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