钢轨打磨机设计(砂轮式)

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1、山东交通学院2011 届毕业生毕业论文（设计）题目：钢轨打磨机设计（砂轮式）院( 系)别工程机械系专业机械设计制造及其自动化班级学号姓名指导教师二一一年六月1 概述1.1 课题的研究目的和意义在铁路运输系统中，钢轨的使用寿命主要由磨耗和滚动接触疲劳决定。要延长钢轨的使用寿命， 需要考虑钢轨制造和养护维修两个方面。具体地说，就是生产高质量钢轨，有效地润滑轮轨界面和对钢轨断面进行科学打磨。钢轨打磨是线路养护维修中的重要手段。我国钢轨打磨设备主要靠进口， 1989 年我国引进第一台钢轨打磨设备。我国钢轨维修设备水平和打磨技术远远落后于铁路发达国家，加拿大、美国、澳大利亚、瑞典、印度等国的铁路维护实践

2、证明采用打磨的方法来预防钢轨波磨、控制接触疲劳、 裂纹扩展和磨起有较好的效果，并可获得巨大的效益。主要表现在以下方面 : (1) 打磨消除了轨道不平顺，减少了轮轨间的振动，提高轨道的稳定性，降低了线路与机车车辆的维修费用；(2) 打磨与钢轨涂油相结合，可延长钢轨寿命50% - 300% ；(3) 改善轮轨粘着，减小滚动阻力，提高了行车安全; (4) 降低了噪声与振动，提高了旅客的舒适度。铁路运行速度的日益提高及运量的不断增加，对铁路系统的要求越来越高。 高速重载线路投入运营后，钢轨出现了各种表面伤损，如钢轨波浪形磨耗、轨面擦伤、轨面剥离、轨侧严重磨损、 裂纹和轨头压溃等且发展速度较快，影响了铁

3、路运输能力和经济效益。要延长钢轨的使用寿命， 就必须定期对钢轨进行维护， 防止损伤的产生以及进一步恶化，从而保证行车的安全性和舒适性。1.2 国内外发展状况钢轨进行打磨,最初用于整治波形磨耗,现已 发展 成为一种多功能的现代 化养路技术 ,打磨的重点也已从钢轨修理转向钢轨保养。对于打磨能够有效的改善轮轨接触关系,延长钢轨的使用寿命这一点,国内外已经形成了共识。由于对打磨技术的研究起步比较晚,特别是对于城市轨道交通 ,打磨技术还处于起步和摸索阶段,继续深入的研究地铁轨道养护中的打磨技术将能够大大地节约维修成本,提高运营效益。行业生产规模及增长速度未来几年发展趋势2磨削加工技术2.1 机理研究磨具

4、与工件在磨削加工过程中的各种物理现象及其内在联系的一门学科。磨削原理的研究内容主要包括磨屑形成过程、磨削力和磨削功率、 磨削热和磨削温度磨削精度和表面质量磨削效率等， 目的在于深入了解磨削的本质， 并据以改进或创造磨削方法。磨削原理的研究始于1886年， 美国的 C.H.诺顿和 C.艾伦合作研究砂轮和磨削过程，20 年之后制订出正确选择砂轮类别和砂轮速度的原则；同时发现为了提高磨削效率和精度， 必须对砂轮进行平衡， 并在磨削过程中正确地修整砂轮和使用切削液。19141915年，英国的 J. 格斯特和美国的 G.奥尔登对磨削用量、磨屑大小和选择砂轮等问题又作了进一步的研究。此后，磨削原理的研究不

5、断深入。在磨屑形成方面，德国的K.克鲁格对砂轮上磨粒与工件的接触弧长和影响单颗磨粒的切深的因素进行了几何计算和研究，在 1925年提出了研究报告。 德国的 M.库莱恩和 G.施勒辛格尔以及日本的关口八重吉等人对磨削力作了研究， 在 20 年代末至 30年代先后提出了磨削过程中影响磨削力的诸因素，并使磨削力的测量技术不断发展。从30 年代起，随着测量磨削表面温度实验技术的发展， 推动了有关磨削热的理论研究。对于砂轮磨削性能的理论研究，导致一系列新型高速砂轮的出现， 发展了砂带磨削。 由于金刚石和立方氮化硼磨料的应用，磨削原理又得到新的发展。 70 年代以来，应用扫描电子显微镜对磨削的微观过程和超

6、精密磨削的机理作了深入的分析。磨屑形成过程磨粒在磨具上排列的间距和高低都是随机分布的，磨粒是一个多面体，其每个棱角都可看作是一个切削刃，顶尖角大致为90120，尖端是半径为几微米至几十微米的圆弧。 经精细修整的磨具， 其磨粒表面会形成一些微小的切削刃，称为微刃。磨粒在磨削时有较大的负前角，其平均值为-60左右。磨粒的切削过程可分3 个阶段。滑擦阶段： 磨粒开始挤入工件， 滑擦而过， 工件表面产生弹性变形而无切屑。耕犁阶段：磨粒挤入深度加大，工件产生塑性变形，耕犁成沟槽，磨粒两侧和前端堆高隆起；切削阶段：切入深度继续增大，温度达到或超过工件材料的临界温度，部分工件材料明显地沿剪切面滑移而形成磨屑

7、。根据条件不同， 磨粒的切削过程的3 个阶段可以全部存在，也可以部分存在。磨屑的形状有带状、挤裂状和熔融的球状等，可据以分析各主要工艺参数、 砂轮特性、 冷却润滑条件和磨料的性能等对磨削过程的影响，从而寻求提高磨削表面质量和磨削效率的措施。2.2 发展现状及应用一般来讲，按砂轮线速度Vs的高低将磨削分为普通磨削(Vs45 m/s) 、高速磨削(45Vs150 m/s) 、超高速磨削 (Vs150 m/s) 。按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削( 加工精度 1 m 0.1 m 、表面粗糙度 Ra0.2 m 0.1 m)、超精密磨削 (加工精度 0.1 m , 表面粗糙度 Ra0.025 m)

8、。按磨削效率将磨削分为普通磨削、高效磨削。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨削(HEDG) 、砂带磨削、快速短行程磨削、高速重负荷磨削。高速高效磨削、 超高速磨削在欧洲、 美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如德国的 Aa chen 大学、 Bremm 大学、美国的 Connecticut大学等，有的在实验室完成了Vs为 250 m/ s 、350 m/s、400 m/s 的实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500 m/s 的磨削实验研究。在实用磨削方面，日本已有Vs=200 m/s 的磨床在工业中应用。我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，如湖南大学

9、在70年代末期便进行了 80m/s、1 20 m/s 的磨削工艺实验；前几年，某大学也计划开展250 m/s 的磨削研究(但至今尚未见到这方面的报道 ) ，所以说有些高速磨削技术还只是实验而已，尚未走出实验室，技术还远没有成熟，特别是超高速磨削的研究还开展得很少。在实际应用中，砂轮线速度 Vs一般还 是 4560 m/s 。国内外都采用超精密磨削、 精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究，以 获得亚微米级的尺寸精度。微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均直径可小至4 m 。日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一致的微小切刃，对硬脆材料进行精

10、密磨削加工，效果很好。超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料，精度可达0.025 m 。日本开发了电解在线修整 (ELID) 超精密镜面磨削技术，使得用超细微 ( 或超微粉 ) 超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度、高效率的超精密磨削。作平面研磨运动的双端面精密磨削技术， 其加工精度、 切除率都比研磨高得多，且可获得很高的平面度。电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳米磨削技术。随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。据1997年欧洲机床展览会 (E MO) 的调查数据表明， 25% 的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占 23% ， 钻削占 2

11、2% ，其它占 8% ；而磨床在企业中占机床的比例高达42% ，车床占 23% ， 铣床占 22% ， 钻 床占 14% 。我国从 19491998年，开发生产的通用磨床有1800多种，专用磨床有几百种，磨床的拥有量占金属切削机床总拥有量的13% 左右。可见，磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置。为什么磨削技术会不断地发展？主要原因如下：(1) 加工精度高由于磨削具有其它加工方法无法比拟的特点，如砂轮上参与切削的磨粒多， 切削刃多且几何形状不同； 仅在较小的局部产生加工应力； 磨具对断续切削、工件硬度的变化不很敏感； 砂轮可实现在线修锐等， 因而可使加工件获得很高的加工精度。(2)

12、加工效率高如缓进给深磨，一次磨削深度可达到025 mm ，如将砂轮修整成所需形状，一次便可磨出所需的工件形状。而当Vs进一步提高后，其加工效率则更高。(3) 工程材料不断发展许多材料 (如陶瓷材料、玻璃材料等 ) 在工业中的应用不断扩大，有些材料只能采用磨削加工，需要有新的磨削技术及磨削工艺与之相适应。(4) 新的磨料磨具如人造金刚石砂轮、 CBN 砂轮的出现，扩大了磨削加工的应用范围。(5) 相关技术的发展如砂轮制造技术、 控制技术、 运动部件的驱动技术、支撑技术等，促进了磨削技术及磨削装备的发展。总之，磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。目前，磨削技术的发展趋势 是，发展超硬

13、磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削机理并开发其新的磨削工艺技术，研制高精度、高刚性的自动化磨床。磨削加工在机械加工中具有明显的优势，得到广泛的应用：1 可以获得很低的表面粗糙度和高的加工精度；2 可获得高的金属切除率；3 可用来加工各种材料；4 可以满足多种加工要求；3 钢轨打磨机（砂轮式）工作原理1 机架 2 四冲程内燃机3 进给装置 4 砂轮 5 行走轮既可以对钢轨头进行平磨， 又能够修磨钢轨波浪磨耗的多用钢轨打磨机。有主体打磨机和辅助装置组成， 主体打磨机上装有带导向装置和进给机构的打磨砂轮，由内燃机通过皮带传动装置驱动， 进给装置上有进给刻度和锁紧装置，机架下方装有行走轮，

14、轮内测的两组导向轮有操作手柄连成一体，并装有角度变化调整机构， 实现了导向轮和操作手柄及机体相对位置的变换， 做到对钢轨头从轨顶到侧面任意角度的打磨，辅助装置能修磨轨面的波浪磨耗。该钢轨打磨机结构简单，体积小，重量轻，使用方便，上下道快，走行轮绝缘，安全可靠，适应钢轨平面、侧面、元弧面及各种角度的打磨。也适应钢轨焊接接头及各种尖轨、道岔的打磨。本机用内燃机作动力源，适于无电源的现场作业。此款钢轨打磨机以四冲程内燃机作动力，用 A型三角（内周长 800 毫米）通过传动系统带动砂轮进行磨轨作业。该机主要由机架、传动系统、砂轮、磨圆弧滚轮、走行装置等主要部件组成。 机架系用薄钢板角钢焊接而成。砂轮依

15、靠丝杠螺旋进给， 走行装置和机架用螺栓连接，走行轮轮缘较高，下道后也可在地面上推行。磨钢轨顶部、侧面可用绝缘轮（或滚轮）；磨轨顶圆弧用滚轮可修磨钢轨圆角部位。4 钢轨打磨机结构设计4.1 四冲程内燃机4.1.1 选择内燃机是应用最为广泛的动力机械。四冲程内燃机自发明以来得到了广泛应用。在交通、农业、机械、化工、军事等各方面都作为主要动力，发挥了重要作用。一 动力性能内燃机功率、转速、使用转速范围、最大转矩及转矩特性应满足工作机械动力性的要求。二、工作可靠性和使用耐久性内燃机应拥有高的工作可靠性和足够的使用耐久性。三、方便、稳定内燃机工作不需要电能，因此行驶距离不受限制。在任何场合都能稳定持续的

16、工作。GX120汽油机 (日产本田 )，29 kW4000 rpm 主轴转速 2 640 rmin4.2 传动系统皮带传动是一种挠性传动， 具有结构简单、 传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应用广泛。 本机采用皮带传动， 将内燃机的动力传给砂轮， 确保砂轮平稳旋转，进行打磨。4.2.1 皮带的选择用到的数据均由机械设计（高等教育出版社第八版）查取 1确定计算功率 Pca 由表 8-7 查得工作情况系数KA=1.4，故Pca=KAP = 1.4 4 kW = 5.6 kW 2选择 V带的类型根据 Pca、转速 n=2640 rpm 由图 8-10 选用 A型 3确定带轮的基准直径dd并验证带速 v 1）初选小带轮的基准直径dd1。由表 8-6 和表 8-8，取小带轮的基准 直径 dd1=90mm 2) 验证带速 v。vdd1 n601000=12.43ms 因为 5 ms v 30 ms, 故带速合适3) 计算砂轮驱动轮的基准直径 设传动比 i=2 dd2=idd1=29