（机械工程专业论文）运煤列车防冻液喷洒装置的结构设计与分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 运煤列车防冻液喷洒装置的结构设计与幺 摘要 铁路是我国运输煤炭的主要渠道，据统计，铁路对煤炭的发运量己接 近总运量的7 0 以上。目前煤炭的高效生产方式均采用综采设备，在开采 过程中需喷水降尘和控制设备高温；煤炭深加工过程用水洗选矿，在煤炭 洗选的过程中，要使用大量水。这些原因导致煤炭中含有大量的水分。我 国北方冬季天气寒冷，由于煤炭中有水分，铁路部门在冬季运输煤炭时煤 炭易冻结，如果不及时处理，给卸车带来了极大的困难，影响了车辆周转 和煤炭运输的效率，同时也直接影响到货主和铁路部门的经济效益。喷洒 防冻液与其他防冻解冻方法相比，具有投资小、见效快、节能等特点。为 了对各类规格车厢有效地喷洒防冻液，要求喷洒装置能够适应各类规格车 厢。 本文根据现有的防冻液喷洒装置存在的不足之处，以改善防冻液喷洒 装置的性能为目的，提出了一种能够升降和水平旋转的悬臂式运煤列车防 冻液喷洒装置，并对其结构和性能进行了分析研究。主要研究工作如下： 1 、防冻液喷洒装置机构方案设计。借鉴现有的防冻液喷洒装置的结构， 设计了一种新型的防冻液喷洒装置，并给出了主要技术性能指标。 2 、防冻液喷洒装置运动特性分析。根据运动学理论和动力学理论对喷 洒装置进行了运动学分析和动力学分析。 3 、防冻液喷洒装置数字化设计。根据设计要求，计算了关键零部件的 太原理工大学硕士研究生学位论文 尺寸，基于u g 软件对喷洒装置的结构进行了完整的数字样机建模，对模 型进行了虚拟装配和干涉检查。 4 、防冻液喷洒装置运动仿真分析。基于虚拟样机软件a d a m s 建立了 防冻液喷洒装置的虚拟样机模型，并对防冻液喷洒装置进行了仿真与分析。 5 、防冻液喷洒装置结构分析。根据有限元理论，利用有限元软件 a n s y s 对喷洒装置的主要零部件一主轴、连接杆和支撑杆进行了静力分 析。 关键词：升降式防冻液喷洒装置，结构设计，性能分析，u g ，a d a m s ， a n s y s i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t r u c t r u ed e s i g na n da n a i y s iso f a n t i f r e e z es p ra y i n gd e v i c e f o rc o a lt r a i n a bs t r a c t r a i l w a y i st h em a i nc h a n n e lo ft h e t r a n s p o r t a t i o n o fc h i n e s ec o a l a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c s ，t h er a i l w a yt r a f f i cv o l u m eo fc o a lh a sb e e nc l o s et o m o r et h a n7 0 o ft h et o t a lv o l u m e a t p r e s e n tt h ee f f i c i e n tw a yo ft h e p r o d u c t i o no fc o a la l lu s ec o m p o u n dm i n i n ge q u i p m e n t t h ep r o c e s so fm i n i n g n e e d sal o to fw a t e rt oc o n t r o ld u s ta n dt h eh i g ht e m p e r a t u r eo f e q u i p m e n t ；t h e d e e p - p r o c e s s i n go fc o a la n dw a s hc o a ln e e dal o to fw a t e rt o o t h e s ec a u s e s c a u s ec o a lc o n t a i nal o to fw a t e r i t sc o l di nw i n t e ri nt h en o r t ho fc h i l l a b e c a u s et h e r ei sw a t e ri nc o a l ，t h ec o a li se a s yf r o z e nw h e n t r a n s p o r t e di nw i n t e r i fn o th a n d l e di nat i m e l ym a n n e r , i ti sn o to n l yt ob r i n ga l o to fd i f f i c u l t i e st o u n l o a d i n ga n di m p a c tt h ev e h i c l et u r n o v e ra n dc o a lt r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c y , b u t a l s o d i r e c t l ya f f e c t t h e s h i p p e r a n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t so ft h e r a i l w a y d e p a r t m e n t s c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rm e t h o df o rt h a w , s p r a y i n ga n t i f r e e z eh a s t h es m a l li n v e s t m e n t ，w i t hq u i c ke f f e c ta n ds a v i n ge n e r g ye t c i no r d e r t os p r a y v a r i o u ss i z e so f c a r r i a g e se f f e c t i v e l y , i tr e q u e s t ss p r a y i n gd e v i c ec a l la d a p tt oa l l k i n d s o fs p e c i f i c a t i o n sc a r r i a g e i i l 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h i sp a p e rp u tf o r w a r da n ds t u d i e sak i n do fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c e w h i c hc a nl i f ta n dr o t a t et oi m p r o v et h ee x i s t i n gs p r a y i n gd e v i c e t h em a i n r e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep r o je c td e s i g no fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c e a i m i n ga tt h ee x i s t i n g s p r a y i n gd e v i c e , w ep u tf o r w a r dan e wk i n do fs p r a y i n gd e v i c e t h em a i n t e c h n i c a lp a r a m e t e r so fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c ea r eg i v e na tl a s t 2 t h ea n a l y s i so fk i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c so fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c e t h ek i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c so fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c ea r ea n a l y z e d 3 t h ed i g i t a ld e s i g no fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，t h ek e yp a r t s d i m e n s i o no ft h ea n t i f r e e z e s p r a y i n gd e v i c ei s c a l c u l a t e d u s i n gt h eu gs o f t w a r e ，ac o m p l e t ed i g i t a lm o d e lo ft h ea n t i f r e e z e s p r a y i n g d e v i c ei s a c c o m p l i s h e d m o r e o v e r , t h e v i r t u a l a s s e m b l y a n dt h e i n t e r f e r e n c ec h e c ka r ea l s od o n e 4 t h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o na n da n a l y s i so fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c e a p p l y i n gt h ea d a m ss o f t w a r e ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e li s e s t a b l i s h e d m o r e o v e r , t h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o na n da n a l y s i so fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c e a r ec a r r i e do u t 5 t h es t r u c t u r a la n a l y s i so fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c e b a s e do n t h ef i n i t e e l e m e n tt h e o r y , t h em a i nc o m p o n e n t sa r ea n a l y z e dt h r o u g ht h ea n s y s s o f t v v a r e t h es t a t i ca n a l y s i so ft h es p i n d l e ，t h ec o n n e c t i n gs t e ma n d t h es u p p o r t i n gs t e mi s d o n e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e y w o r d s ：l i f t i n ga n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c e ，s t r u c t u r ed e s i g n ，p e r f o r m a n c e a n a l y s i s ，u ga d a m s ，a n s y s v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 课题来源于山西省教育厅高校高新技术产业化项目“运煤列车防冻液自动喷洒技术 与装备( 2 0 1 0 0 4 ) 。 1 2 研究背景及意义 铁路是我国煤炭运输的主要渠道，据统计，铁路对含水煤炭的发运量已接近总运量 的7 0 以上。铁路部门在冬季运输煤炭时煤炭易冻结，如果不及时处理，给卸车带来了 极大的困难，影响了车辆周转和煤炭运输的效率，同时也直接影响到货主和铁路部门的 经济效益。 解决运煤冻结的根本出路是降低煤的水分，控制煤的水分主要依靠脱水、干燥过程。 由于干燥车间投资费用较大，一般占选煤厂总投资的1 0 2 0 左右，因而大部分选煤厂 没有干燥车间。选煤厂的干燥脱水在国内还没有引起足够的重视，使用亦不普遍。国内 外也曾尝试过许多不同的方法来解决运煤冻结问题，如电加热、磁脉冲振动、在车体表 面涂抹石蜡或柴油等方法，这些方法投入的人力、物力、财力都比较大，并且影响到车 厢使用寿命和煤的质量，不能从根本上解决问题。喷洒防冻液与其他防冻解冻方法相比， 具有投资小、节能、见效快等特点【l j 。因此，为防止出现冻车现象，铁路部门普遍采用 的方法是向运输车辆的车壁、车底及含水煤炭中喷洒防冻液。 防冻液的喷洒方式主要有人工喷洒、手动喷洒和自动喷洒。人工喷洒方式喷洒成本 高、喷洒效果差，而且工人劳动条件恶劣、劳动强度大、作业时间长。手动喷洒方式工 人劳动条件略有改善，但喷洒效果依然很差，而且存在喷洒死角，在非喷洒区不能及时 停止喷洒，造成防冻液浪费。此外，防冻液具有一定的腐蚀性，对操作工人的身体健康 造成一定的伤害【2 】。自动喷洒能够根据车厢位置自动喷洒防冻液，提高了防冻液的利用 率，减少了防冻液的浪费，降低了工人的劳动强度。所以，自动喷洒成为喷洒防冻液的 必然趋势和手段。 太原理工大学硕士研究生学位论文 一些选煤厂设计了自动喷洒系统，增加了自动控制部分，利用传感器测定车皮位置， 并对喷液进行控制，以达到节省人工的目的，效果虽然好于人工喷洒，但仍然存在不足 之处：一方面，其喷头不能自动变换角度，不能保证车箱内壁的均匀喷洒。另一方面， 由于该自动喷洒系统需满足国家标准g b l 4 6 2 8 3 中对铁路基本建筑限界的规定，以确 保机车车辆通过时安全的需要，导致喷洒装置距离轨道面高度太高，仍然造成车箱内壁 的喷洒效果不均匀，影响防冻效果，而且高位喷洒方式会严重浪费防冻液。 为了充分满足运煤列车对防冻液喷洒的要求，保证防冻液喷洒的均匀性和覆盖率， 提高防冻液使用效率，降低防冻液无效损耗，提高生产效率，改善劳动生产条件，必须 对防冻液喷洒装置进行深入研刭3 , 4 j 。 1 3 防冻液喷洒装置研究现状 为了在冬季运输煤炭时煤炭不易冻结，铁路部门规定煤矿运销企业在冬季运输和装 卸煤时需进行喷洒防冻液，并且规定了当环境温度不同和煤中含水量不同时防冻液的喷 洒量。煤矿运销企业在防冻液喷洒装置的研究方面做了许多工作，但仍然存在不足之处。 目前国内设计和安装的防冻液喷洒装置，有一定先进性和代表性的主要有以下几 种： 其一是一些选煤厂使用固定式的防冻液喷洒装置，无举升装置，不能很好地控制喷 洒高低位置。以太原洗煤厂所用的运煤列车防冻液喷洒系统为例，太原洗煤厂运煤列车 防冻液喷洒示意图如图1 1 所示【5 j 。 图1 - 1 太原洗煤厂喷洒系统示意图 f i g 1 1s p r a y i n gs c h e m a t i cd i a g r a mo ft a i y u a nw a s h e r y 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 此系统是太原理工大学为太原洗煤厂设计的。该系统利用光电传感器来测定车厢位 置，并利用p l c 自动控制防冻液的喷洒，以达到节省人工的目的，但是该系统使用的 防冻液喷洒装置无举升装置，在喷洒防冻液时，风力会对喷洒防冻液产生一定的影响。 如果提高喷洒防冻液的雾化程度，则防冻液喷洒在车厢内壁和煤炭表面的均匀性将会相 应的提高，但防冻液液滴容易受到风力的影响而飘到车厢外面，不但浪费了防冻液而且 造成了空气污染；相反，如果降低喷洒防冻液的雾化程度，虽然使防冻液液滴不易受到 风力的影响，但降低了防冻液喷洒在车厢内壁和煤炭表面的均匀性，如果能够控制喷洒 位置的高低，减小喷嘴和车厢内表面之间的距离，就会缩短防冻液液滴到达车厢内表面 需要的时间，从而减小了风力的影响1 6 j 。 由于国家标准标准轨距铁路建筑限界( g b l 4 6 2 8 3 ) 中对铁路基本建筑限界的 规定，防冻液喷洒设备只能安装在较高的位置，因而形成防冻液高位喷洒，难以准确控 制喷洒区域，造成部分防冻液飘洒在车厢外，尤其是风大时，大量防冻液飘洒在车厢外， 大大降低了防冻液在车厢内的覆盖率，浪费了大量防冻液，而且喷洒在车厢外的防冻液 对环境造成了污染。 其二是一些选煤厂使用的防冻液喷洒装置虽然有举升装置，能够较好地控制喷洒位 置的高低，但是由于结构设计的限制，无法在喷洒装置上安装针对车厢的前、后、左、 右、底五个内表面都可均匀喷洒的喷嘴，并且其安装的喷头不能自动变换角度来实现对 车厢内壁的均匀性喷洒，所以对车厢内表面的喷洒均匀性问题需要进一步提高。 喷嘴机构 机构 图1 - 2 介休选煤厂防冻液喷洒装置结构示意图 f i g 1 - 2s t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo fa n t i f t e e z es p r a y i n gd e v i c eo fj i e x i uw a s h e r y 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 以介休选煤厂使用的防冻液喷洒装置为例，其使用的防冻液喷洒装置结构示意图如 图1 2 所示【7 1 。图1 2 所示的喷洒装置主要由举升装置、电机、喷嘴机构、防冻液管道 等组成。当运煤列车车厢运行至防冻液喷洒装置的下方时，喷洒装置降低到喷洒位置进 行防冻液的喷洒，从而缩短了喷嘴和车厢内表面之间的距离，减少了防冻液的浪费，但 是由于结构设计的原因，限制了喷嘴的安装位置和数量，不能很好地对车厢的前、后、 左、右、底五个内表面均匀地喷洒防冻液。 举升装置是此喷洒装置的关键部分，举升装置的结构示意图如图1 3 所示。 j i 父 图1 3 举升装置的结构示意图 f i g 1 - 3t h es t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo fl i f t i n gd e v i c e 如图1 3 所示，该举升装置由曲柄滑块装置、丝杠螺母装置、蜗轮蜗杆装置组成。 当喷洒装置进行防冻液喷洒时，举升机构不产生动作，两曲柄处于水平静止状态，喷嘴 和车厢内壁之间的距离比较短；当运煤列车车头通过时，举升机构产生动作，通过螺母 的旋转带动丝杆上升，丝杆通过连杆将曲柄从水平静止状态旋转至竖直静止状态，与曲 柄相连接的喷嘴固定杆则处于水平静止状态，从而避免与列车车头相撞【7 1 。 其三是太原理工大学近几年研究的应用于防冻液喷洒的商业化产品。目前从检索到 的国内公开的防冻液喷洒装置论文、专利、文献等结果中显示，太原理工开发的产品占 多数，但部分产品存在一些不足之处。 专利号为z l 2 0 1 0 2 0 1 2 7 2 4 6 2 的摆臂升降式防冻液喷洒装置，已广泛应用于山西焦 煤集团主要煤矿的装车站和选煤厂，其升降机构采用垂直旋臂方式，工作示意图如图1 - 4 所示削。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 图1 - 4 摆臂升降式防冻液喷洒装置的工作示意图 f i g 1 - 4t h ew o r k i n gs c h e m a t i cd i a g r a mo fs w i n g i n ga r mo fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c e 图1 - 4 中1 、4 为水平位置，2 、3 为垂直位置。当不喷洒防冻液时，摆臂升降式防 冻液喷洒装置上升到垂直位置。由于一些选煤厂的装车区域为顶棚建筑结构，限制了喷 洒臂的上行空间，因而无法采用该专利描述的装置。 专利号为z l 2 0 0 9 1 0 0 7 4 3 3 7 6 的用于双车道运煤列车的旋臂式防冻液喷洒装置，由 于结构设计的原因，机构体积大，安装和拆卸困难，而且防冻液喷洒装置对支撑立柱或 支撑平台的作用力很大，因而对该装置的支撑件的强度和刚度要求很高，限制了在部分 场合的应用。 从国外公开的文献、专利等数据库的检索结果以及各类媒体的报道中，还没有发现 用于防冻液喷洒的商业化产品。主要原因是，与我国相比，国外多数国家煤炭产量小、 列车运输量少、地域范围窄、对运煤的防冻要求低，因而在防冻液喷洒方面的研究和应 用很少。 1 4 本文研究的主要内容 针对煤矿运销站的现有的条件，结合标准轨距铁路建筑限界( g b l 4 6 2 8 3 ) 中 对铁路基本建筑限界的规定，为了对各类规格车厢有效地喷洒防冻液，要求喷洒装置能 够适应各类规格车厢，本文的主要研究内容如下： 1 ) 提出一种新型的运煤列车防冻液喷洒装置的结构设计方案，基于u g 软件对喷洒装置 的结构进行三维造型设计，建立喷洒装置的数字化样机，并对其进行干涉检查，给 出防冻液喷洒装置主要的技术性能指标。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ) 在a d a m s 软件中建立防冻液喷洒装置的虚拟样机模型，对喷洒装置进行运动学和 动力学仿真与分析，为电动推杆和电机的选型提供参数依据。 3 ) 应用a n s y s 软件对防冻液喷洒装置主要零部件一主轴、连接杆和支撑杆进行静力分 析，验证其结构刚度、强度及材料选型的合理性。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章运煤列车防冻液喷洒装置机构方案设计 为了有效地喷洒防冻液，要求防冻液喷洒装置需具备以下的特点：一是能够改变喷 洒位置的高低，使喷洒装置能够适应各类规格车厢且实现对车厢的前、后、左、右、底 五个内表面均匀地喷洒防冻液；二是当运煤列车车头通过时，使喷洒装置能够避免与列 车车头相撞。因此，升降机构和旋转机构是防冻液喷洒装置的关键部分。 2 1 喷洒装置的升降机构 喷洒装置的升降机构用于提升和降落喷洒装置。对运煤列车进行喷洒时，喷洒装置 下降到接近车厢顶部，对车厢近距离实施喷洒，避免了喷洒时防冻液外泄。升降机构解 决了近距离喷洒的问题，有效地降低了防冻液的浪费。 典型的升降机构主要有以下几种： ( 1 ) 丝杠螺母机构 如图2 1 所示，图2 1 为太原理工大学设计并应用于选煤厂的丝杠螺母机构。 图2 1 丝杠螺母机构 f i g 2 - 1b a l ls c r e wn u ti n s t i t u t i o n s 当升降机构采用双立柱式丝杠螺母机构时，升降机构存在的主要问题是实现两侧同 步升降运动比较困难，如果运动不同步便会出现卡死现象；当升降机构采用单丝杠螺母 机构时，可以避免两侧同步运动困难的问题，但是由于丝杠负载的不平衡，丝杠承受很 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 大的偏转扭矩，对升降机的强度和刚度要求很高，使升降机构的体积更大，给制造、装 配和安装带来困难。 ( 2 ) 卷筒举升机构 如图2 2 所示，图2 2 为太原理工大学设计并应用于选煤厂的卷筒举升机构。 图2 - 2 卷筒举升机构 f i g 2 2r e e ll i f t i n gm e c h a n i s m 当升降机构采用卷筒举升机构时，升降机构在受到外界因素尤其是风力因素影响 时，喷洒装置容易产生摆动。如果采用导向装置，则在导向装置内容易出现运动卡死的 现象。 ( 3 ) 垂直摆臂机构 如图2 3 所示，图2 3 为太原理工大学设计并应用于选煤厂的垂直摆臂机构。 图2 - 3 垂直摆臂式防冻液喷洒机构 f i g 2 3v e r t i c a ls w i n g i n ga r mt y p eo fa n t i f r e e z es p r a y i n gd e v i c e 固 太原理工大学硕士研究生学位论文 垂直摆臂机构采用垂直旋臂的方式来实现喷洒装置的升降，由这种升降机构组成的 喷洒装置已经成功的运用到一些选煤厂，但是由于一些选煤厂的装车区域为顶棚建筑结 构，限制了喷洒臂的上行空间，所以无法采用该喷洒装置。 ( 4 ) 剪刀式升降机构 如图2 4 所示，剪刀式升降机构由可在平面内相互转动的支撑杆组成，支撑杆作为 机构升降折叠的对象，围绕着销轴旋转实现升降机构的升降，当升降机构上升或下降到 需要的位置，就完成一个升降过程。剪刀式升降机构具有承载量大、结构紧凑和工作可 靠的特点。 a b ：b tc 孵 图2 4 剪刀式升降机构 f i g 2 - 4s c i s s o r st y p el i f t i n gm e c h a n i s m 以上简单介绍了目前较常见的四类升降机构。综合以上四种升降机构，为了使防冻 液喷洒装置能够适应各类规格车厢，并且实现近距离地均匀地喷洒，剪刀式升降机构是 防冻液喷洒装置首选的升降机构。 2 2 喷洒装置的旋转机构 喷洒装置的旋转机构由防冻液自动喷洒系统的控制部分控制。防冻液自动喷洒系统 的控制部分由红外对射光电开关对车头、车厢、车厢连接空挡和行驶方向进行检测，p l c 根据检测信号控制摆臂的旋转和喷嘴的多方位旋转。 在运煤列车驶入喷洒区域时，由两组红外对射光电开关来检测车厢进入或离开，其 反馈的信号通过p l c 控制摆臂转动，并同时打开或关闭喷嘴上的电磁阀，使防冻液开始 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 或停止喷洒。当检测到车厢进入喷洒区域时，控制使摆臂旋转的机构向车厢上方转动， 使防冻液喷洒摆臂到达车厢上方，并垂直于车厢运行方向；当检测到车厢离开喷洒区域 时，或检测到车头等高位设备时控制使摆臂旋转的机构转动，使防冻液喷洒摆臂离开车 厢上方，并平行于车厢运行方向，同时停止防冻液的喷洒。 防冻液喷洒装置的旋转机构可以采用以下几种方案： ( 1 ) 利用带传动的旋转机构 如图2 5 所示，1 是减速电动机，2 是小齿形带轮，3 是同步齿形带，4 是大齿形带轮， 5 是立柱，6 是摆臂。 2 6 图2 5 利用带传动的旋转机构结构示意图 f i g 2 5s t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go fu s i n gb e l tt r a n s m i s s i o nr o t a t i n gm e c h a n i s m 此旋转机构由小齿形带轮、同步齿形带、大齿形带轮和减速电动机组成。同步齿形 带是由内表面布置有等间距齿的环形封闭胶带和布置有相应等间距齿的带轮组成。减速 电动机和摆臂安装在立柱的两侧，减速电动机带动小齿形带轮转动，通过同步齿形带传 动到大齿形带轮，大齿形带轮和摆臂为一体，从而驱动摆臂旋转【9 j 。同步齿形带有能在 恶劣环境下工作、有准确的传动比、传动比范围大等优点，但也存在许多缺陷，如不耐 磨、寿命短、齿剥离现象严重、振动、跳齿等不良状况。另外，使用同步齿形带对安装 和制造要求较高，必须保证其平行度。 ( 2 ) 将蜗轮蜗杆置于底部的旋转机构 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 如图2 6 所示，l 是立柱外套，2 是蜗轮蜗杆旋转机构，3 是喷洒摆臂，4 是立柱，5 是 丝杠螺母升降机构。 2 图2 - 6 将蜗轮蜗杆置于底部的旋转机构结构示意图 f i g 2 - 6s t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go fp l a c i n gw o r mg e a ra n dw o r ma tt h eb o t t o mo ft h er o t a t i n g m e c h a n i s m 此旋转机构为蜗轮蜗杆式，当电机转动时，带动蜗杆转动，通过蜗轮蜗杆的配合， 推动旋转底座旋转，旋转底座带动位于其上的立柱和摆臂旋转，从而实现摆臂的转动【1 0 。 此旋转机构将蜗轮蜗杆置于底部，需要单独制造蜗轮和蜗杆，不但提高了成本，而且制 造工艺比较复杂。 ( 3 ) 利用摆线针轮减速机的旋转机构 如图2 - 7 所示，1 是立柱，2 是喷洒摆臂，3 是摆线针轮减速机。 图2 - 7 利用摆线针轮减速机的旋转机构结构示意图 f i g 2 - 7s t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go fu s i n go fc y c l o i d a lp i n w h e e lr e d u c e ro fr o t a t i n gm e c h a n i s m 太原理工大学硕士研究生学位论文 此种旋转机构直接利用摆线针轮减速机提供的动力驱动摆臂旋转。摆线针轮减速机 是一种按照摆线针齿啮合的、行星传动原理设计的新型传动机械，现已被广泛地应用于 机械、建筑、能源、纺织、食品等领域。在此种旋转机构中，立式安装的摆线针轮减速 机通过凸缘联轴器和旋转主轴联接在一起，旋转主轴上端通过套筒和喷洒摆臂联接在一 起，当摆线针轮减速机旋转时驱动喷洒摆臂旋转【1 1 , 1 2 】。这种旋转机构由于结构设计的原 因，机构体积大，安装和拆卸困难，而且防冻液喷洒装置对支撑立柱或支撑平台的作用 力很大，因而对该装置的支撑件的强度和刚度要求很高，限制了在部分场合的应用。 ( 4 ) 利用空心轴减速机的旋转机构 这种旋转机构利用空心轴减速机的驱动来实现摆臂的旋转。空心轴减速机具有性能 可靠、结构简单、维修方便、输出扭矩大、噪音低等特点，安装灵活方便，主要应用于 冶金、起重、矿山、化工、运输、建筑等领域的减速传动。 如图2 8 所示，1 是立柱，2 是用于安装摆臂的槽钢，3 是空心轴减速机。这种旋转机 构是将空心轴减速机安装在旋转主轴上，主轴的两端通过主轴套筒与用于安装摆臂的槽 钢联接在一起，空心轴减速机驱动主轴旋转，从而驱动摆臂旋转。这种旋转结构具有结 构简单、拆卸和安装方便、工作可靠等特剧1 3 】。 _ k i 一趴一哉j一 i - - i i 一亡 胤10 7 彭3 嗑 】l l r 7 2 图2 - 8 利用空心轴减速机的旋转机构结构示意图 f i g 2 - 8s t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go fu s i n gh o l l o ws h a f ts p e e dr e d u c e ro fr o t a t i n gm e c h a n i s m 2 3 喷洒装置的升降机构和旋转机构的设计方案 本文提出的运煤列车防冻液喷洒装置其升降机构采用剪刀式升降机构。剪刀式升降 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 机构具有承载量大、结构紧凑和工作可靠的特点。旋转机构采用的是空心轴减速机式的 旋转机构。空心轴减速机式旋转机构具有性能可靠、结构简单、输出扭矩大、噪音低等 特点，并且安装和维修方便。喷洒装置设计方案简图如图2 9 所示。 图2 - 9 喷洒装置设计方案 f i g 2 - 9d e s i g ns c h e m eo fs p r a y i n gd e v i c e 2 3 1 喷洒装置的工作过程 防冻液喷洒装置的整个喷洒过程由p l c 控制，p l c 的输入端子接按钮、旋钮、光电 开关和接近开关等元件，光电开关用于检测车厢、车厢连接空挡、车头和行驶方向，接 近开关用于检测喷头转向机构的转轴的转动位置。p l c 的输出端子接指示灯、电磁阀等 输出元件。p l c 的模拟量模块接压力变送器、温度变送器和电磁流量计，用来检测液流 系统的压力、气温和流量。除此之外，变频器变频调速需要的模拟信号也是由模拟量模 块提供，根据模拟输入的信号控制液泵电机的转速，从而控制喷洒量p 4 , 1 s 。 控制系统由5 组红外对射式光电开关分别对车头、行驶方向、喷洒装置升降高度、 车厢和车厢连接空档进行检测。根据检测信号，p l c 控制防冻液的喷洒量。一组光电开 关用于检测列车车头；两组光电开关用于检测防冻液喷洒装置的升降高度；另两组光电 开关用于检测车厢连接空档、车厢和行驶方向。喷洒装置不喷洒防冻液时喷洒摆臂平行 于车厢运行方向，当光电开关检测到车厢进入喷洒区域时，控制使摆臂旋转的机构向车 厢上方转动，使防冻液喷洒摆臂到达车厢上方，并垂直于车厢运行方向。此时，p l c 控 制喷洒摆臂上升或下降到最佳喷洒位置开始喷洒。当检测到车厢离开喷洒区域时，或检 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 测到车头等高位设备时控制使摆臂旋转的机构转动，使防冻液喷洒摆臂离开车厢上方， 并平行于车厢运行方向，同时停止防冻液的喷洒。 2 3 2 设计的基本要求 防冻液喷洒装置的设计的基本要求： ( 1 ) 要保证机械结构满足工作要求； ( 2 ) 喷洒装置能够旋转，以便车头通过； ( 3 ) 喷洒装置能够升降，实现对运煤列车近距离地均匀喷洒； ( 4 ) 设计要经济适用。 2 3 3 主要技术指标 以下是防冻液喷洒装置的主要技术指标： 升降机构外形尺寸l x b h m m 。 可上升高度m m 上升时间s 旋转角度。 旋转时间s 2 4 本章小结 1 5 0 0 6 0 0 4 5 0 5 0 0 5 9 0 6 本章重点介绍了防冻液喷洒装置的典型的升降机构和旋转机构的几种方案。防冻液 喷洒装置的升降机构和旋转机构是本课题重点研究的内容之一。本文借鉴并考虑了国内 外在此领域的研究成果，结合对相关机构的现有的设计经验，提出了一种新型的防冻液 喷洒装置的设计方案，并给出了研制的防冻液喷洒装置应达到的基本要求和主要技术性 能指标。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章运煤列车防冻液喷洒装置的运动特性分析 运煤列车防冻液喷洒装置的运动特性分析是控制防冻液喷洒装置运动的基础。建立 防冻液喷洒装置的运动学方程和动力学方程并对其进行运动学分析和动力学分析，对于 研究防冻液喷洒装置的运动学和动力学性能、优化控制参数、确定控制方案具有重要的 意义。 3 1 防冻液喷洒装置运动学分析 防冻液喷洒装置的关键部件为升降机构和旋转机构，以下主要分析这两种机构的运 动。以剪刀式升降机构和空心轴减速机式旋转机构为研究对象，从运动学和动力学角度 分析这两种机构的运动。 3 1 1 升降机构的运动学分析 本文设计的防冻液喷洒装置的关键部件之一一剪刀式升降机构可以简化为平面连 杆运动。剪刀机构由两根支撑杆组成，两根支撑杆的中间用销轴连接，每根支撑杆又可 以认为由两段一端为固定铰支座、另一端为铰接的梁单元连接而成。支撑杆作为升降机 构折叠变化的对象，销轴约束着它的变化。升降过程中支撑杆围绕着销轴旋转，当到达 指定位置后，就完成一个折叠过程。 剪刀式升降台主要由底座、剪刀机构和工作台三个部分组成，其中剪刀机构是剪刀 式升降机构的主体，也是主要的受力构件。剪刀式升降平台按驱动形式可分为液压式驱 动和电机式驱动。其中，液压驱动剪刀式升降平台具有噪声小、工作平稳、压缩比大等 优点，适用于压缩比大，承载力较小的设备，在航空装卸、物流、剧场舞台设备等领域 已得到广泛应用【】6 j 。电机驱动剪刀式升降平台具有结构简单、设计紧凑、工作可靠等优 点，也可适用于承载力大的设备，目前也应用到许多领域。 剪刀式升降机构最高一组的支撑杆的一端与升降平台上的滑槽铰接，另一端与其他 支撑杆铰接，平台起升或下降时，支撑杆的一端在滑槽内滑动，从而实现剪刀机构升降 高度的变化。最低一组的支撑杆的布置和最高一组支撑杆的布置相同【l7 】。以下以具有两 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 组支撑杆的剪刀式升降机构为研究对象，升降机构的运动学分析几何简图如图3 1 所示。 y i 图3 1 升降机构的几何简图 f i g 3 - 1l i f t i n gm e c h a n i s mo f t h eg e o m e t r yo f t h ed i a g r a m 升降机构的运动可以简化为平面运动。求解b 点的水平位移与升降平台的竖直位移 之间的关系可采用速度瞬心法或几何法。以下采用几何法求解。 设升降机构中支撑杆的长度为2 口，铰接点c 位于支撑杆长度的中心，那么直线a c 和直线b c 的长度为a 。在升降机构在运动的初始位置( 最低位置) ，如果不考虑支撑杆 的实际横向尺寸( 厚度) ，那么c 点在直线a b 上，但实际上支撑杆是有高度的，所以 升降机构在运动的初始位置时，c 点不在直线a b 上。设此时直线a b 的长度为b ，在 升降机构的几何简图中，b 可以计算出。升降机构在运动到任意位置时，直线b c 、a c 、 a b 的长度分别为a ，a ，b l e t ，v 为b 点运动的速度，r 为b 点运动的时间。 根据海伦公式s = 、p ( e a ) ( p - b ) ( p - c ) ，其中 s ：三角形的面积 p ：三角形周长的一半 口、b 、c 分别为三角形角彳、b 、c 对边的边长 建立方程 化简得 1 6 = 圭( 6 一s ) 办 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ( 3 1 ) b s 其中h 为c 点到直线a b 的距离，s 为b 点的水平位移，s = v t 。 在公式( 3 1 ) 中，a 为已知量，b 己计算出。当给定v 、t 时，便可以计算出h 。 分析图3 1 ，可以得知升降平台的上升高度h = 4 h 一4 c ，c 为支撑杆实际横向尺寸的一 半。所以，给定b 点运动速度矿，便可以求出r 时刻的b 点的水平位移s 和升降平台的 上升高度何。 3 1 2 旋转机构的运动学分析 本文设计的防冻液喷洒装置的旋转机构采用的是空心轴减速机式，内部采用的是二 级蜗轮蜗杆减速机构，以二级蜗轮蜗杆减速机构为研究对象，根据传动比公式有： 堕= 互，亟= 一z 4 ( 3 - 2 ) c o2 z 1c 0 4z 3 因为国：2 国3 ，所以盟0 ) 42 , z z 2 。z z ：4 公式( 3 - 2 ) 中，c o 。、z 。为一级蜗杆的角速度和头数； 国：、z ：为一级蜗轮的角速度和齿数； 国，、z 。为二级蜗杆的角速度和头数； 国。、z 。为二级蜗轮的角速度和齿数。 由公式( 3 2 ) 知，给定一级蜗杆的角速度，便可以求出二级蜗轮的角速度。 3 2 防冻液喷洒装置动力学分析 因为防冻液喷洒装置的关键部分是升降机构和旋转机构，所以还是以防冻液喷洒装 置的升降机构和旋转机构为主要研究对象，从动力学角度分析这两种机构的运动。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 2 1 升降机构的动力学分析 剪刀式升降机构通常由平台、升降机构和底座三个部分组成。剪刀式升降机构的支 撑杆数目、电动推杆或液压缸布置形式由起升高度而定。剪刀式升降平台的移动方式有 牵引式、助力式和自行式，自行式升降平台底座的结构最紧凑复杂，在设计自行式升降 平台的剪刀式升降机构时，必须考虑电动推杆或液压缸与升降平台底座的零部件的几何 关系，从而避免干涉。 目前，国内外许多专家及学者对剪刀机构及液压驱动式升降平台的运动学和动力学 性能作了比较深入的研究u 8 - 2 0 】。v i d r a n o v s k i i 等基于拉格朗日方程，建立了剪刀式升 降机构的动力学模型，得到了剪刀式折叠机构的动力学特性，并且编写了用于可展机构 程序【2 。z h a o 等采用机构分析法对折叠机构理论进行了深入的研列2 2 1 。宋耀军等对液 压驱动剪刀式升降平台进行了运动学及动力学分析，得到了活塞杆与升降平台运动之间 的关系式。 图3 - 2 升降机构分析简图 f i g 3 - 2l i f t i n gm e c h a n i s mo f t h ea n a l y s i sd i a g r a m 图3 2 为升降机构动力学分析简图，考虑剪刀式升降机构为平衡对象，铰链约束为 理想约束，此结构可简化为三个外力：升降平台上所受的载荷m 、电动推杆两端的顶 力尸、p ，尸：尸。根据虚位移原理，具有理想约束、定常、双面的质点系，初始为静 止状态，在某位置其平衡的充分与必要条件为：作用在质点系上的所有主动力在任何虚 位移上所做的虚功和等于0 p j ，即： ( f 扛艿扭+ f 咖万驴+ f 扛6 妇) 2 0 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 取如图3 - 2 所示的坐标轴，可得： p 6 强七m6 m = 0 其中x b = 2 a c o s , 6 = 4 a s i n 3 ：a r c s i l l 鱼 口 经过变分运算后得： = 一2 a s i n f l= 4 a c o s f l 整理后得： p = 2 m c o t , a ( 3 - 3 ) 由式( 3 3 ) 可知，在给定台面载荷m 的情况下，电动推拉杆的拉力随变化，而 角与结构尺寸h 和a 有关，因此根据载荷和支撑杆的尺寸，既可以求出整个行程范围内 电动推杆的推力，并由此为确定电动推杆的选型参数提供依据。 3 2 2 旋转机构的动力学分析 本文设计的防冻液喷洒装置的旋转机构采用的是利用空心轴减速机的旋转机构。空 心轴减速机是利用电机驱动，经蜗轮蜗杆传动减速，将电机轴的转动减速传递到空心主 轴上。空心主轴套装在旋转主轴上，旋转主轴上端通过套筒与喷洒摆臂联接在一起，通 过空心轴减速机的电机驱动旋转主轴转动，从而带动喷洒摆臂旋转。 u 爿 i 1 1 i 一 f 2 i f 3 1 刍 图3 - 3 旋转机构分析筒图 f i g 3 - 3a n a l y s i sd i a g r a mo fr o t a t i n gm e c h a n i s m 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 3 为旋转机构的分析简图。取旋转机构为研究对象，作用在旋转机构上的力有 配重的自重f 1 、摆臂的自重f 2 、喷头转向机构的自重f 3 、推力轴承对主轴的约束力f ， 这些作用力构成了平面平行力系，旋转机构在这些平面平行力系作用下平衡。建立平衡 方程： f 疋= 0 【帆= 0 即 ；矗1二n：乃二03：(3-4)l1f 2l 2fl 30i