（机械工程专业论文）tdjkds203a型电动锁闭可控减速顶的研制及应用.pdf

哈尔溟t 程大学硕士学位论文 摘要 近年来在中国及以美国为主的铁路编组站广泛地应用了可控减速顶，并因 此构成了一种新型的可控制的连续式调速系统，推动了驼峰设计理论的发展。本 文针对我国铁路编组站存在的自动化程度较低的问题，研制了t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控诫速顶，并对该型可控减速顶的结构特性、工作原理及应用效 果进行了理论和实验研究。 首先在可控减速项设计原则的指导下，对t d j k - d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控 减速顶进行了设计方案研究，确定了该可控顶的结构形式。该设计方案实现了 锁闭控制的功能，满足了运输生产的要求。 进而对新型电动锁闭可控减速项的设计方案进行了理论分析，对减速顶部 分和电磁阀部分分别建立了数学模型，通过数学模型解释了减速顶速度阀的判 速机理，并进行了减速顶受力状态分析，通过积分方法研究了制动功及其影响 因素，并对电磁阀传动装置进行了分析。 然后对t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭减速顶产品进行了原理性实验和性能测 试，证明其符合设计要求。通过对减速顶的上腔压力及制动功的测试，验证了 理论分析的正确。并对改进设计后的回程阀体进行了性能实验，实验研究了回 程阀板过流孔直径对回程时间的影响、氮气压力对回程时间的影响、温度对回 程时间的影响等。通过运营试验证明了该电动锁闭可控顶能够满足现场使用要 求。 最后对新一代微机可控顶调速系统及t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速 顶在嘉峪关站的应用情况及使用效果进行了介绍，通过实际应用，证明了该产 品能够适应高寒、高温、高原低气压的恶劣环境。 关键词：微机可控顶调速系统；编组站；电动锁闭可控减速顶；电控阀一、 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，c o n t r o l l a b l e r e t a r d e rh a sb e e nw i d e l yu s e di nr a i l w a y m a r s h a l l i n gy a r di nc h i n aa n du s a ，a n dan e wt y p eo fc o n t r o l l a b l ec o n t i n u u m s p e e dc o n t r o ls y s t e mi s f o r m e d t h i ss u c c e s s f u ls t u d yo fc o n t r o l l a b l er e t a r d e r p r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fh u m pd e s i g nt h e o r y i n v i e wo ft h el o wl e v e lo f a u t o m a t i c i t y o f c h i n e s e r a i l w a ym a r s h a l l i n gy a r d ，t d j k d s 2 0 3 a t y p e e l e c t r i c 1 0 c k a b l ec o n t r o l l a b l er e t a r d e rh a sb e e nd e v e l o p e d ，a n dt h et h e o r y a n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ep r i n c i p l eo fw o r ka n dt h e a p p l i c a t i o ne f f e c th a v e b e e nc a r r i e do n f i r s t l y ，w i t ht h ed e s i g np r i n c i p l ei n s t r u c t i o nt os t u d yt h ed e s i g np l a n n i n go f t d j k d s 2 0 3 at y p ee l e c t r i c 1 0 c k a b l ec o n t r o l l a b l er e t a r d e r ，t h es t r u c t u r a ls t y l e o f t d j k d s 2 0 3 at y p ee l e c t r i c 1 0 c k a b l ec o n t r o l l a b l er e t a r d e ri sd e t e r m i n e d ，r e a l i z i n g t h el o c k a b l ef u n c t i o no ft h er e t a r d e rt os a t i s f yt h er e q u e s to ft h et r a n s p o r t a t i o n p r o d u c t i o n t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft d j k d s 2 0 3 at y p ee l e c t r i c l o c k a b l ec o n t r o l l a b l e r e t a r d e ri sc a r r i e do n ，e s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er e t a r d e rb o d ya n d s o l e n o i dv a l v e u s em a t h e m a t i c a lm o d e lt oe x p l a i nt h es p e e dj u d g m e n to ft h e r e t a r d e rs p e e dv a l v e ，a n a l y z i n gt h ef o r c es t a t eo ft h er e t a r d e rb yi n t e g r a lw a y , a n dt h e a n a l y s i st ot h es o l e n o i dv a l v et r a n s m i s s i o nd e v i c ei sc a r r i e do n t h e nt ot d j k d s 2 0 3 at y p ee l e c t r i c 1 0 e k a b l ec o n t r o l l a b l er e t a r d e r , t h ep r i n c i p l e e x p e r i m e n ta n dt h ep e r f o r m a n c et e s ti sc a r r i e do n t oc e r t i f i c a t et h i sp r o d u c tm e e t st h e d e s i g nr e q u e s t a l s o ，t e s t i n gt h eu p p e rc a v i t yo ft h es l i d i n gc y l i n d e ra n dt h eb r a k i n g f o r c eo ft h er e t a r d e rt ov e r i f yt h et h e o r ya n a l y t i c a le x a c t i t u d e a n d af u n c t i o n e x d e r i m e n to ft h ei m p r o v e db a c k h a u lv a l v ei sc a r r i e do n ，t h ee x p e r i m e n ts t u d ye f f e c t o ft h ei n f e c t i o nt h a tb a c k h a u lv a l v ef l u i dh o l et ob a c k h a u lt i m e ，e f f e c to fn i t r o g e n p r e s s u r et 0b a c k h a u lt i m e ，e f f e c to f t e m p e r a t u r et ob a c k h a u lt i m e w i t ht h eo p e r a t i n g e x p e r i m e n t ，i m p r o v i n gt d j k - d s 2 0 3 at y p e e l e c t r i c l o c k a b l ec o n t r o l l a b l er e t a r d e r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c a l lm e e tt h et r a n s p o r tr e q u i r e m e n t i nt h em a r s h a l l i n gy a r d 。 f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n dt h eu s ee f f e c to f1 d j k d s 2 0 3 at y p e e l e c t r i c l o c k a b l ec o n t r o l l a b l er e d a r d e ri nt h ej i a y u g u a ns t a t i o ni si n t r o d u c e d ，p r o v i n g t h a tt d j k - d $ 2 0 3 at y p ee l e c t r i c 1 0 c k a b l ec o n t r o l l a b l er e t a r d e ra n da u t o m a t i cs p e e d c o n t r o ls y s t e mo fc o n t r o l l a b l e r e t a r d e rb y c o m p u t e r sc a na d a p th i g hc o l d ，h i g h t e m p e r a t u r e ，p l a t e a ul o wa t m o s p h e r i cp r e s s u r ec i r c u m s t a n c e k e y w o r d s ： s p e e d c o n t r o l s y s t e m o fc o n t r o l l a b l e r e t a r d e r b yc o m p u t e r ； m a r s h a l l i n gy a r d ；e l e c t r i c l o c k a b l ec o n t r o l l a b l er e t a r d e r ；e l e c t r i cc o n t r o l l a b l ev a l v e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者。签字，：塑邈 ：曰期：痧埠弓月：乒日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 暑i ；i i i ；i i i ；i i i ；昌；i 昌；i ；i i i 宣i 宣i ；i ；i i i i i 暑暑i i i ；i i 宣；ii i i i i i i i i i 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 编组站是铁路运输的基本生产单位，根据参考文献中对货车车辆一次全 周转时间的统计，车站的作业时间和停留时间约占7 0 。其中在技术站( 主 要是编组站) 作业时间和停留时间占3 0 以上【。因此，编组站的工作在铁 路运输中有着十分重要的作用。驼峰是编组站的“心脏”，驼峰溜放车辆的速 度控制又是驼峰改编作业的核心内容，其自动化控制程度是衡量驼峰作业乃 至整个编组站自动化水平的最重要依据。提高驼峰溜放车辆速度控制的自动 化程度一直是国内外铁路发展中重要课题，它对提高编组站的改编能力和经 济效益，保证安全生产，改善作业条件，减轻职工劳动强度有着决定性的影 响。 驼峰调速的目的是将不同去向的车辆分别安全地送到不同的存车线，就 此意义而言，驼峰的实质就是一个运动中的分路器，溜放车辆在运动的过程 中制造出间隔让分路器的开关( 道岔) 起分路的作用。溜放车辆在驼峰上溜 下过程中速度变化经历一个低高低的变化过程，即从开始速度( 5 7 k m h ) 的推峰，逐渐变化到高速( 1 4 2 0 k m h ) 通过道岔，最终又降至 低速，以便和停留车安全连挂，我们通常将这个过程分成间隔调速和目的制 动两个过程。在中国铁路上大家一致公认，减速顶在连挂区目的制动中是最 好的调速工具，并在1 0 0 多个编组站上得到了广泛的应用。传统的点式调速 设备减速器和连续式的调速设备减速顶都在使用，而且前者使用的范围比较 广1 2 1 。下面对两种调速方法进行比较： 1 传统的间隔调述方法点式调速 传统的点式调速是指车溜放辆的调速工具全部采用减速器，其控制方式 由半自动和全自动两种1 3 1 。这种方法从3 0 年代就开始应用了，它是驼峰的道 岔区中布置一台或数台减速器对易行车和中行车进行制动，让它们向难行车 的速度曲线逼近。显然在每次对易行车进行减速后，都使易行车走的“慢” 一点，从而使其和难行车达到各点的时间差始终保持在驼峰顶部推峰作业时 哈尔滨i t 程大学硕十学位论文 的初始时间差，因此我们称之为“恢复时问差”。这种调速方法只是通过几个 点的调速任务，每次调整的速度变化幅度很大，设备耗能较大，是一种大能 量的速度调整方法。这种方法的优点是能消除难、易行车的走行时间差别， 获得较好的间隔调速效果，同时能适应较高的推峰速度，因此在各国的驼峰 上都比较广泛地应用着 4 1 。 但点式调速方法的致命缺点是系统的可靠性较低，对于自动控制的减速 器要求许多附属的传感器来采集控制信息，其中的一个环节出了故障都要影 响最终效果【5 1 。减速器的速度控制主要依靠雷达测速和复杂的电子设备，因 此该系统对电磁干扰很敏感，它直接影响到减速器的控制f 6 1 。另方面，由 于整个道岔区只有两个速度控制点，那么只要一个点的控制不当或失效， 另一点没有补救的可能和能力，因此在这种驼峰上撞车、挤岔、脱线等事故 时有发生。另外对薄轮车、大轮车、油货车，点式减速器的制动衰减较大， 影响制动效果及作业安全，需要人工防护措施。 i 2 连续式的间隔调速方法 6 0 年代以来随着d o w t y 减速顶和s e a 螺旋滚筒、直线电机加减小车等 连续式调速设备的出现，产生了一种连续式的调速方法【7 1 。英国是铁路的故 乡，也是最早发明和应用减速顶的国家i 引。这种方法是在驼峰的道岔区和股 道里连续布置一系列减速顶或滚筒，在欧洲及北美铁路广泛采用的连续式调 速设备主要是减速顶陟。 连续式的调速设备减速顶自身不需要能源，同时又有判别速度的功能。 当车辆溜放速度低于减速顶调定的临界速度时，减速顶对车辆不做制动功。 当车辆溜放速度高于减速顶调定的临界速度时，减速顶对车辆做制动功，无 须外界控制，运行成本低，可靠性高，不失控，因此是一种深受欢迎的调速 系统。 。 连续式间隔调速方法的基本思想是等速等间隔，即让难行车和易行车都 保持一个过岔速度v ，以便最终安全分路。但是，在实践中由于减速顶等设备 存在着邻界速度的偏差v 。，因而易行车的速度( 1 ，。) 将始终保持v 。三y + y 。， 而难行车的速度( v 。) 却只能达n v 。= v v 。这样在峰顶产生的初始的间隔 时间( 推送车辆的时间间隔) 不可能一直保持下去，只能逐次减少，最终难行 车会被易行车追上f i l l 。因此这种调速方法只能是尽可能保住峰顶的初始时 哈尔滨工程大学硕士学位论文 差，使之最终消耗掉为止，我们称之为“保持时差法”，也称之为小能量的速 度控制方法。 ： 由于这种调速方法易行车最终要追上难行车，因此在推蜂速度较高时， 系统则不能适应，有发生追勾撞车的可能性。另一方面，由于减速顶这种连 续式的调速设备只能判别速度，无法根据车组的大小、车辆的轻重灵活调速， 也就是我们驼峰界所说的“让头拦尾”的作用。因此在减速区上会发生大组空 车通过速度太低，影响后面车辆的溜放，有时在溜放大组空车时，峰顶要停 轮等待空车组走出减速区。 既然连续式的调速方法节省能源安全可靠，其缺点是不能根据车组的大 小和空重灵活调速，从而无法恢复车辆的初始时差。而点式速度控制则有灵 活性，可根据车组的大小和轻重采用不同的制动力，尤其对大组车可采用“让 头拦尾的速度控制方法，优点是节省能源和安全可靠。其缺点是不能根据 车组的大小和空重灵活调速，从而无法恢复溜放车辆的初始时差。而点式速 度控制则有灵活性，可根据车组的大小和轻重采用不同的制动力，尤其对大 组车可采用“让头拦尾”的速度控制方法，能适应较高的推峰速度并且能恢 复到车辆的初始时差。那么能否选择一种可控制的连续调速设备，将它们分 成多组布置在驼峰的道岔区，它既具备原来减速顶等连续式调速设备的可靠 性、安全性和消耗能量低的优点又具备了点式速度控制的灵活性的特色，这 就是我们近年来推出和广泛应用的、连续式的调速设备采用计算机实行群控 的调速方法。这种方法是在驼峰的道岔区上设立多组连续式调速设备，同时 设立测重和测速设备测出车组的重量、辆数和车速，由计算机控制各部分调 速设备使其对溜放车辆起作用或不起作用，最终使车速逼近目标速度。在这 个系统中，由于控制群甚多。即使某一部分的调速不当或失控，仍有多次再 调整的时机，因此可靠性很好。 驼峰调速系统作为编组场的重要组成部分，直接影响到驼峰能力。中小 驼峰在我国编组站中占有相当大比重，其中多数驼峰技术设备落后，解编能 力不足，影响了铁路运输生产。如何挖潜能力，进行技术改造，加速中小型 驼峰现代化建设是一个很重要的课题，而微机可控顶调速系统则是解决此类 技术改造中比较有代表性的解决方案【1 2 1 。该调速系统是普通全顶调速系统的 发展，它采用两种类型减速顶即普通减速顶、可控减速顶，引入计算机实时 哈尔滨工程大学硕士学位论文 控制，实现溜放车辆的自动控制。作为调速系统中的执行部件可控减速项， 也经历了近十年的发展，从最开始的真空吸下的可控减速项发展到今天的机 械锁闭式可控减速顶( 型号t d j k d s 2 0 3 a ) 。该产品由减速项、电控阀组成， 通过控制电控阀通电或断电，使可控顶实现锁闭或解锁，对溜放车辆进行自 动调速，相对于原有的真空吸下式的可控减速顶，该顶锁闭高度一致，均低 于轨面，不受温度等外界条件影响，对溜放车辆产生的阻力很小，可进一步 改善调速效果，对于易行车它可以控制车辆走行速度不超过5 k m h ，达到安 全连挂。对于难行车它可以保证不中途停车，达到安全连挂，对于大组车它 可以实现“让头拦尾”。在我国铁路高速发展的今天，既有的大型编组站改造 也可将t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速项( 简称电动锁闭可控顶) 技术 应用在车场内第三制动位调速【l3 1 。通过长时间的试验及运营使用证明，它可 以实现溜放车辆的变速出口，提高编组作业效率，确保溜放车辆的安全连挂， 为铁路编组自动化控制的实现，起着重要的作用。 1 2 国内外可控顶研究现状 1 2 1 国内可控顶技术现状： 目前在国内应用的可控顶技术主要是四类： 1 ) 真空吸下式的可控顶，前面介绍过的可控减速顶( 如t d j k l 0 2 k 2 0 1 型真空吸下式的可控顶) ； 2 ) 电动锁闭可控顶，主要是t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶和上 海调速中心的t d w 9 0 5 n 可控顶； 3 ) 风控锁闭可控顶，此类产品是靠压缩空气控制锁舌和减速顶，减速顶 上装有大活塞，在压缩空气的作用下，减速顶被压下，锁舌卡住带有沟槽的 减速顶。当解锁时，在压缩空气的作用下，锁舌缩回时，则油缸弹起，起制 动作用，锁舌的伸出和缩回是靠风控阀上的活塞运动完成的。这种顶也有正 常的立起和吸下两种状态，不同的是它能不借助车轮在风源作用下自行吸下， 该顶由于成本高尚处于实验状态； 4 ) 风动可锁闭减速顶，同样有两种状态，同第三类风控锁闭可控顶，只 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是借助风源驱动锁闭机构，但不能自行吸下 1 4 1 。 上述四种可控顶，第一种和第二种能源消耗较少，但必须要通过第一轮 次车轮作用才能锁闭和解锁。第一种可控顶受温度和密封条件影响较大，实 际运用中吸下效果不理想，吸下时残余制动功较大。第三种虽然能自动解锁 和锁闭，但投资很大，在电控设备必不可少的情况下，又增加了一套风源设 备，易出故障。在实际运用中，自动解锁和锁闭没有太大的实际意义。第四 种风动可锁闭减速顶，虽然不需要单独的控制设备但仍需要提供大量的风源， 成本投入较大，并且实际使用效果不好。目前在可控顶的领域只有第一种和 第二种在使用中，在电动锁闭可控顶的研究中，我单位研制的电动锁闭可控 减速顶在电能消耗方面低于上海调速中心的电动锁闭可控顶。以中型编组站 为例，应有几千台的可控顶，在相同的布顶数量的前提下我们的可控顶在节 约电能方面是有优势的，同时在实际的使用中，同类产品中我们的故障率是 很低的。 编组站的控制系统主要包括驼峰进路控制系统和车辆溜放速度监控系统 两部分f 1 5 l 。驼峰进路控制系统的主要功能是通过控制编组站信号设备，实现 车辆进入不同线路的自动选排，解体车辆推送速度的自动调整，溜放车辆速 度的自动追踪，从而提高编组站对货物列车解体、编组的作业能力，它主要 包括：推送进路、溜放进路和调车进路的控制f l 们。我国于1 9 8 7 年研制成功 了第一个驼峰进路控制系统。随着控制技术的不断发展，现在全路驼峰进路 自动化系统占有率已达7 0 以上，已处于世界领先水平。 目前编组站实现驼峰自动化控制后，如何实现货车到、解、集、编、发 整个作业的自动化控制成为编组站自动化的发展方向，因此将现有成熟的到 达、出发、微机联锁及自动化驼峰技术集成在一起，实现信息资源共享是今 后驼峰控制系统的主要研发方向。 1 ，2 2 国外可控顶技术现状 以英国d o w t y 公司为例，其研制的可控减速顶主要有两种。第一种于 八十年代研制的可控顶，依照英国2 1 1 8 9 1 4 号专利文件中的描述，有以下特 点：这种可控减速顶由减速顶和电动液压装置两部分组成，电动液压装置通 过螺栓固定在减速顶的壳体上。电动液压装置主要包括活塞缸、储油箱、电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i mi i 磁阀和双臂曲柄杠杆机构，电动液压装置减速顶滑动油缸上升和下落的控制， 由电磁阀操纵，电磁阀的通断是远程控制的。当电磁阀通电励磁时，只要第 一个通过车轮压下减速顶的滑动油缸，锁舌就与滑动油缸的蘑菇型头部紧贴， 滑动油缸不能伸出壳体恢复工作状态。当电磁阎断电去磁时，滑动油缸才被 释放丽伸出壳体恢复工作状态邮1 。第二种原理与国内风动锁闭可控硕相同， 只是在某些部件上不同，它能不借助车轮，在压缩空气的作用下自行锁闭和 解锁，但成本非常高。 另有南非公司研制的真空吸下式的可控减速顶，其原理主要是将壳体下 腔空气抽空，达到一定的真空度，这样减速顶就出现压力差，来达到克服油 气反力将减速顶压下的目的，从而达到低速时减速顶不做功的目的。在俄罗 斯，由于经济不景气，铁路资金短缺，铁路自动化及可控设备进展缓慢【l3 1 。 在欧洲，随着欧洲一体化进程的推进， 繁，这就推进了整个铁路运输的发展， 欧洲各个国家的物质流通活动日益频 编组站规模也正在不断扩大。随着货 物运输能力的加大，人们对编组站自动化的要求越来越强烈，铁鞋不断被取 代【i 引。在可控顶的功能改进方面，波兰的k a m a x 公司已领先一步，研制的 摆动式可控顶正在进行一个股道试验，其原理就是摆动式可控项由减速顶和 控制机构两部分组成。控制机构是用来接收监控系统的指令，使减速顶进入 不同工作状态的电机驱动装置。当制动时靠近钢轨，起制动作用，当不起制 动作用时在控制机构的电机驱动装置作用下，减速顶部分被推开，这样车轮 就不会与减速顶接触，从而达到不起制动作用的目的【2 0 1 。 国外的控制技术比较先进，监控系统的应用无处不在。以美国编组站为 例，它的各个区段均采用速度监测设备，一旦发生事故，可以根据不同区段 的速度数据找出事故发生的原因1 2 1 1 。尽管监测手段很先进，但由于他们的调 速设备比较落后，造成了只能做到及时分析事故，不能阻止事故发生的状况。 1 3 主要研究内容和工作 本文针对现有可控减速顶存在的问题，主要进行的研究内容有： 1 。解决原菊可控减速顶出现的问题 原有t d j k 型真空吸下式可控减速顶，虽然经过多年的改进提高，仍存在 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 着一些不足之处，例如：可控项吸下高度不一致、吸下效果不理想、吸下时 残余制动功较大、吸下高度受温度影响大j 对密封要求严格等不足。为解决 现有同类电动锁闭可控顶锁闭可靠性差、故障点多的缺点，拟研制一种新型 的电动锁闭可控顶，增强锁闭可靠性，简化电控阀零部件，减少电控阀故障 点，使其达到安全可靠的使用目的。 ： 2 解决与微机可控顶系统接口及通用性问题 电动锁闭可控顶与原有真空吸下式可控顶在使用上应具有良好的互换性 和接口，能够共享微机控制系统和布顶方案。 3 对t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶的理论研究 通过对t d k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶的理论分析，建立电动锁闭 可控减速顶的数学模型，从理论上研究和掌握其运动规律，从而达到优化设 计的目的。 4 t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶的试验研究 对t d k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶进行试验研究，来验证设计是否 满足现场使用的要求，在分析试验结果的基础上，优化产品设计。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 昌i i ；i i ；肓i _ ii ；i i i i ；i i ；i ；i ；i i i i ；i ；苫；i i ；苦萱宣昌i ；i i i i i i i 暑i 暑i i i 第2 章t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶的 2 1 前言 设计方案 t d j k - d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶通过电控阀控制减速顶，使之自动 控制编组车辆的溜放速度，使减速顶不但根据车辆的走行速度，而且还可以 根据车辆的重量、走行的难易情况以及各种组合情况等，通过微机控制系统， 随机地使减速顶对车辆起减速作用或不起减速作用，使之满足运输作业的需 要。 2 2 新型电动锁闭可控减速顶的设计原则 1 解决目前常用可控顶的问题 原有的t d j k l 0 3 、k 2 0 3 型真空吸下式的可控顶是一种设想独特，结构简 单的可控减速顶。它的原理很简单，将减速顶的壳体下腔a 密封好，留一个 排气通道，当减速项滑动油缸被车轮压下时，减速顶壳体中的空气被排出， 这时将排气通道关闭。于是减速顼的油缸再要上升时，减速项壳体下腔的真 空使大气压力远大于减速项自身的氮气膨胀力，则减速顶处于“吸下”状态。 一旦想让减速顶再弹起成为普通减速顶，则只要打开通过排气通道使下腔和 大气相通，这时大气压力上下平衡，而减速顶的氮气膨胀力将油缸弹起。这 种用真空原理控制减速顶的方法，只需要用很少的能量来控制排气通道的开 关，就能完成对减速顶的控制。对排气通道的控制是通过一种专门电磁阀， 它是采用3 6 伏直流电流，通过控制电控阀来达到控制减速顶的目的。通过图 2 1 可以了解真空吸下式可控顶的原理图，下面从可控顶的两个状态说明其工 作原理。 1 ) 非控制状态 从图2 1 中可以看出，当电控阀不通电时，电控阀的阀e l 被打开。减速 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 顶壳体下腔通过电控阀与大气相通，可控减速顶作为普通减速顶使用。 2 ) 控制状态 从图21 中可以看出，当电控阀通电时，通过电磁力将通气阈口关闭。 当车辆第一个车轮压下减速顶滑动油缸时，壳体下部的气体只能通过阀口向 大气排出而得不到补充，这样壳体下腔形成了一定程度的真卒度。在大一e 压 作川下使滑动油缸被吸在壳体内从而实现了对减速顶的控制。 名膏、 划柏 非挖制状态控制状态 图2 1 i 叮控顶状态图 但是原t d j k 型真空吸下式可控减速顶虽然经过多年的改进提高，仍 存在着一些不足之处，例如：吸下高度不一致、吸下效果不理想、吸下时残 余制动功较大、吸下高度受温度影响大、对密封要求严格等不足。 2 设计应该具有安全可靠性、先进性 铁路运输在国民经济中有着举足轻重的地位和作用，随着铁路运输生产 的发展，铁路运量不断增加，速度越来越快，技术更加先进，安全与生产、效 益，效率的矛盾也越来越突出。因此要提高效率就必须有设备保障。良好 的设备既是运输安全的物质基础。又是运输安全的重要保证。保障铁路设 备安全质最的思想贯穿r 设备从设计、制造到运用和维修保养的全过程。 电动锁闭可控顶相对其它凋速设备( 主要是减迷器) 在安全性上有其独 特的优势，由于电动锁闭可控减速顶每一个个体都是独立的单元，个体敲障 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不会影响到整个驼峰作业的安全，由于减速器对于油轮、大轮、薄轮货车的 制动衰减较大，影响制动效果和作业安全，需要采用人工防护措施。电动锁 闭可控顶独创了调车作业安全导向功能。即使当控制系统发生故障时，系统 可以选择对溜放车辆进行模糊控制。在设计中考虑到当线路发生停电时，由 于原真空吸下式可控减速顶在断电会保持吸下的状态，后续的溜放车辆就会 发生高速冲撞。而电动锁闭可控顶的结构则解决这一问题，溜放车辆只要第 一轮通过电动锁闭顶，原先处于被锁闭状态的减速顶就会立即复位，对后续 车辆进行减速制动。从而避免溜放车辆高速冲撞，起到安全导向作用，体现 了电动锁闭可控减速顶的可靠性和先进性。 3 考虑与原有产品的通用性 为了避免新研制的产品由于结构的改变带来的诸如施工机具、维修设备 等的改变，我们应考虑研制的产品具有较强的通用性及与原用微机可控顶调 速系统的有良好的接口关系。新型的可控顶应具有良好的可移植性，以便于 现场的设备改造，利于产品的更新换代。在微机可控顶系统的改进设计中， 我们应该利用现有的微机可控顶控制系统，将现有的国际最先进的成熟软件、 硬件，加入我们自己的专用软件，再开发相应的接口软件、调用软件，将它 们连成一体。这样做的好处在于当国际先进软件升级时( 近年来的情况正是 这样) ，我们的软件同样可以立即升级。 4 设计产品的经济性 电动锁闭可控减速顶是将减速顶与控制系统相结合的调速设备，它可以 自动控制车辆溜放速度的调速工具。其优点是灵敏度高、性能良好、维修简 便，是一种较好的调速工具。它与其它调速设备相比，其显著优势就是经济 性。目前在自动化驼峰上，是根据车辆的走行性能、重量、预定的停车地点 以及溜放速度等条件，由自动化装置控制减速器的制动能力。尽管减速器自 动化程度高，但是由于其采用电子设备多，作业控制中受电磁干扰较其它调 速系统严重。这些复杂的设备购置费用大，除要求保证其安全可靠外，还要 求提供高水平的维修养护。而可控减速顶系统总体造价只有减速器系统造价 的四分之左右，在日常维护方面所需要费用则远抵于减速器系统，电动锁 闭可控减速顶及其控制系统特别适合铁路中小驼峰的改造。 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 功能的实现及结构形式的确定 依据设计原则，课题组对t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控顶进行了设计、 研制工作，确定了该t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控顶的结构形式。 2 3 一皂动锁闭可控顶的功能实现 t d j k - d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶由减速顶和电控阀两大部分组成。 减速顶由滑动油缸组合件和壳体组合件两部分组成，用双头螺栓紧固在钢轨 内侧。滑动油缸内有对车辆速度起判断作用的速度阀，有对车辆起制动作用 的压力阀，有控制滑动油缸回程速度的回程阀，并充有一定体积的油液和氮 气。由于减速顶本身具有独立的判速机构，对低于临界速度( 可根据需要调 定) 的车辆不起减速作用，只对高于临界速度的车辆起减速作用。我们在减 速顶的滑动油缸上开有一条环形沟槽，在减速顶壳体中部安装了电控阀，利 用电控阀的锁闭和非锁闭两种状态，来控制减速顶滑动油缸的位置，从而实 现对减速顶的控制性能( 具体工作原理见第3 章) 。 2 3 2 锁闭机构的稳定与可靠性 锁闭结构的稳定性，就是要求保证每个可控减速项都锁闭可靠，不对车 辆作阻力功，有利于提高微机控制系统的控制精度。为了达到上述目标，须 将锁舌与滑动油缸体上环形槽设计成如下结构。 f 1 i 1 1 滑动油缸部分 图2 2 滑动油缸沟槽放大图 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 如图2 2 ，环形槽的上沿设计成斜面，而下槽沿则设计成直角。当滑动油 缸体处于锁闭状畚时，锁销仅受滑动油缸体在氮气作用下向上的垂直作用力 p ， 尸的大小仅与顶的充氮压力有关。此时锁销在水平方向不受任何的作 用力，所以锁销处于自锁状态，这样能保证滑动油缸体百分之百地锁闭。由 于环形槽的上沿为斜面当锁销在解锁时，只要很小的水平分力就将锁销复位。 为了减小锁销与环形槽平面的接触应力，锁销的f 平面设计成扁平型。经计 算，扁平掣的锁销与环形槽平面的接触应力比圆柱型锁销要小近4 0 倍，从而 大大提高了锁销的强度、耐磨性和寿命。 2 电控阀部分 最初设计的电控阀 改进后的t d j k - d s 2 0 3 a 型电控阀 图23 定型前后设计结构对比图 如图2 3 所示，最初设计的电控阀，解锁块( 2 ) 是直接影响电控阀锁闭 和解锁的零件。由于解锁频繁，解锁块是主要易损零件，改进后消除了此故 障的出现。 在锁舌上的设计i ：以往的锁舌下部有2 3 。锁闭角，在最初设计中考虑 容易解锁的情况。但在运背试验中发现当锁舌磨耗到一定程度后，锁伢j 效果 变得不r 叮靠。因此在此次设计中，将锁舌下部锁闭角改为直角- 这样锁闭变 得町靠延长了锁舌的使j ； i 时间。 最训设计的l n 拄阀在锁闭时，是永磁铁吸住电工钢，带动锁闭机构( d s 锁销( i ) 卡住解锁块) 再通过锁舌( 3 ) 将滑动油缸( 4 ) 锁在壳体r 方，使 哈尔滨工程大学硕士学位论文 之不能升起。此处锁舌长时间使用后d s 锁销与锁舌容易磨损，锁闭效果变 得不可靠。在改进t d j k d s 2 0 3 a 型电控阀的设计中，如图2 3 所示在复位弹 簧的作用下锁舌直接接触油缸，简化了原有锁闭机构，增加了锁闭的可靠性。 2 3 3 减速顶部分的结构改进 1 简化回程阀板 t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶，初期设计考虑到减慢滑动油缸的 回程速度，降低对电控阀锁舌的冲击破坏，设计了专用的回程阀板。图2 4 中l 处为回程阀体，2 处为o 型密封圈，其加工难度高，增加了产品的成本。 原回程阀体每件单价成本在1 0 元钱左右，不利于市场竞争的需要。后来考虑 用相同原理，简化回程阀体部件，将普通的减速顶回程阀板稍加改进后，便 可以达到与原来相同的回程效果。 1 一回程阀体；2 0 型密封圈 图2 4 原回程阀体 脓殇黝 图2 5 改进后的回程阀体 只需将原有的电动锁闭可控减速顶的回程阀体换成新型的全遮盖式薄壁 节流小孔的回程阀板，这种顶就实现了慢回程的效果。它结构简单，加工方 便，成本低廉，可靠性高。全遮盖式的回程阀板加上薄壁节流小孔的结构如 图2 5 所示，它在回程阀板上开薄壁孔和环形槽，以消除活塞杆与回程阀板 1 3 哈尔滨工程人学硕七学位论文 之间的有关精度影响，保证回程速度精确。 2 设计防风雪壳体 设计了防风雪壳体它能有效的防止了雨雪进入壳体内，确保使用性能， 提高了电动锁闭可控顶的寿命。 2 3 4 电控阀的设计 1 锁闭机构的设计 设计锁闭机构实现通过微机控制电控阀在锁闭状态与非锁闭状态之自j 切 换，通过图2 6 中电控阀的两个状态可说明其工作原理。 1 ) 锁闭状态 如图2 6 所示，当电控阀不通电时，永磁铁( 2 ) 吸住电磁铁( 1 ) 同时带 动锁销( 3 ) 在复位弹簧( 4 ) 的作用下使锁舌( 5 ) 伸出。通过锁舌将滑动油 缸锁在壳体下方使之不能升起，这时减速顶对溜放车辆不起减速作用。 i f - 锁自j 状态 锁州状态 图2 6t d j k d s 2 0 3 a 型电控阀的工作原理罔 2 ) 非锁闭状态 如斟2 6 所示，当电控阀通直流电时，通过电磁线圈使电磁铁( 1 ) 产生 固定磁极性的电磁力。由f 电磁铁与永磁铁( 2 ) 接触面的磁极性相同产生相 互排斥力，推动永磁铁离，f 电磁铁，同时带动锁销( 4 ) 卡住锁舌( 5 ) ，实现 哈尔滨工程大学硕士学位论文 解锁状态，使滑动油缸自动升起。这时电动锁闭可控项成为普通减速顶对溜 放车辆起减速作用，其它性能与普通减速顶相同。 2 电磁线圈的设计 由于直流电磁阀线圈相对于交流电磁阀线圈具有电磁力恒定及无铁损等 优点，所以电磁线圈采用直流电磁阀线圈。我们使用的真空吸下式可控顶电 控阀所采用的电磁线圈骨架，不改变芯铁直径，重新设计线圈匝数和线径来 满足新的设计要求。 3 选择铁心材料 由于所用铁心材料不同，则磁导率也相应的不同，要得到同样的磁感应 强度，则所需要的磁动势或励磁电流的大小相差就很悬殊。当通相同大小的 电流时，如果要获得相同的磁通，则铁心的截面积就需要与磁导率成反比关 系，就是磁导率越小则铁心横截面积相应增大。所以说在电控阀精简结构前 提下，采用磁导率高的铁心材料，可使线圈的用铜量和铁心的大小得到降低， 经过对比选择硅钢片为铁心材料【2 2 i 。 4 减低功耗 由于电控阀的直流铁心线圈的励磁电流是直流，在一定电压u 下，线圈 中的电流，只和线圈本身的电阻r 有关，功率损耗也只有，2 r 。当磁路中含 有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电 流( 设线圈匝数一定) 。所以应当适当调节空气隙长度，达到降低功率损耗的 目的。 5 简化接线工序 为了使可控减速顶现场施工便捷、准确，电磁阀接线端子采用快速航空插 头，可以快速插拔，并解决了常规插头松动的问题，从而极大地简化接线工 序。 6 提高线圈使用寿命 通过与生产厂家研究将工艺优化，改进后的电磁阀能在2 8 - - 4 0v 内正常 工作。能承受无限期的持续通电而不烧毁，电磁线圈采用了真空浸漆工艺， 消除了以往由于浸漆不充分而导致短路的问题。 7 适应恶劣环境 电控阀整体进行防水密封，提高了使用寿命，适应恶劣环境。 1 5 哈尔滨工程大学硕七学位论文 2 4 本章小结 本章介绍了t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速项的设计原则，并在此 设计原则的指导下，对t d j k - d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶进行了方案设 计，确定了电动锁闭可控减速顶的结构形式。该设计方案能够实现锁闭控制 的功能，并能满足运输生产的要求。 1 6 哈尔滨。c 程大学硕士学位论文 第3 章t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶的 工作原理和结构特点 31 t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可控减速顶的工作原理 t d j k d s 2 0 3 a 型电动锁闭可拄顶是一种可以自动控制的调速设备，通过 电动锁闭可控顶的两种工作状态可以了解它的工作原理。 1 非锁闭状态 如图3 1 所示，当电控阀通直流电时，通过电磁线圈( 1 ) 使电磁铁( 2 ) 产生固定磁极性的电磁力。由于电磁铁( 2 ) 与永磁铁( 3 ) 接触面的磁极性 相同产：生相互排斥力，推动永磁铁( 3 ) 离开电磁铁( 2 ) ，同时带动锁销( 4 ) 锁住锁舌，实现解锁状态使滑动油缸自动升起。这时锁闭可控顶成为普通减 速顶( 6 ) ，对溜放车辆起减速作用。 图3 1 非锁c i 】状态 啥尔滨工程大学硕士学位论文 2 锁闭状态 如图3 2 所示，当电控阀不通电时，永磁铁( 3 ) 吸住电磁铁( 2 ) 同时 带动锁销( 4 ) 在复位弹簧( 5 ) 作用下使锁舌( 7 ) 伸出。通过锁舌将滑动油 缸锁在壳体f 方，使之不能升起，这时减速顶( 6 ) 对溜放车辆不起减速作用。 图3 2 锁闭状态 32 非锁闭状态时减速制动工作原理 1 低于临界速度时工作原理 如图3 3 所示当车辆溜放速度低于减速顶调定的临界速度时，滑动油 缸被车轮压下的速度相对低。上腔产生的流晕较小通过速度阀环形缝隙流 向下腔的流量只能产生较小的压差，速度阀板所受的液压力不能克服支撑弹 簧的预压力，所以速度阎保持开启状态。同时下腔活塞杆占有一定体积，上 腔油液不能完令被下腔容纳。多余部分的油液迫使氮气压缩。由于油液流过 速度阀产生的阻力小，凼此减速顶基本不对车辆起减速作用。 一 图3 3 低于临界速度时工作原理图 2 高于临界速度时工作原理 如图3 4 所示，当车辆溜放速度高于减速顶调定的临界速度时，滑动油 缸被车轮压下的速度相对高上腔产生的流量较大，其中通过速度阀环形缝 隙流向下腔的流量能产生较大的压差速度l i j | | 板所受的液压力足以克服史撑 弹簧的力迫使速度阀迅速关闭。滑动油缸继续下滑产生的全部流量迫使上 腔氨气急剧压缩，使压力迅速升高直至将压力阀打开。此时油液以一定 压力通过压力阀流到下腔而消耗能量，因此减速顶对车辆起减速作用。