ZHMQ10液压铝热焊钢柱切割打磨机技术报告汇总.docx

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ZHMQ10液压铝热焊钢柱切割打磨机技术报告汇总

ZHMQ-10液压铝热焊钢柱切割打磨机技术报告

一、总体论述

目前采用铝热焊焊接方法线上焊接钢轨工作越来越广泛。

采用铝热焊在焊接钢轨时，氧化铁与铝粉两种混合物产生放热化学反应，生成高温铁水和氧化铝熔渣，在浇铸过程中高温铁水通过沙型两侧的通道流入焊缝部位，浇铸完成后沙型通道形成大小钢柱（见图1）。

现场除去钢柱的方法是：

在推瘤除去多余焊层后的高温阶段，用大锤将大小钢柱打弯（见图2），待冷却后通过大锤猛力敲击将其除去。

这种方法不仅费力、费时，而且还会导致钢柱与钢轨底部连接部分的周围区域产生撕裂伤，伤损部位逐步发展是造成焊缝断轨的重要原因之一。

现场打磨大小钢柱残留物方法是：

采用电动角磨机进行打磨，由于电动角磨机功率低（0.95kw），打磨效率低下，并且现场还要携带发电机。

目前，国内外没有铝热焊钢柱切割、打磨的专用机械。

因此，铝热焊钢柱切割打磨机的设计开发是非常现实和必要的。

为了提高现场铝热焊钢柱处理质量、降低焊缝原始伤损发生机率，我们选择了“ZHMQ-10液压铝热焊钢柱切割打磨机”这个科研课题。

二、开发目标确定

ZHMQ-10液压铝热焊钢柱切割打磨机”（以下简称：

钢柱切割打磨机）是对铝热焊焊接钢轨后产生的浇铸冒口钢柱进行切除并打磨的设备。

采用液压动力，配套我局现有液压组合机具中液压动力站使用，整套机具成本3万元左右，以改进焊接质量和效率。

综合考虑钢柱切割打磨机的性能、可靠性、寿命及成本的需求，确定了如下的设计开发目标：

1、高可靠性：

达到进口液压组合机具产品水平；

2、高效率：

切割时间小于30秒；单边打磨时间小于2分钟；

3、重量轻：

切割机重量小于65kg，打磨机重量小于45kg；

4、低成本：

整机成本控制在3万以内。

三、研制防案

（一）钢柱切割机研制方案

钢柱切割机由手动泵、油缸、锁轨导向机构、切割刀、机架五部分组成（见图3）。

图3

1、手动泵设计方案

手动泵采用一体式结构，即手动泵、换向阀、油箱组装在一起（图4），其中手动泵为双向手动差速柱塞泵，换向阀采用中位O型的三位四通手动换向阀，溢流阀安装在手动泵换向阀上，最高压力设定在18Mpa，油缸采用双作用油缸。

这样的设计非常简练，可以减少手动泵到油箱、手动泵到控制阀的管路、接头，降低这些管件泄露的可能性。

图4

2、油缸设计方案

采用双作用油缸（见图5），无杆腔（左侧）供油时切割机进刀切割，这时使用了油缸的最大截面做功，使油缸的推力最大。

当切割完成，换向阀换向，有杆腔（右侧）供油时，因为截面积小，所以刀口返回的速度比进刀快，时间是进刀的75%，实现快速退刀。

图5

3、锁轨导向机构

为了在切割作业的过程，推刀沿着直线运动，本切割机设计了锁轨导向机构（见图6）。

在固定框架及移动框架上各设一对锁紧手柄，每个手柄下端安装有导向滚轮，搬动上端L型手柄，使得导向滚轮转到钢轨下额部，两对导向轮可控制移动框架保持直线顺着钢轨运动。

使用调整螺丝可以调整导向轮的压实间隙，调整左右对称。

图6

4、机架

根据油缸、砂型、切割刀的几何尺寸和位置设计机架结构，外框架采用角钢拼焊，移动框架设置在固定框架内，使其顺着固定框架角钢导槽滑动。

在移动框架前端设置一个加筋板，加筋板上部切割一个宽度为74mm的U型槽，用以控制移动框架走向，加筋板下部安装切割刀（见图7）。

图7（长度单位：

mm）

5、切割刀

在框架和移动框架各设置一对切割刀，两对切割刀使用定位销及锁紧螺丝固定在框架上，切割刀安装位置根据大小钢柱具体尺寸和位置确定（见图8）。

刀具采用组合拼焊式（由锻造高温钢及铸钢拼焊制成），为了保证质量，从美国订做。

图8（长度单位：

mm）

（二）钢柱打磨机研制方案

钢柱打磨机由主框架和打磨机构组成（见图9）：

图9

1、主框架研制方案

主框架为打磨机连接机构，采用门式框架，下部焊接纵向双板式纵梁，马达支架安装在此纵梁两侧，在纵梁两端各安装有一个钢轨滑动轮（采用绝缘材料）。

主框架不仅连接马达支架、钢轨滑轮等部件，还具有方便操作、搬运功能（见图10）。

在打磨时，操作手可以通过往复拉动主框架，实现对焊接钢柱残留的往复打磨。

这样可以使得直径200mm的砂轮磨耗均匀，并使得被打磨面不会产生高温烧蚀。

图10

2、打磨机构研制方案

打磨机构由马达支架、马达、砂轮和液压系统构成。

驱动砂轮的液压马达，由马达支架定位。

由于打磨机是双磨头，在安放打磨机时受轨头宽度的影响，因此，将马达支架设计成为一个不等边四连杆机构（见图11）。

两砂轮最大间距80mm，安放打磨机时，通过两砂轮的间隙越过轨头，打磨机的两个滑动轮骑在轨头上。

此时，转动丝杠手轮，砂轮不但有一个向下、向内的位移，同时也有一个整体的角度转动，以适合轨底的打磨角度。

我们首先设定了砂轮停止位置和砂轮打磨位置角度目标，通过机构分析作图法得到不等边四连杆的位置和长度（见图12）。

图11

图12

四、工作原理

（一）、切割机工作原理（见图13）

切割机通过锁轨导向机构定位在钢轨上，进行准确的定位，然后摇动手动泵，无杆腔（左侧）供油，推动两对切割刀相向运动，实现对大小钢柱及砂型切割，这时使用了油缸的最大截面做功，即油缸的最大推力。

当切割完成，换向阀换向，有杆腔（右侧）供油，因为截面积小，所以刀口返回的速度比进刀快，时间是进刀的75%，实现快速退刀。

图13

（二）、打磨机工作原理（图14）

钢柱打磨机由液压泵站驱动，采用双马达、双联控制阀结构。

安放好打磨机后，转动其一侧的丝杠手轮，砂轮通过不等边四连杆机构向下、向内的位移，以轨底坡角度接近钢柱残留物。

启动液压泵站，液压油经由快速接头到达控制阀，通过操纵两个控制阀，分别驱动打磨机两侧的液压马达打磨钢轨两边的钢柱残留物。

图14

五、技术参数确定

（一）钢柱切割机的主要参数确定

1、钢柱切割机油缸切割力的确定：

依据查阅资料及实际试验参数，60kg/m钢轨，在850~950℃对铝热焊轨头焊瘤切割作业，最大切割阻力约为50kN，切割宽度为（见图15）：

7.3cm+2×3.5cm=14.3cm。

大小钢柱切割宽度：

2×1.1cm+2×1.6cm=5.4cm，按照比例计算，最大切割力阻力为18.9kN。

将可靠性及安全系数考虑在内，设定切割力为40kN。

2、钢柱切割机切割行程（油缸行程）的确定：

铝热焊砂型厚度100mm（见图15），因为在推凸和钢柱切割时，砂型并没有清理干净，甚至封箱泥也不能完全清理，所以切割油缸行程要大于砂型宽度。

所以切割油缸行程确定为130mm。

图15

3、钢柱切割机的设计计算：

油缸总推力:

油缸直径初步采用5cm，双缸布置，按照液压泵站的输入压力P=140kg/cm2计算：

F切割=P×S（S为缸截面积）

F=140×（π×2.52）×2=5495（kg）=53.9kN（大于40kN）

按照手动泵站的输入压力P=180kg/cm2计算：

F切割=P×S（S为缸截面积）

F=180×（π×2.52）×2=7065（kg）=69.2kN（大于40kN）

结论：

选择50mm缸径是可行的。

油缸全行程的油量V计算：

双缸布置，根据缸径（5cm）及行程（13cm）得出：

V=2×S×L=2×π×R2×L=2×π×2.52×13=510（cm3）ml

③全行程切割时间计算：

如果采用液压动力站驱动，液压动力站提供的液压油油量为：

Q=30~38升/分钟（500~633cm3/s）

全行程油缸用油量为510cm3

所以全行程时间t=V/Q

全行程最慢为：

510/500≈1.02（秒）

切割速度太快，不容易控制，所以，我们设计采用手动泵驱动。

手动泵供油量每工作循环（既手柄摇动一个往返）为27.2cm3。

操作者每摇动手柄一个往返需要1.4秒。

那么油缸走完130mm行程的时间是：

1.4秒×510cm3/27.2cm3=26.3秒（小于30秒）

结论：

此参数设计满足技术要求。

（二）钢柱打磨机的主要参数确定

1、输入流量、输入压力的确定、液压马达转速：

因为，目前我局使用的液压动力站输出流量和压力分别为：

Q=30~38Lpm（升/分钟）

P=140bar（kg/cm2）

所以，我们以此设定打磨机的输入流量和输入压力。

转速的设定，首先选择液压马达的初始排量：

q=6.28ml（cm3），效率95%

按照输入流量计算转速范围是：

95%×30000/6.28~95%×38000/6.28

=4538~5748（转/分钟）

马达转速Rs确定为：

4500~5700（转/分钟）

2．磨石直径的确定：

根据轨底上需要打磨的钢柱残留物位置、范围和液压马达的布置位置，通过作图，初步估算打磨砂轮的直径和厚度。

因为打磨轨底时轨腰部位不允许布置体积较大的碗型砂轮，最终选定了直径200mm、厚度25mm的锆钢玉饼型砂轮。

六、主要结构强度验算

3、钢柱打磨机的设计计算：

已经确定的参数：

输入压力：

P=140bar

输入流量：

Q=30~38Lpm

马达排量：

q=6.28ml

磨石直径：

D=200mm

据此验算，磨石转速及扭矩。

首先根据输入参数，

确定输入功率N：

N输入=P×Q

=140×9.8×104（N/m2）×30×10-3/60（m3/s）

=6860W

=6.86kW

最小扭矩T的计算（砂轮边缘的扭矩）：

首先计算磨削线速度v

v=Rs×D×π

=75转/秒×0.2×3.14（米/转）=47.1m/s（米/秒）

磨削力F：

F=P功率/v

=6860（牛米/秒）÷47.1（米/秒）

=145.7牛

最后计算最小扭矩

T=F×R

=145.7牛×0.1米

=14.57牛米

钢柱切割机框架为主要受力结构，材料使用45#钢板拼焊而成。

分析其主要受力状况如下（见图16）：

A、B板受力几乎相同，受弯。

因为采用13mm厚45#钢板加筋板拼焊而成，故弯应力可以不必计算；C板虽受弯，但是受力点和支点距离很近，基本可以不必验算。

C梁完全受拉。

结构最薄弱的是C梁与两个端板的拼焊焊缝的抗拉强度。

以下我们逐个进行验算分析：

图16

1．C梁拉应力分析：

C梁断面（见图17）截面积:

S（c）=10×90=900mm2

查表得：

碳钢抗拉强度774N/mm2

δ=774N/mm2×900mm2

=696600N

=71.08t（吨）

双梁合计：

142.16t（吨）

安全系数=142.16/7=20.3

结论：

满足要求

2．C梁与端板焊缝拉应力分析：

图17

焊接截面积是70%的C梁断面积

S（焊）=900mm2×70%=630mm2

=6.3cm2

查表得到：

焊缝许用应力为235Mpa=23500N/cm2

δ=23500N/cm2×6.3cm2=148050N

=14.8t（吨）

双梁合计29.6t（吨）

安全系数=29.6/7=4.2

结论：

满足要求

七、创新点

（一）钢柱切割机创新点

1、提高焊缝质量：

由于采用高温阶段对冒口钢柱进行静压切割，对轨底焊口处不会产生撕裂性伤损，降低了出现伤损的几率，提高了钢轨焊接质量。

2、提高可靠性：

采用手动泵、铝制油箱、换向阀一体式结构，并安装在移动框架上，减少了切割机连接件，提高可靠性，降低了整机重量。

3、切割平顺：

手动液压泵手柄推动作用线与钢轨中心线重合，使得切割机框架稳定，不产生横向力，切口平顺。

（二）钢柱打磨机创新点

1、提高打磨效率：

由于采用高转速液压马达，对铝热焊钢柱残留物打磨速度快、磨面光滑。

2、打磨准确：

采用钢轨行走轮滑动打磨，使得砂轮磨耗均匀；采用四连杆机构和丝杠手轮控制，打磨方便、对位准确，不会伤及母材。

七、待改进项目

1、钢柱切割机可以进一步与推凸机协调设计为一体机，可以在推凸的同时对冒口钢柱进行切割。

借此进一步提高工作效率。

2、轨底打磨机应能进一步设计为双边同时打磨，进一步缩短工作时间，并简化控制阀部件，降低故障率。

北京铁路局秦皇岛工务段

北京金信海液科技有限公司

2012年11月10日