的转换不可能采用机械传动中常用的换挡的方法，这样会使涂油机的 结构复杂，整机重量增大，不能符合一个小型轨枕螺栓涂油机的设计思想。特别是要把 螺母从紧固状态松开所需的大扭矩怎么获取，采用较在功率的驱动电机，整机重量和动 力输入太大，不可取。从实际松紧螺母的作业经验来分析静扭矩传动不利于把一个锈死 的螺母松开，而往往是用敲打、冲击的方法。因此，设计为一个牙嵌式离心冲击装置。 轨枕螺栓涂油机用牙嵌式离心冲击装置不仅适用于松开螺母的作业工况，对拧紧作 业工况也非常适合。不管是在松开还是在拧紧过程中，在扭转的阻力较小时，牙嵌式离 心冲击装置主动旋转冲击块与被动旋转冲击块处于嵌入啮合状态，主动旋转冲击块与被 动旋转冲击块同速转动来驱动螺母在阻力较小的情况下快速松开或拧紧。在松开或拧紧 的过程中，遇到较大阻力时，牙嵌式离心冲击装置的被动旋转冲击块转动较慢或停止转 动，主动旋转冲击块通过斜面作用滑出被动旋转冲击块，经过加速转动后冲击到被动旋 转冲击块的下一个斜面上。被动旋转冲击块经万向节、螺母套筒把冲击力矩传给轨枕螺 母，使轨枕螺母拧紧或松开。一周设两个牙嵌，结构对称，受力平衡，冲击转角最大。 对于冲击力矩的计算，将在本章的下一节中详细论述。 在驱动装置与螺母套筒之间采用万向联接。这种设计是考虑到三个因素。其一是， 在轨枕螺栓中存在一些不规范者，螺栓不是完全与轨枕垂直，会造成套筒与螺母套合时 困难。设置万向联接的结构，套筒可作任一方向上的摆动。其次是由于套筒在与螺母套 合时，是整个驱动机构在摆架上绕摆动销轴1 l 摆动( 参见图2 1 ) ，这样套筒在套合过 程中存在一个微小角度摆动。还有考虑一点就是不同重量级的钢轨的轨顶至轨枕螺母的 距离不同，这样摆架在套筒套合上螺母时的摆动角度也不同。实际上，万向节的摆动角 度是比较小的，故选用结构较为简单者，以降低整机重量和成本。 离心式冲击装置使扭转头又具有一定角度的自由转动范围，套筒设制为锥形敝口， 都有利于螺母套筒与螺母套合。 2 1 2 涂油系统 涂油机的涂油系统由油箱l 、电磁阀、喷油环7 以及油管等组成( 参见图2 1 ) 。油 箱中压力油在喷油电磁阀打丌时，通过油管，经喷油环上的喷油孔向轨枕螺栓喷油。油 箱中的压力是由油箱的上部分充加了压力气体而形成，由一个小型气体压缩机为油箱提 供压缩空气。油箱压力为0 3 - - 0 5 m p a ，由压力传感器传感压力信号，并输入p l c 控制 6 第章轨枕螺挣白动凉油# 【的机械结干 = l 设引 系统中j 辛制油箱中的压力范围。 2 13 机架及行走帆构 机架为全机安装支承。溶油机的很重要指标就是它的整机重量。涂油机这样的小 型机械的涂油作业，不能设计为铁道线路封闭作业只能利用列车运彳间隔进行涂油作 业，这就要求涂油要尽量轷，以便于滁油机的上r 道。机架采用小锈铡管焊接而成框架 结构。如陶2l 所示，拧紧驱动装置安装在摆事实架l 摆架绕机架卜的轴销摆动，实 现螺母套筒的升降，与轨枕螺母的套台。套筒的套合动作小是垂直r 轨枕的上下运动， 向是设计为小角度的摆动，这样能懂其结构大大简化。当然摆动式套合会比垂直武套台 困难一些，设置盯向鞋接町以得到衅决。万同联接在酣已经论述过了。 涂油机套筒升降距离设引为4 0 5 0 m m 。能够适盹r5 0 、( 3 k g 等几种常用钢轨的螺 栓馀油作业。 轨枕螺栓滁油机的设计为人力推行的行走方式。两种行走方，陆地行走和轨上行 走。四实芯胶轮支承陆地 亍走，两轨轮支承轨道p 行走。滁油机人力推行要比动力驰动 行走结构简单的多，重量轻的多。另外人力推行在上f 道时更为安全。 2 2 轨枕螺栓自动涂油机的扭转驱动装置结构及传动设计 221 扭转驱动装置的整体结构设计 轨枕螺栓自动涂油机的扭转驱动装胃的结构如图22 所示。主要由电动机、主轴、 弹簧、丰动冲击块、从动冲击块、钢球、万向节、套简、机壳等组成。 3 ) 4 )9 ) 1 0 1 5 16 )7)81 ) 螺母套简2 ) 丌向；3 ) 从动冲1 1 块4 ) 土动冲击块：5 ) 钢球 6 ) 弹簧；7 ) 卡轴：8 ) 行星碱连机构：9 ) 机壳1 0 ) u 动机 制2 2 “i 转驱动鞋置的结栅l 划 f i g 2 2s l r u c t u r e d r a w i n g o f t h et u m d r i v i n b d e v i c e 火连交通人学t 稃硕十学侮论文 电动机转动经过行星齿轮减速装置驱动主轴旋转。主轴输出端有两个对称的v 形凹 槽，主动冲击块内圆面也有与之对应的两个圆弧曲面，其间嵌有两粒钢球，通过结合弹 簧使它们联为一体。当套筒阻力不大时，从动冲击块与主动冲击块在结合弹簧的作用下， 整个转换离合机构为一个整体转动。这时输出的是静扭矩。当螺母的转动阻力增大时， 阻力通过套在螺母上的套简经万向节，传动至从动冲击块，从动冲块的转动受阻。而由 电动机传至主轴的动力要迫使主动冲击块继续旋转，此时两钢球便克服结合弹簧的压力 沿主轴的v 形槽带动动主轴冲击块继续旋转，使主动冲击块的牙嵌脱离开从动冲击块的 牙嵌。并从此时起，主动冲击块一方面由于卸除阻力而加速旋转，另一方面在结合弹簧 的作用下压向与从动冲击块结合，这两方向运行的合成形成了对从动冲击块的冲击扭 矩，如此重复进行。 选用单相串激交流电动机。扭矩的传动路线为： 电动机一行星减速机构一主轴一主动冲击块一从动冲击块一力- 向节一螺母套筒。 螺母套筒对螺母输出静扭矩和冲击扭矩。所谓静扭矩，就是靠驱动装置的转动力矩 来驱动轨枕螺母的扭转。其特点是扭矩平稳、恒定。所谓冲击扭矩，是利用一种冲击转 换离合机构，将电机驱动的转动部分的转动惯性能量转换为冲击能量，这种冲击力形成 冲击扭矩。其输出冲击扭矩的大小，与电动机的功率大小有关，也与冲击转换离合机构 是的主动冲击块冲击前的所具有的动能大小及冲击时间的长短有关。其特点是输入功率 较小，输出的冲击扭矩较大，但输出的冲击扭矩平稳性较差。 2 2 2 行星减速机构的设计 行星减速机构采用2 k h 型的负号机构，单排排列的行星轮系。如图2 3 所示。 4 ) 3 ) 1 ) 2 1 1 ) 中心轮( 太阿1 轮) ；2 ) 行星轮：3 ) 中心轮( 齿圈) ；4 ) 系杆( 行星架) 图2 3 行星轮系结构简图 f i g 2 3s t r u c t u r ed i a g r a mo fp l a n e t a r yg e a rt r a i n 8 第二章轨枕螺栓自动涂油机的机械结构设计 2 k - t t 型是行星轮系是中心轮的数目分类的，k 是代表中心轮，h 是代表系杆，2 k h 型行星轮系中有两个中心轮和一个系杆组成。整个机构的传动是经过一次外啮合和一次 内啮合，其转化机构的速比为负值，称为负号机构。扭矩由电动机输入到中心轮1 ，也 就是太阳轮，带动行星轮，从而带动行星架一系杆4 转动，从系杆输出扭矩至主轴。中 心轮3 为齿圈，固定于机壳之上。 行星齿轮传动要进行四方面的设计，速比计算、同心计算、可装配条件和邻接条件 计算。 ( 1 ) 速比计算 首先必须保证给定的传动比，因为原动机的转速是确定的，而工作部分的转速也有 一定的要求，因此，总传动比只能一个范围内取值。本机选用电机的功率为2 2 0 w ，转速 为2 7 5 0 r m i n ，而把套筒拧转轨枕螺母的转速设计为6 5 0 r m i n 。这样行星轮系的传动速 比为t i ：2 7 5 0 ：4 2 3 6 5 0 根据该行星齿轮传动的速比公式为： i ：1 + 墨：4 2 3 ( 2 1 ) z 1 选取z l - 1 7 ，z 2 = 1 9 ，z 。= 5 5 ，则 i ：1 + 刍：1 + 竺：1 + 3 2 3 ：4 2 3 z l 1 7 计算结果附合速比的要求。 ( 2 ) 同心条件计算 同心条件，即保证两中心轴的轴线重合。对于图2 3 所示的2 k h 型行星轮系应满 足下式： r l + r 2 = r 3 式中r 。、r ：、r 。分别为太阳轮、行星轮和齿圈的节圆半径。 为了加工方便，应尽量采用标准齿轮，故齿轮的节圆与分度圆重合则为： 堕+ 2 m z 2 ：一m z 3 2 22 式中m 为齿轮的模数。 简化得： z ：兰趋( 2 2 ) 2 q 人连交通火学i ：稃硕十学伊论文 由于z ：必须为整数，故太阳轮1 和齿圈3 的齿数应同为奇数或偶数。 为了降低重量、使结构紧凑，太阳轮1 的齿数不宜太多，但又要保证齿轮加工时最 小不根切条件，z , m i n = 1 7 。 取z 。= 1 7 ，代入2 1 式中得： j 7 l + 生= 4 2 3 1 7 z 。= 5 4 9 1 圆整后，取z 。= 5 5 将z ，和z 。代入2 2 式中得： z ，：兰丑：望坐：1 9 22 选上述齿数满足同心条件。 ( 3 ) 装配条件计算 在行星轮系中，为了改善齿轮的受力状况，行星齿轮的个数一般都选取在两个以上。 装配时要保证各行星轮均匀分布在太阳轮的周围，并与各轮实现正确啮合。本轮系选取 三个行星轮，如图2 4 所示口1 。 2 1 3 ) 1 ) 中心轮( 太阳轮) ；2 ) 行星轮；3 ) 中心轮( 齿网) 图2 4 行星轮系装配条件结构简图 f i g 2 4s t r u c t u r ed i a g r a mo fp l a n e t a r yg e a rt r a i na s s e m b l ec o n d i t i o n 在图2 4 中，齿圈3 固定于机壳，太阳轮l 可以自由转动。当把它转到适当的位置 时，总可以在位置i 装入第一个行星轮，则该机构各构件之间的运动关系就被确定。这 时再转动太阳轮1 时，杆系以一定的转速同时回转。设轮系中有k 个行星轮，则相邻两 1 0 第二章轨枕螺栓自动涂油机的机械结构设计 行星轮的央角为3 6 0 。k 。当将第一个行星轮在位置i 装好后，再按顺时针方向转动齿 轮1 ，使系杆也顺时针方向转过( p = 3 6 0 。k 角，这时太阳轮1 转过的角度为嘧1 ： ”( p 片f 南= 警矗 ( 2 3 )q 12 ( p 片z 西2 1 厂z 西【2 3 ) 这时在位置i 如果又能顺利地装入第二个行星齿轮，则必须使中心轮1 此时在位置 i 的轮齿相位与它在回转p ，角f j 在该位置时的轮齿相位完全相同。换言之，就是在( p 。内 包含的齿数应为q 个整数齿，用公式表达时应为n 3 ： 盯q ( 等) 亿4 ， 眠铷l 百j 仨4 ) 式中q 为整数。 现将2 3 式和2 4 式联立求解得： 3 6 a 0 0i i n 弋13260，。)a = q iz ，j q _ q _ i l l h 厶 7 l 因为矗= 学 所以q _ 华 ( 2 5 ) 式2 5 表明，只有当齿轮1 和齿轮3 的齿数之和能被行星轮的个数整除时( q 为整 数) ，就能在中心轮的周围均匀地装入k 个行星轮，并且下确啮合。 在该行星轮系中，z ，= 1 7 ，z 。= 5 5 ，取k 为1 、2 、3 、4 代入3 5 式，q 均为整数。为 均衡受力，这里取k = 3 代入式2 5 中得： q ：堡堕：2 4 -a = 2 z 计算结果，符合装配条件。 ( 4 ) 邻接条件计算 在该行星轮系中，行星轮在同平面内，各行星轮轴线互相平行。选用3 个行星轮， 就有可能发生相邻两个行星轮的齿顶出现相碰的现象，因此要进行邻接条件的计算。图 2 5 所示为行星轮系安装示意图1 。 由图2 5 可以看出，相邻两行星轮的齿顶不相碰的条件是： 人连交通人学1 - 仔i1 硕十学伊论文 j 1 ) 中心轮( 太冈1 轮) ；2 ) 行星轮；3 ) 中一1 2 、, 轮( 齿圈) 图2 5 行星轮系安装示意图 f i g 2 5f i xd i a g r a mo fp l a n e t a r yg e a rt r a i n 2 r 。2 l 式中r 。：为行星轮的齿顶圆半径； l 为相邻两行星轮的中心距。 l - 2 ( r l + r n ) s i n 警 其中r 。为中心轮1 的节圆半径； r ：为行星轮2 的节圆半径。 采用标准齿轮，则r 。：_ m z - i m z ， r 2 2 _ p k 2 = m 华 将r 。和r ：代入式2 7 得： l - 2 f 堕+ 堕1 s i n 竺 i2 2jk = i n ( z l + z 2 ) s i n 6 0 。 其中k = 3 ，将r 及l 代入式2 6 得： 2 ( 掣) 吨心加溺。 整理得： 1 2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第二章轨枕螺栓自动涂油机的机械结构没计 z z , s i n 6 0 。- 2 1 一s i n 6 0 0 把z 。= 1 7 和z ：= 5 5 代入2 8 式得： 。5 5 1 7 x s i n 6 0 。- 2 1 一s i n 6 0 0 2 8 式成立，该轮系满足邻接条件。 = 9 4 9 6 ( 2 8 ) 2 3 轨枕螺栓自动涂油机的冲击转换离合机构的设计计算 冲击转换离合机构的设计主要解决以下几个问题h 1 ： ( 1 ) 累次冲击加在螺母上的积累力矩与主动冲击块转动惯量i 转动角速度、弹簧刚 度等有关参数之间的关系，从而能根据已知条件估算主动冲击块的转动惯量。 ( 2 ) 反弹过程中主动冲击块的动能变化与弹簧刚度、压缩量等的关系，以及弹簧压 缩过程的时间与弹簧刚度，主动冲击块转动惯量及弹簧压缩量等的关系，从而能根据已 确定的参数估算弹簧的刚度。 ( 3 ) 按照累次冲击中主动轴所受的阻力矩估算所需的平均功率。 2 3 1 冲击转换离合机构的原理 1 ) 动力轴：2 ) 推力轴承；3 ) 弹簧：4 ) 主动冲击块；5 ) 钢球； 6 ) 从动冲击块：7 ) 销子；s ) o 密封罔；9 ) 螺母套筒 图2 6 冲击转换离合机构的结构图 f i g 2 6s t r u c t u r ed r a w i n go fi n e r t i ad y n a m i cc h a n g ec l u t c h 图2 6 为冲击机构构造简图船3 。在前面已经介绍过它的工作原理，已经知道冲击机 构的作用。这里应当指出，当螺母拧紧后，主动冲击块再冲击，将会产生反弹，而且当 主动冲击块重复地发生冲击和反弹，将螺母越拧越紧，反弹也越弹越高。但由于材料的 大连交通人学1 ：稃硕十学佗论文 恢复系数c 小于1 ，所以主动冲击块的冲击速度和反弹速度的增长率却越来越小，终至 达到饱和状态，因而加在螺母上的积累力矩便趋近于某一固定的最大值。 2 3 2 累积冲击过程中主动冲击的角速度 主动冲击块牙嵌与从动冲击块牙嵌的冲击是一种弹性碰撞，碰撞前从动冲击块和螺 母静止不动，碰撞后则转过某一微小的角度，随着碰撞次数的增加，螺母越拧越紧，每 次转过的角度越来越小。 由于螺母端面与其他扣件之间存在着摩擦力，而这个摩擦力又随着碰撞次数的增加 而增大。所被撞系统的转动惯量，除了从动冲击块、套筒头，螺母的转动惯量外，还应 包括一部分被连接扣件的转动惯量，一般很大，且随螺母的拧紧程度而异。这就是说， 被撞系统的转动惯量是一个未知的变量，这样就使问题成为不可解。为了简化问题，我 们假定主动冲击块和从动冲击块的冲击是运动体与障碍物的碰撞，即假定被撞系统的转 动惯量为无穷大。同时将公式中的材料恢复系数适当变更，其值可由优良扳手作试验定 出，因此公式旱的c 已不是真实的恢复系数了，此外还考虑了一些没有考虑到的其他因 素引。 精确地计算主动冲击块的速度是很困难的，因为一方面在起动时期主动轴的速度由 零急剧增大，其变化规律比较复杂。另一方面开始几次冲击后，主动冲击块的反弹量少， 故不能跨过从动冲击块的牙嵌而发生同一对牙嵌重复冲击，结果使问题变得更复杂。考 虑到起动时期的时间极短，以及主动冲击块与从动冲击块发生同一对牙嵌的冲击次数不 多，故分析问题时可忽略不计，而认为运转全部发生在稳定运动时期；并且，在每一个 工作循环中，弹簧的压缩和伸张各一次。这样使问题简化。 主动冲击块冲击前的运动可分解为由主动轴通过钢珠带动而向前旋转的运动及在 被压缩弹簧作用下，沿v 形槽相对主动轴向前向左作螺旋运动。 图2 7 弹簧伸缩示意图 f i g 2 7e x p a n da n dc o n t r a c td i a g r a mo fs p r i n g 主动轴通过钢珠带动而向前旋转的角速度为： 1 4 第二二章轨枕螺栓自动涂油机的机械结构设计 ，：一2 n n ：三兰兰：! 兰竺q ：6 8 1 s r t l = 一= 一= 0 6 i ，j 6 0 6 u 在压缩弹簧作用下，沿v 形槽相对主动轴向前旋转的角速度为。为求出一，先 分析任意一个弹簧的伸长过程，图2 7 为弹簧的受力情况1 。 由图2 7 可知，v 为主动冲击块相对于主动轴的轴向线速度，入l 为弹簧的初压缩量， 入3 为弹簧的最大压缩量，而q l 、q 3 分别为弹簧的初压力和最大压力。令k 为弹簧刚度， a 为弹簧由入3 伸张到入l 时( 这时弹簧压力为q ) 弹簧力所作的功b 3 。 则： 4 ：毕( 九，一九) ：拖埘) 设j 、m 分别为主动冲击块的转动惯量和质量，则在上述的时间间隔中，主动冲击 块相对于主动轴运动时的动能变化为： 缸：! 山一2 + ! 聊1 ，2 22 将 ，= c o r t g o t 代入得： a e ：委如以+ 1 m ( o | ) r t g o t ) 2一 由能量守恒定律知：a = a e 即参埘) = 三山w 2 + 互1 m ( t o r t g o t ) 2 简化后得：间化后侍： 由于在冲击前，弹簧f ( 2 9 ) 该冲击转换离合机构具体数值为：k = 2 2 n m m ，入3 = 1 5 1 m m ，入1 = 7 7 5 m m ， j = 4 1 7 0 9 c m 2 ，m = 7 8 2 9 ，r = 1 0 m m ，q = 3 0 。 将以上数值代入式2 9 中得： ”= f 2 2 9 8 1 05 1 1 5 12 一o 7 7 5 2 = - - - - - - - l - - - - - - - 一 v 4 1 7 0 + 7 8 2 ( 1 0 5 7 7 l = 9 0 5 s 1 5 照器 1 到 ，= l 事 0 卜 静 矿 大连交通人学1 i 稃硕十学何论文 主动冲击块冲击前的旋转角速度u 为： = c o + 。 = 6 8 1 + 9 0 5 = 1 5 8 6 s 2 3 3 累积冲击加在螺母上扭矩 由运动体与障碍物的碰撞理论可知，冲击时主动冲击块的动能应有一部分消耗在冲 击系统的永久变形、发热及发声上面，这部分损失的能量e7 为似1 ： 肚竿山2 ( 2 1 0 ) 式中c 为材料的恢复系数。应注意，这里的c 是考虑了多种因素经测试而修正了 的系数。 设m 为加在螺母上的力矩，q 为螺母的对应转角，那么m q o = , r 为一常量，其值可 由试验测得。则第i 次冲击时拧紧螺母的功a i 为b 1 ： a ，= 去卜m 二) ( 2 1