【高铁道岔更换快换装置的机械结构设计与工况分析案例6000字】

高铁道岔更换快换装置的机械结构设计与工况分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15628高铁道岔更换快换装置的机械结构设计与工况分析案例 1234541.1道岔部件介绍 17101.2LHPT快换装置的设计流程 3131621.3LHPT快换装置结构设计 4253691.1.1伸缩门型吊结构设计 4131631.1.2支撑油缸结构 9306661.1.3换向滑台结构 10205711.1.4固定底架结构 12175471.4常规工况门型吊计算校核 13249631.4.1结构尺寸及设计参数 1411421.4.2伸缩臂强度和挠度校核计算 15150341.4.3立柱强度校核计算 18216371.4.4葫芦跑道强度和挠度计算 181.1道岔部件介绍目前我国高铁线路上应用的道岔类型有很多种，每个铁路局根据实际应用情况和用途在线路上配备不同类型的道岔。其中单开道岔是数量最多的一种，在各地区应用的道岔中占到了绝大多数，如图1.1所示。本文将以单开道岔为研究对象，进行快换装置的结构设计。图1.1高铁单开道岔（1）高铁单开道岔的型号高铁单开道岔一般按道岔号数进行分类，21世纪前我国的高速道岔为引进的德国50号道岔及法国18号道岔、46号道岔。我国自主研发并铺设的道岔有18号道岔，42号道岔和62号道岔，其中62号道岔只有目前只有一组在哈大高铁长春西站。随着我国高速道岔开始统一型号，以前所引进的国外道岔型号将不再铺设，改由全面铺设国产道岔。所以目前我国高铁道岔型号主要为18号道岔和42号道岔，其中，18号道岔是应用最为广泛的一类。（2）单开道岔组成部件单开道岔由转辙器、辙叉、护轨及连接部分和岔枕组成。我国高铁道岔全部为可动心轨辙岔；转辙器和辙岔由连接部分连接，连接部分包含绝缘和非绝缘导轨。如图1.2所示。图1.2单开道岔组成由于18号道岔在高铁线路中占比最大，本文其作为更换作业对象来设计本设备的参数，18号道岔的外形尺寸如图1.3所示，主要技术参数如表1.1所示。图1.318号道岔组件基本尺寸外形图表1.118号道岔主要组件参数组成区段尺寸（m）钢轨质量（t）直基本轨曲尖轨组件51.6m5.86曲基本轨直尖轨组件51.6m5.96导轨组件（8根）41.8m5.74可动心轨辙叉24.1m6.67其他零部件——6.11.2LHPT快换装置的设计流程LHPT更换装置的设计流程如图1.4所示。图1.4设计流程图通过分析18号道岔的主要组件参数，得知更换主要组件是解决过长和过重两个方面的问题。过长组件可以通过增加道岔长重部件快换装置的组数来解决，过重则是通过增加设备吊具的起重能力和增加装置的组数来并联解决。根据其实际的工作情况，拟定了LHPT更换装置的工作参数，主要是按照18号道岔可动心轨辙叉的重量和长度参数来确定的。整机主要参数如表1.2所示。表3-2整机参数预设表类别性能参数搭载平车NX70起吊重量3t（单个吊具）吊具数量2个（单列编组）吊具间隔8158mm支撑跨度7755mm（平车中心至邻线支腿中心）起吊高度0-3500mm门吊旋转范围270°1.3LHPT快换装置结构设计在确定了LHPT更换装置的功能后，再根据功能需求和性能参数确定了LHPT更换装置的结构。LHPT更换装置的机械结构如图1.5所示，主要包括伸缩门型吊结构，支撑油缸结构，固定底架结构和移动滑台结构等。其中伸缩门型吊结构主要功能是将道岔过长部件或者过重部件通过同步吊装的方式，把需要更换的旧道岔调离原来位置，再将新道岔吊入指定位置。支撑油缸机构主要功能是撑住整个平车，使门型吊结构在进行吊装作业环节更加平稳，不会产生倾覆。固定底架结构主要功能是将整个设备和搭载的NX70平车连接在一起。移动滑台结构的功能是使安装在其上方的伸缩门型吊结构和其他包括发电机组，液压站等设备可以完成在平车上的换向。图1.5LHPT快换装置各部件组成1.1.1伸缩门型吊结构设计伸缩门型吊结构是LHPT更换装置的核心组成部分，每一组LHPT更换装置上搭载2套伸缩门型吊，整体结构尺寸长度为6412mm，伸缩臂顶部到回转机构底部高度为2215mm，伸缩支腿收缩时长度为2640mm，其结构性能直接影响了整个装置的工作性能。它的作用是在道岔更换的时候将旧道岔部件吊起移动至其余位置，再将新道岔吊入。所以其刚度和强度能否满足要求是最主要的性能，其结构分为回转机构、立柱、伸缩臂机构、葫芦跑道机构、吊具组件和伸缩支腿等，如图1.6所示。图1.6伸缩门型吊结构装配图（1）回转机构回转机构包括液压马达和减速机，回转机构底部的固定板通过螺栓和移动滑台连接，顶面通过焊接加栓接的形式与立柱连接。作业时通过液压马达驱动减速机便带动立柱进行转动。结构如图1.7所示。图1.7回转机构装配连接图（2）立柱立柱主体采用12mm厚Q345B钢板焊接成对称结构，截面图和结构形式设计如图1.8所示。立柱上下方均采用封板焊接成整体，既保证了结构强度，又减少了结构材料的重量。在立柱顶部通过螺栓和伸缩臂机构相连接，如图1.9所示。在立柱顶部侧边靠近葫芦跑道位置，安装有水平限位装置，可以通过调节水平限位装置的调节丝杆来确保葫芦跑道在移动收回至最左端时不会撞到立柱，图1.10为限位装置局部放大图。图1.8立柱截面图图1.9立柱顶部连接图图1.10水平限位装置（3）伸缩臂机构伸缩臂机构包括伸缩臂外筒、伸缩臂内筒、伸缩臂底座和卷扬机及卷扬机上的钢丝绳组，如图1.11所示。伸缩臂的原理是通过卷扬机收缩和释放连接伸缩臂内筒和外筒上的钢丝绳来完成伸缩臂的伸缩动作。伸缩臂底座通过采用销轴方式与伸缩外筒连接固定，然后下方通过底板螺栓与立柱相连接；伸缩臂外筒是由10mm厚的Q345B钢板焊接成箱梁结构外形，同时在伸缩外筒壁的两侧焊接有葫芦跑道移动的跑道；伸缩臂内筒采用双工字型钢梁结构，在伸缩臂外筒底部连接处还设有水平滑轮用以辅助伸缩臂内筒的伸缩；伸缩臂内筒最前端还有焊有20mm厚的方板。和前端的伸缩支腿通过螺栓的方式相连接。图1.12为伸缩臂底座放大图，图1.13为伸缩臂末端水平滑轮部分局部放大图。图1.11伸缩臂结构装配图图1.12伸缩臂底座图1.13水平滑轮（4）葫芦跑道及吊具机构葫芦跑道的主体结构同样采用的是双工字钢型结构，两端有封板，在两端的上侧有两个小车滚轮结构，如图1.14所示。一端连接在一端连接在伸缩臂外筒上，另外一端连接在伸缩臂内筒上，吊具在跑道上可以移动。通过移动葫芦跑道在伸缩臂上的位置和移动吊具在葫芦跑道上的位置，两者结合就可以满足起吊物体在整个门型吊的跨度范围内移动。图1.14葫芦跑道及吊具装配图（5）伸缩支腿伸缩支腿是门型吊除立柱以外的另一个支撑机构，和立柱一起承载着工作时起吊道岔部件及其自身的全部重量。油缸外围连接一个由钢板焊接而成的伸缩筒形式，通过油缸伸缩带动伸缩筒一起运动。油缸的主要设计如参数表1.3所示。表1.3伸缩支腿油缸主要技术参数技术项目额定工作压力/MPa缸径/mm杆径/mm行程/mm设计参数10125901100伸缩支腿的外形如图1.15所示，伸缩支腿与伸缩臂结构连接部分如图1.16所示，伸缩支腿的底部设计成均布凸起，可以加大受力面积，增加支腿与地面的附着力，防止滑动。底部如图1.17所示。图1.15伸缩支腿外形图图1.16伸缩支腿与伸缩臂连接部分图1.17伸缩支腿底部设计1.1.2支撑油缸结构支撑油缸结构包含水平方筒和垂直方筒，还有一个回转机构组成，水平方筒的长度为2020mm，宽和高为150*150mm，垂直方筒油缸顶部至撑地底部的长度为1620mm，宽和高为150*150mm。每组铁路道岔区间部件更换装置上设有两组左右支撑油缸机构。支撑油缸在设备行车过程中收缩放置在固定底框上，在门型吊结构作业前向平车左右两侧展开放下，撑住地面。支撑油缸结构的主要功能有两个，一个是由于门型吊结构在整体装置中属于侧边放置，导致整机装置搭载在平车上时有一定的偏载。支撑油缸在门型吊结构作业前展开可以防止整个装置发生倾覆风险，通过支撑油缸撑地，整体装置的受力在两组支腿上，有效的提高了装置作业时的稳定性。另一个功能是整套装置所搭载的铁路平车本身包含有簧系减震结构，通过支撑油缸撑住地面形成刚性连接后，可以抵消平车的弹簧减震功能，使得伸缩门型吊结构在作业时起吊道岔部件不会发生大幅度的晃动，提升作业的安全性。两组油缸的主要设计参数如表1.4所示，支撑油缸的外形图如1.18所示表1.4支腿油缸主要技术参数设计参数额定工作压力/MPa缸径/mm杆径/mm行程/mm水平油缸16110801200垂直油缸20110801100图1.18支撑油缸的外形图1.1.3换向滑台结构换向滑台结构包含门型吊移动滑台和发动机组移动滑台，每组LHPT更换装置上设有两组门型吊移动滑台和发动机滑台结构。门型吊移动滑台上放置两组门型吊，发动机滑台结构上分别放置发动机组及液压站。主要功能是连接门型吊结构、发动机组、液压站机构和滑台下方的固定底架，将滑台和门型吊结构、发动机组、液压站机构固定成一个整体，并通过移动滑台完成门型吊结构和发动机组及液压站的左右换向。门型吊移动滑台主体设计为“日”字形结构，整体尺寸长为1200mm，宽为1160mm，滑台顶面至走形轮高度为560mm，上下两层采用140*140*8的矩形方管焊接而成，内部四角周围焊有筋用以加强整体结构，如图1.19所示。上层日字形结构长为1230mm，宽为1180mm，开有四个φ50孔。在固定底架对应位置上也同样有孔，通过插入销轴的方式将移动滑台和底架锁定在一起，确保滑台在工作和运输过程中不会产生位置移动，上层结构面上焊有滑动连接板，滑动连接板是将伸缩门型吊和移动滑台通过栓接的方式连接在一起。下层的日字形框架长为864mm，宽为1180mm，框架上有两对走行轮，可以使得滑台在固定导槽内移动。图1.20为门型吊移动滑台结构立体效果图。图1.19门型吊移动滑台主体框架图图1.20门型吊移动滑台结构装配图发电机组移动滑台主体设为设计为“目”字形结构，采用140*140*8的矩形方管焊接而成，整体结构尺寸长度为2050mm，宽为900mm，高度为240mm。结构框架上方焊有八块连接板，可以与发电机组或液压站通过螺栓固定连接；主体下方设有两对滑轮，可以保证在导轨上移动滑行；框架的两侧固定耳板上开有φ30圆孔，与其相对应的固定底架结构上也含有同样大小孔，通过插入销轴连接的方式固定，使滑台在运输或作业过程中不会发生移动。图1.21为发电机组滑台整体图。图1.21发电机组滑台结构装配图1.1.4固定底架结构固定底架结构的主要作用是连接平车和滑台等结构，在LHPT更换过程中承担其上方所有装置及运输道岔部件的重量。主体结构受力框架设为网格状结构，采用150*100*8的矩形管焊接而成。整体尺寸长为7670mm，宽为2960mm，最高点即承载放置道岔区域到框架底部高度为820mm。在整个框架的两侧焊接有八个平车连接座，通过栓接的方式和铁路平车相连接。同时设有四个起吊钉，作为安装固定底架与平车连接时的起吊点。在整体框架的左侧焊有两排导槽为门型吊移动滑台的移动轨道，并且在导槽内部上方两侧安装有锁定块确保移动滑台不会滑出导槽，对其进行机械限位。在滑槽的上方左右两处焊有两组锁定座。通过插入锁定销和门型吊移动滑台的孔相连接，从而保证移动滑台在运输和作业过程中不会发生移动。需要换向时将插销拔出，移动滑台至指定位置后，再将销轴插入，即可完成左右换向。中间有多处焊接筋板保证整体结构强度。在整个框架的右侧焊有两排发电机组滑台轨道，由两根70×50×5的矩形管组成，使发电机组滑台在轨道上可以移动换向。同时在轨道框架的一侧焊有两块固定耳板，与上方的发电机组滑台固定孔相对应，通过插销固定滑台，确保发电机组滑台在作业过程中不会发生移动。整个框架的中间位置还焊有“目”字型框架结构，用于放置运输的道岔部件，整体结构效果如图1.22所示。图1.23为平车连接座结构放大图，图1.24为门型吊滑台移动导槽结构放大图。图1.22固定底架结构装配图图3-23平车连接座图3-24门型吊移动导槽1.4常规工况门型吊计算校核在整个LHPT更换装置的结构中，门型吊的伸缩臂结构、立柱结构和葫芦跑道，是其重要的受力部件，进行整体结构设计的时候，需要结合实际的工况进行分析和计算校核，并选择合理的结构材料才能保证既满足使用要求又结构可靠安全。1.4.1结构尺寸及设计参数（1）伸缩臂主要设计参数如下：额定载荷3000kg，起升高度3200mm，伸缩臂质量为2620kg，配重G3为250kg，总长L1=10735mm，最大回转半径L2=9375mm，有效半径L3=6000mm，配重中心到立柱中心L4=1000mm，伸缩臂底到固定面高度H=1725mm，伸缩支腿质量为1200kg。伸缩臂机构内筒的截面如下图1.25所示，截面积A1=14832mm2，截面惯性矩，截面模数。（2）立柱的主要设计参数如下：外形尺寸为806*627mm，板厚为12mm，立柱下回转支承轴承所受的垂直力N为50000N,立柱截面如图1.26所示，截面面积A2=38817mm2，截面惯性矩，截面模数。图1.25伸缩臂内筒截面图1.26立柱截面简图（3）葫芦跑道的主要设计参数如下：葫芦质量为240kg，葫芦跑道质量为500kg，跑道总长度L5=4530mm，跑道受力长度L6为3752mm。跑道截面如图1.27所示，截面面积A3=10800mm2。截面惯性矩，截面模数。图1.27跑道截面外形图1.4.2伸缩臂强度和挠度校核计算根据伸缩吊的工作形式，分两种工况对伸缩臂机构进行校核。工况一为伸缩臂旋转至指定平面，伸缩内臂延伸至最远，伸缩支腿还未撑地，此时整个结构属于悬臂吊结构模型；工况二为伸缩支腿撑地锁定后，位于伸缩臂上的吊具组件处于满载工作状态，此时属于简支梁结构模型，为保证安全性能，伸缩臂校核时主要按较为薄弱的伸缩臂内筒进行校核。工况一中伸缩臂强度校核伸缩臂均布载荷： （3-1）式中：G1——伸缩臂自重与葫芦跑道自重之和；L1——伸缩臂总长；伸缩支腿在最大回转半径（9375mm）处的力矩M1： （3-2）式中：G2——伸缩支腿自重；L2——伸缩臂旋转半径；伸缩臂自重引起的力矩M2： （3-3）伸缩臂臂配重力矩M3： （3-4）式中：G3——横梁配重自重；总力矩 （3-5）此时伸缩臂所受到的弯曲正应力： （3-6）式中：Wx1——伸缩臂截面模数；M——伸缩臂所受弯矩；伸缩臂选用Q235B钢板，屈服强度，弹性模量，根据起重机设计手册,安全系数n取1.48。许用应力；伸缩臂最大应力，则伸缩臂强度在此工况下满足。（2）工况一中伸缩臂挠度校核伸缩支腿自重对伸缩臂所产生的挠度： （3-7）式中：L3——伸缩臂有效半径；E——所选材料的弹性模量；——伸缩内筒的截面惯性矩；伸缩臂弯矩对立柱所产生的挠度： （3-8）式中：H——伸缩臂底到固定面高度；——立柱的截面惯性矩；伸缩臂总挠度；根据设计规范，；因为，所以伸缩臂的挠度满足要求。（3）工况二下的伸缩臂强度校核当葫芦吊具满载工作时，在垂直平面上，最大弯矩发生在满载运行至跨中位置，因此对跨中截面进行校核计算（此时为静定简支梁模型）。伸缩臂