固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的设计

1、泰 山 学 院本科毕业设计固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的设计所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 申请学士学位所属学科 工 科 年 级 二一级（3+2） 学生姓名、学号 李庆 2010170009 指导教师姓名、职称 陈宏圣 副教授 完 成 日 期 2012年 5 月 日 摘要煤炭在运输过程中，由于风力作用，煤尘不仅污染了大气，而且影响到周边居民的生活环境，对资源也造成不小的浪费，解决煤炭运输中的扬尘污染问题刻不容缓。本设计将固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置分为底座、升降装置、旋转装置和喷洒装置，并对个部分进行校核与受力分析，确定各部分的尺寸与材料。要求喷洒系

2、统根据运煤车的型号、运行速度可调节喷管高度及喷洒速度，并克服了车厢前部喷洒不足而尾部过量喷洒的问题，降低了抑尘剂的喷洒成本，减少了操作人员。关键词：升降装置，旋转装置，力，控制ABSTRACTCoal in the transportation process, because the action of wind, dust not only pollutes the atmosphere, but also affect the surrounding residents living environment, to resource also caused not little wast

3、e, solve the dust pollution of coal transportation in crunch time.The design of fixed lifting type train dust suppression agent spraying device is divided into a base, a lifting device, a rotating device and a spraying device, and the parts are checked and stress analysis, determine the size of each

4、 part and material. According to the requirements of spraying system of truck model, speed adjustable nozzle height and speed of spraying, and overcomes the shortage of the anterior compartment and rear spraying excessive spraying problems, reduce the dust suppression agent spraying cost, reduces th

5、e operator.Key words:lifting devices, rotating device, stress, control 目 录1. 引言11.1 固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的发展概况及现状21.1.1 固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的发展背景及现状21.1.2 固定可升降式火车抑尘剂火车喷洒装置带来的挑战和机31.1.3固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的概述32. 固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的结构42.1 固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置结构42.1.1 固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置整体体结构42.1.2 固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的尺寸设定42.1.3固定可升

6、降式火车抑尘剂喷洒装置的材料选择42.1.4连接方法42.2 固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的受力分析及校核82.2.1螺栓强度校核82.2.2 横梁挠度计算113. 液压喷液系统144控制系统165 总结17参考文献18致 谢191 引言我国煤炭的储量占世界储量的11.6%，相对比较丰富，同时也是世界第一产煤大国。我国的主要一次性能源是煤炭，煤炭是国民经济的主要支柱。但是，不可否认煤炭在开发、利用、运输以及储藏等过程中产生的污染对环境造成严重的影响。粉尘污染是当前世界公害之一，而通过铁路运输的煤炭占铁路货运总量的近50%，占全国总煤炭运量的80%。煤炭在铁路运输过程中，由于列车颠簸及高达80

7、km/h风力的作用，表面干燥、细散得煤粉会扬起或散落路面，造成了大气吸入颗粒物浓度急剧升高，对铁路环境造成不同程度的粉尘污染。尤其是在列车高速行驶及会车时，风力飞扬散落的颗粒会更多，干扰了铁路地面设备的正常使用，而且由于电缆等处沉积的煤尘自燃容易引起火灾，严重影响行车安全。固尘剂是由新型多功能高分子聚合物组合而成。聚合物分子间的交联度会形成网状结构，同时分子间存在各种离子基团，能与离子之间产生较强的亲合力。它通过捕捉、吸附、团聚粉尘微粒的机理作用，将其紧锁于网状结构之内，起到细润、粘接、凝结、吸湿、防尘、防浸蚀和抗冲刷的作用。固尘剂具有良好的成膜特性，可以有效的固定尘埃并在物料表面形成防护膜。

8、固尘剂能够保护环境，而且无腐蚀、无污染、可生物降解、不会造成二次污染；固尘剂还有抗风蚀、抗雨水冲蚀等功效，能够有效的降低并减少物料损耗并能减少粉尘危害，保护工人及周边人群的身体健康。同时由于货物流失，也给货主造成了一定的经济损失。散装货物运输扬尘控制技术，已经为铁道部铁路科技发展“十一五”规划环保技术领域的重点。本设备用于运煤列车抑尘剂喷淋，目的是解决铁路运煤车表面煤粉扬尘和吹落问题。1.1固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的发展概况及现状1.1.1固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的发展背景及现状 针对煤炭运输扬尘污染的问题，目前已经研制出了铁路煤炭运输抑尘剂。同时，在2009年5月铁道部下发了铁路

9、煤炭运输抑尘技术条件 第一部分：抑尘剂（TB/T 3210.1-2009)和铁路煤炭运输抑尘技术条件第二部分：喷洒装置及方法（TB/T 3210.2-2009)文件，文件中队煤炭抑尘技术条件和喷洒装置的标准都做了相应的规定，同年六月，下发了铁运【2009】818号文件，对铁路煤炭运输抑尘作业技术条件又做了相应的规定。目前喷洒装置主要分为两类，固定式喷洒装置和移动式喷洒装置。其中固定式喷洒装置包括：悬臂式、龙门式、对喷式、和側喷式四种形式；移动式喷洒装置主要是移动喷洒车（包括轻型移动喷洒和微型喷洒车）。 固定式喷洒装置适用于大量发运，列车运行速度高的特点。悬臂式喷洒装置优点是：结构简单，喷洒比较

10、均匀，喷洒流量便于实现控制。其缺点：一是作业时需要侵入机车车辆界限，所以无论是人工控制还是自动控制都必然存在行车安全隐患。二是这两种装置需要旋转或升降过程才能使用，而旋转或升降都是机械组件，因此不可避免的存在着机械故障几率，一旦设备发生故障必然危机行车安全。三是这两种装置旋转或升降过程需要8s左右的时间，车速如果超过20km/h时，机车次位3量左右喷洒不到，即实现不了全覆盖，在收费方面也存在着异议。对喷式和侧喷式喷洒装置使用安全可靠，不存在行车安全隐患，能满足列车行驶速度30km/h的任何线路使用，并能实现机车次位列车全覆盖。但是，对喷式装置需要过轨施工，增加了施工难度和工程费用。最新研制的侧

11、喷式装置是在分析和总结其它三种装置存在的缺陷和安全隐患的基础上经过反复的研究和实验，推出的一款全新的装置。该设备适合用于电气化和非电气化线路区间，安全性能高，稳定性强，土建施工难度小，但喷洒不够均匀，安装环境要求比较高。移动式喷洒装置适用于年发运量小，列车运行速度低（一般要求8km/h）的站点。移动式喷洒装置需要配建相应的搅拌站，资金投入量相对少。为解决上述问题，研制了固定式抑尘剂喷洒系统，对工作环境要求不高且在恶劣天气可以进行工作，能自动识别车头、车厢和空挡，并可为喷洒喷头打开和关闭提供信号，保证喷洒效果，不浪费喷液。1.1.2固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置带来的挑战和机遇各铁路局为了响应铁

12、道部的号召，到2011年铁路铁路煤炭运输实现抑尘剂全覆盖。今年以来全将此项目作为一个重点，放在了工作的首要位置，抢抓机遇，不断地推进铁路煤炭运输抑尘工作。所以固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置具有巨大的商机和实用价值，但现有的喷洒装置都具有不可避免的缺点，所以急需一种能避免各种缺点，又能满足喷洒的固定式喷洒装置。本设计意在研究一种固定可升降的固尘剂喷洒装置，主要用于火车站运煤系统，将固尘剂喷洒于煤层的表面，减少煤尘的飘扬，保护环境。由于火车的高度不同，位置不同，我们将此喷洒装置设计成既可升降又可旋转。1.1.3固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的概述固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置由基座、旋转装置、升降

13、装置、喷洒装置和固定装置组成，安装方便。旋转装置由步进电机带动，经变速箱，使电机每接受一个脉冲时旋转装置旋转90度，升降装置和喷洒装置由液压驱动。2 固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置结构设计2.1 固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置的结构2.1.1 固定式火车喷洒装置的结构分为基座、旋转装置、升降装置、喷洒装置和固定组件。2.1.2固定式火车喷洒装置的尺寸确定：铁轨宽度为1435mm 车厢宽度 3309mm 火车高度距地面高度一般在3500mm左右。因此固定式抑尘剂喷洒装置各部分的设计尺寸为：基座：2500mm横梁长度：1800mm旋转部分长度：1000mm升降部分长度：600mm立柱外径159mm

14、 立柱壁厚15mm横梁外径114mm 横梁壁厚15mm2.1.3固定式火车喷洒装置的材料选择： 采用Q235号刚。Q235号碳素钢含碳适中综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，力学性能也很好，用途最广泛。2.1.4连接方法1 基座和地基用地脚螺栓连接，并用加强筋加强基座力学性能图1 地脚螺栓和加强筋2基座和升降部分采用地脚螺栓连接，基座与地连接部分有一法兰盘，方便连接，并用加强筋固定立柱增加立柱在恶劣天气下的稳定性。图2 升降原理图3 升降装置3升降装置与旋转装置的连接用螺栓连接图4 旋转装置4立柱和横梁的固定方法横梁和立柱间使用螺栓连接；首先，在立柱和横梁相接处各焊一块大小相等的

15、钢板；然后，采用螺栓连接将相重合的两块钢板连接。最后，采用三角形加强筋固定横梁和立柱，防止恶劣天气时立柱受风力影响不稳定。三角形加强筋稳定结构图；图5 加强筋结构立柱的固定方法：使用法兰盘固定立柱，法兰盘与地面采用地脚螺栓连接：并且使用加强筋固定立柱增加立柱在恶劣天气下的稳定性。5其他链接旋转部分采用齿轮传动，由电动机带动，齿轮与轴采用键连接并用套筒固定轴向移动。电动机与变速箱采用联轴器连接；喷洒装置与横梁采用螺栓连接。6电机选择选择100w的步进电机作为旋转运动的动力。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的

16、频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的 旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；可以通过控制脉冲频率来控制电机转动 的速度和加速度，从而达到调速的目的。电机带动输出，外接变速箱。使电机每转动一下，经变速箱，带动旋转装置旋转45度。2.2固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置结构的受力分析及校核。2.21螺栓强度校核： 固定立柱可以抵抗十级大风： 标准风压公式: (公式1) 风速：24.528.4m/s 取最大风速28.4m/s 空气重度：r=0.012

17、25KN/m 重力加速度：g=9.8 风压0.5×0.01225×/9.8 =0.5041立柱和横梁间螺栓连接的校核： 螺栓材料为Q235 性能等级4 .6 螺栓型号M16 横梁大径114mm 横梁长度 L=5600mm 横梁迎风面积 S=114×1800=205200mm=0.2052m 横梁受力0.2052m×0.5041=104 （F1为剩余预紧力，F2为总拉力，F分为工作拉力，地脚螺栓F1>=F） 4.17< （1.3倍为考虑扭转切应力的影响） 立柱固定螺栓的校核：立柱大径159mm 立柱高 h=4100mm立柱迎风面积 S=159&

18、#215;4100=651.9mm=0.6519立柱受力 0.6519×0.5041=329工作拉力F=329N+104N=433N 5< （公式2）地脚螺栓弯矩计算：受力图如下图所示：图6 立柱受力图横梁受均布载荷：=0.5041KN/m×114mm×114mm=6.56N立柱受均匀载荷：=0.5041KN/m×159mm×159mm=12.75N立柱所受横向弯矩： + + 235.58立柱与底盘连接通过双头螺柱连接，并且使用加强筋固定立柱增加立柱在恶劣天气下的稳定性。下面计算底盘上螺柱的应力。如图所示图7 地盘法兰当风速与Y轴方向相同

19、或相反，螺柱所受应力最大，因此在此只校核此时的螺柱应力。螺柱在Y轴方向上距对称中心的距离392.6 （公式3）螺柱的面积=0.126m拉应力0.031<压应力0.031< 2.22横梁挠度计算 横梁体积 喷头架体积 喷头体积 弓形面积 矩形面积 65.688 总面积67.344 连杆体积 丝杠体积 滑块体积 丝杠轴承 滑块轴承体积 销钉体积 总体积 总质量 横梁所受的总作用力 极惯性矩 3 固定可升降式火车抑尘剂喷洒装置其他部分（动力系统）的选择与设计 液压传动：以液体作为工作介质，并以压力能进行动力（或能量）的传递。转换与控制的液体传动。液压传动布局灵活方便，工作平稳快速，液压系

20、统设计、制造和维修方便。液压传动装置的组成部分动力元件泵 执行原件马达、液压缸 控制元件阀 控制压力、方向和流量辅助元件 液压油箱、过滤器、管路等等工作介质液压油（抑尘剂）液压喷洒系统工作原理图： 图8 液压喷洒系统液压泵 溢流阀 滤油器二位二通电磁阀 节流阀电动机M1带动液压泵工作，液压泵从油箱中吸出抑尘剂，经过滤油器、节流阀、二位二通电磁阀，到达喷头进行喷洒；当出现车厢间的空当时，红外对射式开关发出信号，节流阀关闭，液压泵吸出的抑尘剂通过溢流阀流回油箱，当下节车厢到达时节流阀开启；当最后一节车厢通过时，红外对射式开关发出信号给电磁阀和M1电动机，电磁阀关闭，电动机停止工作，M2电动机开始工

21、作将喷洒装置内的抑尘剂吸出回流回油箱。4 控制系统控制系统要求 ：自动识别机车车头，车头驶过时喷洒装置自动下降进入喷洒位置。自动识别车厢到位，喷头自动开始喷洒。自动识别车厢空当，喷头自动停止喷洒，喷头外罩自动旋转90，防止漏液。自动识别下一车厢到位，喷头自动开始喷洒，进入车厢循环喷洒。自动识别最后一节车厢，喷洒停止后喷头自动归位。自动识别车头、车厢和空当，并为液压喷洒系统电磁阀提供打开和关闭信号，保证电磁阀计时开闭，保证喷洒效果，不浪费抑尘剂。喷洒能实现手动和自动两种控制方式，在自动控制下能根据车厢的情况进行自动启、停喷洒，并能根据情况人为改变喷洒量。喷头外罩可自动旋转，以保证喷洒液不外漏到车厢连接的空当。安装三组红外对射式光电开关；两组用于测车厢的进入和离开，发出信号控制喷液系统的启、停；一组用于识别火车头。喷洒系统与喷头外罩旋转电机建立连锁，喷洒系统停止时，则旋转电机启动，喷头外罩旋转90。5 总结经过结构设计和大量计算，所设计