控制风缸

2024-07-23

控制风缸（精选7篇）

控制风缸篇1

0引言

随着列车牵引重量与运行速度的提高, 鉴于安全与乘坐舒适度的考虑, 对列车制动系统提出了越来越高的要求。现有的制动机如DK-1与JZ-7已不能满足某些重载机车对制动机的要求, 如和谐型电力机车。其中一个重要的原因就是现有的制动机不能满足新型机车的制动系统对均衡风缸压力的精确控制及无线重联各机车均衡风缸压力一致性的要求。本文运用高速开关阀建立一套均衡风缸压力精确控制系统, 设计其控制算法, 并进行仿真, 达到了设计的预期要求。

1高速开关阀的数学模型

高速开关阀其实质为一个常闭型二位二通电磁阀。高速开关阀的数学模型包含电路、磁路、机械和气动等4个子系统。

由基尔霍夫电压定律 (KVL) 可知, 当电磁线圈得电时:

当电磁线圈失电时:

其中:ε为线圈驱动电压;i为流经回路的电流;R为电回路中的电阻;Uｄ为二极管导通电压;L为电感系数; t为时间。

当电路子系统中产生的电流i流经电磁线圈时, 线圈附近会产生一个磁场, 从而产生吸力FＭ, 其大小为:

其中:μ０为真空磁导率;N为线圈匝数;Aｐ为磁场中阀芯的有效横截面积;xｏｆｆ为关闭状态下的阀芯位移; xｐ为阀芯位移变量。

根据牛顿第二定律可得关于阀芯加速度的方程, 即:

其中:mｐ为阀芯质量;Fｐｒｓ为阀芯上、下气压压力差; Fｋ为弹力;Fｆ为静摩擦力;Fｂ为黏性摩擦力。

压缩空气 (此处假设为理想气体) 经过节流孔的瞬态质量流量为:

2建立系统

该系统主要由2个高速开关阀、2个节流孔、1个压力传感器、1个均衡风缸和制动控制单元 (简称 “BCU”) 组成。对于2个高速开关阀, 1个为充气开关阀 (简称“充气阀”) , 主要负责供气源与均衡风缸之间的气路通断;1个为排气开关阀 (简称“排气阀”) , 主要负责均衡风缸与大气之间的气路通断。系统原理如图1所示。

3控制策略

3.1传统PID控制

根据制动系统的实际需求, 均衡风缸压力控制系统在增压、保压与减压3种状态之间切换。在AMEsim平台建立的高速开关阀模型的基础上, 运用常规PID控制作为系统控制单元, 模型如图2所示。

在此系统的基础上选择合理的充气阀节流孔面积、排气阀节流孔面积、均衡风缸容积与PID参数。其中:充气节流孔有效截面积Aｃ=0.75mm２, 排气节流孔有效截面积Aｄ=0.36mm２, 均衡风缸体积Vｐ= 1.2L。结果表明:当均衡风缸充气至0.6 MPa, 其时间需要10.8s, 在此期间, 充气阀得失电2次, 而排气阀得失电1次。当大闸从运转位到初制位, 均衡风缸压力下降0.05MPa, 从压力下降开始到压力稳定耗时约为2.2s, 在此期间, 充气阀得失电3次, 排气阀得失电1次。大闸由初制位到全制位, 均衡风缸压力下降0.12 MPa, 从压力下降开始到压力稳定耗时约为5.3 s, 在此期间, 充气阀得失电1次, 排气阀得失电1次。运用常规PID控制时, 虽然系统的准确性与快速性较好, 但预控容积压力波动较大。

3.2模糊PID控制

将图2中的PID控制器换成模糊PID控制器, 并将AMEsim中的该模型转化为一个S函数嵌入到Simulink控制模型中, 运用Co-simulation实现二者的联合。模糊PID控制系统仿真模型如图3所示。

使用与常规PID控制一样的系统设计参数, 即Aｃ=0.75mm２, Aｄ=0.36mm２, Vｐ=1.2L, 对模型进行仿真。图4为在模糊PID控制下均衡风缸充气至0.6 MPa的响应曲线。

由图4可见, 均衡风缸充气至0.6 MPa的时间只需要10.62s。在此期间, 充气阀得失电仅1次, 而排气阀无动作。

图5为常用制动过程中, 均衡风缸压力的变化。

由图5可知, 大闸从运转位到初制位均衡风缸的压力基本没有超调量, 从压力下降开始到压力稳定耗时约为1.4s, 在此期间, 充气阀没有动作, 排气阀得失电1次就完成了减压;大闸由初制位到全制位, 从压力下降开始到压力稳定耗时约为4.95s, 在此期间, 充气阀没有动作, 排气阀也是得失电1次就达到了目标压力;均衡风缸从定压0.6MPa直接下降到0.43MPa, 总耗时为6.35s, 满足铁标TB/T 2056-2007中关于均衡风缸从0.6MPa降至0.43MPa的时间应为6s~8s的要求。

由图4、图5可以看出, 充、排气过程中, 均衡风缸压力稳态误差均小于5kPa, 满足铁标TB/T 2056- 2007中误差为±10kPa的要求。

4结语

基于两个高速开关阀, 运用模糊PID控制的均衡风缸压力控制系统, 无论是稳态误差还是充排气时间上均满足相关标准。该系统不仅响应快速, 而且当压力即将或刚达到目标压力时, 几乎没有振荡, 稳定性好, 更重要的是电磁阀通过1次得失电就达到目标压力, 从而使电磁阀的寿命比传统的PID控制下的寿命延长1倍甚至更长, 大大节约了成本, 增加了系统的可靠性。该系统的高速开关阀的控制指令为网络信号与电信号, 故可满足无线重联机车各均衡风缸充排气一致性的要求。

摘要：首先从高速开关阀的数学模型入手, 建立了均衡风缸压力的控制系统, 然后设计了该系统的两种控制策略——常规PID控制、模糊PID控制。运用AMEsim与Simulink联合仿真, 对两种控制策略进行了分析比较, 最终选择模糊PID控制策略, 完成均衡风缸压力的精确控制。

关键词：均衡风缸,压力控制,PID,模糊控制,仿真

参考文献

[1]俊勇, 仝雷, 王海平.HXD2电力机车制动系统[J].机车电传动, 2008 (5) :8-14.

[2]王月明.动车组制动技术[M].北京:中国铁道出版社, 2010.

[3]毛志忠, 常玉清.先进控制技术[M].北京:科学出版社, 2012.

[4]SMC中国有限公司.现代实用气动技术[M].北京:机械工业出版社, 2009.

[5]黄友锐, 曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京:科学出版社, 2010.

风缸焊缝射线检测工艺研究篇2

1检测方法的选择

对于焊接件而言, 内部检测多使用超声波和射线检测, 但这种风缸的母材厚度仅为4 mm, 在欧洲标准 EN 1714《焊缝无损检测焊接接头超声波检测》中, 检测的焊接件母材厚度需要大于8 mm, 所以采用超声波检测难度较大。而且因为环焊缝的形状特殊 (见图2) , 封头端和筒体形成45°坡口, 中间填充焊道金属, 如果采用超声波检测的话, 回波将会非常复杂, 因此射线检测成为风缸内部检测的唯一选择。

该射线检测采用欧洲标准EN 1435《焊缝无损检测焊接接头的射线照相检测》, 评定采用国际标准ISO 5817《焊缝钢、镍、钛及各自合金 (除波束焊外) 熔化焊接头不完整性质量等级》 (针对钢制风缸) 或者ISO 10042《焊缝铝及其合金弧焊接头不完整性质量等级》 (针对铝制风缸) 。

2 射线检测

2.1 风缸纵焊缝检测

风缸纵焊缝检测有两种情形, 未焊接封头的和封头已经焊接完毕的, 这与用户要求的检测时机有关, 实际工作中都可能遇到。第1种相当于一薄壁筒体, 而第2种检测时即图1所示形貌。

对于焊缝而言, 射线检测有单壁和双壁 (多壁) 两种方式, 如图3所示。单壁即只打穿一层工件的壁厚, 而双壁打穿两层 (多壁是多层, 适用于复杂工件的场合) 。因为单壁检测所需要穿透的厚度较小, 而这也意味着更少的成本、更高的灵敏度和更简易的布片方式等, 因为灵敏度对评定的影响较大, 所以对于工件而言, 以上均是使用的优先选择。对于未封口的工件而言, 采用单壁检测;而封口后的, 双壁则成了唯一的选择。

与之对应的, 还有单影和双影 (多影) 的选择。单影即底片上只有1道焊缝的影像, 如图3 (a) 所示;而双影则有两层壁上的各1道, 如图3 (b) 所示, 上、下两层壁的影像均显示在底片上。对于单壁而言, 单影是唯一的结果;而对于双壁而言, 双影和单影均有可能。显然, 考虑到影像几何清晰度的因素, 对于较厚的工件, 尽可能不采用双影。

对于该风缸的纵焊缝检测而言, 未封口的, 单壁单影是最佳选择, 底片卷曲后置于筒体内部;而封口的, 采用双壁单影法。

2.2 环焊缝检测

环焊缝是检测的难点, 尤其是评定时影像痕迹难以区分。如上所述, 双壁单影是较佳的选择, 但偏移的角度不同, 由于环焊缝的复杂结构, 得到的影像亦不同, 如图4所示。仅在没有缺陷时, 不同黑度变化的近似水平的平行线就有7道之多, 角度变化时, 还会带来各条线的相对错位, 大大增加了评定时的难度。

区分这些线的难度极大, 因为需要将影响底片的黑度的一个个因素确定后再进行细分。首先是透照角度的确定, 将各条线的相对位置固定下来, 避免其相互错位。采用的设备是YXLON MG452型, 经过多次实验, 确定的拍照方式如下:将机头发射头的外圆边缘对准环焊缝的内边缘, 机头距筒体的位置固定, 一般500 mm左右 (满足EN 1435的最低距离) 。因为射线的发射角是固定的约38°, 这样, 保证了双壁单影透照、焊缝变形不会过大、透照区域满足要求以及各条线的相对位置固定等几个因素。

其次, 确定能够区分的影像。对于平板对接焊缝而言, 一般有上侧焊道与母材的分界线及下侧焊道与母材的分界线各2道, 显然, 该环焊缝与此类似。如图4所示, 我们并没有按照一般的原则, 将中心标记和搭接标记置于距焊道至少5 mm以外, 而是直接定在了焊道与母材的分界线上。图中因为是部分截取, 显示了中心标记和一个搭接标记, 这样, 即可准确定位这两条影线。需要说明的是, 因为角度的原因, 图4中放置的标记是最下方的影线, 而对侧的, 并不是最上面那条, 而一般是第2条或者更下 (有一定的变化) 。

接着进行几何分析, 如图5所示, 标记1～7是可能产生线状影像的7个位置。其中1和2已经确定, 那么, 根据清晰度和几何角度的区分, 其他的线也基本能够确定, 保证了对缺陷的精确定位。这里需要注意其中的位置4, 这是熔化后流淌的金属液冷却后的痕迹, 所以是不固定的, 这也即是图4中那条不规则线的成因。

评定时还有一大困扰, 即图4中焊道正中间那根细线。该细线不是笔直的, 很像未熔合的影像, 且该影像在大部分风缸的很多焊缝底片中都存在, 有时甚至是通长的, 以焊接工人及设备 (自动焊) 的水平而言, 未熔合的可能性很低, 而且有时会出现一道平行的短线。经金相验证没有未熔合后, 再分析, 该细线应该是图5中a点的影像。这样, 评定时, 只需对出现的较短细线进行未熔合评定, 图中类似的细线则可以忽略了。

评定时采用ISO 5817或ISO 10042, 这是EN 25817和EN 30042标准的ISO版本, 使用时对评定者的要求较高, 需要针对不同的形貌进行缺陷类型确认和分别评定。需注意的是, 这两个标准未涉及检测方法, 说明部分缺陷类型和评定是常规射线检测无法进行的, 如微裂纹或者依据咬边的深度进行评定等。

3结论

自翻车起动风缸拆装机设计篇3

铁路运输部现有16台自翻车, 主要承担着铁路沿线的土方、石子等建筑材料的运输。自翻车是铁路工程中不可缺少的工程车之一, 在铁路的建设中及铁路沿线的维护工作中起到了极其重要的作用。自翻车在动作时, 起主要作用的就在于车下的四个风缸, 当车辆把货物送到地点时, 由机车车头打风, 通过主风管路冲入四个起动风缸中任意一侧的两个风缸内, 利用压缩空气的压力推动起动风缸活塞, 实现自动卸车的效果。

自翻车在段修以上的检修工艺中, 需要拆卸四个起动风缸, 其体积较大, 质量较重, 利用人力拆卸非常不便。我们现有的工艺是:用钢丝绳挂接, 利用天车斜拉的方式。此作业方式会产生两个力, 其中一个是水平方向的会使起吊件做钟摆运动。由于我们的检修场地空间有限, 这一工艺容易造成碰撞、伤人等事故且对设备安全极为不利。其次在装配过程中, 由于质量较大、体积较大, 必须多人协同作业, 全靠人力, 并且由于装配空间有限, 工作者活动空间拥挤, 非常容易造成事故。为了有效的解决这一实际工作中的困难, 开发设计了这一套起动风缸拆卸系统。

2 设计原理

2.1 工作条件要求

2.1.1 自翻车的启动风缸左右两侧各有两个, 可以任意单个拆卸, 但是质量较大, 约300公斤, 所以需动力充足。

2.1.2 在起动风缸拆装过程中, 由于拆装空间有限, 所以拆装设备必须工作平稳, 速度可控性好, 以免在拆装过程中对其他部分造成冲击。

2.1.3 在拆装过程中, 由于工艺的需要, 风缸必须随时能在上下方向和前后方向小幅度活动。

2.2 设计内容

2.2.1 机械结构。

在结构设计中, 我们采用三缸支撑一个平面的设计, 如图1。

三个液压缸采取前一后二的设计, 用以增加起升平台的稳定性。其次液压缸上下两端均采用同平行轴式连接 (类似汽运翻斗车) , 在不工作的状态下, 三个液压缸处于收缩状态, 平行收缩在平台底架以下, 这样既可以有效降低平台高度又可以有效的调节起升平面的前后倾斜度, 有利于风缸的拆卸和装配。车体下方采用万向轮可以增加平台的机动性。

在整体布局中将液压油箱布局在后方, 可以起到一定的配重的作用, 防止在工作过程中, 由于前方重量过大而引起设备的不平衡。平时不工作的时候, 由于车体下方万向轮的布局, 可以有效地平衡设备本身的重量分布, 所以在不工作时, 设备的配重不会影响设备的正常移动。

2.2.2 液压系统。

由于工作空间的考虑和起动风缸外形和安装场所的考虑, 必须采用平台托举式。动力上本设备采用液压系统为主动力, 可以极大地增加工作过程中的稳定性和可控性。在油泵和液压缸的选择上, 首先必须考虑作业现场, 因为在实际工作中, 起动风缸据轨面不足700mm, 所以在液压缸的选择上必须选择缸径在400mm以内。在考虑到缸径和动力要求的情况下我们选择31.5MPa柱塞泵, 缸径等于150mm的部件相配套。原理图为图2。

根据结构设计的特点, 其中的II缸和III缸同步工作, 而I缸和II缸、III缸不能同步作业。三个液压缸的动作主要由I、II两个电磁换向阀来控制。阀III为一组组合式溢流阀, 主要用来回流, 同时也起到控制液压系统工作压力的作用。

2.2.3 电器控制。

控制电路主要是利用自锁和互锁来实现逻辑控制, 这样就可以控制液压部分的动作先后顺序。其电路图如图3。

其中SB1为液压油泵启动按钮和KM0线圈及长开开关KM0形成自锁逻辑, 从而控制油泵电机的启动;KM1、KM3线圈所在电路用来控制电磁阀I, KM2、KM4线圈所在电路用来控制电磁阀II, 这四条电路通过互锁实现了液压缸I和液压缸II、III不能同时工作的逻辑控制, 同时在控制电路中添加了KT和KM5, KT为延时开关, 可以有效的控制单侧液压缸的工作时间, 对设备本身起到有效的保护作用, 而KM5主要用来控制组合式调压阀的动作。长闭合按钮SB2主要控制整个设备的停机。由于此设备在使用过程中需要经常更换作业地点, 所以此设备会在使用过程中频繁停机与开机, 因此在电路中设计了过热保护, 以免在使用过程中损坏电动机。整个控制电路的电源采用的是由一组变压器供给的24V安全电压, 这样操作者的人身安全也得到了有效的保障, 充分实现了本质安全型。

3 效益及影响

在效益上, 可以从三方面来考证, 首先可以有效的提高自翻车辆的检修效率, 有效减少工时投入, 原来拆卸一个起动风缸需要6个工人配合作业, 拆卸四个起动风缸, 大约需要一天时间, 装配时同样需要6人协调配合, 约一天时间装配好四个起动风缸, 现在只需要两人相互配合, 而且只需要一天时间就可以完成以上的拆、装工作, 从人力和工时上都节省了一半有余;其次从安全效益上, 有效的增加了单个工人的劳动空间, 降低工人的劳动强度, 保障职工的安全, 降低了设备损坏的风险, 降低了公司的安全风险;再次可以有效的体现出我们有自主开发自动化设备的能力。

摘要：针对自翻车起动风缸体积较大, 质量较高, 缺少专项检修设备的情况, 开发了自翻车起动风缸拆装机。利用较为简单的机械原理, 解决了作业空间小, 参与人员多, 工作部件大等一系列问题。在工作效率、经济效益和现场安全三方面都产生了客观的影响。

关键词：自翻车,起动风缸,逻辑控制,自锁逻辑

参考文献

[1]濮良贵, 纪明刚.机械设计 (第八版) [M].高等教育出版社, 2006, 5.

[2]成大先.机械设计手册 (第四版) [M].化学工业出版社, 2007, 6.

[3]《铁路职业技能鉴定实作演练丛书》编委会.车辆钳工 (第一版) [M].中国铁路出版社, 2003.

风缸自动环缝焊接机床的研制篇4

南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司焊接表面工程部 (以下简称戚所公司焊表部) 有一台购于2002年的环缝焊接专机, 经过几年的试验使用, 存在以下问题: (1) 设备有局限性, 许多产品不能焊接; (2) 主轴用的是直流调速, 用电位器无法精确控制转速, 焊接工艺和产品质量难以保证, 精度不高且故障频繁; (3) 只能手动工作, 无自动焊接功能, 操作不便, 对员工的技能要求非常高, 劳动强度大。以上这些问题严重影响了生产进度和产品质量, 制约公司发展。2006年, 戚所公司焊表部陆续接到克诺尔、庞巴迪、BSP等国外大公司的订单, 主要产品是客车上使用的各类钢风缸、铝风缸等, 技术要求高, 原有的设备无法满足生产和质量要求。为了达到客户的技术要求, 焊表部最初计划购买进口设备, 但进口设备需要上百万的费用, 且进口手续繁琐, 所需周期长, 无法保证产品及时交货。为了解决这个难题, 决定利用长期积累的工作经验, 自行开发研制自动环缝焊接机床。

2 方案的制定及设计

该机床由床体、尾架、十字工作台、移动支架、电焊机、送丝机、电气柜等组成, 其结构如图1所示。

(1) 机械方面的设计:床身用20 mm厚的钢板焊接而成, 经过龙门铣床加工, 安装2套直线导轨副, 一套用于尾架的移动, 一套用于安装有十字工作台的支架运动。床头箱两端加工有轴承座, 主轴通过两级1∶20减速箱与电机相连, 气缸支架通过4个M20的螺栓直接固定在床身上。

(2) 电气控制系统设计:主轴采用交流变频调速控制, 在0~50 Hz内电机转速平滑可调, 设计制作手持式控制器, 安装常用的按钮, 方便员工调整。焊机电源集成在电气柜中, 便于集中管理, 由于装有手持式控制器, 控制电路采用直流24 V电源, 确保工作安全。

(3) 横向和纵向移动设计:采用2种方法, 一种是手动支架移动, 用于焊枪长距离粗定位, 另外一种是采用十字工作台, 用步进电机控制焊枪上下、左右运动, 便于焊枪精确定位。

(4) 尾架设计:尾架上安装气动换向阀, 控制尾架的前进和后退, 用于工件的夹紧和放松。

自动环缝焊接机床的电路图如图2所示。

3 主要技术参数

(1) 主轴电机采用三菱E500系列变频器控制, 型号为FR-E540-2.2K-CHT, 用以太网线将变频器显示屏连接到电气柜面板上, 便于调整和控制。三相异步电动机型号为Y100L1-4, 通过两级减速, 转速范围控制在0.07~7 r/min。

(2) 十字工作台Y、Z方向运动采用双坐标工作台驱动电源控制, 型号为SZ-1, 内含2个常州市合泰电机电器有限公司生产的HT-335M步进电机驱动器。

(3) 导轨副和十字工作台采用南京工艺装备制造厂生产的部件, 工作台型号为S2H, 移动范围:Y方向200 mm, Z方向200 mm。粗定位支架移动范围:左右2 500 mm, 上下1 100 mm。气缸运动距离为400 mm, 通过调整气缸支架的安装螺栓, 可使尾架最大移动距离达到2 000 mm。

(4) 焊机采用杭州SAF公司产品, 型号为OPTI-PULS 380IW (另购) 。

(5) 电气柜自行设计制作, 元器件采用国内知名品牌。

(6) 机床尺寸为3 600 mm×1 400 mm×1 900mm, 最大工件尺寸为700 mm×1 500 mm。

4 使用效果与经济效益

自动环缝焊接机床采用自动工作的模式完成整个焊接过程, 操作简便, 有效解决了焊接工艺控制的难题, 对每种产品的焊接技术要求, 如焊接电流、焊接时间, 运转速度等工艺参数都可以进行精确调整和控制, 并最终形成工艺文件保存下来, 有效提高了焊缝内在质量, 焊接表面成形更加完美, 提高了焊接的稳定性和生产效率, 减轻了工人的劳动强度以及弧光对工人眼睛的伤害, 整个设备的研制费用仅为25 000多元 (不包括焊机) , 从2006年底投入使用以来, 已累计完成4万多只钢风缸、铝风缸的焊接, 合计产值近8千万元, 合格率100%, 圆满完成了生产任务, 受到使用部门和外国客户的一致好评。

5 结束语

随后用上述技术改造了原来的焊接专机, 并陆续为戚所公司焊表部设计制造了3台交流变频调速焊接转台, 用于风缸配套产品风头及管座的焊接, 已累计完成了6万多只, 这些设备在生产中均发挥着重要的作用。

控制风缸篇5

1 风缸卡带组成的特征及作用 (如图1)

风缸卡带组成的主要作用是用来固定和悬挂制动风缸的, 使制动风缸在车辆的任何状态下都能牢牢地固定在安装架下, 以减少车辆运行过程中的侧滚运动等, 确保制动模块的正常工作, 提高车辆运行安全性能。

2 风缸卡带组成的设计要点

(1) 风缸卡带能够确保装于车体上的设备的耐冲击振动性能均符合TB/1335-1996标准要求或IEC61373标准, 应能承受车辆在联挂和正常运行时冲击和振动, 能承受纵向方向的最大冲击加速度3 g, 垂直方向为2 g, 横向方向为1 g的惯性力的作用。

(2) 风缸位于车辆的底部, 风缸的轴线与车辆的纵向平行, 每个风缸都是用两条外层包有橡胶带的不锈钢卡带悬挂并紧压在垫有尼龙垫块的安装架下。通过卡带与尼龙垫块对风缸的拉力、压力及摩擦力将风缸牢牢地固定住。

(3) 每个风缸的质量为55 kg, 每个卡带紧固螺栓的拧紧力矩为90 N·m。

3 风缸卡带组成的力学性能分析

在车辆实际运行中, 风缸卡带组成受力极其复杂, 不是简单的只存在某一种应力状态, 但是在进行强度校核的理论研究时, 通常只能以某一种或某几种主要的应力状态为研究对象。因此对风缸卡带组成中的T型螺栓、铆钉、不锈钢带、橡胶带分别各自选取了几种主要应力状态进行分析。

3.1 整体分析

T形螺栓 (M16×110) 所选用的的材质为1Cr18Ni9Ti, 等级为8.8级, 安装时的拧紧力矩为90 N·m。

预紧力的大小为:

Fv为螺栓的预紧力 (N) ;

T为螺栓拧紧力矩 (N·m) ;

1——螺母M 1 6 2——弹垫3——平垫4——薄螺母M 1 65——T型螺栓6——挡块7——铆钉8——钢带9——橡胶带1 0——底架1 1——尼龙垫块1 2——制动风缸

d为螺栓公称直径 (m) 。

每个风缸由2条卡带固定, 而每个卡带的两端各有1个T形螺栓, 因此每个风缸受到卡带施加的总压力为:

F0为卡带对风缸的总压力 (N) ;

Fv为螺栓的预紧力 (N) 。

为了验证风缸卡带组成是否能够满足要求, 通常需要假设一些特殊的极限条件, 当这些条件满足时, 其余条件都可以满足。

在车辆运行的过程中, 当风缸受到垂直向下2 g的最大冲击力时, 其冲击力的大小为风缸所受重力的2倍, 即2m风缸g=2×55×10=1100 (单位:N;g取10 m/s2) 。而卡带对风缸的垂直向上的总压力为112500 N, 大于2 m风缸g。

由此得出结论:在风缸受到设计允许的冲击力时, 每个风缸受到卡带施加的总压力始终保持在112500 N。

在车辆运行的过程中, 当风缸受到垂直向下2g的最大冲击力时, 此时风缸受到卡带和尼龙垫块的压力值为最小, 即:

Fm in为风缸受到卡带和尼龙垫块的最小压力 (N) ;

F0为卡带对风缸的总压力 (N) ;

m风缸为风缸的质量 (kg)

g为重力加速度 (10 m/s2)

此时卡带和尼龙垫块对风缸所能提供的沿风缸轴向的最大静摩擦力为:

f为风缸受到卡带和尼龙垫块的压力为最小时, 对风缸能够提供的最大静摩擦力 (N) ;

μ为摩擦系数;

Fm in为风缸受到卡带和尼龙垫块的最小压力 (N) 。

在上述条件下, 如果风缸在纵向方向上受到最大冲击加速度3 g, 则其冲击力大小为3 m风缸g, 即1650 N。而这一冲击力小于卡带和尼龙垫块对风缸能够提供的最大静摩擦力33585 N。

由此得出结论:风缸卡带组成在整体上能够满足设计要求。

3.2 T形螺栓的力学分析

在工作状态下, T形螺栓主要受到沿螺栓轴向的拉应力的作用, 虽然在整个制动模块受到不同方向的冲击力时, T形螺栓也会受到剪应力的作用, 但相比拉应力, 剪应力可以忽略不计。本次设计所选用的T形螺栓 (M16×110, 8.8级) 所允许的最大拧紧力矩为210 N·m, 而实际使用时所施加的拧紧力矩为90 N·m, 并且在规定的工作状态下, T形螺栓所受到的沿螺栓轴向的拉应力基本保持不变, 因此所选用的T形螺栓完全能满足设计要求。

3.3 铆钉的力学分析

本次设计所选用铆钉的规格型号为Φ5×12, 材质为0C r18N i9Ti, 许用应力为2×108Pa。

3.3.1 剪应力

因每条卡带的两端各铆4个铆钉, 因此每个铆钉受到的剪切力为螺栓预紧力的八分之一, 即3516N。铆钉受到的剪应力为:

σ剪切为铆钉受到的剪应力 (Pa) ;

F为铆钉受到的剪切力 (N) ;

S为铆钉的横截面积 (m2) 。

由此得出结论:铆钉能够满足剪切强度要求。

3.3.2 挤压应力

在本次计算中, 采用简化假定方法, 即挤压应力在“有效挤压面上”上均匀分布, 所谓有效挤压面是指挤压面积在垂直于总挤压力方向上的投影, 于是挤压应力为:

σ挤压为铆钉受到的挤压应力 (Pa) ;

F为铆钉受到的挤压力 (N) ;

S为铆钉的有效挤压面积 (m3) 。

由此得出结论:铆钉能够满足挤压强度要求。

3.4 钢带的力学分析

在车辆运行的过程中, 钢带主要受拉力和摩擦力的作用, 钢带的失效主要是由拉应力引起的。本次设计所选用钢带为高强度不锈钢, 许用应力为2.5×108 Pa。

σ拉为钢带受到的拉应力 (Pa)

F为钢带受到的拉力 (N) ;

A为钢带最小处的横截面积 (m2) 。

由此得出结论:钢带能够满足强度要求。

3.5 橡胶带的力学分析

橡胶带主要受压力和摩擦力的作用, 橡胶带的失效主要是由挤压应力引起的。本次设计所选用橡胶带材质为橡胶EPDM, 许用应力为2×107帕斯卡。

在本次计算中, 同样采用简化假定方法, 即挤压应力在“有效挤压面上”上均匀分布。

σ挤压为橡胶带受到的挤压应力 (Pa) ;

F为橡胶带受到的挤压力 (N) ;

S为橡胶带的有效挤压面积 (m2) 。

由此得出结论:橡胶带能够满足强度要求。

4 结语

通过上述的分析, 从另外一个角度验证了风缸卡带组成设计方案的可行性。为风缸卡带组成在后续的制造、试验和应用提供参考。如果对风缸卡带组成的所有力学特征进行逐一详细的分析, 所需要的计算模型规模很大, 采用时程分析在现有条件下也没有必要, 因此在文中对分析过程进行了一些合理的简化。不考虑风缸卡带组成所受到的交变应力作用和一些影响很小的因素。同时采用了极限值法, 将所有因素的在极端情况下的数值代入公式进行计算, 这样简化的结果将使得分析数值比实际情况大, 即结果更加保守, 从而增强了产品的可靠性。

参考文献

[1]范钦珊.工程力学[M].北京:清华大学出版社, 2005.

控制风缸篇6

1 现有的风缸水压试验装置

1.1 对风缸水压试验的要求

根据中华人民共和国铁道行业标准TB/T 304—2011《机车用总风缸》 (以下简称TB/T 304—2011) 9.4项规定:总风缸在涂防锈底漆前应进行压力为1 500 kPa的水压试验, 在此压力下延续5 min, 然后将试验压力降到1 000 kPa, 此时对总风缸进行检查, 用0.4~0.5 kg的圆头木锤轻轻敲击, 不应有泄漏或冒汗。

1.2 现有的风缸水压试验装置存在的问题

在长期的试验过程中, 发现该公司现有的风缸水压试验装置其存在着以下几个方面的问题和不足:

① 仅设有1 500 KPa一种试验压力, 使该试验装置的通用性降低。

② 系统不能自动增压, 达到试验压力时不能自动停止。采用手动增压的方式, 操作过程中试验人员需一边手按加压按钮, 一边观察压力表的变化, 当达到相应的压力值时, 立即松开按钮、停止加压, 实际压力值很难准确控制在1 500 KPa。

③ 由于试验装置结构设计缺陷, 试验压力难以保持恒定, 试验过程中掉压现象频繁发生。

④ 试验装置无法检测、显示试验时间, 试验人员需手持秒表进行计时。

⑤ 操作不便, 工作效率低。原有试验装置储水量小, 使用完后需手动加水。增压泵功率小、增压缓慢, 降低了生产效率。

鉴于现有装置存在以上问题, 为改进试验流程, 提高生产效率, 需设计出一种新型的满足试验要求的风缸水压试验装置。

2 对新型风缸水压试验装置的要求

为满足TB/T 304—2011对总风缸水压试验的要求, 在充分研究现有试验装置存在的问题的基础上, 通过与试验人员的沟通, 对新型的风缸水压试验装置提出了详细的技术要求, 其关键技术项点如下:

① 满足TB/T304—2011要求, 能设定试验压力为1 500 KPa, 自动增压, 达到设定压力值后自动停止增压, 按设定保压时间保压, 到保压时间后能自动降压至1 000 KPa, 并能安全泄压, 该过程应能自动和手动控制。

② 系统可采用PLC可编程序控制器控制, 对水压、风压、时间等参数能进行模数转换。

③ 为方便试验操作, 控制台应设置人机交互界面, 可快速进行试验压力、保压时间等参数的设定。

④ 系统应具有故障自动诊断和显示功能, 能够将常见故障直观地显示在人机交互界面上, 以方便故障的解决。

⑤ 应具有技术先进、经久耐用、结构设计合理、操作简单等特点。

3 新型风缸水压试验装置的设计

3.1 系统设计

新型风缸水压试验装置, 以PLC和触控操作单元为控制核心, 使用触控屏和控制按钮面板控制相结合的主控制台对试验过程进行全面控制, 配套合理的管路和各类阀门以及一定容积的储水箱和储气罐, 使用水泵对储水箱进行加水, 使用增压泵系统对进入风缸内的水进行增压, 为提高系统的可靠性, 在风缸的进水管路上设置过滤器。该装置的原理图如图1所示。

3.2 PLC控制模块设计

(1) 输入输出分析。

为保证系统具备应有的功能, PLC控制模块需设置相应的输入输出, 其详细的I/O设置如表1所示。

(2) 元器件选型。

根据上述I/O分析, 可编程控制器选用台达 (DELTA) DVP16EH00R2, 输入点数8DI, 输出点数8DO, 扩展模块选用台达DVP08HN11R, 输出点数为8DO。另外, 为实现压力变送器水压试验压力模拟量输入, 选用DVP04AD-H2模拟量输入模块。

(3) 系统控制图。

如图2所示, 新型风缸水压试验装置6个按钮开关和1个手动/自动转换开关, 设有多个指示灯显示系统的工作状态。

4 新型风缸水压试验装置的应用效果

新型风缸水压试验装置已投入生产使用, 从现场使用情况来看, 应用情况良好, 并具有以下几个特点。

①先进的数字控制应用, 自动增压、保压、泄压。注水泵、增压泵采用PLC控制, 配合压力变送器、电控阀、电控泄压阀能实现自动增压、保压、泄压的试验过程, 避免了机械式增压泵会以空气代替水而产生误差的可能, 使试压效果更为精确。试验压力、试验时间等主要技术参数可方便调节, 设有充足裕量, 最大试验压力2 000 k Pa, 最大试验时间99s。

② 良好的人机交互界面, 显示直观, 操作简便。系统设有7吋显示屏, 如图3所示, 与控制按钮的面板控制相结合对试验过程进行全面监控, 能实现试验压力设定、保压压力与保压时间的设定、增压过程的自动与手动的控制、减压与泄压的控制、安全保护紧急控制等。这就在很大程度上简化了工作程序, 操作人员只需要设定一个压力值, 装置即可自动达到此压力值并进入保压阶段, 同时提高了精度和工作效率。

③ 可靠的机械电气元器件, 能进行人机保护, 安全可靠。系统设有电源缺相、过载、漏电等保护功能, PLC、I/O扩展模块、模拟量输入模块采用台达品牌产品, 加压装置全部采用自动式气动液压增压泵为压力源, 阀类产品选用国内成熟产品, 电气元器件选用施耐德品牌产品, 从各方面保证了系统的安全性和可靠性。

5 结语

通过使用新型的PLC控制的风缸水压试验装置, 实现了风缸水压试验自动控制, 能完全满足TB/T 304-2011《机车用总风缸》相关要求, 试验人员操作简便, 显示直观, 应用情况良好, 达到了预期的设计目的。

参考文献

[1]刘豫湘, 吴智, 卢东涛, 等.机车风源系统供风能力的研究[J].电力机车与城轨车辆, 2003 (5) :7-11.

[2]中华人民共和国铁道部.TB/T 304-2011机车用总风缸[S].南车戚墅堰机车有限公司, 中国北车集团大同电力机车有限责任公司, 南车株洲电力机车有限公司, 南车资阳机车有限公司, 2011.

[3]赵钦友, 蔺晶晶.风缸缸体工艺改进可行性研究[J].机车车辆工艺, 2015 (1) :23-24.

控制风缸篇7

1 风缸概述

铁路货车的储风缸一般分为单室和双室, 基本结构如图1所示。单、双室风缸的制造生产流程有一定的差异, 双室风缸的制造流程涵括了单室风缸的所有流程, 具体为:缸体滚圆→缸体刷油→对筒→纵缝焊接→组对内盖 (仅双室) →一次组对端盖→一次环焊→焊缝打磨→组对焊接管接头、法兰盘→组对风缸吊→焊接风缸吊→一次风压水压试验→二次组对端盖 (仅双室) →二次环焊 (仅双室) →二次风压水压试验 (仅双室) 。

2 现状分析

(1) 设备的均衡率低下。最大日产量仅为80个风缸。根据对生产过程的调查, 由于设备数量的不匹配, 工序用时最大相差近4倍, 工序的均衡率只有62.4%。其中风压水压试验、环缝焊接等工序瓶颈效应突出。

(2) 工艺布局不合理。对于双室风缸的制造, 在一次风压水压试验后需再返回组对、焊接端盖, 存在工序折返等逆流现象。其工艺布局及流程示意如图2所示。

(3) 操作者劳动强度大。各工序之间转运大多采用手工, 长途搬运利用手推小车。以双室风缸为例, 每个双室风缸需搬运距离约98 m, 风缸单重约30 kg, 日产80个, 双室风缸生产过程中需人工搬起4次, 总计80×30×4=9.6 t。操作者每天需要将9.6 t的物体搬运100 m, 劳动强度大。

(4) 内盖组对工装不合理。在组对过程中, 内盖与缸体间没有约束。风缸内盖焊接过程常出现间隙过大现象 (见图3) , 焊接质量差, 导致组焊后的返修率过高。

(5) 工序等待现象严重。由于各工序能力不均衡, 存在工序等待现象。工序在制品量大, 物流不畅通, 天车捣运与手推小车并行, 现场混乱。

3 改进方案

(1) 增加设备及作业工序组合

制造周期较长的工序为端盖环焊及打压试验, 增加端盖环焊机1台及打压试验台2台。

制造周期较短的工序为刷油、对筒、附属件组对、附属件焊接、风缸吊组对及风缸焊接等, 因此将滚圆与刷油工序组合、对筒与纵缝焊接工序组合、附属件组对及焊接工序组合、风缸吊组对及焊接工序组合。组合后的工序可由1名操作者作业, 以平衡生产节拍。

对主要的工序使用时间进行分析, 对增加的设备及工序的组合进行论证, 根据设备生产效率, 计算出各工序制造周期 (见表1) , 平均数为176 s, 单个工序最长时间为199 s, 最短时间为151 s。

(2) 重新布局工艺装备

综合考虑原有作业场所的区域面积, 根据工艺流程, 对设备重新进行整体流水化布局, 使工序不产生折返现象 (见图4) 。

(3) 增加传输装置

(1) 传输方案设计。根据风缸的体积特性, 有4种方案可参考:自带动力链条传输、滚动及旋转传输、滚筒传输及挂式传输。对4种方案进行了论证, 具体如表2所示。

(2) 方案实施。各工位之间利用传运辊道相连, 使风缸流水化传输 (见图4) 。该传输辊道的辊组成设计成斜角形式 (见图5) , 约束缸体的侧向运动, 使缸体只能沿着辊道方向运动。传输辊道为分段结构, 方便随意组合, 可适用于生产线的各传输环节。