ZHMQ-10液压铝热焊钢柱切割打磨机技术报告

1、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

2、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

3、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45 kg ； 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）。钢柱切割机手 动 泵油 缸锁轨导向机构 切 割 刀机 架采用手动泵、换向阀、油箱一体式结构采用双作用油缸，设置在钢轨两边导向轮控制移动框架保持直线运动根据油缸和切割刀位置、尺寸设计框架由锻造高温钢及铸钢拼焊制成图31、手动泵设计方案手动泵采用一体式

4、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42、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53、锁轨导向机构为了在切割作业的过程，推刀沿着直线运

5、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64、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

6、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）：钢柱切割机连结框架搬运手柄置打磨机构主框架钢轨走行论置马达支架马达及砂轮置液压系统图91、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

7、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102、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

8、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

9、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，60 kg/m钢轨，在850950对铝热焊轨头焊瘤切割作业，最大切割阻力约为50 kN，切割宽度为（见图15）：7.3 cm +2×3.5 cm =14.3cm。大小钢柱切割宽度：2×1.1 cm +2×1.6 cm =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40

10、kN。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153、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×（×2.52）×2=5495 (kg)=53.9 kN（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=1

11、80×（×2.52）×2=7065 (kg)=69.2 kN（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××R2×L =2××2.52×13=510(cm3) ml 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=3038升/分钟(500633 cm3/s)全行程油缸用油量为510 cm3所以全行程时间t = V/Q全行程最慢为：510/5001.02（秒）

12、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27.2 cm3。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×510 cm3/27.2 cm3=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=3038 Lpm（升/分钟）P=140 bar（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=6.28 m

13、l（cm3）， 效率95%按照输入流量计算转速范围是：95%×30000/6.2895%×38000/6.28=45385748 (转/分钟) 马达转速Rs确定为：45005700 （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=3038 Lpm马达排量：q= 6.28 ml磨石直径

14、：D=200 mm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 =6.86 kW 最小扭矩T的计算（砂轮边缘的扭矩）：首先计算磨削线速度vv= Rs×D× =75转/秒×0.2×3.14（米/转）=47.1 m/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

15、=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161C 梁拉应力分析：C梁断面（见图17）截面积:S（c）=10×90=900 mm2查表得：碳钢抗拉强度774N/mm2=774 N/mm2×900mm2=696600 N=71.08 t (吨)双梁合计：142.16

16、 t (吨) 安全系数=142.16/7=20.3 结论：满足要求2C 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=6.3 cm2查表得到：焊缝许用应力为 235 Mpa=23500 N/cm2=23500 N/cm2×6.3 cm2=148050 N =14.8 t (吨)双梁合计 29.6 t （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。（