移动式架车机结构设计

本科论文目录23589摘要 I18513Abstract II1459引言 1231811设计目标 2155961.1研究的目的与意义 269711.2国内外研究现状和发展趋势 3142051.2.1国内研究现状 399461.2.2国外研究现状 439112设计要求 6270432.1目前架车机方案的比较 6148692.2动车组的各参数分析 768812.2成果要求 9286773设计方案 11483.1产品结构设计 11323413.2架车机工作原理 1381013.3丝杆螺母的选型 16126523.3电机的选型 20323.4机架的设计 2062343.4.1机架的总体尺寸 20208323.4.2机架的受力分析 21136013.4.3机架强度的验算 23249803.5托架的设计 2421833.5.1托架主轴的尺寸设计 24134294架车机辅助装置设计 2874964.1托架横移装置的设计 28287184.2安全保护装置的设计 2855814.3架车机的移动装置 30139905实物制作 326379结论 3430174致谢 38本科论文摘要架车机是列车临修库、定修库、架修库中的基本设备。移动式架车机是国内外高速铁路列车检修维护基地最常见的重要设备。架车机的作用是在整列动车组列车在不解编的情况下将车体同步架起，可以进行转向架的更换，以及根据需要将车体同步举升到任意的高度对其底部进行检修作用。由于不需要对动车组列车进行解编和编组作业，降低了作业时间，节约了检修成本，提高了动车组列车的利用率。随着我国铁路第六次大提速顺利实施，以及客运专线不断的建成通车，国产CRH系列200-300km/h的动车组列车已分批投入运营，并开始进入转向架更换检修期，且数量不断增加。采用何种方式安全高效地实现动车组列车的整体架车并且快速更换转向架，保证动车组列车运营的安全已成为当务之急。移动式同步架车机其优点在于它的造价便宜，对于不同类型的动车组兼容性好，在使用过程中可移动，使用时能灵活的控制数量。关键词：动车组；移动式架车机；机架；承载能力AbstractTheliftingjackisthebasicequipmentofthetrain,andtemporaryrepairintheframe.Themobileliftingjackisthemostcommonandimportantequipmentofhigh-speedrailwaytrainmaintenancebaseathomeandabroad.TheliftingjackisintheentirecolumnofEMUtrainsingroupunderstandthebodyworkissynchronous,cancarryoutsteeringframereplacement,andaccordingtotheneedtobesynchronizedliftingbodytoanarbitraryheightonthebottommaintenancerole.Becauseitdoesnotneedtosolvethetrainandmarshallingoperation,theoperationtimeisreduced,themaintenancecostissaved,andtheutilizationrateofthetrainsetisimproved.Withthesmoothimplementationofthesixthrailwayspeed-up,andpassengerdedicatedlinecontinuouslyopenedtotraffic,EMUtraindomesticCRHseries200-300km/hofthebatchesoperational,andbegantoenterthebogiereplacementandrepairoftheperiod,andthenumberisincreasing.WhichwaytoachievethesafetyandefficiencyofEMUtrainandtherapidreplacementofbogieframe,toensurethesafetyofthetrainoperationsafetyhasbecomeapriority.Theutilitymodelhastheadvantagesthattheutilitymodelhastheadvantagesoflowcost,goodcompatibilitywithdifferenttypesofmotorcars,andcanbeusedintheprocessofusing.Keywords:TheEMUtrain；Themobileliftingjack；machineframe；carryingcapacit引言近半个多世纪以来，世界各国都在努力进行铁路的技术装备和现代化管理的研究，努力推进铁路运输技术的进步，在很多方面取得了突破性的进展。与此同时，随着世界各国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对于出行条件、旅行环境的要求越来越高。高速铁路的出现，无疑对铁路复兴产生了积极影响。从2008年我国第一批动车组投运以来，经过一段长时间的线上运行，大部分的动车组列车都即将或者已经进入了三级以上的修程，而架车机对于动车及三级修来说，是一个必不可少的设备。在我国的动车组检修的初期，出于对于检修设备安全性以及可靠性相关方面的考虑，以及考虑到当时我国在这方面发展的的实力，这些设备大部分都是依赖于从高铁较为发达的国家进口。本次设计的移动式架车机参考了许多实际工程中使用的架车机资料，所有参数力求设计合理，更加贴近工程实际，提供了一种较为合理的移动式架车机的的设计方法。1设计目标1.1研究的目的与意义从1825年世界上第一辆实用火车出现，火车从最开始的蒸汽机车到现在的动车组列车，在全世界范围内已经使用了180多年。在这180多年的发展和使用的过程中，为全世界的客运以及货运发展做出了不可磨灭的贡献。随着科技的日新月异，对于火车运行要求也越来越高。列车的车体朝着安全、经济、环保、高速以及重载等方向发展。这种条件下，也对列车的检修装备提出了更高的要求。对于检修装备的高可靠性以及高效率性有了更加严格的要求。架车机作为列车检修中的关键设备，在列车的库检中广泛运用，它的各方面的性能决定了对于列车检修的质量[1]。目前，铁路运输行业进入了飞跃式的发展阶段，机车作为列车维修的必备设备之一，广泛应用于日检、月检段。一套行车起重机可利用多个支承头将单节或长组多节车体提升至最多3米，方便转向架和车辆底盘的维护和更换。目前，常见的汽车类型可分为两大类:固定型和移动型。固定式车厢机是专门为某类车辆设计的车厢机，适用于列车维修的高频率；移动式架车机由于它可以按需求布置的特点，可以适用于不同类型的列车类型。高速动车组为了使得在运行过程中的舒适度以及安全性，车要求密封严密，车厢之间的连接结构较为复杂。因此，在一至三级的维修中，动车组的列车储存维修工作是不可拆卸的。三级修复更换转向架工作时，首先车体同步升起或移动，拆除转向架，然后再将好的转向架装配在车体上。我国客运专线网规模大，总公里数长，线路的规定行使速度不同并且数量大，因此出现了多种型号的动车组列车和转向架。有时会在一个动车维护基地内出现多种不同的车型，因此对架车机的兼容性要求较高。动车组有8辆编组方式和16辆编组方式，因此整个设备在横向上要满足不同编组长度和不同类型列车的长度，还要满足更换转向架、运输拆卸部件和其他作业的要求，以避免框架单元与周围结构的相互干扰，起重机的上部空间要满足桥式起重机的吊装作业，下部空间在吊机安装和两侧自由通过后有工作人员的下部拆装作业空间。移动式架车机每4台为一个单元，多个架车机单元可以组成一组，满足8节编组以及16节编组的动车组列车的架车需求。架车机都可在地面任意移动，以满足不同车型对架车作业的需求。架车作业以前，工作作人员必须将转向架从沟中的车体中分离出来。移动运输机操作灵活多变,对于不同型号的列车都能适应，而且额定起升重量大，在国内外的整体架车作业中使用范围广。尤以德国、法国、韩国等为代表。移动式架车机缺点是在作业时效率低下，每组架车机在架车机作业之前，都需要工作人员对架车机进行对准操作，而且它在工作工程中需要人全程监控。所以，移动式架车机通常适用于作业量小或者车型较多的检修库。图1.1移动式架车机实物图1.2国内外研究现状和发展趋势1.2.1国内研究现状目前我国现有高铁里程位居世界第一，高速列车、动车的数量增加，与此同时城市地铁也快速发展，城市轨道交通车辆需求量也增多。上述情况使得高速列车、动车、地铁车辆的在维修检测方便性方面提出一定要求。架修工程车维修作业大多需要移动式架车机，方便维修、更换车体转向架及其它部件、对车底部进行检测清理作业，避免了在修理棚内开挖狭长阴暗地坑的必要，同时大幅提升了工作效率。目前，随着机车车辆的现代化，国内机车车辆的制造、检修和维修逐渐接近国际水平。在机车车辆的制造、检修和维护中，无地坑同步举升机，俗称同步架车机车，已逐渐取代传统的地坑式同步举升机，为了更好地实现单节、双节、多节车辆的举升。现有的同步车架机是由以车辆为单元、以车辆转向架部分为单元的电机和计算机控制的车架机械单元组成的机械系统组成。同步框架电机的框架机械单元数一般与单、双、多节机车提升时的转向架相同。每个机械单元由盖板单元、转向架提升单元和车体提升单元组成。在不需要提升机车时，采用盖板单元覆盖基坑内的转向架提升单元和车体提升单元，盖板单元与地面平齐[2]。1.2.2国外研究现状综合国内外架车机的发展状况，架车机的同步升降方式分以下几种[3]：（1）气缸同步控制升降的架车机：这种架车机的同步升降由四个单独作用的气虹、两个充气阀、两个节流阀、两个排气阀和连接管路组成。在机架上，首先打开充气阀，经过压缩空气通过节流阀进入两个平行的气虹，两个气虹同时升起一端的车辆。下车时，打开排气阀，气虹在车辆自重下排出内部压缩空气，车辆落回地面。具有成本低、维护成本低的优点，但是由于气缸的经常使用，气缸会受到腐蚀或者磨损，使得它们的气密性都不相同，所以它很难保证架车过程中的的同步率，而且这种架车方式也很不可靠。这种方式的同步精度较低，在10mm左右，而且在工作过程中需要有人值守，目前只有少量用于货车架车中。（2）液压同步控制升降的架车机：液压油泵由电机驱动，经油泵加压后的液压油通过油管到顶进活塞，通过活塞使得架车机进行升降。在作业过程中，现场工人需要同时连上所有架车机的电源来确保它们可以同步升降，同步精度控制在8mm以内，如果在工作过程中出现某几台架车机升降不同步的情况，那么这时需要立即断开电源并进行检查。这种架车机由于其监控装置的缺失以及有液压油有泄露的风险，所以目前已经很少使用这种架车机了（3）机械同步控制升降的架车机：该类型架车机的丝杠螺母机构是使用轴连接的，即保证了同步升降的同时也满足了机械锁定，可以有效的防止列车翻车事故。它一般是通过主控台来控制架车机的升降，并且通过监视画面来观察架车机的工作情况。这样的架车机不用控制就可以完成同步升降，并且精度很高，在2mm以内。但以这种方式控制同步升降的架车机较为昂贵，是普通电动移动架车机的3-4倍。由于其装置是固定的，不需要人工进行对位等工作，因此可靠性较高。同时，由于它的位置不能改变，所以它只能适应一种车体。（4）电机同步控制升降的架车机：每台架车机都由单独的电机驱动其进行升降，它的同步升降是由已经编好码的PLC控制器控制，这种架车机一般都为电动式移动架车机。架车机同步升降精度在5毫米以内。与地坑式架车机相比，成本较低。但是在完成任务之前需要做大量的准备工作，例如，地面移动和人工调整，所以说这种架车机受人为影响较大，需要投入的人力成本较高，安全性较低。为了有较高的同步升降精度，所以会有较多的位置检测装置，而且控制程序比较复杂。2设计要求2.1目前架车机方案的比较目前市面上的架车方案有地坑式与移动式两种，两种方案各有优缺点。地坑式架车机如图2.1所示，移动式架车机如图2.2所示。图2.1地坑式架车机图2.2移动式架车机地坑式架车机与移动式架车机相比，它的设备前期投入大，当它是单一类型的架车时，它的价格约为移动式架车机的3倍～4倍左右，若地坑式架车机可以兼容多种车体架车，它的各种设备价格大约为移动式架车机价格的5倍～6倍，如果兼容的车型变多、车与车之间的结构参数差距变大，地坑式架车机与移动式架车机的价格的差距也会更大。而在库房的基础设施等的建设上，对于移动式架车机来说，通常情况下检修库内需要有通长的轨道桥或检修地沟，但地坑式架车机只要按照转向架的数量安置相应的地坑，如果不考虑兼容多种车体，两者在土建整体投资方面的相差不大。但对兼容多种车体的地坑式架车机来说，它在土建基础方面的投入将比移动式架车机有很大程度的增加[8]。对于架车效率来说，地坑式架车机相对于移动式架车机而言所用的人力资源少，而移动式架车机在作业之前需要进行大量的对位等工作，所要的的人力资源较多，并且它作业消耗的时间也较多。以起升8辆编组的动车组列车为例，若使用移动式架车机，它所需的人力资源大概为使用地坑式架车机时的人数的4倍～5倍。使用地坑式架车机进行作业时，设备固定，因此，车辆和架车机间的对位简单，架车作业、替换转向架的工作时间短。使用移动式架车机更换转向架时，转向架和车体之间的对位操作复杂，尤其是对于动车列车来说，它们的转向架的数量多而且结构复杂，安装与拆卸不易，如果使用移动式架车机替换整列转向架，那么作业耗费的时间大概是使用地坑式架车机的1.5倍～2倍。2.2动车组的各参数分析从表2.1中可以看出各型动车组列车的主要技术参数差距比较明显，所以要求架车机拥有良好的兼容性，可以适应以上4类的动车组列车。表2.1动车组参数车型编组型式列车总质量/t车辆长度/mm车体宽度/mm车辆定距/mm固定轴距/mm车轮直径/mm相邻辆车转向架中心距/mm车体架车点CRH18辆420.4头车：26950中间车：266003331190001880027009157600枕梁中心线位置架车垫板CRH28辆345头车：25700中间车：2500033801750025008607500枕内580mm架车孔CRH38辆380头车：25675中间车：2477532651737525009157450枕内1145mm架车垫板CRH58辆451头车：28050中间车：2590032001900027008906900枕内1350mm架车垫板4类动车组列车的重量都不相同，其中最重的为CRH5型为451吨，所以架车机的单机额定起重能力应该以CRH5型为准。各型的车体宽度其中CRH2型最宽为3380mm，CRH5型最窄为3200mm，所以对于托头来说，应能横向移动，来适应不同的车宽。由表2.1中所示，最重的动车组列车为CRH5型，为451吨，一列动车组列车为8节，共需要32个架车机，那么单台架车机的举升能力至少为14.1吨，根据起重机手册中的介绍，推荐的最大举升重量有16吨或者20吨，考虑到安全以及余量等问题，架车机的单机额定举升能力定为20吨。目前我国的动车组列车共有4种，车宽、车体架车点等各不相同，所以如果架车机的托架只有单一一个形式的话，那么一种架车机只能用于一种动车组列车，这对资源无疑是一种浪费。对于这种情况，架车机的托架部分必须能够做横向运动，可以根据不同的车型来调节托架的位置，来适应不同车型的不同车宽以及架车点。托架的横向移动依靠的是托架横移装置，如图2.3所示。1—托头；2—滚轮；3—减速器；4—手动减速器；5—丝杠；6—螺母图2.3托架横移装置架车机的托头由上下滚轮支撑，并且能在滚轮上做横向运动。横向移动电机实现托头在无载情况下横向移动，横向移动手柄可完成托架在承载状态下横向移动。横移手柄直接接在丝杠上，通过人力旋转手柄来使架车机的托架进行横向移动，电机通过带动齿轮的旋转来带动丝杠的旋转，从而带动托头的横向移动。电动移动式同步架车机是一个高度自动化的复杂系统的机械设备，需要有完备的电气联锁保护功能以及故障故障监测与恢复功能，以保证作业安全[9]。移动式同步架车机有总控电钥匙开关、主升降上下限位、托头横向伸缩前后限位、障碍物保护、同步超限、急停等多种保护装置。主控计算机具备各种保护信息的提示功能，便于系统故障监测与恢复。动车组列车在进行架车作业时，要求动车组列车入库后能够准确的开到预定的位置停车。在现在的架车作业中，停车的位置精度要求较高，以往以人经验来判断停车位置的方法已经不能适用于现在的情况，所以在架车作业时，需要一套激光测距定位装置来辅助[10]，如图2.4所示。图2.4激光测距定位装置示意图激光测距仪安装在由电动机驱动的伸缩杆上，在动车组入库前，伸缩杆伸出到位，让激光测距仪位于轨道中部的正上方，在不作业时，可方便的收回，不影响到轨道的通行能力。对CRH1型动车组来说，在首次使用激光测距装置时，通电后激光测距装置就可以开始工作。被测车体由左至右不断运动，距离Lx的值时刻变化，当被测量车体到达预定停车位置时，Lx=L1，激光测距仪的主控端会自动根据主控计算机设定的车型，记下CRH1型动车组所对应的L1的值。在平常使用时，被测车体由左至右不断移动，距离Lx值随着它的移动而变化，激光测距装置实时计算Lx-L1值，如果Lx-L1>500mm，那么显示屏上则显示EEE，即超过了预定停车位；若Lx-L1<-500mm，显示屏显示，即未到预定停车位；如果-500mm<Lx-L1<500mm，那么测距仪会提示司机与预定停车位的距离。对其余类型的动车组列车来说，尽管列车头车曲面形状都不相同，但只需记下1次相对应的L1的值，那么在平常使用时，激光测距装置根据选择的不同的车型，实时计算Lx-L1的值并在显示屏上显示出来，提示司机列车与预定停车位之间的距离[11]。这样就提高了停车的准确性。2.2成果要求（1）毕业设计说明书：1本；（2）移动式架车机的零件三维造型及装配，电子文件，一套；（3）移动式架车机的所有非标零件图（标准CAD图电子文件）电子文件：一套；（4）移动式架车机的装配图（标准CAD图电子文件）：1张；（5）相对最复杂的非标零件打印图纸：3张，A3图幅；（6）移动式架车机的装配图打印图纸：1张，A1；（7）移动式架车机实物模型：1件。3设计方案3.1产品结构设计架车机是一种新概念、新结构的专用设备，它车体平动稳定和悬臂力在受力工况下较为恶劣，其主要组成部分是车架、底座、传动装置、行走装置和电子控制系统。总体结构如图3.1所示。图3.1架车机总体结构图（1）机架机架采用门式双立柱的结构，所有钢板和型钢表面都经抛丸预涂底漆处理，并且在焊后经由闷火消除内应力处理后，并经过一体加工后在与底座焊接成型。架车机机架的强度刚度耐磨性等符合要求。顶部与传动装置联接采用止口螺栓，形成门式结构，受力情况好，拆装方便，维护与保养方便。（2）传动装置传动装置由电机、减速器、丝杠螺母机构组成，电机减速器直联丝杠带动丝杠转动，再通过螺母带动架车机托架进行升降，传动构造与原理简单，噪音低，作业过程中吊挂体受力情况良好，维护保修方便。丝杠螺母传动系统采用了主螺母与安全螺母的双螺母设计，两螺母设计可以保证承载能力满足要求，当作业过程中出现意外例如主螺母磨损以及其它情况时，安全螺母将会承受所有的载荷以保证安全避免意外情况的发生。为了防止在电器控制失灵的情况下螺母突破行程限制遭到破坏，在丝杠上安装有安全死挡环。丝杠的材质是具有很高强度韧性的40CrNiMo。（3）托架托架的主要组成为左右主立板、主轴、托头、托头架、滚轮、主螺母、安全螺母等。在作业过程中左右主立板为重要的受力部件，它不仅自身受力并且它的结构形式决定了滚动轮以及主轴的受力模式，还影响滚动轮对机架立柱的力的大小，因此，把左右主立板的结构形式设计为钩型的结构以对滚动轮组进行分散，在最大程度上的改善左右主立板、滚动轮、机架双立柱、托头、托头架的受力状态。托架装在主螺母上并用螺栓固定，构造紧凑，散热良好，更换方便。（4）走行装置走行装置为3吨手动液压插车。如果需要移动架车机工作，工作人员使用液压叉车来移动架车机到工作地点。（5）托头横移系统架车机的托头上装有横移装置，由减速电机、丝杠、螺母等组成。为了保证架车机在负载情况下能够进行横向的移动，需要使车架与转向架的对准。调整方便，装置安全性好。在作业过程中，能很好的实现车体的横向移动而车体不发生任何变化。横移装置中的限位系统的作用是为防止横移过程中，丝杠螺母机构进入死点而使得电气及机械的损坏以及防止人手被挤伤。（6）电控系统本设计中的架车机在工作过程中成组使用，为联动移动式架车机，4台单体架车机为一组，32个单体架车机为一套，一套架车机便可以满足一列整编的动车组列车的举升需要。一组架车机组由统一控制柜控制，可随意移动。供电线路、控制线路等与控制柜之间的连接采用航空插头连接，便于安装单元移至其他检修线路。综合控制柜的移动方便灵活。框架单元(共32个单框架单元)运行时，每8个控制柜连接到另一个控制柜(以区分单个控制柜)，然后连接8组连杆机构。各组可以进行单独的操作，从而能够进行单组框架的操作，实现联动框架的要求。3.2架车机工作原理先将整个列车推送或自行运行至整列架车机顶部,并使各个转向架停放于整列架车机的对应位置，也即整列架车机中与其对应的转向机举升机构上[5]。然后通过电气控制系统同步集中控制,控制各个转向架举升机构的电机驱动丝杠螺母副的螺栓转动，从而通过带动固设在丝杆螺母副的承载螺母上的轮对举升横梁而使轮对举升臂上升至适合的高度。然后，将各个转向架中与车体连接的部件拆卸，也即，将转向架与车体连接的牵引拉杆、抗蛇形减震器、高度阀杆等部件和连接导线拆卸。再次利用电气控制系统同步集中控制，通过控制各个车体举升机构的电机带动托头上升至列车吊车位或顶车位的位置。如果此时托头不与吊车位或顶车位水平纵向正对，通过行走驱动电机驱动平台小车的轮对在两钢轨中运动，也即沿列车的纵向前移或后退，使托头与吊车位或顶车位正对对准,并伸入吊车位。再利用电气和计算机同步集中控制,使各个转向架举升单元连同转向架一起下降到地面，使转向架举升机构内兼作钢轨的支承纵向梁和与地面钢轨对齐。此时,整列车的各车体由与其对应的车体举升机构支撑。通过控制各个车体举升单元中的电机带动各个车体举升臂继续上升2.7m左右，以避免人工在车底下推转向架时碰到底架上的设备，并保持该高度不变,直到检修后的转向架重新回位。人工推动转向架沿着支承纵向梁运动至地面钢轨，并推送出列车车体底部。在转向架滚动前进过程中，是利用车轮踏面接触的方式通过转向架举升机构中的支承纵向梁和。当检修合格的各个转向架需要与车体重新组装时,先将各转向架与按先前顺序推送至车体底部对应位置，各转向架举升机构在电气和计算机控制系统的控制下，将转向架举升至离轨面适合人工操作高度范围内。同时利用车体举升机构将车体下降至便于和转向架组装的合适位置，进行转向架与对应的车体的连接。当连接完成后，使各转向架举升机构略升起，以便托头从吊车位或抬车位离开。随后将各车体举升机构下降至地面。再下降各转向架举升机构和列车至地面，此时整列动车组就可出去了。每台架车机都由电动机驱动丝杠螺母机构来控制它的上升下降，在电动机的轴端安装有编码器，它的目的是为了实现控制架车机的同步升降。它是使用PLC或者微机来实时采集编码器所发出的脉冲信号来控制每台架车机的电机的转速进而实现控制架车机托头的升降速度来实现近似的同步架车。一般情况下在每台架车机旁都有单独的一个控制箱，如图3.2所示。这个控制想的的作用是控制单台架车机的运行并且实时进行监测这台架车机的托头的高度，若出现两台架车机的托头的高度差较大或者主控制柜发生故障时可通过每台架车机单独的控制柜对每台架车机进行控制，避免事故的发生。主控制柜是作业时所有的架车机的控制终端，实现了架车机的同步控制，如图3.3所示。它的内部主要是主断路器、接触器、继电器、熔断器来完成电机的配电及相关保护工作；核心部件为PLC，拥有手动架车与自动架车两种方式。操作面板上设置有电压、电流、高度的显示以及紧急停止、上升、下降、停止按钮等，方便操作。电动移动式架车机的同步控制的精度在5mm内。价格与机械同步地坑式架车机相比较来说较为低廉，但当它在架车时，需要地面移动、对位等大量工作，人对它的影响较大，作业时需要人力较多，人力成本高，安全性较低；但移动式架车机在使用过程中灵活，可兼容不同类型的车体的架车需求；为了实现同步控制精度，需要较多位置检测装置，控制程序复杂。图3.2架车机控制箱图3.3架车机主控制柜3.3丝杆螺母的选型架车机在工作过程中，传动装置作为架车机的主要机构之一，它主要包括了主丝杠，出主传动螺母，安全螺母以及轴承等部件。架车机托头的升降都是由丝杠螺母机构来完成的为了保证传动过程中的平稳以及机车架车过程中的安全性，机构中配有安全螺母来防止主传动螺母发生破坏而造成意外。而且在举升过程中，由丝杠螺母机构承载列车的全部重量，所以丝杠螺母的承载能力是重中之重。螺母机构的主要失效形式为螺纹面磨损、螺杆断裂、螺杆破碎或切断、螺纹根部断裂。一般来说，螺丝和螺母机构的主要尺寸[12]是通过耐磨性和强度计算来确定的。因此，螺母机构的设计需要明确实际需要，并在此基础上进行相关计算，然后确定螺母机构的尺寸参数。在架车举升的过程中，为了保证丝杠螺母具有自锁性，丝杠螺母采用单线梯形螺纹。丝杠螺母的尺寸确定[13]：由于是单线螺纹，所以螺距P=导程S，架车机托架的升降运动的速度为150mm/min=0.0025m/s，许用压强[P]=15MPa，按耐磨性计算丝杠螺纹的中径，查表得=4（3-1）式中：F-轴向力；p-螺距；-丝杠结构系数；h-螺纹工作高度；[P]-许用压强。梯形螺纹h=0.5p，d2≥46.07mm，查表得：d=80mmp=s=10mmac=0.5H1=0.5p=5mmh3=H4=0.5p+ac=5.5mmd2=D2=d-0.5p=75mmd3=d-2h3=69mmR1MAX=r1max=0.25mmR2max=r2max=0.5mm螺母尺寸：D1=d-p=70mm,D2=d2=75mmD4=d+2ac=81mmH4=H1+ac=5.5mm验算分析：自锁性验算：由于是单头螺纹，则，s=p=10mm；螺纹升角（3-2）式中：s-导程；-螺纹中径可得：（3-3）式中：-螺纹压力角，=20°；-当量摩擦系数，钢对青铜的当量摩擦系数查表取0.09。因此：；所以丝杠螺母机构的自锁性可靠。丝杠螺母机构的材料选用及强度验算：丝杠选用40CrNiMo,查表得σs=860MPa，需用应力，取[σ]=215MPa。螺纹摩擦力矩（3-4）螺旋传动轴向支撑面的摩擦力矩（3-5）式中：、-承压面直径；-当量摩擦系数；代入mm，F=N，2.43°，5.33°到公式3-4中得：代入mm，mm，，N到公式3-5中得：又由于：（3-6）代入，到公式3-6中得：丝杠强度的当量应力：（3-7）式中：F-螺杆所受的正压力；-螺杆所受的扭矩；-螺杆小径代入N，，到公式3-7中得：根据上述计算，所设计的丝杠符合强度要求。螺母强度验算[14]：由于螺母材料强度低于螺杆，故只计算螺母的螺纹强度，根据要求：丝杠螺母啮合行程=1800mm；螺纹圈数n=180圈；（3-8）（3-9）式中：d-螺纹大径；b-螺纹牙底宽度；n-螺母旋合长度代入，，，圈，到公式3-8、3-9中得：根据上述计算，所设计的螺母符合强度要求。稳定性计算：（3-10）（3-11）式中：-螺杆的稳定临街载荷；E-螺杆材料的弹性模量，E=209Gpa；I-螺杆危险截面的轴惯性矩，；-长度系数；代入E=209GPa，，，到公式3-10、3-11中得：根据上述计算，丝杠螺母机构的稳定性符合要求。丝杠螺母机构的效率计算：丝杠与机架间用滑动推力轴承，效率为0.95，2.43°，5.33°则，（3-12)3.3电机的选型已知需要的推力为2×N，托架上升时的速度为v=0.0025m/s，N那么：(3-13)考虑中间还有减速器的以及其它的损耗，所以电机的额定功率选为2.2kW。3.4机架的设计机架的尺寸对于架车机的性能以及举升过程的安全性有着直接的影响，所以机架的截面尺寸对于整机的性能有着决定性的影响。机架采用门式双立柱形式，主立柱由型钢外加支护板焊接成型，采用Q345-A材料。3.4.1机架的总体尺寸架车机作为列车检修的最常用的设备这一，它的总体尺寸在检修过程中是关系到检修过程中的列车的举升高度以及在使用过程中的安全问题，其中机架总体尺寸最关键的地方就在于架车机机架截面尺寸的设计，好的截面尺寸，不仅能够更好的承载力，有更高的强度与刚度，并且拥有良好的稳定性，而且能够最大程度的减轻架车机的重量，减少架车机在移动过程中的工作强度[15]。机架的总体尺寸由使用时的要求定出，其中托架的行程要求为1800mm。根据实际的要求，以及从查阅的资料中得出了机架的总体尺寸，其中架车机总高为3262mm,底座的宽为906mm，底座的长为1320mm，底座的高为250mm。架车机的立柱高度为3030mm。图3.4结构图机架的总体尺寸确定之后，架车机基本结构也确定下来，架车机上每个部件的尺寸也即有了确定的规格。3.4.2机架的受力分析机架按强度条件选择型钢截面，所需要的净截面抗弯模量，其中：(3-14)托架和机架的受力如下图所示，其中N：图3.5机架受力简图根据图中的受力进行受力计算：(3-15)(3-16)(3-17)根据上三个式子得出：单个立柱受力：(3-18)(3-19)代入，l=3050mm到公式3-14中得：按照刚度条件选取型钢截面，其中查机械设计手册得钢的弹性模量E=206Gpa，=50mm，因此最小惯性矩：(3-20)式中：I-对Y轴的惯性矩；主立柱上的载荷；S-主立柱的长度；E-弹性模量；[]-许用静挠度代入，到公式3-20中得：根据型钢表，架车机的立柱选用板厚为10mm的40a槽钢，槽钢的开口一侧加焊钢板用以增加刚度。3.4.3机架强度的验算刚度是指零件在载荷作用下抵抗变形的能力，对于主立柱而言不能有过大的变形，刚度取决于材料的弹性模量。强度是指零件在承受载荷和变形后，恢复原有形状和抵抗断裂的能力。它是机械零件的基本能力，也是衡量零件质量的重要指标。通过对主立柱的强度以及刚度的验算来校核主立柱的尺寸是否符合设计的要求。根据上面所选用的型钢截面尺寸对机架进行刚度与强度的校核。主立柱的材料选用Q345，其[σ]=345MPa,[τ]=200MPa。(3-21)式中：-主立柱受到的正应力；M-主立柱受到的力矩；-抗弯截面系数；-许用应力(3-22)式中：-主立柱受到的剪切应力；F-主立柱受到的最大剪切力；S-主立柱的最大静矩；-许用剪切应力；I-惯性矩；-板厚代入，到公式3-21中得：代入，，，到公式3-22中得：由公式3-20得：根据上述的计算，架车机的主立柱符合设计的强度和刚度的要求。槽钢的开口一侧焊接钢板，以增加主立柱的强度与刚度。下面对于架车机的稳定性进行验算：在最大刚度平面受弯的轧制的型钢的稳定性验算如下[17]：（3-23）式中：-主立柱的静强度；-绕主立柱强轴的最大弯矩；-绕主立柱强轴弯曲所确定的梁侧向屈曲稳定系数；-主立柱最大抗弯截面系数；代入，，到公式3-23中得：根据上述公式中得到数据，主立柱的稳定性符合设计要求。3.5托架的设计托架作为承载列车重量的主要装置，其重要性不言而喻，而对于托架而言托架的主轴是承受载荷的关键，当架车机在举升车体的过程中，托架主轴可视为一个纯弯梁。主轴在架车机作业过程中，受力复杂，但是它主要受到机架对它的反力，次要的受力比如说在举升过程中受到的摩擦力所产生的力矩等[18]。3.5.1托架主轴的尺寸设计托架主轴作为托架的主要受力部件，它的结构尺寸直接关系到在架车作业中的安全性与稳定性，它的主要受力形式为受弯，所以它的主要失效形式为弯曲变形，所以在这里我主要对主轴的强度与刚度进行分析，根据其强度与刚度的要求来确定主轴的主要尺寸，再根据实际的需要来确定出主轴的相关尺寸参数。将托架主轴进行受力简化分析以后，将其视为一个两边固定，两端受力的一个梁，在这里主要对它的强度进行分析，最后确定它的最小直径。图3.6托架后视示意图图3.7托架左视示意图在机架的设计计算中得到单边的机架受力为。对于托架来说与作用在主轴1与主轴2上，现在对主轴1进行受力分析。对主轴1进行受力简化分析，如下图：图3.8受力分析其中；现在计算器支反力以及画出弯矩图：图3.9主轴1受力分析（3-24）（3-25）（3-26）求解上述方程式得到：得到的主轴弯矩图如下：图3.10弯矩图从弯矩图中得知，轴的中间一段各截面上的弯矩相等，都为：（3-27）对轴的直径进行设计：主轴材料选用45钢，调质处理，其中=370MPa；=0.49MPa；=343MPa。（3-28）式中：-主轴的最小直径；-主轴受到的最大弯矩；-弯曲疲劳极限计算得出：≥77.3mm,取d=80mm。主轴2与主轴1的受力相同，所以不再分析，主轴2的尺寸也和主轴1相同。4架车机辅助装置设计架车机的辅助装置对于架车机来说具有重要意义，它能拓宽一种类型架车机的适用范围，通过调整托架的横向位置来使架车机兼容不同类型的动车组列车。通过增设安全螺母来增强架车机在作业过程中的安全性，同时在托架上设置压力传感器，如果在架车过程中，发生列车两侧升降距离的不一致时，如果两侧的高低差过大时，就会导致列车的倾覆，所以当有这种情况产生时，就要要求架车机停止工作。对于架车机的纵向移动，这里使用外购的3吨移动液压叉车移动[19]。4.1托架横移装置的设计为了能兼容多种型号的动车组以及方便动车组车体与转向架的组装和检修，在架车机上装有横移电机和横移手柄，如下图所示。架车机的托架通过上下滚轮支托，并可以在滚轮上横向移动[20]。电动机可以实现托头在无载荷情况下的横向移动，横移手柄可实现托头在承载状态下横向移动。在无载情况下，由电动机带动的托头的最大横移量为194mm，在有载情况下由横移手柄带动的托架的横向移动量为168mm。1—托头总成；2—电机横向移动螺母；3—手动横向移动螺母；4—托架滚动轮；5—横向移动手柄；6—电动机；7—托架图4.1架车机托架横移装置示意4.2安全保护装置的设计架车机托架托头的举升动作是由电动机带动丝杠螺母机构来完成的，每台架车机受载的均匀性，直接关系到架车过程中的安全。架车机中的安全螺母是架车机的安全保护装置，以及在托头上安装的压力传感器。如果列车两侧的架车机未能同步工作，那么架车机的控制器上所显示的压力数值就不一致，那么此时架车机的控制装置就会进行自动的调整，确保架车过程的安全[21]。装置如下图所示。1—托头；2—丝杠；3—工作螺母；4—压力传感器；5—托头载荷显示器图4.2智能数控器架车机的传动装置是由减速器直联带动的具有自锁功能的梯形螺纹丝杠旋转，主动螺母通过丝杠的旋转带动，从而带动托架的上下移动。丝杠螺母机构的传动结构简单，工作无噪声，吊挂体受力状态良好，维修方便。但是由于列车的自重施加的轴向力主要由丝杠和工作螺母承担，螺母的螺纹表面压力强，工件磨损严重，尤其是主螺母材质硬度低，磨损严重，易损坏。为了保证起重机在运行过程中的安全，防止列车翻车事故的发生，在主螺母下面还安装了一个安全螺母。在正常操作过程中，安全螺母没有装载，只是随着工作螺母上下移动，工作螺母与安全螺母之间的间隙保持在4mm，安全螺母装有接近传感器，当工作螺母磨损过度，工作螺母与安全螺母之间的间隙小于3mm时，发动机控制器会发出预警，如果当工作螺母发生破坏时，安全螺母就会承受所有的载荷。此外架车机还拥有障碍物保护装置，如下图所示。架车机的托头的升降运动是由电机驱动升降丝杠并带动主螺母上下移动而实现的。对于如CRH2型这类架车孔类型的动车组而言，在落车的过程中，若动车组列车的车体落到转向架后还在下降，那么托头将被架车孔卡住。为了防止这种情况的发生保证架车过程的安全，障碍物保护装置便产生了。工作螺母1与承受垂直载荷的托头横梁2之间安装有环形压力传感器3，螺母套5，挡块4和托头架横梁连接组成环形空间，在它的内部装有环形压力传感器3，环形压力传感器3的输出信号可输至智能压力表。托头在下降的过程中，若托头横梁2被障碍物卡住，如果工作螺母1还在下降，那么托头横梁2与压力传感器3就会分离，此时环形压力传感器3压力减小，环形压力传感器3的输出压力小于智能压力表设定的下限，智能压力表将信号传入主控计算机，预先设定好的程序便会控制整列架车机停机并报警，这样便能防止架车机的托头倍卡住[24]。1—工作螺母；2—托头横梁；3—环形压力传感器；4—挡块；5—螺母套图4.3障碍物保护装置4.3架车机的移动装置架车机的移动装置为外购的6吨手动液压叉车，如下图所示。架车机的移动方便快捷，在架车机不使用时可以把架车机方便的收拢起来。架车机需要移动时，由现场的工作人员使用叉车将架车机移动到预定的位置。在架车机对准时，也需要人力去移动，所以在架车机作业之前需要大量的人力作业去移动对准架车机。图4.4手动液压叉车5实物制作鉴于材料、成本等因素，移动式架车机设计方案完成后，产品实物则需要用3D打印设备进行制作。3D打印设备的原理就是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层制造出来。3D打印技术已经较为成熟，能够较为清晰的展示最终的整体模型效果，但是由于立式冲击粉碎机的整体模型尺寸较大，综合考虑展示效果以及成本问题，在打印时要进行整体模型进行缩放。由于模型大多部分为壳体，所以缩放后的部件可能较薄，不足以支撑整体的重量，所以在打印时可以适当地对缩放模型进行修改，最好修改部位在整体内部进行，不得改变整体外形尺寸，具体实施方案如：适当加厚某个部位板材的厚度，也可以在内部打印支撑柱的形式进行。综上所述，对产品模型进行3D打印，最终得到的3D打印模型如图5.1所示。图5.13D打印模型图图5.23D打印模型图图5.33D打印模型图结论从2008年我国第一批动车组投运以来，经过一段长时间的线上运行，大部分的动车组列车都即将或者已经进入了三级以上的修程，而架车机对于动车及三级修来说，是一个必不可少的设备。在我国的动车组检修的初期，出于对于检修设备安全性以及可靠性相关方面的考虑，以及考虑到当时我国在这方面发展的的实力，这些设备大部分都是依赖于从高铁较为发达的国家进口。本文根据我国在架车机设计上发展的资料中汲取经验，根据参考现在的架车设备，在现有的设备上进行改进，本设计主要完成的工作如下：（1）对架车机的结构以及工作原理进行了深入的分析并对我国现有的动车组列车相关的结构参数进行了分析。对于这些资料进行归纳与总结，反复的研究，不断的进行思考，构思自己的设计。（2）在架车的总体设计的环节，我参考了目前市场上有的架车机，并且深入分析目前有的架车机的结构，吸取经验，对现有的资料进行总结，查找目前架车机的相关规定，根据自己手上的资料对架车机的总体的结构尺寸进行设计。在设计的过程中参考了起重机设计手册上对于起重机起身重量等建议，选取了本设计中的架车机的额定起重能力。（3）在设计托架时充分考虑了架车机两个主立柱之间的距离，将横向移动装置布置于托架的前后两端，这样可以留出装配相关电气设备的位置，也方便横向移动装置在架车机上的安装。另外考虑到托架的受力特点，合理的布置托架主轴的位置。（4）主要对托架主轴进行了力学的分析与计算，考虑到托架主轴主要受到弯曲变形的作用，主要使用强度与刚度的条件来对托架主轴进行设计，并进行了校核计算，根据计算得出的数据，再结合主轴在托架板上的布置，来进行尺寸的确定。（5）对架车机的安全装置进行了设计，在设计架车机的安全装置时，参考了目前市面上架车机的安全保护措施，根据自己架车机的设计，做出符合自己设计的架车机的相关的安全装置。参照目前的相关的安全要求，本设计中的安全装置符合要求。本文的设计步骤基本合理，在前期的准备工作中，先查阅了大量的相关资料，全面吸收学习电动移动式架车机的各种资料。对于移动式架车机的主要构成，包括架车机的工作原理、架车机的总体结构构造、架车机的控制方案、架车机的安装保护装置等有了更新的认识之后。在设计过程中，经过不断查阅机械设计手册和参考起重机设计手册以及机械装备金属结构设计，来了解不同的起重机的工作原理以及构造，通过查阅相关的资料，对比选取最优的结构，才得到现在的设计结果。但是由于本次设计时间较短，收集到的资料毕竟有限，再加上自身设计能力的不足和欠缺，以及对本专业外知识的欠缺，在设计中难免会存在各种各样的漏洞。但是，正因为有了本次设计这样的难得的机会，可以让我学习到更多与掘进机相关的知识，也可以学习到更多的设计知识，提高自身的设计能力，为今后可能遇到的设计工作奠定基础。

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论文的研究方法和手段有哪些

（1）调查法

调查法是科学研究中最常用的方法之一。它是有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料的方法。一般是通过书面或口头回答问题的方式获得大量数据，进而对调查中收集的大量数据进行分析、比较、总结归纳，为人们提供规律性的知识。

（一）典型例子

调查法中最典型的例子是问卷调查法。它是通过书面提问收集信息的一种方法，即调查人员编制调查项目表，分发或邮寄给相关人员，询问答案，然后收集、整理、统计和研究。

（二）研究步骤

1.确定调查课题

确定题目时要注意选题是否具有研究的必要性和可能性，同时要注意选题切忌太大，也要避免无意义的重复劳动。

2.制定调查计划

要明确调查课题、调查目的、调查对象、调查范围、调查手段、调查步骤、时间安排。

3.收集材料

收集材料时要尽可能保持材料的客观性，尽可能采取多种手段或途径。

4.整理材料

将收集到的材料进行整理，以便后续总结归纳、形成结论。

5.总结研究

对整理完的材料进行分析、总结、归纳，得出一般性的结论。

（三）特点

调查法相对其他研究方法来说较为耗时耗力，但也有其优势，即获得的一手资料信息真实具体，能够对研究对象有更加准确、清晰的认识。

（2）观察法

观察法是指人们有目的、有计划地通过感官和辅助仪器，对处于自然状态下的客观事物进行系统考察，从而获取经验事实的一种科学研究方法。

（一）典型例子

皮亚杰的儿童认知发展理论就是通过观察法提炼总结出来的；儿童心理学创始人——普莱尔，也是在一次次地使用观察法后，提出了儿童心理学领域中的诸多理论。

（二）研究步骤

1.明确观察对象

在选择和确定研究问题的基础上确定观察者与观察对象。

2.制定观察计划

在观察计划中要规定明确的观察目的、重点、范围以及要搜集的材料。

3.做好观察准备

观察准备是否充分