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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 無縫鐵路應(yīng)力放散方法及其設(shè)備
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品涉及一種無縫鐵路應(yīng)力放散方法及其設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)或維護(hù)無縫鐵路時，使其拉應(yīng)力均勻化，達(dá)到鎖定軌溫的目的。設(shè)備主要由行走小車，沖擊單元，夾緊裝置以及檢測控制系統(tǒng)四部分組成。根據(jù)激振理論，用沖擊式氣液增壓缸周期性地撞擊鋼軌，利用振動波傳遞能量來實(shí)現(xiàn)溫度應(yīng)力式無縫鐵路的縱向應(yīng)力放散，并使其應(yīng)力均勻化；用檢測控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控鋼軌應(yīng)力狀態(tài)，以完成標(biāo)定的應(yīng)力放散作業(yè)。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品的設(shè)計(jì)目的在于：對現(xiàn)有人工作業(yè)方式進(jìn)行改進(jìn)，提供一種以周期振動式?jīng)_擊缸撞擊鋼軌的方式實(shí)現(xiàn)鋼軌應(yīng)力均勻化的新型方法和專用設(shè)備，以機(jī)-電-氣-液一體化的自動工作模式代替人工操作，降低勞動強(qiáng)度，提高工作效率與質(zhì)量。 本作品所述的應(yīng)力放散方法主要基于激振原理，利用沖擊式氣液增壓缸周期性撞擊夾具，產(chǎn)生一系列的縱波傳遞能量使鐵軌應(yīng)力均勻化，要讓該縱波使鐵軌達(dá)到激振效果，就需分析一定長度的鐵軌在受到一定拉力作用下的鐵路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振型。運(yùn)用ANSYS軟件對鋼軌進(jìn)行一系列的模態(tài)分析可以達(dá)到目的。通過對鋼軌前四階模態(tài)數(shù)值的分析，并結(jié)合現(xiàn)有應(yīng)力放散設(shè)備的工作頻率和相關(guān)的撞軌系統(tǒng)在各階模態(tài)下的響應(yīng)情況分析實(shí)驗(yàn)，得出符合該作品所述專用設(shè)備產(chǎn)生的撞擊力在12～16kN、激振頻率值在0.3～1.0Hz時，可以達(dá)到較好的應(yīng)力放散效果。 值得說明的是：雖然激振原理廣泛應(yīng)用于機(jī)械、醫(yī)療、石油化工、土木工程等領(lǐng)域，但采用縱波激振技術(shù)用于無縫鋼軌應(yīng)力放散方式上未有先例，這是本作品最核心的創(chuàng)新點(diǎn)。 本作品的技術(shù)方案是：新型無縫鐵路應(yīng)力放散方法是以周期振動式?jīng)_擊缸撞擊鋼軌的方法使鋼軌沿線產(chǎn)生微位移，并利用檢測控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控鋼軌應(yīng)力狀態(tài)，以完成整個應(yīng)力放散作業(yè)。 本設(shè)備主要由小車車體，沖擊式氣液增壓缸，夾緊裝置和檢測控制系統(tǒng)四大部分組成。夾緊裝置利用夾具體兩側(cè)的軸支撐夾具體于槽鋼兩側(cè)，并利用軸上軸承在槽鋼兩側(cè)的腰月槽內(nèi)滑動導(dǎo)向。沖擊式氣液增壓缸用缸體支撐架支撐，并用螺栓緊固于車體上，為了防止作業(yè)過程中沖擊缸產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力使缸體發(fā)生滑移、歪斜，用銷釘對缸體進(jìn)行定位。同時，為了確保沖擊式氣液增壓缸內(nèi)力錘撞擊過程的平穩(wěn)性，在缸體與夾具體之間設(shè)計(jì)了導(dǎo)向支撐塊，防止力錘彎曲和飛出。作業(yè)時將車體支撐桿撐在枕木上，防止力錘撞擊夾具時，車體由于受到夾具的反作用力后退，從而確保夾具帶動鋼軌產(chǎn)生沿線方向的微位移?？刂葡到y(tǒng)安放在側(cè)板上，由氣動三大件和氣液增壓缸各控制閥組成。為了方便人工操作，側(cè)板安裝在車體兩邊，并預(yù)留有足夠的操作調(diào)整空間，將各控制元器件均布兩側(cè)，這樣不僅美觀，而且能使車體兩側(cè)受力平衡。 行走小車的車體由槽鋼加工而成，小車包含有行走輪，車體拖運(yùn)輪，防覆輪，車體支撐桿和小車把手幾個部分。行走輪支撐并帶動整個設(shè)備在鋼軌上行走，把手和拖運(yùn)輪方便車體在地面上的運(yùn)輸，防覆輪可以平衡車體的傾覆力矩，以保證作業(yè)時小車的平穩(wěn)性，車體支撐桿在作業(yè)時撐住枕木，防止力錘撞擊夾具時車體因受夾具反作用力后退，確保夾具帶動鋼軌產(chǎn)生沿線方向微位移。 沖擊式氣液增壓缸是整個設(shè)備的核心部件，它與公知的氣液增壓原理的最大不同在于：此缸增設(shè)了一個腔體——沖擊氣缸，在相同的氣源壓力下，此沖擊氣缸能起到很大的增力作用，沖擊力可達(dá)到未設(shè)沖擊缸時的10倍左右，極大的提高了沖擊效率。本作品所述的沖擊式氣液增壓缸有七個密閉容腔，分別為兩個液壓油液腔和五個氣壓腔，其中沖擊氣壓腔，起到?jīng)_擊增力的作用。在控制氣源作用下，通過調(diào)節(jié)兩行程閥之間的距離，該部件可以完成錘頭預(yù)定位－沖擊－回位的自動工作循環(huán)，能適應(yīng)滿足工況要求的沖擊力和工作頻率的要求，以提高撞軌效率和質(zhì)量。 夾緊裝置主要由夾具體，夾緊活塊，夾緊螺桿，鎖緊螺母，砧座組成，主要是采用螺旋鎖緊的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)行使用的楔形塊夾緊更大的增力比，并且更方便夾具的松緊，再配套力矩扳手使用，能更好地控制旋緊力，從而滿足承受力錘撞擊力所需的夾緊力要求，解決了現(xiàn)行方法需要依靠工人經(jīng)驗(yàn)估測夾緊力的問題。 檢測裝置主要用應(yīng)變傳感器實(shí)時檢測間隔相同的每段鋼軌在放散作業(yè)過程中的應(yīng)變量變化狀態(tài)，通過觀測無線傳感器檢測到的各段應(yīng)變值是否相等（首先要將各應(yīng)變傳感器的應(yīng)變值清零）來確定應(yīng)力放散作業(yè)是否達(dá)到放散要求，實(shí)現(xiàn)對整個放散作業(yè)過程的實(shí)時監(jiān)測與控制。相比現(xiàn)行劃線法而言測量更精確。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 高速無縫鐵路在正常工作時其鋼軌處于拉應(yīng)力狀態(tài)，按現(xiàn)行的鋼軌鋪設(shè)方法其沿線拉應(yīng)力狀態(tài)不均勻。本作品涉及一種用于無縫鐵路應(yīng)力放散方法及其設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)或維護(hù)無縫鐵路時，使其拉應(yīng)力均勻化，達(dá)到鎖定軌溫的目的。 基本設(shè)計(jì)思路： 借助CAD/CAE手段，采用單元模塊化的設(shè)計(jì)理念，通過總體方案的設(shè)計(jì)與論證、實(shí)體建模、模擬仿真、樣機(jī)制作、安裝調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該設(shè)備主要由行走小車，沖擊單元，夾緊裝置以及檢測控制系統(tǒng)四部分組成。按工況要求，其主要技術(shù)參數(shù)用ANSYS仿真計(jì)算確定，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行優(yōu)化。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1）利用激振原理，用沖擊式氣液增壓缸自帶的沖擊錘沿鋼軌縱向撞擊與鋼軌緊固的夾具，在周期性沖擊載荷作用下，激起鋼軌的共振態(tài)，并使振動波沿鋼軌縱向傳播，實(shí)現(xiàn)較長范圍的鋼軌應(yīng)力均勻化。 2）以應(yīng)變傳感器實(shí)時監(jiān)控鋼軌的應(yīng)力放散效果； 3）采用“人”字型夾緊裝置，各易損件可方便更換，夾緊動作可靠易行，整機(jī)設(shè)備重量輕； 4）防傾覆裝置保證小車工作時不向側(cè)面傾覆等試驗(yàn)研究。 技術(shù)關(guān)鍵： 1）激振參數(shù)的確定，如激振力、頻率等。 2）沖擊式氣液增壓缸的設(shè)計(jì)制造及其控制方式、參數(shù)的確定。 3）應(yīng)力狀態(tài)及分布的控制與檢測。 主要技術(shù)指標(biāo)： 小車重量不超過100公斤，氣源壓力0.6～0.8MPa可調(diào)，沖擊力12～16kN可調(diào)，工作頻率0.3～1.0Hz可調(diào)。應(yīng)力指標(biāo)：各國對鋼軌底殘余應(yīng)力有明確規(guī)定，En標(biāo)準(zhǔn)中，最大縱向拉應(yīng)力應(yīng)小于250Mpa（GB2585-2007）。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 與現(xiàn)有應(yīng)力放散方法及設(shè)備相比具有以下先進(jìn)性： 1)在應(yīng)力放散方法上，采用激振原理，利用周期性振動式的氣液增壓撞擊方式，在提供相對較小的沖擊力的同時，能激起鋼軌共振態(tài)，提高了應(yīng)力放散的效率。當(dāng)前大多采用撞軌小車，依靠較大的撞擊力來達(dá)到應(yīng)力放散的目的。且對動力源的要求相對較高。本作品涉及的應(yīng)力放散方法及設(shè)備對動力源的要求相對較低，且所需撞擊力相對較小，更節(jié)能且環(huán)保。 2)在作用效果上，夾緊方便、撞擊力對鋼軌的損傷小、應(yīng)力放散質(zhì)量更優(yōu)。 3）以小車為本體，沖擊單元、夾緊裝置以及控制系統(tǒng)合為一體，體積小、重量輕；車體上的防覆輪可使整個車體作業(yè)時更穩(wěn)定、拖運(yùn)輪方便了整個設(shè)備的搬運(yùn)。整個操作方便易行，只需作業(yè)人員開啟氣源和控制開關(guān)即可，既節(jié)省了人力又減少了能耗。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年6月20日，中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院專家應(yīng)邀來我校，對本作品進(jìn)行了總體方案的評審。專家一致認(rèn)為：此方案合理，該裝置若研制成功，對于鋪設(shè)應(yīng)力式重軌超長無縫鋼軌的施工和維護(hù)起到重要作用，可以簡化工藝流程，確保無縫線路滿足工況要求的安全行車參數(shù)，應(yīng)用價(jià)值大。有些細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步的試驗(yàn)和論證。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 有償轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢： 1）本作品綜合運(yùn)用了以機(jī)-電-氣-液一體化的自動工作模式代替人工操作，降低勞動強(qiáng)度，提高工作效率與質(zhì)量，技術(shù)含量高。 2）采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試方便可行；借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，縮短了生產(chǎn)周期。采用單元模塊結(jié)構(gòu)，使拆裝結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸、安裝、轉(zhuǎn)移十分方便。 3）周期振動式的氣液增壓方式撞擊鋼軌，提高了應(yīng)力放散的質(zhì)量。 4）檢測控制系統(tǒng)，能實(shí)時的反映應(yīng)力放散的效果，有利于應(yīng)力參數(shù)的優(yōu)化。 5）整個設(shè)備重量只有80kg，較已有設(shè)備的400kg輕便很多。 市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測： 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化鋪軌輔助裝備，對于確保無縫線路的行車安全及人身財(cái)產(chǎn)安全等，具有特別的現(xiàn)實(shí)意義。
同類課題研究水平概述
- 無縫線路已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國鐵路的主型軌道結(jié)構(gòu)，各國在鐵路建設(shè)中普遍采用了一次鋪設(shè)無縫線路的施工技術(shù)，與此相適應(yīng)的無縫線路鋪設(shè)設(shè)備發(fā)展迅速，施工組織也在逐步完善和成熟。目前國外一次鋪設(shè)無縫線路施工技術(shù)的綜合作業(yè)效率較高，但在應(yīng)力放散方法的研究上仍然不夠深入。 當(dāng)前，我國的高鐵技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平，但在無縫鐵路的鋪設(shè)和維護(hù)過程中，對于其應(yīng)力放散方法和工藝還相對落后。 目前主要的放散應(yīng)力方式有以下兩種：人工牽引的機(jī)械式應(yīng)力放散裝置和半自動機(jī)械化液壓應(yīng)力放散裝置。第一種應(yīng)力放散裝置是將鋼軌夾座固定在無縫鋼軌上，沿放散方向，用撞軌小車不斷撞擊鋼軌夾具，帶動鋼軌沿放散方向微位移，以達(dá)到改變應(yīng)力狀態(tài)。它的的優(yōu)點(diǎn)是能夠解決因撞擊力的變化而出現(xiàn)的鋼軌夾座滑移問題，但是整個裝置質(zhì)量大，運(yùn)輸，安裝，轉(zhuǎn)移都十分困難，所需施工人員多，應(yīng)力放散作業(yè)由6人借助輔助拉緊裝置，由人工拉動方式來釋放內(nèi)應(yīng)力，作業(yè)方式繁瑣、勞動強(qiáng)度大、工作效率低、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜惡劣、安全隱患多。這主要在于小車和夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，導(dǎo)致作業(yè)過程中產(chǎn)生大量的無用工。第二種應(yīng)力放散裝置以汽油機(jī)為動力驅(qū)動自動撞擊放散方式，由皮帶輪轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置帶動液壓油泵工作，使液壓油泵產(chǎn)生高壓油，通過油路控制閥和帶快速接頭的高壓膠管，輸送到液壓油缸內(nèi)，使油缸推動活塞桿帶動撞軌小車去撞擊夾具，完成撞軌作業(yè)。它的優(yōu)點(diǎn)是利用液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的高油壓高流量提高了工作效率，使用半自動機(jī)械化作業(yè)代替人工作業(yè)方式，降低了勞動強(qiáng)度；不足之處是動力源要求較高，雖然撞擊力較大，但效率不高。且結(jié)構(gòu)上，小車與夾具分開設(shè)計(jì)，搬運(yùn)上仍不太方便。 隨著現(xiàn)代鐵道運(yùn)輸工業(yè)的迅猛發(fā)展，為完善更高速、更安全的運(yùn)輸系統(tǒng)，對鋼軌的各項(xiàng)性能的要求也更高，這就意味著需要更安全高效撞軌器投入使用。 我們的作品以周期振動式?jīng)_擊缸的氣液增壓方式撞擊鋼軌，實(shí)現(xiàn)鋼軌應(yīng)力均勻化，沖擊強(qiáng)度均勻。以小車為本體，沖擊單元、夾緊裝置以及控制系統(tǒng)合為一體，體積小、重量輕；車體上的防覆輪可使整個車體作業(yè)時更穩(wěn)定、拖運(yùn)輪方便了整個設(shè)備的搬運(yùn)。配合使用檢測控制系統(tǒng)，可精確地檢測各段鋼軌應(yīng)力值的變化，有利于應(yīng)力參數(shù)的優(yōu)化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本作品可提高應(yīng)力放散質(zhì)量。
