机电一体化论文铁路车辆轮辋探伤机的机电一体化设计.docx
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机电一体化论文铁路车辆轮辋探伤机的机电一体化设计
机电一体化系统设计论文
题目:
铁路车辆轮辋探伤机的机电一体化设计
学号:
姓名:
专业:
机械工程
导师:
学院:
自动化学院
2015年1月30日
摘要
随着世界高速铁路的迅猛发展,为适应国民经济发展,满足广大人民的需求,我国铁路事业蓬勃发展。
近年来,我国铁路行车速度不断提高,这就要求对机车车辆走形部件进行严格而精密的检修与监控。
尤其是高速动车组的开行给铁路安全检测部门提出了新的考验。
目前,德国、法国等铁路发达国家均设计研发了先进的超声车轮探伤设备,我国也自主研发了移动式轮辋轮辐探伤系统,该设备采用先进的相控阵超声探伤技术和常规探伤技术,对各型动车组车轮进行在线的轮辋轮辐探伤,实现对各类疲劳缺陷及材质缺陷的检测。
但检测结果中缺陷的定位,还需现场操作员手动拖动标定框实现,这就不可避免的造成人为误差,限制了探伤效率,难以适应我国高速列车迅猛发展的要求[1]。
本文设计的系统采用底下卧式紧凑型机身,整个设备处于轨道面以下,同时在不工作室盖上盖板即可使轮对通过。
能够自动实现轮对的进轮及缓冲,出轮功能等。
系统设计分为机械系统,控制系统与伺服系统几部分。
采用机、电、液和微控系统,可以比较容易的实现轮对的进出轮[2]。
关键词机械控制设计轮对
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofhigh-speedrailwayintheworld,tomeettheeconomicdevelopment,tomeettheneedsofthemajorityofthepeople,China'srailwayindustrytogrow.Inrecentyears,China'srailwaytrafficspeedcontinuestoincrease,whichrequirestotakeshapepartsforlocomotivesstrictandprecisemaintenanceandmonitoring.EspeciallyCDBEMUtorailwaysafetyinspectiondepartmentproposedanewtest.
Currently,Germany,Franceandothercountriesaredesignedrailwaydevelopmentofadvancedultrasonicwheelinspectionequipment,ourcountryhasindependentlydevelopedtherimspokesmobileinspectionsystem,thedeviceusesanadvancedphasedarrayultrasonicflawdetectiontechnologyandconventionaltestingtechniquesforeachEMUwheelrimsspokesonlinetesting,toachievethedetectionofvarioustypesoffatiguedefectsandmaterialdefects.Butthelocationofdefectsinthetestresults,theneedtomanuallydragthecalibrationsiteoperatortoachievebox,whichinevitablycausehumanerrors,limitingthedetectionefficiency,difficulttoadapttotherapiddevelopmentofChina'shigh-speedtrains.
Thisdesignofthesystemusesacompactbodyunderthehorizontal,theentiredeviceisbelowtheorbitalplane,whilethestudioisnotcoveredbythecovercanmakewheel.Canautomaticallyfeedwheelandbufferwheel,andaroundfunction.Systemdesignisdividedintomechanicalsystems,controlsystemsandservosystemsofseveralparts.Usingmechanical,electrical,hydraulicandmicro-controlsystem,canberelativelyeasytoachieveandoutofthewheelonthewheel.
KEYWORKSmechanicalcontroldesignwheel
1绪论
1.1研究对象
车轮作为火车走形部位的关键部件,其质量好坏直接影响列车运行的安全,车轮在高速和高负荷运行情况下,铸造和加工过程的残留物会造成轮福轮辋产生纵向深度裂纹,在福板孔及轮毂部位产生应力集中的环带,容易萌生径向、周向裂纹。
此外车轮在长期使用后,会由于材质疲劳、擦伤、磨损诸多原因产生裂纹、剥离等缺陷,这些缺陷会造成火车在运行过程中的危险事故[2]。
1.2研究意义
一例例国内外车轮事故的深刻教训警示我们,一旦出现车轮故障,将会直接危机行车安全,甚至造成列车脱轨和颠覆事故,给人民的财产及人身安全造成不可弥补的伤害。
因此,必须对车轮疲劳区域进行有周期性地探伤,预防并及时发现车轮是否产生疲劳裂纹,关注其发展情况,掌握轮对状态并釆取相应措施,确保铁路运输安全。
减轻铁路轮辋损坏对乘客生命财产安全的危害[3]。
据德铁ICE列车车轮检测统计结果显示,2008年共检测9794条轮对。
在我国,机车车辆专家、中国两院院士沈志云在西南交大115年校庆中发表的《相期同造最高峰--谈中国高铁的发展》中指出,到2010年,我国铁路的客运量为17亿人次,同时,货物运输的缺口也达到13亿吨。
目前我国引进和研制开发的和谐号高速列车共1000多列。
这种形势无疑给一直坚持“安全第一”理念的中国铁路带来了重大的考验。
也给铁路无损检测领域提出了更加严格的技术要求。
如检测时间间隔变小,检测过程速度加快,检测范围扩大。
目前国内外都已经形成了比较完善的车轮检测体系。
我国西南交通大学无损检测中心自主研发的移动式轮辋轮福探伤系统,利用相控阵超声和常规超声组合探伤技术,通过沿地沟轨道移动的检测小车自动检测在线轮对的轮辋和轮福部位缺陷。
能自动完成轮辋、轮福区域缺陷各类疲劳缺陷及材质缺陷的检测。
但检测缺陷还需数据分析人员拖动标定框进行人工判伤,这就不可避免的造成人为误差,限制了探伤效率,难以适应我国高速列车迅猛发展的要求[4]。
为了能让操作人员直观的辨认出缺陷,简化分析缺陷的难度,提高分析准确率和效率,应用特定的数字图像处理技术,实现探伤过程自动判伤、自动读出和显示缺陷位置及当量值、存储探伤报告。
在车轮相控阵超声缺陷分析中运用图像处理技术,实现对多通道检测数据进行直观实时监测,不仅解决了超声探伤可记录的问题,减少了人为误差,提高了探伤结果的可信性,而且大大提高了检测效率,有效保障了我国高速铁路动车的安全运行。
自动化探伤是指自动的移动探头或工件,在移动过程中通过不同的方式激发的超声波对工件中的缺陷进行自动的检查。
就其自动化程度可分为在线自动和不在线自动两类:
在线自动是指生产自动线上的检验程序,不但对被检材料的判废和分选由设备自动进行,而且其检验速度、设备的连续工作时间以及对高温状态的适用性和设备的自动保险等装置,都应适合自动线上高速、稳定的要求;不在线自动又分为全自动和半自动两种,全自动是指除灵敏度调整和整机维护外,从进料、出料、缺陷的报警和记录、被检材料的判废和分选全部依靠设备本身自动进行的装置,半自动是指在上述自动探测装置的各工作程序中,有一或几部分仍需由人来完成。
自动化探伤与手动探伤相比,声祸合性能稳定,它不是检查工件的某一部分,而是对成批工件进行全面的检查,因此,自动化探伤具有检查面大、速度快、效率高的特点[5]。
1.3研究现状
铁路发展的几十年,在车轮探伤方面发展了一批探伤系统,尤其以德国DB为代表的欧洲国家自1998年ICE列车颠覆灾难后,开发了一批重要的轮对探伤系统,覆盖新造车轮、在役车轮,应用在不同的检修层次和应用领域[6]。
在德铁,AURAPA系统安装在列车入库线上,采用EMAT电磁超声表面波、外形尺寸实现动态快速车轮踏面浅层裂纹检测;LASCA安装在列车运行正线轨道上,在高速通过时对于车轮的踏面擦伤、剥离及裂纹等缺陷、轮轨作用力等进行检测;UFPE系统采用常规超声组合方式,安装在检修地沟内,每24万公里在线移动方式实现车轮轮辋轮福的综合探伤;AURA系统与UFPE探伤原理类似,固定安装在轮对检修线上,每120万公里对落轮轮对实现车轮的轮辋轮福综合探伤。
相关设备已有多套分别在德国Munich、Wittenberge、Krefeld、Kaiserslautem等地的车辆厂、轮对检修厂应用。
法国的TGV则采用配套不落轮镟模式的轮辋探伤系统;西班牙taglo采用了类似AUROPA系统的动态探伤系统保障车轮安全;英国釆用在役车轮的轮辋缺陷探伤;GE检测科技也为检测火车车轮开发了高效的超声解决方案;美国Dapco公司研制了随动式超声轨边车轮裂纹检测系统;意大利Gilardoni生产了可用于新造和在役车轮检测设备;除此之外像以色列ScanMaster、捷克的Starmans、澳大利亚的AtlasRail、加拿大NDT、乌克兰URINDT也都有涉及车轮超声检测设备的研制与开发[7]。
1.4本文主要内容
本文设计了一种铁路车轮探伤机,从机械结构和控制系统,伺服系统几个方面分别详细介绍。
轮的受力分析,轮轴的轴径向参数,轴承的选择以及详细计算和校核,控制系统的电路实现等。
并把这几个部分贯通在一起构成车轮探伤机的设计。
本文的主要创新点是:
机车车轮轮辆无损探伤控制系统的研究,改变了铁路机务系统手工探伤作业方式,由机车轮对固定、移动探头改为机车轮对转动、探头固定,引入了自动控制技术,达到超声波探测的完全覆盖,节约了作业时间,提高了探伤作业的精度。
本文第一章介绍了课题实际的背景绪论。
本文第二章给出了系统总体设计方案,基本原理以及整体考虑。
本文第三章设计了主动轴,从动轴的尺寸参数以及其他部件的尺寸参数,并且进行了详细的校核。
本文第四章进行了控制系统的设计,设计了电控系统硬件组成以及软件组成,介绍了进出轮控制系统原理。
轮惘无损探伤系统安装与调试:
重点介绍了执行机构机械部分设计和自动探伤控制柜设计,解决了探伤执行机构组成、配件选型、执行机构的操作、安装与调试、探伤控制柜组成等问题;利用探伤仪与工业控制计算机的连接,实现了探伤仪数据传输到工控机,方便的在工控机界面实现了自动探伤的控制。
2总体方案的确定
2.1系统整体设计考虑
本文设计采用机、电、液和微控系统,可以比较容易的实现轮对的进出轮,而采用超声检测和信号分析探测轮辋的缺陷信号,则需要比较复杂的技术,应成为重点。
可靠性要求:
采用强电驱动和方案,保证误判率和漏判率等指标。
紧急状态应对处理要求:
在突发事件的情况下,必须保证故障导致安全的结果,保证检修线路的通畅。
环境因素方面,我们还要考虑在实际的现场工况,微控系统的干扰等问题。
2.2原理与系统组成
一般轮辋探伤系统的原理如下:
传统的手工作业探伤,机车车轮在轨道检修线上,整个探伤过程大部分处于静止状态,中间移动一次从而完成和轨道线最初接触部分的探伤;探伤人员先用小刷涂刷祸合剂,再手持探头和机车轮辆接触,按照一定的速率移动,一部分一部分的探测,直到全部完成整个轮辆踏面的探伤;在移动探头的同时,探伤人员要注意观察和探头相连的超声波探伤仪,观察是否出现缺陷波形,如发现缺陷则标记缺陷位置,并对该部位重新复测,如全部探测完成后没发现缺陷,登记为良好车轮。
在全部探测完成的基础上,按照有关规定做好相应记录[7]。
通过对铁路部门无损探伤相关规章、标准的学习,结合现场探伤人员操作的观摩,初步形成了“由轮对固定、移动探头改为轮对转动、探头固定,引入自动控制”的思路。
能否设计一种装置,能够承载被检测车轮,并且能够实现车轮的转动,在车轮旋转360度。
后使探测达到超声波探伤的完全覆盖。
同时,探头变成相对固定的方式,在探头平面布置上能够达到对一个截面的完全探测,和被探测车轮的接触程度上能够满足超声波探伤的要求。
力争达到的要求:
探测时间上,把原来一个车轮轮辆探伤约三十分钟作业时间,压缩到5分钟以内;探测精度上,设定探测零点,连续使被探测车轮旋转360。
,实现一次性完全探测,大大降低人工探伤时分步搭接探伤而出现的漏探可能性[1]。
机车车轮轮辆无损探伤控制系统利用超声波探测机车车轮轮辆疲劳裂纹,要自动完成机车车轮轮辆超声波探伤过程,识别缺陷车轮,保存、打印探伤结果。
根据初步设计思路,车轮的承载、转动和探头的固定由探伤执行机构实现,用电子仪表实现超声波的发射、回收及波形判断,用PLC控制器实现对探伤执行机构动作的控制,从而完成整个机车车轮轮辆无损探伤自动控制[4]。
根据探伤执行机构要实现的功能,探伤执行机构机械部分可由:
探头驱动装置、轮对旋转驱动装置、轮对横向限位装置等组成。
其主要工作原理为:
被探测的机车车轮,沿机车车轮检修线由人工推入探伤执行机构的操作平台,受到缓冲装置的阻碍停在旋转轮之间,缓冲装置回位,车轮停在龙门架下方;龙门架上两垂直气缸同时向下运动,至探头小车接触车轮轮辆踏面停止(探头小车装置底部固定于龙门架上,可上下自由浮动,由PLC控制器控制下降、接触、返回等动作过程),侧向气缸开始运动推动侧向探头装置使之与轮辆侧面贴合,气缸停止运动,此时侧面探头受到弹簧的压力使之于轮辆侧面贴紧且处于横向浮动状态。
祸合液开始溢出,声祸合水充斥探头与轮对踏面之间,形成薄薄的水膜,保证了超声波的良好祸合。
在PLC的控制下,机车车轮被驱动装置带动,机车车轮进行旋转,同时和车轮轮辆接触的探头及和探头连接的的超声波探伤仪开始工作,当轮对转过3600时,就实现了组合探头对轮对踏面的100%的声束扫描。
当探伤完毕后,机车轮对在驱动装置控制下停止旋转,随后祸合液停止溢出,侧向气缸使侧面探头与轮辆侧面脱离,然后主探头气缸带动探头机构返回,最后翻转机构将轮对推出。
除一开始需要由人工把被探测车轮推入工作平台外,车轮的缓冲、静止、转动、推出,探头的下落、接触、返回,均实现了自动控制,基本达到了系统的设计功能[8]。
根据系统需要达到的功能,结合探伤执行机构的主要工作原理,探伤执行机构的控制可分别由液压控制系统和电气控制系统来实现。
液压控制系统主要根据微机系统的要求,控制转轮机构、轴身探头油缸、端面探头油缸、轮箍探头油缸、轮心探头油缸及自动对中油缸的动作,实现各种需要的功能,同时液压系统还提供探伤需要的藕合液,保证探头与接触面的良好祸合,液压控制系统主要由液压泵、油缸、控制阀、油箱等组成。
电气控制系统115]主要由强电拖动(控制油泵电机、祸合液电机、探头移动电机等)、到位信号控制(主要元件是接近开关,用于提供油缸到位信号、确定轮径中心等)、电磁阀动作控制等部分组成。
控制信号由PLC可编程序控制器根据操作人员或微机的指令提供。
液压控制系统和电气控制系统组成的控制器完成了探伤作业的动作控制电子仪表的主要设备是数字化超声波探伤仪[5]、工控机121润。
数字式超声波探伤仪完成超声波的发射、接受和缺陷波形判断,并将探测信号传输到工控机;工控机运用一定的软件程序,发出控制指令,接收探伤仪传输的探测信号,分析后完成探伤结果的储存、打印。
数字化超声波探伤仪是计算机技术和超声波探伤仪技术相结合的产物,它承袭了常规超声波探伤仪的基本工作方式,即A型显示的脉冲反射式超声波探伤仪;保留了常规模拟超声波探伤仪的发射电路、接收电路具有常规超声波探伤仪的基本功能。
利用计算机实现探伤过程中的缺陷定位、定量和辅助定性;实现探伤回波和数据的存储、回放[8]。
轨道
执行机构及接口电路
探头阵列及喷液机构
耦合液回收机构
转轮及出轮机构
轮对
图1-1铁路超声轮辋系统组成
系统有机械系统和电控系统组成,如图1-1所示。
其中,机械系统中的进轮缓冲机构是减少轮对进入超声成像系统时的冲击;出轮机构自动推出轮对;转轮机构使轮对按顺时针或逆时针旋转,可以变速。
探头伸缩机构使车轮踏面探头阵列和车轮侧面探头阵列伸出或缩回;耦合液喷射回收机构喷射耦合也并且回收过滤;缺陷标记机构在缺陷与轮辋外表面的投影出标记其坐标位置。
电控系统装在机柜中,主要包括以下部件:
强电控制单元。
能实现手动的各种功能,并可以应对微控系统失灵时的紧急情况,实现安全出轮,从而保证检修线路的通畅;强电控制单元和工业PC的逻辑接口,并提供电器隔离;车轮踏面探头阵列,复合式探头组;超声信号发射和接收单元及保护电路,产生超声波信号;通道选择器,选择数字卡通道;高速数据采集卡,采用双通道数据采集方式,有独立的模拟数字转换及内存并同步工作,它的选择尽可以在程序中设定。
探伤执行机构是可以埋设在机车车轮检修线上的机械传动装置。
地下部分是
一个转轮机构,有一对主动轮、一对从动轮、一对缓冲轮、驱动电机及减速器、缓冲汽缸和翻轮汽缸。
驱动电机及减速器驱动主动轮转动,轮对转速约每分钟一
周。
缓冲轮抬起,使轮对推入时自动停下,然后缓冲汽缸驱动缓冲轮落下,让轮对落到主动轮和从动轮上。
翻轮汽缸驱动从动轮翻起,将轮对推出机器。
初步选定此机构整机功率2kw,转轮速度1~2r/min,外形尺寸:
1945mm*1938mm*496mm。
3机械结构设计
3.1受力分析
主要计算转轮系统的受力情况。
受力分析如图所示:
G
N
N
图2-1受力分析
以机车车轮为研究对象,D=300mm,R=440mm,r=85mm.
=
式中,r为主动轮半径,mm。
R为车轮半径,mm。
D为主动轮与从动轮中心距,mm。
α为主动轮与车轮中心连线与竖直方向的夹角。
计算如下:
G=5000N
2N
式中,G为机车车轮总重,单位N。
N为主动轮与车轮之间的压力,单位N。
3.2电机以及减速器的选择
运动学分析如图2-2所示:
F1
F3
图2-2运动学分析
摩擦力计算
已知:
f1=0.05,f2=0.01
F1=NF1
F1=2608*0.05=130N
式中,F1为主动轮与车轮的滚动摩擦力单位牛顿;f1为钢与钢之间的滚动摩擦系数。
F2=NF2
F2=2608*0.01=26N
式中,F2为从动轮与车轮的滚动摩擦力,单位牛顿;f2为淬火钢珠与钢之间的滚动摩擦系数。
F3=F1+F2=130+26=156N
式中,F3为总的圆周力,单位牛顿。
主动轮转矩的计算
T=F3r=156*0.085=13Nm
式中,T为主动轮转矩,单位为Nm。
选择Y系列全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机,这种类型电动机用于空气中不含易燃易爆或者腐蚀性气体的场所;而且价格便宜,容易购买,更换方便。
电动机额定电压为380V,额定功率为2.2kw,同步转速为1500r/min,满载时转速为1420r/min。
当选择电机转速为1500r/min时,计算出的角速度为ω=157rad/s,则功率:
P=Tω=13*157=2041W
式中,P为电动机输出的有用功功率,单位kw;ω为电动机转速,单位rad/s。
减速器的选择:
由于电动机为三相异步电动机,因此,电源要求额定电压为380V,额定频率为50hz,由于空间的限制,因此,安装形式必须为卧式安装,而且,传动比i需要在300以上。
查资料可得,电动机可选择形式为异步电动机直连卧式安装型号代号为BWY3927-59*17-2.2KW
其中,3927表示针齿中心直径,低速级为27cm,高速级为15cm;59*17表示,传动比中,低速级为59,高速级为17;配电机功率为2.2kw。
3.3轴的设计与校核
3.3.1主动轴的设计与校核
由于两个主动轴尺寸基本一致,故选主动轴二为研究对象,轴的材料选用45钢处理,轴的计算步骤如下:
首先计算主动轮受力,如图2-3所示:
图2-3
水平方向:
主动轮所受圆周力在水平方向的分力
FX=
主动轮所受压力在水平方向上的分力
NX=
主动轮所受水平方向上的合力为
FH=NX-FX=373-62=311N
垂直方向:
主动轮所受圆周力在垂直方向的分力
FY=
主动轮所受压力在垂直方向的分力
NY=
主动轮所受垂直方向的合力
FV=FY+NY=18+1250=1268N
计算支撑反力
水平方向
FAH=
FBH=
垂直方向
FAV=
画轴弯矩图
水平方向弯矩图如图2-4所示,垂直方向弯矩图如图2-5所示,合成弯矩图如图2-6所示:
图2-4
图2-5
图2-6
水平方向最大弯矩处的弯矩
MH=190*124=23560Nmm
垂直方向最大弯矩处弯矩
MV=774*124=95976Nmm
合成弯矩
M==98825Nmm
画轴转矩图,如图2-7所示:
图2-7
轴转矩
T=13Nm=13000Nmm
计算折合系数
对于不变的转矩a=0.3
轴径的设计
如以上各图所示,可得出危险界面为C,根据第三强度理论,其强度条件为
出于安全角度,取d=55mm,其他各处直径如图2-8所示。
图2-8主动轴
危险截面的校核:
对称循环疲劳极限。
轴材料选用45钢调制处理,σb=650mpa,σa=360mpa,则疲劳极限为:
σ-1=0.44σb=0.44*650=286Mpa
τ-1=0.30σb=0.30*650=195Mpa
脉动循环疲劳强度
τ0=1.6τ-1=1.6*195=312Mpa
等效系数
===0.25Mpa
弯曲应力幅
σa=σ=
弯曲平均应力幅为0.弯曲应力计算得出τ=0.39Mpa,弯曲平均应力为0.2Mpa,弯曲安全系数为35.88.扭转安全系数为580.29.符合安全系数取1.5.
根据校核,截面C足够安全,其他界面费危险界面,当C安全时其他截面必定安全,最后轴的各部分尺寸图2-8.
3.3.2从动轴的设计与校核
轴材料选择45钢调制处理,轴的计算步骤如下:
计算从动轮受力
从动轮所受圆周力为F2=26N,很小此处忽略不计。
从动轮所受压力N=1304N,支承反力为1304N。
水平方向弯矩图如图2-9所示。
垂直方向最大弯矩处弯矩为1304*347=452488Nmm。
图2-9
直径d应在42.25mm以上。
3.4轴承的选择
选择主动轴轴承时,根据主动轴的轴径,载荷性质,初选轴承型号为6108,基本额定载荷C=13200N。
由于其内部轴向力和轴向载荷很小,故忽略不计。
当量动载荷P=797N。
查机械手册,算得寿命系数为fp=1,则Lh=2243478h,完全符合要求。
此外,主动轴轴承要润滑与密封。
润滑剂采用全损耗系统用油;润滑装置采用直通压柱式油杯;采用半粗羊毛毡做密封件[1]。
由于两
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