固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的設(shè)計

泰山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的設(shè)計所在學(xué)院機(jī)械與工程學(xué)院專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計制造及其自動化申請學(xué)士學(xué)位所屬學(xué)科工科年級學(xué)生姓名、學(xué)號李慶2010170009指導(dǎo)教師姓名、職稱陳宏圣副教授完成日期2012年5月日摘要摘要煤炭在運輸過程中，由于風(fēng)力作用，煤塵不僅污染了大氣，而且影響到周邊居民的生活環(huán)境，對資源也造成不小的浪費，解決煤炭運輸中的揚塵污染問題刻不容緩。本設(shè)計將固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置分為底座、升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置和噴灑裝置，并對個部分進(jìn)行校核與受力分析，確定各部分的尺寸與材料。要求噴灑系統(tǒng)根據(jù)運煤車的型號、運行速度可調(diào)節(jié)噴管高度及噴灑速度，并克服了車廂前部噴灑不足而尾部過量噴灑的問題，降低了抑塵劑的噴灑成本，減少了操作人員。關(guān)鍵詞：升降裝置，旋轉(zhuǎn)裝置，力，控制AbstractABSTRACTCoalinthetransportationprocess,becausetheactionofwind,dustnotonlypollutestheatmosphere,butalsoaffectthesurroundingresidentslivingenvironment,toresourcealsocausednotlittlewaste,solvethedustpollutionofcoaltransportationincrunchtime.Thedesignoffixedliftingtypetraindustsuppressionagentsprayingdeviceisdividedintoabase,aliftingdevice,arotatingdeviceandasprayingdevice,andthepartsarecheckedandstressanalysis,determinethesizeofeachpartandmaterial.Accordingtotherequirementsofsprayingsystemoftruckmodel,speedadjustablenozzleheightandspeedofspraying,andovercomestheshortageoftheanteriorcompartmentandrearsprayingexcessivesprayingproblems,reducethedustsuppressionagentsprayingcost,reducestheoperator.Keywords:liftingdevices,rotatingdevice,stress,control目錄目錄TOC\o"1-5"\h\z引言1\o"CurrentDocument"1.1固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的發(fā)展概況及現(xiàn)狀2\o"CurrentDocument"1.1.1固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的發(fā)展背景及現(xiàn)狀2\o"CurrentDocument"1.1.2固定可升降式火車抑塵劑火車噴灑裝置帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)3\o"CurrentDocument"1.1.3固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的概述3\o"CurrentDocument"固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的結(jié)構(gòu)4\o"CurrentDocument"2.1固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置結(jié)構(gòu)42.1.1固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置整體體結(jié)構(gòu)4\o"CurrentDocument"2.1.2固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的尺寸設(shè)定4\o"CurrentDocument"2.1.3固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的材料選擇4\o"CurrentDocument"2.1.4連接方法4\o"CurrentDocument"2.2固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的受力分析及校核8\o"CurrentDocument"2.2.1螺栓強度校核82.2.2橫梁撓度計算11液壓噴液系統(tǒng)14\o"CurrentDocument"4控制系統(tǒng)16\o"CurrentDocument"5總結(jié)17\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)18致謝191引言我國煤炭的儲量占世界儲量的11.6%，相對比較豐富，同時也是世界第一產(chǎn)煤大國。我國的主要一次性能源是煤炭，煤炭是國民經(jīng)濟(jì)的主要支柱。但是，不可否認(rèn)煤炭在開發(fā)、利用、運輸以及儲藏等過程中產(chǎn)生的污染對環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。粉塵污染是當(dāng)前世界公害之一，而通過鐵路運輸?shù)拿禾空艰F路貨運總量的近50%，占全國總煤炭運量的80%。煤炭在鐵路運輸過程中，由于列車顛簸及高達(dá)80km/h風(fēng)力的作用，表面干燥、細(xì)散得煤粉會揚起或散落路面，造成了大氣吸入顆粒物濃度急劇升高，對鐵路環(huán)境造成不同程度的粉塵污染。尤其是在列車高速行駛及會車時，風(fēng)力飛揚散落的顆粒會更多，干擾了鐵路地面設(shè)備的正常使用，而且由于電纜等處沉積的煤塵自燃容易引起火災(zāi)，嚴(yán)重影響行車安全。固塵劑是由新型多功能高分子聚合物組合而成。聚合物分子間的交聯(lián)度會形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時分子間存在各種離子基團(tuán)，能與離子之間產(chǎn)生較強的親合力。它通過捕捉、吸附、團(tuán)聚粉塵微粒的機(jī)理作用，將其緊鎖于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之內(nèi)，起到細(xì)潤、粘接、凝結(jié)、吸濕、防塵、防浸蝕和抗沖刷的作用。固塵劑具有良好的成膜特性，可以有效的固定塵埃并在物料表面形成防護(hù)膜。固塵劑能夠保護(hù)環(huán)境，而且無腐蝕、無污染、可生物降解、不會造成二次污染；固塵劑還有抗風(fēng)蝕、抗雨水沖蝕等功效，能夠有效的降低并減少物料損耗并能減少粉塵危害，保護(hù)工人及周邊人群的身體健康。同時由于貨物流失，也給貨主造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。散裝貨物運輸揚塵控制技術(shù)，已經(jīng)為鐵道部鐵路科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域的重點。本設(shè)備用于運煤列車抑塵劑噴淋，目的是解決鐵路運煤車表面煤粉揚塵和吹落問題。1.1固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的發(fā)展概況及現(xiàn)狀1.1.1固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的發(fā)展背景及現(xiàn)狀針對煤炭運輸揚塵污染的問題，目前已經(jīng)研制出了鐵路煤炭運輸抑塵劑。同時，在2009年5月鐵道部下發(fā)了《鐵路煤炭運輸抑塵技術(shù)條件第一部分：抑塵劑》(TB/T3210.1-2009)和《鐵路煤炭運輸抑塵技術(shù)條件第二部分：噴灑裝置及方法》（TB/T3210.2-2009）文件，文件中隊煤炭抑塵技術(shù)條件和噴灑裝置的標(biāo)準(zhǔn)都做了相應(yīng)的規(guī)定，同年六月，下發(fā)了鐵運【2009】818號文件，對鐵路煤炭運輸抑塵作業(yè)技術(shù)條件又做了相應(yīng)的規(guī)定。目前噴灑裝置主要分為兩類，固定式噴灑裝置和移動式噴灑裝置。其中固定式噴灑裝置包括：懸臂式、龍門式、對噴式、和側(cè)噴式四種形式；移動式噴灑裝置主要是移動噴灑車（包括輕型移動噴灑和微型噴灑車）。固定式噴灑裝置適用于大量發(fā)運，列車運行速度高的特點。懸臂式噴灑裝置優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，噴灑比較均勻，噴灑流量便于實現(xiàn)控制。其缺點：一是作業(yè)時需要侵入機(jī)車車輛界限，所以無論是人工控制還是自動控制都必然存在行車安全隱患。二是這兩種裝置需要旋轉(zhuǎn)或升降過程才能使用，而旋轉(zhuǎn)或升降都是機(jī)械組件，因此不可避免的存在著機(jī)械故障幾率，一旦設(shè)備發(fā)生故障必然危機(jī)行車安全。三是這兩種裝置旋轉(zhuǎn)或升降過程需要8s左右的時間，車速如果超過20km/h時，機(jī)車次位3量左右噴灑不到，即實現(xiàn)不了全覆蓋，在收費方面也存在著異議。對噴式和側(cè)噴式噴灑裝置使用安全可靠，不存在行車安全隱患，能滿足列車行駛速度W30km/h的任何線路使用，并能實現(xiàn)機(jī)車次位列車全覆蓋。但是，對噴式裝置需要過軌施工，增加了施工難度和工程費用。最新研制的側(cè)噴式裝置是在分析和總結(jié)其它三種裝置存在的缺陷和安全隱患的基礎(chǔ)上經(jīng)過反復(fù)的研究和實驗，推出的一款全新的裝置。該設(shè)備適合用于電氣化和非電氣化線路區(qū)間，安全性能高，穩(wěn)定性強，土建施工難度小，但噴灑不夠均勻，安裝環(huán)境要求比較高。移動式噴灑裝置適用于年發(fā)運量小，列車運行速度低（一般要求W8km/h）的站點。移動式噴灑裝置需要配建相應(yīng)的攪拌站，資金投入量相對少。為解決上述問題，研制了固定式抑塵劑噴灑系統(tǒng)，對工作環(huán)境要求不高且在惡劣天氣可以進(jìn)行工作，能自動識別車頭、車廂和空擋，并可為噴灑噴頭打開和關(guān)閉提供信號，保證噴灑效果，不浪費噴液。1.1.2固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇各鐵路局為了響應(yīng)鐵道部的號召，到2011年鐵路鐵路煤炭運輸實現(xiàn)抑塵劑全覆蓋。今年以來全將此項目作為一個重點，放在了工作的首要位置，搶抓機(jī)遇，不斷地推進(jìn)鐵路煤炭運輸抑塵工作。所以固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置具有巨大的商機(jī)和實用價值，但現(xiàn)有的噴灑裝置都具有不可避免的缺點，所以急需一種能避免各種缺點，又能滿足噴灑的固定式噴灑裝置。本設(shè)計意在研究一種固定可升降的固塵劑噴灑裝置，主要用于火車站運煤系統(tǒng)，將固塵劑噴灑于煤層的表面，減少煤塵的飄揚，保護(hù)環(huán)境。由于火車的高度不同，位置不同，我們將此噴灑裝置設(shè)計成既可升降又可旋轉(zhuǎn)。1.1.3固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的概述固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置由基座、旋轉(zhuǎn)裝置、升降裝置、噴灑裝置和固定裝置組成，安裝方便。旋轉(zhuǎn)裝置由步進(jìn)電機(jī)帶動，經(jīng)變速箱，使電機(jī)每接受一個脈沖時旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)90度，升降裝置和噴灑裝置由液壓驅(qū)動。2固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置的結(jié)構(gòu)2.1.1固定式火車噴灑裝置的結(jié)構(gòu)分為基座、旋轉(zhuǎn)裝置、升降裝置、噴灑裝置和固定組件。2.1.2固定式火車噴灑裝置的尺寸確定：鐵軌寬度為1435mm車廂寬度3309mm火車高度距地面高度一般在3500mm左右。因此固定式抑塵劑噴灑裝置各部分的設(shè)計尺寸為：基座：2500mm橫梁長度：1800mm旋轉(zhuǎn)部分長度：1000mm升降部分長度：600mm立柱外徑159mm立柱壁厚15mm橫梁外徑114mm橫梁壁厚15mm2.1.3固定式火車噴灑裝置的材料選擇：采用Q235號剛°Q235號碳素鋼含碳適中綜合性能較好，強度、塑性和焊接等性能得到較好配合，力學(xué)性能也很好，用途最廣泛。2.1.4連接方法1基座和地基用地腳螺栓連接，并用加強筋加強基座力學(xué)性能

圖1地腳螺栓和加強筋2基座和升降部分采用地腳螺栓連接，基座與地連接部分有一法蘭盤，方便連接，并用加強筋固定立柱增加立柱在惡劣天氣下的穩(wěn)定性。圖2升降原理圖3升降裝置3升降裝置與旋轉(zhuǎn)裝置的連接用螺栓連接圖4旋轉(zhuǎn)裝置4立柱和橫梁的固定方法橫梁和立柱間使用螺栓連接；首先，在立柱和橫梁相接處各焊一塊大小相等的鋼板；然后，采用螺栓連接將相重合的兩塊鋼板連接。最后，采用三角形加強筋固定橫梁和立柱，防止惡劣天氣時立柱受風(fēng)力影響不穩(wěn)定。三角形加強筋穩(wěn)定結(jié)構(gòu)圖；立柱的固定方法：使用法蘭盤固定立柱，法蘭盤與地面采用地腳螺栓連接：并且使用加強筋固定立柱增加立柱在惡劣天氣下的穩(wěn)定性。5其他鏈接旋轉(zhuǎn)部分采用齒輪傳動，由電動機(jī)帶動，齒輪與軸采用鍵連接并用套筒固定軸向移動。電動機(jī)與變速箱采用聯(lián)軸器連接；噴灑裝置與橫梁采用螺栓連接。6電機(jī)選擇選擇100w的步進(jìn)電機(jī)作為旋轉(zhuǎn)運動的動力。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。電機(jī)帶動輸出，外接變速箱。使電機(jī)每轉(zhuǎn)動一下，經(jīng)變速箱，帶動旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)45度。2.2固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置結(jié)構(gòu)的受力分析及校核。2.21螺栓強度校核：固定立柱可以抵抗十級大風(fēng)：標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式：驢=0.55r乂v2/g（公式1）風(fēng)速：24..5~28.4m/s取最大風(fēng)速28.4m/s空氣重度：r=0.01225KN/m3重力加速度：g=9.8m/s2風(fēng)壓wp=0.5X0.01225X28.42/9.8=0.5041kN/m2立柱和橫梁間螺栓連接的校核：螺栓材料為Q235性能等級4.6螺栓型號[M16]橫梁大徑D1=114mm橫梁長度L=5600mm橫梁迎風(fēng)面積S=114X1800=205200mm2=0.2052m2橫梁受力F鄧5w=0.2052m2X0.5041KN/m2=104N

F=F1F=FF=F1F=F]+F地腳螺栓F1>=F）卜]=。s/S=240/1.5=160Mpa1.3Fb=2"-d.2L]414.17Mpa<b（1.3倍為考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響）立柱固定螺栓的校核:立柱大徑Di=159mm立柱高h(yuǎn)=4100mm立柱迎風(fēng)面積S=159X4100=651.9mm2=0.6519m2立柱受力F0=Sxwp=0.6519m2X0.5041KN/m2=329N工作拉力F=329N+104N=433NF=F1F2=F+F_1.3F2_ca?！猟2（公式2）415Mpa<（公式2）地腳螺栓彎矩計算:圖6立柱受力圖受力圖如下圖所示:

圖6立柱受力圖橫梁受均布載荷：q1=0.5041KN/m2X114mmX114mm=6.56N立柱受均勻載荷：q2=0.5041KN/m2X159mmX159mm=12.75N立柱所受橫向彎矩：M=12q1xL2+%q2*L2=12x(4.12x12.75N+1.82x6.56)+=235.58N-m立柱與底盤連接通過雙頭螺柱連接，并且使用加強筋固定立柱增加立柱在惡劣天氣下的穩(wěn)定性。下面計算底盤上螺柱的應(yīng)力。如圖所示圖7地盤法蘭當(dāng)風(fēng)速與Y軸方向相同或相反，螺柱所受應(yīng)力最大，因此在此只校核此時的螺柱應(yīng)力。螺柱在y軸方向上距對稱中心的距離＞=150mmF=M4＞=392.6N（公式3）螺柱的面積S=孔'兀xd2=1/4x3.14x1.6x1.6x10-4m2=0.126m2拉應(yīng)力a廣FS=0.031MPa＜卜］壓應(yīng)力。廣◎S=0.031MPa＜卜］2.22橫梁撓度計算V=(572?！?22兀)x5600=(10201.86—5538.96)x5600

1橫梁體積=26112240mm3=26112.24cm3噴頭加體積V2=3300x(60；50)兀=259050mm3=259.05cm3噴頭體積h=r—t(7.52—2.32)=0.36mmc=4.6mmsin已=23=0.327.5以=35。l=0.1745x以xr=46S=i[rl—c(r—h)]=上[7.5x46—4.6(7.5—0.36)]22=0.828mm22S=1.656mm2弓形面積矩形面積65.688mm2總面積67.344mm212.75、兀x5x(6.1252+2.32+6.125x2.3)V=20x7.52兀一5x()2兀+——i732-4.6+3x(項)2兀+67.344x7=2124mm3

11V=23364mm3=23.364cm33V=588.82X20x32+100kx32-25kx32x24=381868.8mm3連桿體積2V4=幽頃3絲杠體積V=4700x(^)2兀=1951745.5mm3=1951.8cm3匕=37x46.43x50—(5)2兀x50+33x4.88x50x219……-(萬)2kx6x2=7783563mm3滑塊體積2V6=155.7cm3T7,35.13-25、y,52-41.88、“kx3.3753』V7澆(2)2Kx15+(2)2kx15+6x12絲杠軸承=2716mm32V7=5.432cm3V=(10.8―2V7=5.432cm3V=(10.8―6)2kx6+(19-14.13)2kx6+K(號)3x128226=248mm3滑塊軸承體積2V=0.496cm38銷釘體積總體積總質(zhì)量=36kx3+9kx50=1752mm3V92V=3.504cm39V=V+V+11V+2V+V+2V+2V+2V+2V123456789=269275.5cm3m=Vx7.85g/cm3=2114kg橫梁所受的總作用力F=mg=20717ND=114mmd=84mmI=—(D4-d4)=11687558.85mm4極慣性矩「32E=200Gpa=200x103Mpa°max=Fb/48EI=0，04mm3固定可升降式火車抑塵劑噴灑裝置其他部分（動力系統(tǒng)）的選擇與設(shè)計液壓傳動：以液體作為工作介質(zhì)，并以壓力能進(jìn)行動力（或能量）的傳遞。轉(zhuǎn)換與控制的液體傳動。液壓傳動布局靈活方便，工作平穩(wěn)快速，液壓系統(tǒng)設(shè)計、制造和維修方便。液壓傳動裝置的組成部分動力元件泵執(zhí)行原件一一馬達(dá)、液壓缸控制元件——閥控制壓力、方向和流量輔助元件一一液壓油箱、過濾器、管路等等工作介質(zhì)——液壓油（抑塵劑）f液壓噴灑系統(tǒng)工作原理圖：溢流閥濾油器液壓泵二位二通電磁閥節(jié)流閥溢流閥濾油器液壓泵二位二通電磁閥節(jié)流閥電動機(jī)M1帶動液壓泵工作，液壓泵從油箱中吸出抑塵劑，經(jīng)過濾油器、節(jié)流閥、二位二通電磁閥，到達(dá)噴頭進(jìn)行噴灑；當(dāng)出現(xiàn)車廂間的空當(dāng)時，紅外對射式開關(guān)發(fā)出信號，節(jié)流閥關(guān)閉，液壓泵吸出的抑塵劑通過溢流閥流回油箱，當(dāng)下節(jié)車廂到達(dá)時節(jié)流閥開啟；當(dāng)最后一節(jié)車廂通過時，紅外對射式開關(guān)發(fā)出信號給電磁閥和M1電動機(jī)，電磁閥關(guān)閉，電動機(jī)停止工作，M2電動機(jī)開始工作將噴灑裝置內(nèi)的抑塵劑吸出回流回油箱。4控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)要求：自動識別機(jī)車車頭，車頭駛過時噴灑裝置自動下降進(jìn)入噴灑位置。自動識別車廂到位，噴頭自動開始噴灑。自動識別車廂空當(dāng)，噴頭自動停止噴灑，噴頭外罩自動旋轉(zhuǎn)90。，防止漏液。自動識別下一車廂到位，噴頭自動開始噴灑，進(jìn)入車廂循環(huán)噴灑。自動識別最后一節(jié)車廂，噴灑停止后噴頭自動歸位。自動識別車頭、車廂和空當(dāng)，并為液壓噴灑系統(tǒng)電磁閥提供打開和關(guān)閉信號，保證電磁閥計時開閉，保證噴灑效果，不浪費抑塵劑。噴灑能實現(xiàn)手動和自動兩種控制方式，在自動控制下能根據(jù)車廂的情況進(jìn)行自動啟、停噴灑，并能根據(jù)情況人為改變噴灑量。噴頭外罩可自