基本信息
- 项目名称：
- 无缝铁路应力放散方法及其设备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品涉及一种无缝铁路应力放散方法及其设备，以实现铺设或维护无缝铁路时，使其拉应力均匀化，达到锁定轨温的目的。设备主要由行走小车，冲击单元，夹紧装置以及检测控制系统四部分组成。根据激振理论，用冲击式气液增压缸周期性地撞击钢轨，利用振动波传递能量来实现温度应力式无缝铁路的纵向应力放散，并使其应力均匀化；用检测控制系统实时监控钢轨应力状态，以完成标定的应力放散作业。
- 详细介绍：
- 本作品的设计目的在于：对现有人工作业方式进行改进，提供一种以周期振动式冲击缸撞击钢轨的方式实现钢轨应力均匀化的新型方法和专用设备，以机-电-气-液一体化的自动工作模式代替人工操作，降低劳动强度，提高工作效率与质量。 本作品所述的应力放散方法主要基于激振原理，利用冲击式气液增压缸周期性撞击夹具，产生一系列的纵波传递能量使铁轨应力均匀化，要让该纵波使铁轨达到激振效果，就需分析一定长度的铁轨在受到一定拉力作用下的铁路系统结构的振型。运用ANSYS软件对钢轨进行一系列的模态分析可以达到目的。通过对钢轨前四阶模态数值的分析，并结合现有应力放散设备的工作频率和相关的撞轨系统在各阶模态下的响应情况分析实验，得出符合该作品所述专用设备产生的撞击力在12～16kN、激振频率值在0.3～1.0Hz时，可以达到较好的应力放散效果。 值得说明的是：虽然激振原理广泛应用于机械、医疗、石油化工、土木工程等领域，但采用纵波激振技术用于无缝钢轨应力放散方式上未有先例，这是本作品最核心的创新点。 本作品的技术方案是：新型无缝铁路应力放散方法是以周期振动式冲击缸撞击钢轨的方法使钢轨沿线产生微位移，并利用检测控制系统实时监控钢轨应力状态，以完成整个应力放散作业。 本设备主要由小车车体，冲击式气液增压缸，夹紧装置和检测控制系统四大部分组成。夹紧装置利用夹具体两侧的轴支撑夹具体于槽钢两侧，并利用轴上轴承在槽钢两侧的腰月槽内滑动导向。冲击式气液增压缸用缸体支撑架支撑，并用螺栓紧固于车体上，为了防止作业过程中冲击缸产生的强大冲击力使缸体发生滑移、歪斜，用销钉对缸体进行定位。同时，为了确保冲击式气液增压缸内力锤撞击过程的平稳性，在缸体与夹具体之间设计了导向支撑块，防止力锤弯曲和飞出。作业时将车体支撑杆撑在枕木上，防止力锤撞击夹具时，车体由于受到夹具的反作用力后退，从而确保夹具带动钢轨产生沿线方向的微位移。控制系统安放在侧板上，由气动三大件和气液增压缸各控制阀组成。为了方便人工操作，侧板安装在车体两边，并预留有足够的操作调整空间，将各控制元器件均布两侧，这样不仅美观，而且能使车体两侧受力平衡。 行走小车的车体由槽钢加工而成，小车包含有行走轮，车体拖运轮，防覆轮，车体支撑杆和小车把手几个部分。行走轮支撑并带动整个设备在钢轨上行走，把手和拖运轮方便车体在地面上的运输，防覆轮可以平衡车体的倾覆力矩，以保证作业时小车的平稳性，车体支撑杆在作业时撑住枕木，防止力锤撞击夹具时车体因受夹具反作用力后退，确保夹具带动钢轨产生沿线方向微位移。 冲击式气液增压缸是整个设备的核心部件，它与公知的气液增压原理的最大不同在于：此缸增设了一个腔体——冲击气缸，在相同的气源压力下，此冲击气缸能起到很大的增力作用，冲击力可达到未设冲击缸时的10倍左右，极大的提高了冲击效率。本作品所述的冲击式气液增压缸有七个密闭容腔，分别为两个液压油液腔和五个气压腔，其中冲击气压腔，起到冲击增力的作用。在控制气源作用下，通过调节两行程阀之间的距离，该部件可以完成锤头预定位－冲击－回位的自动工作循环，能适应满足工况要求的冲击力和工作频率的要求，以提高撞轨效率和质量。 夹紧装置主要由夹具体，夹紧活块，夹紧螺杆，锁紧螺母，砧座组成，主要是采用螺旋锁紧的方式，能够实现比现行使用的楔形块夹紧更大的增力比，并且更方便夹具的松紧，再配套力矩扳手使用，能更好地控制旋紧力，从而满足承受力锤撞击力所需的夹紧力要求，解决了现行方法需要依靠工人经验估测夹紧力的问题。 检测装置主要用应变传感器实时检测间隔相同的每段钢轨在放散作业过程中的应变量变化状态，通过观测无线传感器检测到的各段应变值是否相等（首先要将各应变传感器的应变值清零）来确定应力放散作业是否达到放散要求，实现对整个放散作业过程的实时监测与控制。相比现行划线法而言测量更精确。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 高速无缝铁路在正常工作时其钢轨处于拉应力状态，按现行的钢轨铺设方法其沿线拉应力状态不均匀。本作品涉及一种用于无缝铁路应力放散方法及其设备，以实现铺设或维护无缝铁路时，使其拉应力均匀化，达到锁定轨温的目的。 基本设计思路： 借助CAD/CAE手段，采用单元模块化的设计理念，通过总体方案的设计与论证、实体建模、模拟仿真、样机制作、安装调试和实验验证。该设备主要由行走小车，冲击单元，夹紧装置以及检测控制系统四部分组成。按工况要求，其主要技术参数用ANSYS仿真计算确定，通过实验验证进行优化。 创新点： 1）利用激振原理，用冲击式气液增压缸自带的冲击锤沿钢轨纵向撞击与钢轨紧固的夹具，在周期性冲击载荷作用下，激起钢轨的共振态，并使振动波沿钢轨纵向传播，实现较长范围的钢轨应力均匀化。 2）以应变传感器实时监控钢轨的应力放散效果； 3）采用“人”字型夹紧装置，各易损件可方便更换，夹紧动作可靠易行，整机设备重量轻； 4）防倾覆装置保证小车工作时不向侧面倾覆等试验研究。 技术关键： 1）激振参数的确定，如激振力、频率等。 2）冲击式气液增压缸的设计制造及其控制方式、参数的确定。 3）应力状态及分布的控制与检测。 主要技术指标： 小车重量不超过100公斤，气源压力0.6～0.8MPa可调，冲击力12～16kN可调，工作频率0.3～1.0Hz可调。应力指标：各国对钢轨底残余应力有明确规定，En标准中，最大纵向拉应力应小于250Mpa（GB2585-2007）。
科学性、先进性
- 与现有应力放散方法及设备相比具有以下先进性： 1)在应力放散方法上，采用激振原理，利用周期性振动式的气液增压撞击方式，在提供相对较小的冲击力的同时，能激起钢轨共振态，提高了应力放散的效率。当前大多采用撞轨小车，依靠较大的撞击力来达到应力放散的目的。且对动力源的要求相对较高。本作品涉及的应力放散方法及设备对动力源的要求相对较低，且所需撞击力相对较小，更节能且环保。 2)在作用效果上，夹紧方便、撞击力对钢轨的损伤小、应力放散质量更优。 3）以小车为本体，冲击单元、夹紧装置以及控制系统合为一体，体积小、重量轻；车体上的防覆轮可使整个车体作业时更稳定、拖运轮方便了整个设备的搬运。整个操作方便易行，只需作业人员开启气源和控制开关即可，既节省了人力又减少了能耗。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年6月20日，中铁工程机械研究设计院专家应邀来我校，对本作品进行了总体方案的评审。专家一致认为：此方案合理，该装置若研制成功，对于铺设应力式重轨超长无缝钢轨的施工和维护起到重要作用，可以简化工艺流程，确保无缝线路满足工况要求的安全行车参数，应用价值大。有些细节需要进一步的试验和论证。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 有偿转让
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 1）本作品综合运用了以机-电-气-液一体化的自动工作模式代替人工操作，降低劳动强度，提高工作效率与质量，技术含量高。 2）采用模块化的设计理念，设计、制造、安装、调试方便可行；借助计算机辅助设计，缩短了生产周期。采用单元模块结构，使拆装结构，运输、安装、转移十分方便。 3）周期振动式的气液增压方式撞击钢轨，提高了应力放散的质量。 4）检测控制系统，能实时的反映应力放散的效果，有利于应力参数的优化。 5）整个设备重量只有80kg，较已有设备的400kg轻便很多。 市场分析和经济效益预测： 具有自主知识产权的国产化铺轨辅助装备，对于确保无缝线路的行车安全及人身财产安全等，具有特别的现实意义。
同类课题研究水平概述
- 无缝线路已经成为当今世界各国铁路的主型轨道结构，各国在铁路建设中普遍采用了一次铺设无缝线路的施工技术，与此相适应的无缝线路铺设设备发展迅速，施工组织也在逐步完善和成熟。目前国外一次铺设无缝线路施工技术的综合作业效率较高，但在应力放散方法的研究上仍然不够深入。 当前，我国的高铁技术已处于世界领先水平，但在无缝铁路的铺设和维护过程中，对于其应力放散方法和工艺还相对落后。 目前主要的放散应力方式有以下两种：人工牵引的机械式应力放散装置和半自动机械化液压应力放散装置。第一种应力放散装置是将钢轨夹座固定在无缝钢轨上，沿放散方向，用撞轨小车不断撞击钢轨夹具，带动钢轨沿放散方向微位移，以达到改变应力状态。它的的优点是能够解决因撞击力的变化而出现的钢轨夹座滑移问题，但是整个装置质量大，运输，安装，转移都十分困难，所需施工人员多，应力放散作业由6人借助辅助拉紧装置，由人工拉动方式来释放内应力，作业方式繁琐、劳动强度大、工作效率低、作业环境复杂恶劣、安全隐患多。这主要在于小车和夹具的结构设计不够合理，导致作业过程中产生大量的无用工。第二种应力放散装置以汽油机为动力驱动自动撞击放散方式，由皮带轮转动，通过传动装置带动液压油泵工作，使液压油泵产生高压油，通过油路控制阀和带快速接头的高压胶管，输送到液压油缸内，使油缸推动活塞杆带动撞轨小车去撞击夹具，完成撞轨作业。它的优点是利用液压系统产生的高油压高流量提高了工作效率，使用半自动机械化作业代替人工作业方式，降低了劳动强度；不足之处是动力源要求较高，虽然撞击力较大，但效率不高。且结构上，小车与夹具分开设计，搬运上仍不太方便。 随着现代铁道运输工业的迅猛发展，为完善更高速、更安全的运输系统，对钢轨的各项性能的要求也更高，这就意味着需要更安全高效撞轨器投入使用。 我们的作品以周期振动式冲击缸的气液增压方式撞击钢轨，实现钢轨应力均匀化，冲击强度均匀。以小车为本体，冲击单元、夹紧装置以及控制系统合为一体，体积小、重量轻；车体上的防覆轮可使整个车体作业时更稳定、拖运轮方便了整个设备的搬运。配合使用检测控制系统，可精确地检测各段钢轨应力值的变化，有利于应力参数的优化。经实验，本作品可提高应力放散质量。
