（车辆工程专业论文）铁路客车钩缓拆装机设计研究.pdf

北京交通大学工程硕士学位论文摘要 摘要 根据铁路客车检修规程要求，车辆车钩及缓冲器必须定期从客车上 拆下检修。钩缓拆装机是铁路车辆在段修时从车辆两端拆装车钩及缓冲 器的专用设备。目前，钩缓拆装机的设计方案主要有两种，一种是叉车 式，另一种是轮轨式。 应用设计方法学有关原理，从功能分析入手，利用“黑箱法进行总 功能的分析与分解，应用形态矩阵法构思出多种可行方案，采用模糊综 合评判方法求得最佳方案。当客车下面有检修地沟时，采用轮轨式是一 种很好的选择。 轮轨式钩缓拆装机主要由车体、走行机构、托架、液压系统、电控 系统等组成。利用杠杆原理，将缓冲器压缩后从车上取下或安装。论文 详细阐述了链传动设计计算、传动轴设计、缓冲器托架设计、缓冲器横 向顶杆设计、缓冲器压缩板设计、液压系统设计、液压油缸设计、电气 控制系统设计等，并绘制了铁路客车钩缓拆装机机械结构总图。 设计中运用二级模糊综合决策的方法来确定系统的可靠性指标及各 零件对可靠性水平的要求，并校核了主动轴的可靠度。通过模糊综合评 判，对设计质量进行全面的评价，最后得到该产品的总体质量等级为“优 秀 。 轮轨式钩缓拆装机的研制，克服了叉车式钩缓拆装机的不足，工作 时不受检修地沟的影响，操作者由两人变为一人，增加了操作安全性和 可靠性，对于安全生产高于一切的铁路部门，这种工作平稳可靠的设备 的研制，具有很大的意义和推广应用价值。 铁路客车轮轨式钩缓拆装机于2 0 0 7 年试制成功。现已被大连车辆 段、沈阳车辆段、西安车辆段等单位采用。该设备的投产，对提高客车 检修质量、确保安全生产具有深远的意义。 关键词：铁路客车：钩缓；拆装机 北京交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c o u p l e r sa n db u f f e r sm u s tb ep e r i o d i c a l l yr e p l a c e df r o mt h er a i l r o a d p a s s e n g e rc a rb yt h er u l eo fi n s p e c t i o na n dr e p a i r ，t h e yn e e dt ob ec l e a n e d ， i n s p e c t e d ，a n dr e p a i r e db e f o r en e x to p e r a t i o n c o u p l e ra n db u f f e rr e p l a c e r i sas p e c i a ld e v i c et or e p l a c et h ec o u p l e r sa n db u f f e r so ft h ec a r t w ok i n d s o fd e s i g ns c h e m e so fc o u p l e ra n db u f f e rr e p l a c e r s ，t h ew h e e l - r a i ls t y l ea n d t h ef o r k l i f ts t y l e ，a r ei n t r o d u c e db r i e f l y b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fa d v a n c e dd e s i g nm e t h o d s ，s o m ep r i n c i p l e so r m e t h o d so fd e s i g ns u c ha sf u n c t i o na n a l y t i c a lm e t h o d ，s o l v i n gs u b f u n c t i o n m e t h o d ，b l a c k b o xm e t h o da n ds y s t e me v a l u a t i o nm e t h o da r eu s e d t o c o n t r i v el o t so fd e s i g ns c h e m e sa n dt of i n dt h em o s tr e a s o n a b l eo n e t h e m e t h o d o l o g y o f s e l e c t i n g t h e d e s i g n s c h e m e b y t h eu s eo ff u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni sp r e s e n t e d ，a n dt h ee v a l u a t i o no nt h ed e s i g n s c h e m e so fc o u p l e ra n db u f f e rr e p l a c e r sb yt h i sm e t h o di sc a r r i e do u t t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ew h e e l - r a i ls t y l ei sb e t t e rt h a nt h ef o r k l i f ts t y l eo n e w h e nt h ec a r sa r ee r e c t e da b o v et h ei n s p e c t i o na n dr e p a i rp i t ，t h ew h e e l - r a i l s t y l er e p l a c e ri sp r o p o s e d t h ew h e e l - r a i ls t y l er e p l a c e rc o n s i s t so fb o d y ，t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ， b u f f e rc a r r i e r ，h y d r a u l i cs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m ，e t c t h ec o u p l e r sa n d b u f f e r sa r er e p l a c e df r o mt h ec a rb yt h eu s eo fl e v e rr u l e d e s i g n so fc h a i n d r i v e ，t r a n s m i s s i o ns h a f t s ，b u f f e rc a r r i e r ，l a t e r a lp u s hr o d ，c o m p r e s s i o n p l a t e ，h y d r a u l i cs y s t e m ，o i lc y l i n d e r s ，c o n t r o ls y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l a n dg e n e r a lc o n s t r u c t i o nd r a w i n go fc o u p l e r sa n db u f f e r sr e p l a c e ri sg i v e n r e l i a b i l i t ym e a s u r eo fs y s t e ma n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so fm a c h i n e p a r t s a r ea s c e r t a i n e d b y t h eu s eo ft w o s t a g ef u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n r e l i a b i l i t yo fd r i v i n gs h a f ti se v e l u a t e db yt h eu s eo fr e l i a b i l i t y t h e o r ya c c o r d i n gt o t h ep e r m i s s i b l er e l i a b i l i t y t h eq u a l i t yo fd e s i g ni s e v a l u a t e db yt h eu s eo ff u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n t h er e s u l ts h o w s t h a tt h eo v e r a l lq u a l i t yo ft h ew h e e l r a i ls t y l er e p l a c e ri se x c e l l e n t t h ew h e e l r a i ls t y l er e p la c e ra t o n e sf o rn u m e r o u ss h o r t c o m i n g so ft h e f o r k l i f ts t y l eo n e w h e nr e p l a c i n gt h ec o u p l e ra n db u f f e r ，t h ew h e e l - r a i l s t y l er e p l a c e ri sn o ti n f l u n c e db yt h ei n s p e c t i o na n dr e p a i rp i t o n eo p e r a t o r c a no p e r a t et h ew h e e l r a i ls t y l er e p l a c e rw h e nt h ef o r k l i f ts t y l er e p l a c e r “ 北京交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t m u s tb e o p e r a t e db yt w oo p e r a t o r s s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e w h e e l r a i ls t y l er e p l a c e ra r eh i g h e rt h a nt h a to ft h ef o r k l i f ts t y l eo n e t h e d e v e l o p m e n to f t h ew h e e l - r a i l s t y l er e p l a c e r h a sa h i g h v a l u eo f g e n e r a l i z a t i o nf o rc h i n e s er a i l w a ys e c t o rw h i c hl a yg r e a ts t r e s so ns a f e t yi n p r o d u c t io n t h ew h e e l r a i ls t y l er e p l a c e rh a sb e e ns u c c e s s f u l l yt r i a l - p r o d u c e di n 2 0 0 7a n da d o p t e db yd a l i a nd e p o t ，s h e n y a n gd e p o t ，x i a nd e p o t ，e t e t h e d e v i c eh a sag r e a ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fc a rr e p a i ra n d e n s u r i n gs a f e t y k e yw o r d s ：r a i l r o a dp a s s e n g e rc a r ；c o u p l e ra n db u f f e r ；r e p l a c e r 北京交通大学工程硕士学位论文符号说明 彳一一因素集 玩一一因素i 的权数 c 一一备择集 符号说明 第2 章 口i 一一因素f 6 一一权重集d 一一权重集 c i 一一备择元素f r 一一单因素评判矩阵 e ，级模糊综合评判集元素f 曰一一评语集 尸一二级模糊综合评判集 尺。一可靠度指标 g 一一零件集 z 。一一小链轮齿数 彤v 一一垂直面上的弯矩 m 一一弯矩 仃。一一轴的计算应力 矿一一抗弯截面系数 z f 一一阶梯轴第i 段的长度 三一一阶梯轴的计算长度 p 一一偏转角 ，一一梁的长度 j 一一截面对中性轴的抗弯惯性矩 - r 一一剪切应力均值 仃一。一一疲劳极限均值 r 一一可靠度 c 面一一材料强度极限变异系数 c ，一一剪应力的变异系数 盯。一一应力幅 以一一工作应力均值 p 一。) d 一一零件疲劳强度 一一表面质量系数 盯神一一零件强度极限的标准差 e 级模糊综合评判集 。一一模糊算子。 n 一一模糊子集 z 一一二级模糊综合评判集元素i 墨一一各择元素q 的可靠度 舒一一零件f 第3 章 z ：一一大链轮齿数 m h 一一水平面上的弯矩 v 一一链速 f 一一扭矩 k ，】一一许用弯曲应力 d ，一一阶梯轴第i 段的直径 y 一一挠度 尸一一载荷 e 一一材料拉压弹性模量 矿一一弯曲应力均值 仃口一强度极限均值 【r 】一一设计要求的可靠度 g 一。一一材料疲劳极限的变异系数 c ，一一弯曲应力的变异系数 盯一一一弯扭合成应力 仃。一一平均应力 吒一一工作应力标准差 k ，一一有效应力集中系数 占，一尺寸系数 仃嗽一一最大应力 i v 北京交通大学工程硕士学位论文符号说明 一一最小应力 s ：。一一平均应力的标准差 c r r 一疲劳强度的标准差 z 一可靠性指数 y m a x 一一最远点至中性轴的距离 a 一挤压面积 刀一一安全系数 刃一活塞直径 f 一载荷 凡一一活塞杆的实际作用力 刀一液压缸的总效率 d 一活塞杆直径 万s 一一材料屈服强度 d 一一缸筒内径 尸p l 一一缸筒发生完全塑性变形的压力 h 一一缸底厚度 d 2 一一焊缝底径 d l 一螺纹底径 k l 一一螺纹联接磨擦系数 仃。一一合成应力 ”o 一安全系数 魄一一安全系数 e l 一一实际弹性模数 a 一材料组织缺陷系数 一因素集 巧一一评价集备择集 心一模糊关系评价矩阵 j 2 一一疲劳极限的应力幅 以一一疲劳强度的均值 ，一一应力循环特性 毛一一对y 轴的惯性矩 局y 一一挤压力 一一一挤压应力 p 一最大流量 矿一一执行元件最大速度 尸一一油压 一一负载率 【o r 】一一材料的许用应力 s 一一活塞的行程 d l 一缸筒外径 p s 一一额定工作压力 p m 。x 一一最大工作压力 口b 一一焊条材料的抗拉强度 七一一拧紧螺纹系数 f 一一螺纹处的剪应力 幽一一螺纹外径 d p 一一许用应力 凡一一活塞杆弯曲失稳临界压力 k 一一液压缸安装及导向系数 ，一一活塞杆横截面惯性矩 b 一一活塞杆截面不均匀系数 第4 章 以一一权重集 岛一一评价集上的等级模糊子集 b 一一模糊综合评判集 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 辩醐：腓蜘7 日 l 红 、，y 日力1 ，许溯 名 年 签 鸱 擞 炒 作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 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和 取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或 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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲许；，惠 签字帆孑年多月，7 日 9 5 北京交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 车钩缓冲装置是连接机车和车辆或车辆和车辆，传递纵向牵引力以 缓和列车运行冲击力的装置。该装置安装在车体底架的牵引梁内，由车 钩、缓冲器及其附属配件组成。 车钩缓冲装置由车钩、缓冲器、 解钩装置等零部件组成，如图1 1 、 钩尾框、前后从板及车钩复原装置、 图1 2 、图1 3 。前从板、缓冲器和 后从板等依次装在钩尾框内，借助钩尾销把车钩和钩尾框连成一个整体， 安装在车体底架两端的牵引梁内，下部靠钩尾框托板及车钩摆块托住。 由于客车设有通过台和风 图1 1 铁路客车车钩 f i g u r e1 1c o u p l e ro ft h ep a s s e n g e rc a r 麟簿拳嘭孵粥攀? 嚣黧i ? 霉 ? 8 孙髓黝啦口雕硝蹦。吖搿”蛾辫“程删 髟 ：4 ， 图1 2 铁路客车缓冲器 f i g u r e1 2b u f f e ro ft h ep a s s e n g e rc a r 下作用式。 北京交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 车钩缓冲装置具有连挂、牵引和缓冲3 个基本作用。 车辆和车辆、车辆和机车通过安装在车体底架两端的车钩实现互相 连挂。为了保证互相连挂的可靠性，规定了单辆车车钩中心高度为8 8 0 m m ， 同一辆车两端的车钩高度差不得超过10 m m ，及两连挂车钩中心高度互差 不得超过7 5 m m 。 图1 3 待安装的车钩及缓冲器 f i g u r e1 3c o u p l e r sa n db u f f e r st ob em o u n t e d 客车受牵引时，车钩缓冲装置处于牵拉状态。牵拉作用力的传递过 程为：车钩一钩尾销一钩尾框一后从板一缓冲器一前从板一前从板座一牵引梁。 客车受冲击时，车钩缓冲装置处于压缩状态。推压作用力的传递过程为： 车钩一前从板一缓冲器一后从板一后从板座一牵引梁 无论车钩缓冲装置承受牵引力或是冲击力，都要经过缓冲器将力量 传递给牵引梁，这样就可以使客车间纵向冲击得到缓和、消减，从而改 善运行条件，保证客车不受损坏。 每次段修时，车钩、缓冲器、钩尾框、前后从板及车钩复原装置、 解钩装置等零部件必须分解检修，需从客车两端拆装车钩及缓冲器装置。 而缓冲器的拆卸与安装，均需先将其压缩，压缩力可达4 0 吨，因此必须 由专用设备来完成。 1 2 论文研究的意义 钩缓拆装机是车辆段在段修时从客车两端拆装车钩及缓冲器的专用 设备。 目前，我国铁路上采用的钩缓拆装机大多数是在叉车的基础上改造 而成。将叉车的两个可升降的叉子去掉，增加一套钩缓拆装机构，该机 北京交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 构主要由压缓油缸，一对压缩板，机架等组成，利用杠杆原理，将缓冲 器压缓后从车上取下或安装，并由叉车提供压力油及横向、上下运动。 该设备具有良好的机动性，可以方便地运送钩缓，工作效率也比较 高，但同时存在以下不足： l 、客车下面有检修地沟时，由于地沟两端均长于车身长度，该机 无法接近客车，因而无法完成拆装工作。 2 、存在安全隐患，操作过程中容易发生叉车冲撞客车，客车坐于四 个马凳上，具有倾倒的危险性。 3 、需要两人操作。一人开叉车，一人于车下指挥，对叉车操作者技 术水平要求高。 4 、成本高，仅购置叉车就需10 万元。 因此，这种叉车改造式钩缓拆装机具有很大的局限性， 一种操作安全，成本低，单人操作的新式钩缓拆装。 新设计的钩缓拆装机为轮轨移动式，主要由走行机构、 托架、车体、液压系统、电控系统等组成。 需要新设计 夹紧机构、 轮轨式移动式钩缓拆装机克服了叉车式钩缓拆装机的不足，增加了 操作安全性和可靠性，工作时不受检修地沟的影响，操作者由两人变为 一人。 虽然轮轨移动式钩缓拆装机的机动性较差，但该设备解决了段修时 钩缓拆装的实际困难，特别是对安全生产高于一切的铁路部门，这种工 作平稳可靠的设备的研制，具有很大的意义和推广应用价值。 1 3 国内外研究的现状 关于铁路客车钩缓拆装机的文献较少，现将检索到的几条关于货车 钩缓拆装机的资料摘录如下： ( 1 ) g h t i i 型17 号钩缓拆装机 货车检修设备 用途和特点 g h t l i 型17 号钩缓拆装机，如图1 4 ，专门针对c 7 0 吨级货车17 号 钩缓检修的专用设备，兰州力源公司成功研制的“g h t - ii 型钩缓拆装 机 ，经多次改进和试用，现已定型批量生产。该设备拆装速度快，操 作简单，叉车安装，转运方便，劳动强度大幅度降低。 3 北京交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 技术参数 图1 4g h t i i 型17 号钩缓拆装机 f i g u r e1 4 g i t i it y p eo fc o u p l e r sa n db u f f e r sr e p l a c e r 叉车安装，操作转运方便 压缩力强大，保证m t - ii 型缓冲器压缩 液压驱动，动作平稳可靠 拆装速度快，拆下时间小于5 分钟 z g h - l i 型货车站修线钩缓成套拆装机 图1 5z g t t - i i 型17 号钩缓拆装机 f i g u r e1 5 z g h i it y p eo fc o u p l e r sa n db u f f e r sr e p l a c e r z g h - i i 型货车站修线钩缓成套拆装机，如图1 5 ，主要适用于货车 车辆站修检修作业中各型钩缓装置的整体分解与组装。无论在轻车、重 车、架车或不架车等情况下，均可对钩缓进行分解与组装。采用高压设 计的液压系统，对缓冲器能产生较大的压缩力，满足大容量货车用缓冲 4 北京交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 器的压缩需要；压板采用高强度材料经锻造调质处理加工而成，结构强 度高、不易变形、经久耐用。大幅度降低了工人劳动强度，改善了工作 环境。 设备主要由机架部分及液压系统等部分组成。 机架与机构 为支承缓冲器及钩尾框，设备上部为托架部分，在托架前部安装定 位双压板机构，可将压缩油缸推力传递到缓冲器，对缓冲器实施压缩。 机架、升降油缸、压缩油缸安装于可横向移动的活动机构之上，方 便横向对位。 行走部分承载全部机械系统、液压站和钩缓装置，并可沿线路行走， 可使其进入车下作业。 液压系统 液压系统是为设备提供高压油源，操作控制机构，准确运动而设立。 主要有3 k w 三相异步电动机，高压油泵、液压阀组和油箱组成液压站， 一只压缩油缸、一只横向移动油缸、一只压缩器摆动油缸和二只升降油 缸构成运动执行机构，使用四路手动换向阀组对压缩、横移、摆动、升 降进行控制操作。操作方便、准确、灵活、可靠。 技术参数 - 缓冲器压缩量： 15 m m 最大压缩力：4 0 0 k n - 系统压力设定： 12 m p a - 液压站电机： 3 k w - 油缸横向移动行程8 0 m m - 手动换向阀：4 路 - 行走轨距： 1 4 3 5 m m - 设备尺寸： 18 5 0 m m l5 0 0 m mx8 8 5 m m ( 长x 宽高) ( 3 ) 铁路车辆移动式成套钩缓拆装机专利号：0 12 7 0 5 9 6 5 北京交通大学工程硕+ 学位论文 第一章绪论 该实用新型属于铁路站修所车辆维修专用设备，尤其是车辆移动式 成套钩缓拆装机。由前后轮支撑于轨道的车架设有水平举升的托板，该 板的升降液压缸支撑安装顶拔液压缸的升降架，各项拔液压缸分别对应 车辆的牵引梁前后两端，其中对应后端的顶拔液压缸由竖轴铰链支撑， 升降架有挂接于钩尾框的链勾，车架设有油箱、液压集成块、配电箱和 泵送机构及驱动电机，阀板有分别对应各液压缸的换向阀，其中升降液 压缸的换向阀并接有二位二通常闭电磁滑阀。本拆装机在升降、顶拔液 压缸和车体升降液压缸复位及载有成套钩缓的情况下，整体高度完全适 应空车、重车及不同轮径车辆成套钩缓距轨道平面的高度，在轨道上移 动和充分利用液压动力使本机具有使用方便、作业省力、可靠安全的突 出特点。 1 4 本课题的研究内容、特点、目的 钩缓拆装机既要适用于我国铁路客车使用的l5 号车钩、缓冲器的拆 装工作又要满足功能和性能要求，即三大性能要求：结构性能、工作性 能和工艺( 制造) 性能。 ( 1 ) 钩缓拆装机设计方案研究 目前，钩缓拆装机的设计方案主要有两种，一种是叉车改造式，另 一种是轮轨式。通过对车辆段钩缓拆装工作特点研究，在功能分析的基 础上通过创新构思，并采用模糊综合评判方法对这两种设计方案进行综 合评判，求取较理想的功能原理方案。 ( 2 ) 机械传动系统可靠性指标的确定与可靠度分配研究 运用二级模糊综合决策的方法来确定系统的可靠性指标，一级模糊 决策是根据各因素对系统可靠性水平的影响确定系统对可靠性水平的要 求；二级模糊决策是根据系统对可靠性水平的要求，确定系统的可靠度 指标，根据技术水平、重要程度、任务情况等这些因素的情况，使用模 糊决策的方法来确定各零件对可靠性水平的要求，进而用常规方法对可 靠度进行分配，为技术设计提供参数。 ( 3 ) 主动轴的强度与可靠度校核研究 对重要零部件主动轴进行强度、刚度校核，并运用可靠性设计理论 和方法，校核主动轴的可靠度。 ( 4 ) 钩缓拆装机结构设计研究 轮轨式钩缓拆装机为轮轨移动式，主要由车体、走行机构、夹紧机 构、托架、液压系统、电控系统等组成。同样是利用杠杆原理，将缓冲 器压缩后从车上取下或安装。 6 北京交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 本文将详细阐述链传动设计计算、钩缓拆装机主动轴与从动轴设计、 缓冲器托架设计、缓冲器横向顶杆设计、缓冲器压缩板设计、液压系统 设计、液压油缸设计、电气控制系统设计，并绘制铁路客车钩缓拆装机 机械结构总图。 ( 5 ) 钩缓拆装机设计质量模糊综合评价研究 对钩缓拆装机进行全面的评价。对评价的对象往往要考虑很多因素， 重要程度的不同，评级标准和自然状态的模糊等，在作出任何一个决策 时，都必须对多个相关因素作综合考虑，也就是综合评判，最后得到产 品质量在结构性能、工作性能、工艺性能和产品功能四个主要方面的评 价结果。 新研制的钩缓拆装机由一人操作，手动控制。小车进入车钩下部后， 先拆支车钩，然后托架升起，两项板在后从板后部钩尾框两侧向上插入， 而托架上的项铁顶住钩尾框前部，压缩油缸动作，利用杠杆原理，该缓 冲器压缩从车中取下运走，安装过程与之相反。 设备要求操作简单，安全可靠，各动作灵活，工作效率高。 课题来源于本单位段修车拆装钩缓实际工作需要。 1 5 小结 近十多年来，我国铁路客车发展迅速，新型2 5 型客车已逐步替代 2 2 型客车，成为铁路运输的主型客车，拆装钩缓所需的压缩力有所增加。 目前，我国铁路上采用叉车改造式钩缓拆装机虽然具有良好的机动性， 但这种钩缓拆装机具有很大的局限性，需要新设计一种操作安全，成本 低，单人操作的新式钩缓拆装机。 本章主要介绍了铁路客车钩缓拆装机研究的意义、钩缓拆装机国内 研究的现状和钩缓拆装机的研究内容、特点、目的，介绍了钩缓拆装机 研制的课题来源。 7 北京交通大学工程硕士学位论文 第二章原理方案设计 第二章原理方案设计 2 1 引言 原理方案设计就是新产品的功能原理设计。在功能分析的基础上通 过创新构思，优化筛选，求取较理想的功能原理方案，列表给出原理参 数，并作出新产品的功能原理方案图。 原理方案设计阶段是产品设计中的一个重要阶段。它将决定产品性 能、成本，关系到产品水平及竞争能力。该阶段应有表达功能原理方案 的简图或示意图。 需求是以产品的功能为体现的，功能与产品设计的关系是因果关系。 体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理。因此，这一阶段的最 终目标就是在功能分析的基础上，通过构想设计理念、创新构思、搜索 探求、优化筛选取得较理想的工作原理方案。对于钩缓拆装机来说，在 功能分析和工作原理确定的基础上进行工艺动作构思和工艺动作分解， 初步拟定各执行构件动作相互协调配合运动循环图，进行机械运动方案 的设计。 2 2 设计要求的拟定 2 2 1 客车运用要求 适用于我国铁路客车使用的15 号车钩、缓冲器的拆装工作：要具有 较高的工作效率，拆装一套车钩、缓冲器的时间不超过5 分钟：设计具 有创新性：造型新颖、结构合理、操作简单。 2 2 2 功能和性能设计要求 产品的功能和性能要求十分重要，归纳起来可分为以下三个主要方 面，即三大性能：结构性能、使用性能和工艺( 制造) 性能。 ( 1 ) 结构性能 结构性能包括：人机安全性、系统可靠性、工作耐久性、 性、结构紧凑性、环境无害性、造型艺术、设计经济性。 ( 2 ) 使用性能 使用性能包括：工效实用性、运行稳定性、指标优越性、 性、状态可测性、过程可控性、故障诊断性、使用经济性。 ( 3 ) 制造性能 材质适应 操作宜人 制造性能包括：结构工艺性、机器规范性、生产周期、容差合理性、 设备维修性、装运可行性、报废回收性、制造经济性。 2 3 总功能分析眩 确定总功能，将总功能分解为分功能，并用功能结构来表达分功能 之间的相互关系。 将设计的对象系统看成是一个不透明的、不知其内部结构的“黑箱”， 只集中分析比较系统中三个基本要素( 能量、物料和信息) 的输入输出 关系，就能突出地表达系统的核心问题一一系统的总功能。 图2 1 为钩缓拆装机的黑箱示意图，方框内部为待设计的技术系统， 方框即为系统边界，通过系统的输入和输出，使系统和环境联系起来。 图中左边为输入量，右边为输出量，有能量、物料和信息三种形式。图 下方表示了外部环境( 灰尘、湿度、温度等) 对钩缓拆装机工作性能的 各种影响因素。图上方表示了钩缓拆装机对外部环境的各种影响( 噪声、 热量、振动等) 。 图2 1 钩缓拆装机黑箱不意图 f i g u r e2 1c h a r to fb l a c k - b o xm e t h o d 2 4 总功能分解 2 4 1 总功能分解的根据n 1 钩缓拆装机由5 部分组成：动力系统、传动系统、执行系统、控制 系统、支持系统。 其技术过程是：原动机、传动、控制、执行机构，而这4 部分都要 装在支承部件上。为表示这种技术过程和周围环境的关系，用技术过程 流程图来表示，见图2 2 。 此技术流程图已较清楚地将机器的技术轮廓展示出来了，可直接求 得总功能的解，并为总功能的分解提供了可靠的依据。 说明：图中虚线方框以内表示机械内部结构，而机械与外界联系用 实线大方框表示。 9 北京交通大学工程硕士学位论文 第二章原理方案设计 图2 2 钩缓拆装机技术过程流程图 f i g u r e2 2 f l o wc h a r to ft e c h n i c a lp r o c e s s 2 4 2 总功能的分解口1 总功能可以分解为分功能，分功能继续分解，直至功能元。功能元 是不能再分解的最小功能单位，是直接能从物理效应、逻辑关系等方面 找到解法的基本功能。 功能分解可用树状结构予以图示，称为功能树( 或称树状功能图) 。 图2 3 为用功能树方法对钩缓拆装机进行功能分解的功能图。功能树起 于总功能，分为一级功能、二级功能，直至能直接求解的功能元。前级 功能是后级功能的目的功能，后级功能是前级功能的手段功能。 l o 驱动功能 l 门 能能 且且 里亘 转传 换递 与 分 配 执行功能 总功能 南 图2 3 总功能分解 f i g u r e2 3 r e s o l u t i o no fg e n e r a lf u n c t i o n 拆卸、组装，一 压缩油缸活塞杆伸缩 升降油缸活塞杆伸缩 横向调整油缸动作 钩头油缸活塞杆升降 钩缓拆装机进退 北京交通大学工程硕士学位论文 第二章原理方案设计 2 4 3 建立功能结构图n 1 图2 4 功能结构图 f i g u r e2 4 s t r u c t u r ed i a g r a mo ff u n c t i o n s 1 2 d ) 首先建立总功能与一级功能的功能结构图，如图2 4 ( a ) 、( b ) 、 ( c ) 、( d ) 。建立的过程是： ( 1 ) 作出总功能输入、输出转换关系图( a ) 、然后再建立一级功能 的结构图( b ) ； ( 2 ) 先画出最基本的功能即执行功能，然后画出它的输入和输出； ( 3 ) 画出驱动、控制、辅助功能，画出每个功能的输入和输出； ( 4 ) 各功能的输入、输出关系的连接； ( 5 ) 支承和联接功能与上述每个功能相关，故用多个箭头表示。 然后建立二级功能的结构图( c ) 、三级功能的结构图( d ) ，步骤与 上述相同。 2 4 4 寻找原理解法和原理解组合嗍嘲 由功能结构图寻找各功能元的解，用形态学矩阵法对功能元的解进 行组合，得到设计方案的多种解，见表2 1 。 系统解的可能方案数： n = 1x 4 x 2 x 2 x 2 x 2 = 6 4 种方案 表2 1原理解组合 t a b l e2 1c o m b i n a t i o no fp r i n c i p l es o l u t i o n s 2 4 5 方案的评价与选择倥1 因为该设备动作多，采用液压系统具有体积小，响应快，启动和停 止可靠，性能可靠等优点。从新颖性、先进性、实用性及方便维修等方 面来看，应选用 方案一：a 1 、b 2 、c 2 、d 1 、e l 、f l( 轮轨移动式) 方案二： a 1 、b 2 、cl 、d l 、e 1 、f 1( 叉车改装式) 限于本文篇幅，这里只对这两种备用方案采用模糊综合评判方法进 1 3 北京交通大学工程硕士学位论文第二章原理方案设计 行综合评判。 2 5 钩缓拆装机设计方案的模糊综合评判 钩缓拆装机是车辆段在段修时从客车两端拆装车钩及缓冲器的专 用设备。目前，钩缓拆装机的设计方案主要有两种，一种是叉车改造式， 另一种是轮轨式。针对车辆段钩缓拆装工作特点，采用模糊综合评判方 法对这两种设计方案进行综合评判。 2 5 1 钩缓拆装机结构介绍 ( 1 ) 方案i 叉车改造式钩缓拆装机 叉车改造式钩缓拆装机是在叉车的基础上改造而成。将叉车前边两 个可升降的叉子去掉，增加一套钩缓拆装机构，该机构主要由压缩油缸， 一对压缩板，构架等组成，利用杠杆原理，将缓冲器压缩后从车上取下 或安装，工作压力由叉车提供。 该设备具有良好的机动性，可以方便地运送钩缓，工作效率也比较 高，但同时存在以下不足： 1 ) 客车下面有检修地沟( 见图2 5 ) 时，由于地沟两端均长于车身， 该设备接近客车时，需要采取防护措施： 2 ) 操作过程中容易发生叉车冲撞客车，存在安全隐患： 3 ) 需要两人操作。一人开叉车，一人于车下指挥，对叉车操作者技 术水平要求高： 4 ) 成本较高，需购置一台叉车。 图2 5 客车下面的检修地沟 c a ra n dt h ei n s p e c t i o na n dr e p a i rp i t 】4 ( 2 ) 方案i i 轮轨式钩缓拆装机 轮轨式钩缓拆装机为轮轨移动式，主要由车体、走行机构、夹紧机 构、托架、液压系统、电控系统等组成。同样是利用杠杆原理，将缓冲 器压缩后从车上取下或安装。 虽然轮轨式钩缓拆装机的机动性较差，但其工作时不受检修地沟的 影响，工作平稳可靠，操作者由两人变为一人，仍然具有很大优势。 2 5 2 设计方案的模糊综合评判心j q l 设计方案的评判指标是模糊的，因此采用模糊综合评判方法对设计 方案作出最佳决策。 ( 1 ) 建立因素集 为了进行模糊综合评判，首先确定影响方案评价的因素。钩缓拆装 机设计方案评判的影响因素主要有：a ，制造成本，a 。适用范围，a 。操作 者的技术水平要求，a 4 操作者人数，a 。设备机动性能，a 。操作安全性等。 这些影响因素都具有模糊性，将它们组成一个集合a ，便得到评判钩缓 拆装机设计方案的因素集： a = ( 口l ，a 2 ，9 3 ，9 4 ，9 5 ，9 6 ) ( 2 1 ) ( 2 ) 建立权重集 一般地，各个影响因素的重要程度是不同的。为了体现各个因素的 重要程度，对各个因素a ，( y = i ，2 ，6 ) 分别赋予一个相应的权数d ( i = 1 ，2 ，6 ) 。 各因素的权数d i ( i = l ，2 ，6 ) 应满足下式 6 d ；= l 其中，d i 0 ( i = l ，2 ，6 ) 8 1 在本评判中，对适用范围比较看重，其次是操作安全性，操作者人 数，操作者的技术水平要求，设备机动性能，制造成本，故确定权重集 为 d = p l ，d 2 ，d 3 ，d 4 ，d 5 ，d 6 ) ( 2 - 2 ) 。， = ( o 0 4 ，0 4 ，0 1 ，0 1 5 ，0 0 6 ，0 2 5 ) ( 2 - 3 ) ( 3 ) 建立备择集 将可能作出的各种总的评判结果为元素组成备择集c ，包括：很好， 较好，一般，较差四个元素，即 c = c l ，c 2 ，c 3 ，c 4 ) ( 2 4 ) = 很好，较好，一般，较差) ( 2 - 5 ) 1 5 ( 4 ) 进行单因素评判 从单个因素a ，( f = 1 ，2 ，6 ) 出发进行评判，以确定评判对象对备择 集c 中各个元素c i0 = 1 ，2 ，3 ，4 ) 的隶属程度。 方案i 中，与各个因素口i ( f = 1 ，2 ，6 ) 相应的单因素评判集为 豆1 = ( o ，0 1 0 3 ，0 6 ) j i 2 1 = ( o ，0 15 ，0 35 , 0 5 ) r 3 1 = ( 0 1 ，0 2 5 ，0 2 5 ，0 4 ) ( 2 6 ) 置1 - - ( o , o , o ，1 ) r 5 = ( 1 ，0 ，0 ，o ) 惹1 = ( 0 2 5 , 0 35 ，0 2 5 ，0 15 ) 方案i i 中，与各个因素d i ( f = l ，2 ，6 ) 相应的单因素评判集为 天l = ( 0 8 ，0 2 ，0 ，0 ) 豆= ( o 5 ，0 3 5 , 0 15 ，0 ) 豆= ( o 4 5 ，0 35 ，0 15 ，0 。0 5 ) r - 4 u = ( 1 , 0 ，0 ，o ) r 5 = ( 0 ，0 ，0 2 ，0 8 ) j i 6 = ( o 4 5 ，0 3 5 ，0 2 ，o ) 相应的单因素评判矩阵为： 茛1 ： 爱： o 1 0 1 5 0 2 5 o o o 3 5 0 2 o 3 5 0 3 5 0 0 o 3 5 o 3 o 3 5 0 2 5 o o 0 2 5 0 0 15 0 15 0 o 2 0 2 0 6 o 5 0 4 1 o o 1 5 o o 0 0 5 o 0 8 o 制造成本 适用范围 技术要求 操作人数 机动性能 安全性能 制造成本 适用范围 技术要求 操作人数 机动性能 安全性能 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 5 ) 模糊综合评判 单因素模糊评判只反映了一个因素对评判对象的影响，这显然是不 1 6 5 ；5 k o o吡o。幡瞄吣。o啪 够的，要得到正确而全面的结果，必须要考虑所有因素的综合影响，这 就要模糊综合评判才能达到效果。 把因素权重集6 与单因素评判矩阵茛合成，得到模糊综合评判集 量：6 。r ( 2 1 0 ) 式中，。为模糊算子。模糊合成运算模型主要有：m ( ，v ) ，m ( ，v ) ， m ( 八，o ) ，m ( ，o ) ，m ( ，+ ) 。由于评价的因素为6 个，由文献 5 ，选用工 程模糊综合评价数学模型中的“主因素决定型m ( 人，v ) 评价模型。 则有： 言1 = 6 。夏1 = ( o 0 4 ，0 4 ，0 1 ，0 15 ，0 0 6 ，0 2 5 ) 。 = ( p 。1 ，吃1 ，巳1 ，e 4 1 ) = ( o 2 5 ，0 2 5 ，0 3 5 ，0 4 ) o o 0 1 0 1 o 2 5 岔= 1 5 。j i i = ( o 0 4 ，0 4 ，0 1 ，0 15 ，0 0 6 ，0 2 5 ) 。 = ( e ，e 2 ，e 3 ，e 4 ) = ( 0 4 ，0 3 5 ，0 2 ，0 0 6 ) ( 6 ) 评判结果进行归一化处理 p 1 = ( q 1 + p 2 1 + 巳1 + 气1 ) = 0 2 5 + o 2 5 + o 3 5 + 0 4 = 1 2 5 p = ( 9 1 + e 2 + e 3 + p 4 1 1 ) = 0 4 + 0 3 5 + 0 2 + 0 0 6 = 1 0 l 伊= ( 等12 5 ，篆12 5 ，篙12 5 ，篙12 5 ) 1 l 。 = ( o 2 ，0 2 ，0 2 8 ，0 3 2 ) o 8 o 5 0 4 5 0 1 0 1 5 o 2 5 0 o 0 3 5 o 2 0 3 5 0 3 5 0 3 0 3 5 0 2 5 o 0 o 2 5 0 0 1 5 0 1 5 o 6 o 5 o 4 l o o 1 5 0 0 0 0 5 l0o0 00o 20 8 0 4 50 3 5o 2o ( 2 12 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 14 ) ( 2 一l5 ) 北京交通大学工程硕士学位论文第二章原理方案设计 若f 0 40 3 50 2