铁路车辆工程毕业论文范文

铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损与节能降耗 摘要:阐述了铁道机车车辆轮轨摩擦磨损的现状;研究了内燃机车车轮、闸瓦和钢轨的消耗数 量及相应的维修费用;指出了采用适当的新技术之后,在节能降耗方面会产生显著的经济效益。 关键词:车轮;轮缘;钢轨;摩擦磨损;铁道机车车辆;节能;降耗 众所周知,铁路运输是基于轮轨相互作用产生 的黏着牵引力和黏着制动力以实现列车运行的,轮 轨间因摩擦磨损在铁路运输中消耗的能量和能源 很多,耗资也很大。 随着铁路运输向高速、重载发展,因摩擦磨损 所致的事故风险也在增加。轮轨接触面形成的各 种损伤,不但缩短了轮轨的使用寿命,在严重磨损 后还会导致轮对和钢轨失效,危及行车安全。在这 方面,即使在高速铁路成功应用的国家,也曾付出 过惨重代价。例如:1998年,由于轮轴的疲劳断裂 而导致德国ICE高速列车脱轨,造成101人死亡, 84人重伤,直接经济损失约2亿马克。 与此同时,合理利用资源,实行节能降耗,是我 国的一项基本战略决策。为了节约能源,降低铁路 运输成本和机车车辆的制造与修理费用,对机车车 辆轮轨的摩擦磨损状况,需引起高度的重视。应当 采取相应的技术措施,努力将这种磨损造成的损失 降低到最小程度,以达到降耗增效的目的。 1 铁路钢轨的磨耗 据铁路工务部门统计,我国铁路有20%~30% 的路段钢轨磨损率大于国外严重磨损率指标,有 60%的曲线段钢轨因波磨造成严重损伤。摩擦磨 损带来的损失很大。 钢轨损伤的形态 铁路轮轨作用关系复杂,钢轨磨耗损伤的形态 主要有钢轨的压溃、侧磨、波磨、剥离等,这些占钢 轨总损伤量的80%以上。随着铁路机车车辆的重 载与高速化,轮轨间的摩擦磨损也日趋严重,如钢 轨的压溃与波磨迅速增长,且发生较为普遍(参见 图1)。 钢轨的年消耗量 据资料记载:“十五”期间,我国铁路钢轨用材 每年基本维持在110万t左右,除新线建设之外,其 中用于既有线路大修和维修消耗的钢材约为70~ 80万t/年。 据铁道部安检司调查,2003年因钢轨损伤而更 换所需的材料及人工费用约为50亿元。其中,因 钢轨压溃、侧磨、波磨等导致的损伤,占钢轨总损伤 量的80%以上,即40亿元左右。 2 机车车辆车轮的磨损 车轮是铁路机车车辆的重要走行部件。在列 车运行中,车轮滚动会使车轮踏面和轮缘发生磨 耗,而车轮在钢轨上滑动也会造成踏面损伤。 车轮损伤的形态 据失效分析统计,铁道机车车辆车轮损伤的主 要类型有轮缘磨耗、轮辋疲劳裂纹、热损伤、车轮踏 面剥离和崩裂等(参见表1和图2)。因磨耗造成车 轮部件失效的主要原因是轮轨接触应力集中、制动 热应力疲劳、累积塑性流动变形、夹杂物应力集中、 内部缺陷应力集中等。 车轮的消耗 目前,我国铁路机车、客车和货车约有500万 个车轮在运营中。这里所讲的车轮消耗,主要是指 磨损后车轮的维修和更换 以2006年为例,全路的机车、客车和货车就消 耗新轮63·1万只,平均以0·5万元/只计算,所需费 用约为31·55亿元。 在为完成中国工程院下达的“摩擦磨损与工程 应用咨询项目”时,笔者曾于2006年11月赴北京 铁路局丰台机务段进行过“铁路机车车辆关键零部 件摩擦磨损”的现场调研。从丰台机务段调查了解 到:以DF4型机车为例,由于车轮维修或全部更换, 该段平均每台机车每年所需人工费和材料费分别 为3·3万元和42·4万元,这尚不包括因修理或更换 时机车的停运损失。有关该段DF4型机车的旋轮 与换轮费用参见表2和表3;若按2005年全路机车 保有量17 500台推算,仅机车车轮的维修费用就近 5·8亿元。 制动闸瓦的消耗 在机车车辆制动系统的摩擦制动中,主要有踏 面闸瓦制动和盘形制动。我国目前除新造的提速 客车和厂修改造的25型客车采用盘形制动外,其 他的机车车辆都是采用踏面制动,这对车轮的磨耗 是比较严重的。铸铁闸瓦相比合成闸瓦,可以获得 较高的黏着系数且摩擦系数稳定,但是磨耗快,成 本较高。以丰台机务段DF4、DF4D型机车为例,在1 个大修期内,每台DF4型机车需更换闸瓦8次, DF4D型机车需更换闸瓦10次。因此,每台机车的 换瓦费用分别为1·2万元和1·5万元。按该段现 有DF4型机车35台和DF4D型机车23台计算,这些 机车在1个大修期内换瓦的总费用为76·5万 3 降低轮轨磨耗的技术措施 我国《铁路节能技术政策》第11·1条指出:“应 注意抗磨减阻材料的推广使用。在全世界生产的 能量中,约有30%~40%的能量是消耗在与摩擦有 关的场合;我国与摩擦有关的能源消耗约占1/3 ~ 1/2。任何减轻摩擦、降低磨损的措施,都会直接或 间接地节约能源。” 针对目前机车车辆轮轨摩擦磨损严重、修理费 用高的现象,如果进一步推广应用淬火钢轨、轨面 打磨、磨耗型车轮、径向转向架和安装轮轨润滑装 置等现有的成熟技术,不但可以明显改善轮轨摩擦 磨损的现状,而且可以节约能源和原材料,大大降 低消耗,取得显著的经济效益。 采用淬火钢轨与维护 钢轨波磨问题是轮轨相互作用过程中极其复 杂的系统问题,根据不同的线路或区段,合理地选 择钢轨,有助于预防钢轨的波磨。例如:淬火钢轨 就很少发生波磨,因为它有较高的强度和硬度。因 此,建议在轨道波磨区段采用屈服强度较高的钢 轨。此外,轨面打磨也是主要防护手段,轨面打磨 可减小车体的振动和车轮对钢轨冲击力所造成的 磨损。实践表明,它可延长波磨轨寿命50%以上。 从调查得知,若采用淬火钢轨、侧面涂油和适时的 钢轨打磨等技术,仅钢轨材料一项每年就可节约费 用20亿元左右,因减磨而节约的能耗费用也是很 大的。 采用磨耗型车轮踏面 车轮磨损失效的形式主要有踏面磨耗到限和 轮缘磨耗到限。铁道部对机车车辆车轮踏面的使 用与维修都有相应的标准,如《DF4型内燃机车段 修规程》第3·11·6·8条中规定:踏面磨耗深度不大 于7 mm;而采用轮缘高度为25 mm的磨耗型踏面 时,踏面磨耗深度不大于10 mm。磨耗达到或超过 这些标准,就会危及行车安全。 早期的车轮踏面为锥型踏面。锥型踏面在使 用初期磨损很快,当磨损到一定程度后,磨损速率 开始减缓,踏面形状趋于稳定。通过长期观察和试 验发现,如果在车轮踏面设计时就采用磨耗型的车 轮踏面廓形,可有效地减轻轮轨接触应力,迅速降 低轮轨磨耗,有效延长轮轨使用寿命。 四方车辆研究所在对北京、广州、济南等铁路 局的机车车轮外形轮廓实测的基础上,设计了小半 径曲线区段使用的JM磨耗型车轮踏面。长期的运 用结果表明,应用该外形设计后,与原锥型踏面车 轮相比,轮缘减磨可达30%~70%. 一些铁路局根据各自所管辖线路的特点,也分 别研制了多种形式的车轮踏面。如上海铁路局研 发的ST系列磨耗型踏面,就取得了很好的减磨效 果(参见表5)。 表5 上海铁路局DF11型0072号机车车轮磨耗数据对比 由表5可知,采用ST-2型踏面后,机车每万公 里的轮缘磨耗率从0·304 mm降至0·190 mm,降低 了38%,车轮踏面剥离的故障也明显减少。 据有关资料分析:机车车辆若采用磨耗型车轮 踏面,每台机车每年可节约费用1·5万元。 采用径向转向架 传统的机车转向架,因传递牵引力和保证直线 上走行性能的需要,各轴基本上是被约束成相互平 行的。在通过曲线时,这种刚性定位的轮对与钢轨 之间会形成明显的冲角,从而使轮、轨都产生严重 的磨耗。曲线半径越小,磨耗越严重。为降低轮、 轨的磨耗,近年来国内外开展了机车径向转向架研 究,并取得了很好的效果。两种不同转向架通过曲 线时的运行示意图见图3。 再举几个例子,以说明装用径向转向架后轮缘 的磨耗情况。 戚墅堰机车有限公司生产的首台装用径向转 向架的DF8B型7001号机车,在上海铁路局进行的 线路运用考核结果表明:与同轴重、装有传统转向 架且带轮轨润滑装置的DF8B型机车相比,前者的轮 缘磨耗仅为16%。【下转第8页】 【上接第4页】 资阳机车有限公司对径向转向架机车与传统 转向架机车在曲线上的冲角也进行了对比测试。 测试结果表明:仅就径向转向架冲角减少的程度而 言,轮缘磨耗至少降低了45%。 大连机车车辆有限公司生产的DF4D型径向转 向架机车,在柳州至怀化区段的客、货运牵引数据 表明,与装用传统转向架相比,机车车轮的轮缘磨 耗下降了74%。 据有关资料分析:若采用径向转向架技术,每 台机车每年可节约费用5·8万元。 安装轮轨润滑装置 润滑对减磨起着十分重要的作用。我国《铁路 节能技术政策》第3·6条强调指出:“内燃机车和电 力机车要加装新型轮轨自动润滑装置,减少磨耗和 阻力,降低机车能耗。” 以丰台机务段为例,安装轮轨自动润滑装置取 得了较好的效果。该段有118台机车在安装了铁 道科学研究院研制的华宝2号轮轨润滑装置后,使 每台机车的旋轮公里数由10万km延长至18万 km,车轮寿命由30万km延长至80万km。 除机车因车轮寿命延长产生的巨大社会效益 和经济效益之外,每台机车每年可节省旋轮(或换 轮)费用1万元。丰台机务段的118台机车,每年 可直接节省旋轮(或换轮)费用118万元。按全路 17 500台机车推算,每年可直接节省旋轮(或换轮) 费用1·75亿元。其投入产出比为1∶20。事实说 明:通过安装轮轨自动润滑装置,对轮轨进行润滑 后,不但可以减缓轮缘的磨耗,而且经济效益十分 可观。 4 结语 综上所述,在铁路运输中,机车车辆轮轨的摩 擦磨损已成为相当严重的问题。大量的钢轨与车 轮磨损,不但增加了材料的消耗,提高了修理成本 而且降低了运输的效率,增加了能源的消耗。为此 提出以下建议。 (1)从设计、制造到运输、修理,所有与此相关 的人员,对机车车辆轮轨的摩擦磨损状况,都应当 高度重视,并采取相应的对策。 (2)对目前已被证实具有良好减磨效果的措 施,应进一步加大推广应用力度。例如:对钢轨进 行适当的热处理和打磨,开发新型闸瓦,扩大磨耗 型踏面车轮、径向转向架和轮轨润滑装置的装车应 用等。 (3)在今后的技术引进或产品自主创新的研 发中,应更加重视对产品的摩擦副及磨损件标准的 研究。与此同时,应寻求和开发更适应轮轨摩擦副 的新材料、新技术、新工艺,以延长关键摩擦磨损件 的使用寿命,进而达到节能、降耗和增效的目的。

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基于可拓理论的汽车检测设备选型评价研究 摘要】针对汽车综合性能检测设备选型问题，提出一种针对基于可拓理论的检测设备选型方案的评价方法，即 以规范性、经济性、技术性、服务性、节能环保性、人机关系等要素为检测设备选型的评价准则体系，利用专家经验建 立期望选型方案的物元模型和备选方案的物元模型，从而通过可拓关联度直接评价选型方案的优劣。试验表明，基 于可拓理论的综合性能检测设备选型方法可有效评价选型方案的优劣。 主题词：汽车检测设备选型可拓理论 1前言 汽车综合性能检测设备种类繁多，不同厂家制 造的同一种检测设备在结构、质量、测量精度、价 格、寿命、可靠性及售后服务等方面存在较大差异， 甚至在测量原理、测量方法、测量条件、操作难易程 度、智能化程度等方面也存在较大差异，致使检测 设备的选型较困难。目前，设备选型有模糊综合评 价法和灰色关联法，但在实际应用中均存在不足。 模糊评价法是定量分析方法，具有很大的主观性， 模糊信息精确化过程中会导致数据丢失信息［1，2］；灰 色评价法是解决信息缺乏评价问题的有效手段，但 在原始数据无量纲化处理时，不同的无量纲化处理 方法将直接影响参考序列与比较序列的最小值和 最大值［3，4］。另外，检测设备选型往往存在相互矛盾 和不相容情况，在一定条件下不能直接解决。针对 汽车检测设备选型多目标决策的特点，提出基于可 拓理论的检测设备选型方案评价方法，从检测需求 出发，以适用、规范、经济、技术、服务、节能环保、人 机关系为评价准则体系，以专家经验建立备选选型 方案的物元模型和期望选型方案的物元模型，引入 关联函数，通过可拓关联度直接评价选型方案的优 劣［5～7］。 2设备选型准则 汽车综合性能检测设备选型评价准则体系由7 项要素组成，分别是适用性、规范性、经济性、技术 性、服务性、节能环保及人机关系。 2．1适用性 适用性是评价检测设备与检测需求符合程度 的指标。检测车辆的数量、车型结构与技术构成、行 车条件与环境等是检测需求的组成要素，应根据检 测需求确定检测设备［8～10］。同时充分考虑各环节、各 阶段设备的合理配套，保证各设备检测容量的相互 平衡，这样才能保证整个检测流程中各环节间的合 理衔接，保证检测高效进行。 2．2规范性 规范性是评价检测设备是否符合行业标准的 指标，即设备是否为正规产品，是否有型式认定号 及计量器具生产许可证号，提供的检测方法与国家 及行业的现有规范与标准是否一致，检测参数、检 测精度是否达到有关规范与标准的要求。 2．3经济性 经济性是指设备购置费用和使用过程的总费 用，其中使用过程的总费用包括设备使用前、使用 中及报废后的费用。 投入使用前支出的费用：为了设备的运行而进 行的早期投入，如相关人员的聘请和培训，设备的 报装、标定、认证等。 运行保养费用：设备正常运转期间，除工时费、 能耗外发生的与该台设备有关的费用，如设备保养 和小修费用等。 报废剩余价值：设备报废后的残余价值。 2．4技术性 技术性是指设备以高新技术和专利技术为基 础的检测效率、可靠性、制造工艺、维修性等。 检测效率：检测效率直接影响汽车综合性能检 测线单位时间内完成的检车数量。尽管不同的检测 项目需要的检测时间主要与项目的类别有关，但同 一项目用不同型号的检测设备所花费的时间有较 大差异。 可靠性：一是指设备能够持续稳定工作，故障 率低；二是指设备的性能好、精度高，保证检测数据 准确。 制造工艺：制造工艺是保证设备使用可靠性的 重要前提，它反映和衡量了生产厂家的技术和管理 水平。 维修性：为了提高设备的利用率，要求设备的 故障能够在现场处理，这就要求设备拆装方便，零 配件供应可靠且互换性好，同时应有为特殊部位设 计的专修工具等。 2．5服务性 服务性是评价设备的供货、运输和相应售后服 务的指标。 供货或到货周期：原则上周期越短越好。 运输方式及要求：针对不同的运输方式及有无 特殊要求等，所承担的费用及运输过程中的风险也 不同。 售后服务：售后服务包括专业技术及操作培 训、零配件的供应、技术检测及设备维修保养等。 2．6节能环保 节能环保是指设备运行过程中能源消耗和环 保性指标。 能源消耗：指其一次能源或二次能源消耗。通 常是以设备单位使用时间的能源消耗量来表示，选 购的设备必须要符合国家《节约能源法》规定的各 项标准要求。 环保性：指设备运行过程中产生的噪声、振动 频率和有害物排放等控制在国家标准规定范围内。 2．7人机关系 人机关系是指设备运行中的操作安全性、操作 舒适性和配套人数等评价指标。 操作安全性：指设备安全防护装置完善程度。 操作舒适性：良好的操作条件主要指要有舒适 的乘坐空间、较好的视野和通风条件。 配套人数：反映设备的操作性和自动化程度。 3汽车检测设备选型决策模型 汽车检测设备选型是多目标、多判断的系统评 价。根据设备选型准则确定决策模型的三层递阶结 构如图1所示。第1层是目标层，选出最佳设备；第 2层是评价指标层，由设备选型准则的7个原则组 成；第3层是同种类检测设备的不同型号的n台预 选设备组成的方案层。 值，这三者称为物元的三要素。 物元把事物、特征和量值放在一个统一体中考 虑，即在处理问题时既要考虑量，又要考虑质。同 时，物元中的事物有内部结构，物元三要素的变化 和事物内部结构的变化使物元产生变化，从而使物 元成为描述事物可变性的基本工具。 一个事物可以有多个特征，设R＝（N，c，v）是一 个多维物元，C＝［c1，c2，…，cn］是特征向量，V＝［v1，v2， …，vn］是特征向量C的量值，则多维物元定义为： 5实例 某企业选用制动试验台，备选方案根据不同的 型号来编号，分别记作F1、F2、F3、F4、F5。根据设备选 型评价指标确定适用性、规范性、经济性、技术性、 服务性、节能环保、人机关系为特征集，特征量值如 表1所列。 大小顺序确定选型方案优劣的排序。 假设特征值权重ωj＝＜60，100＞＝1／7（j＝1，2，…， 7），由式（8）得关联度评价结果为λ1＝0．315 1，λ2＝ 2．531 6，λ3＝－0．376 1，λ4＝－0．157 8。这时方案的最 优顺序为：方案2、方案1、方案4、方案3，即方案2 为最佳方案。 在相同的权重前提下，根据表1中的特征量值 分别应用模糊综合评价法和灰色关联法对方案进 行最优排序。模糊综合评价法的最优顺序为方案2、 方案3、方案1、方案4，灰色关联法的最优顺序为方 案2、方案1、方案4、方案3，即所得最佳决策结果 与可拓评价一致，但方案的优劣顺序不完全相同。 6结束语 根据企业设备选型原则，结合汽车综合性能检 测项目要求和生产厂家情况，建立了检测设备选型 评价准则体系模型。利用可拓理论能够解决不相容 矛盾的特点，提出了基于可拓理论的设备选型评价 方法。实例证明,借助可拓理论来评价汽车检测设备 选型方案的优劣是有效的，为方案决策提供了符合 实际的方法和依据。 参考文献 1梁保松,曹殿立．模糊数学及其应用．北京：科学出版社, 2007． 2任军,李建．模糊综合评判在公路客运线路规划评价中的 应用．长安大学学报（自然科学版）,2006,26（4）：83～86． 3屈福政,费烨．复杂机械方案多属性灰色模糊优选模型及 应用．大连理工大学学报,2005,45（2）：201～205． 4宋涛．灰色理论在方案优化选择中的应用．山东建筑工程 学院学报,2006,21（3）：262～266． 5蔡文．可拓集合和不相容问题．科学探索报,1983（1）：83～97． 6谢云臣,赵英才．发动机连杆工艺设备选型的可拓评价研 究．汽车技术,2007（4）：37～40． 7陈广宇．可拓评价方法在技术创新项目评价中的应用研究． 工业技术经济,2004,23（5）：65～71． 8徐双应．汽车综合性能检测设备选型准则与模型．长安大 学学报（自然科学版）,2004（5）：81～83． 9 GB／T 17993—1999,汽车综合性能检测站通用技术条件． 10 GB 18565—2001,营运车辆综合性能要求和检验方法． 11蔡文．可拓学概述．系统工程理论与实践,1998．18（1）：76～ 84． 12谢永臣．设备可拓更新理论及方法研究：［博士论文］．长 春：吉林大学,2006．