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1、浙江大学 硕士学位论文内燃机车清洗机研究与设计 姓名：李铁骑 申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：丁启全杨将新 20040101 摘要 随着我国铁路运输的高速发展，内燃机车的清洗自动化成了急需解决的问题。本论文是结合杭州机务段内燃机车清洗机项目展开的，旨在开发一套适合国内机车情况要求的具有较高自动化水平、安全可靠、性价比高的内燃机车清洗机。论文对内燃机车的清洗流程、清洗工位、工位清洗方式以及清洗机的三大组成部分即机械设计、喷淋系统、控制系统进行研究并且完成设计。样机在杭州机务段投入了运行，取得了一致的好评。具体的研究内容如下： 第一章阐述了研制内燃机车清洗机的重要意义，论述了清
2、洗原理以及国内外机车清洗的研究现状和设备的性能优缺点。结合课题背景，提出了本论文的主要研究内容。 第二章在需求分析的基础上，提出了内燃机车清洗机的设计要求。结合国内内燃机车清洗污渍多、表面复杂的特点提出了多种清洗方式相结合的清洗机总体设计方案。对清洗流程、清洗工位、工位清洗方式进行了详细设计。 第三章结合机电系统设计理论对内燃机车清洗机的机械系统进行研究并完成了机体结构、动力源、机械执行机构三个方面的设计。 第四章对喷淋系统进行了研究。将射流清洗技术运用到内燃机车清洗中，完成管路设计、水泵的选择、喷嘴的选择布置等设计内容。 第虫章对内燃机车的控制系统进行设计。针对多车型多操作模式的复杂控制需求
3、，采用现场控制和上位机监控相结合的控制设计。本章着重研究现场控制部分的设计，对在清洗机控制系统中的应用做了详细描述。 第六章介绍控制系统的上位机监控部分。着重研究与上位机通信和上位机监控程序设计。本章还对清洗车辆信息的数据库进行了初步研究。 第七章给出了全文的结沦和展望关键词：清洗机、机械设计、喷淋系统、数据库塑兰查兰堡主兰垡堡兰！堕塑！兰塑垫垫型塞皇堡生一 ， ， ， ， ， ， ， ， 、 ， ， ， ， ， ， ， ， ： ， ， ， 堑坚奎兰堡：！堂些堡三！；：查塑型！兰塑鲨！婴窒量塑生 一一一 第一章绪论【摘要】 本章介绍了研制内燃机车清洗机的重要意义。论述了清洗原理以及国内外机车清
4、洗的的研究现状币设备的性能优缺点。结合课题背景，提出了本论文的主要研究任务。开发意义 随着我国铁路运输的高速发展，机车的机械化清洗问题急需解决。目前国内的机车清洗以人工清洗为主，使用了大量人力，且清洗时间长，质量不稳定。一辆机车采用人工清洗，一般需要人分钟的清洗时间，在机务段繁忙的铁路线上有时造成待清洗机车长时间等待、占道。这对铁路机车的高效运营产生了一些不利的影响。另外，机车清洗质量的好坏还直接影响到机车车体外表美观和车体的油漆寿命。定期高质量的外皮清洗对延长车体表面油漆寿命有着重要的作用。据前苏联研究研究证明，由于机车外皮清洗维护不良，经年后漆面的质量就显著下降。往往不到正常维修期，就不得
5、不重新涂刷新油漆【孙。这种情况在国内机务段更为常见。目前发达国家机车清洗基本上实现了机械化。机械化清洗具有清洗速度快，清洗质量稳定，自动化化程度高等特点。国内少数机务段自行制造了清洗装置，如哈尔滨、湘潭等地，并取得一定的效果，但具有造价较高、设备复杂、运行成本高、扩展能力不强等缺点。无法满足机务段对机车清洗机的高要求。 综上所述，开发一种高效先进的低成本内燃机车清洗机对提高机车的维护水平、提高机务段的工作效率以及机车的服务质量都具有重要意义。本课题结合杭州机务段对内燃机车清洗的具体要求，立足于国际先进清洗设备水平，吸收欧洲、同本铁路机车清洗装备的优点，采用先进控制技术，设计开发一种内燃机车专用
6、清洗机。 塑坚叁兰！主堂堡笙奎！塑塑！鲨！型堕兰翌堑上一国内外机车清洗机的研究现状清洗原理 清洗是指用某些力（物理力或化学力）把污垢从被洗物上除掉。可以根据使用的清洗力（清洗要素）的种类来分类，清洗要素主要有溶剂的溶解力、界面活性力、化学反应力、吸附力、物理力等。通常进行清洗时，很少单独使用一种力，而是将几种力组合使用。 ）清洗力： 溶剂的溶解力、离散力 常用溶剂主要是水和有机溶剂两类。水足一种廉价的溶剂，可溶解电解质（有机、无机）、碳水化合物、蛋质、脂肪酸、酒精类等，具有不燃、无毒、无味、无臭，且不需要复杂的附属设备的优点。水的缺点是对油脂类的溶解力不足。除掉该类污垢时，需要与其它清洗要素组
7、合使用。有机溶剂的种类极多，通常根据清洗的目来选择和组合法用。在使用州，还应当充分考虑经济性（溶剂的回收利用等）和使用性（易燃性、阻燃性、爆炸性、毒性、公害、废液处理等）。 界面活性力 界面活性剂是含有疏水基（亲油基）和亲水基的有机化合物，吸附在固液界面、液一液界面、气一液界面上，是一种可显著改变界面性质的材料。根据其分子结构的不同，分为阴离子界面活性剂（最常见的是肥皂、合成洗涤剂等）、阳离子界面活性剂（作为杀菌剂、消毒剂使用）及非离子界面活性剂（能够与酸性溶液及碱性溶液混合使用）三类。应用广泛。 化学反应力 如果选择对污垢和被洗物都最为恰当的化学药品并进行完善的处理，这是最为简单、有效、且经
8、济性好的清洗要素，但其缺点是易损伤被洗物，且对操作者有危害等。酸类洗涤剂主要用于除去金属类的污垢（金属表面的锈迹、氧化皮、变质层等），碱类洗涤剂主要用于除去油脂性（动植物性、矿物性）污垢以及蛋白质、淀粉等的高分子有机物（加水可分解为低分子）形成的污垢。 物理力 物理力（热、压力、摩擦力等）是与溶解力同等重要的清洗要素不利用物理力 浙江犬学；【：学位论文：内燃机车清洗机研宄与设计的清洗系统可以说是不可能的。加热不仅可使化学反应速度加快（温度每升高度反应速度约增加一倍），而且可使高粘度油脂类的粘度降低，从而提高洗涤效果；搅拌和刷洗等引起的摩擦以及用高压水喷射等均可使污垢与被洗物分离，使污垢易溶于溶
9、剂。推动清洗。 ）污垢的粘附状态。在决定清洗方法时，需弄清被洗物的特性和污垢的性质。要掌握被洗物所用材料的物理性质是属于易受损伤表面还是坚硬表面，与洗涤剂是否超化学反应等；列于污垢，在选用合适的清洗方式时候，还要看其粘附状态、所属种类等，】。 污垢的粘附状态如图所示，从机械性的覆盖至渗透、扩散到被洗物内部，有各种各样的状态。状态可较容易地除去，但状态要完全除去是困难的，对被洗物的损伤不可避免。各种状态都需要通过考虑综合使用合适清洗力，完成清洗。 童龇均 馘鹞 似盏 嵌箍盏 ，分十”牧 乜了：致 譬敬随期，。辅被托掳 。”“ 分，甄栩溶透 图污渍与被洗物粘附状态机车清洗方式研究 对机车外蒙皮的清
10、洗，按照自动化程度分，有两种清洗方式，是人工清洗，就是以人为主，使用刷子、喷枪等工具完成清洗，二是机器自动清洗，既以自动机械为主完成清洗。在机器自动清洗中又包含两大类：射流式和滚刷式】（如图）。劓流式清洗以美国的公司为代表。主要特点式：利用高压射流对清洗表面进行冲击，剥削污浊物，达到去处污渍的作用。刷式清洗主要利用洗 堂！叁兰竺！堂些笙兰！塑塑！塑垫！丝兰兰生一刷部件与蒙皮表面发生相划运动，在清洗剂的参与下摩削污浊物，进而进行清沈，如平常使用的洗刷清洗等。国际领导厂商是公司。 图射流式和滚刷式清洗机 各种清洗方式有相应的特点，对一些清洗机的主要特征参数进行对比研究后得出下表： 表，三种清洗方式
11、特征对比表 对比目 人清洗 滚刷式 射流式 备注 清洗对象 有。定限制 有定限制 较广 【 清洗面平整度要求 低 高 清洗面洁净程度 高 高 由 清洗成本 与人工费相关 低 中 由 维护成本 与人费相关 低 南 低 单协清洗瑚水 高 如同用基本相同 清洗水压 中 低 高 对被清洗物体损伤 低 中 高 殴备造价 少 高 中 国际使用情况 少 较广 浙江人学硕士学位泛文：内燃机车清洗机研究与设计国外机车清洗机研究现状 机车清沈机在国外研究较早，在二十世纪八十年代出现了一些成熟的应用。如美国的公司开发的机车清洗机。目前美国的公司和公司推出的系列机车清洗机，日本的新干线机车用清洗机以及前苏联顿涅茨和十
12、月铁路局装备的清洗机都是些比较先进的机型。以公司的射流式以及公司的滚刷式清沈机为典型分别说明。 公司建立于】年，是一家以重型汽车，公共汽车，载货卡车以及火车的洗车系统为主要产品的工程制造骨干企业。该公司的产品以射流式清洗设备为主。是该领域的佼佼者。以下是该公司产品的一些特点： ）使用高效喷嘴，压力达到磅。清洁能力高（如图）。 ）喷射覆盖面好，全部使用 设计。对喷射面进行良好的覆盖 （如图）。 ）使用中央微电脑控制，自动化程度高。清洗速度快。一辆公共汽车，清 洗时间在分钟内。 ）设备可靠度高，可以做的无人值守。 ）循环用水处理先进，清洗用水回用率达到。 ）使用环保清洗剂，对环境损害小。 ）模块化
13、设讨，安装方便。 图 喷嘴设计 图 射流覆盖 该公司产品也有一些缺点：）由于使用射流清洗，对顽固污迹以及含有油脂的污渍剥离效果较差，清洗能力欠佳（如图：，）。）清洗用水量较大，需采用昂贵水处理设备。 塑堕查兰里！：竺垡堕苎！塑燮！羔塑鲨！壅兰丝旦 一一 图清洗剩余污渍 滚刷清洗机的典型厂家是公司，该公司产品在美洲欧洲市场具有较高的知名度。在刷洗控制，使用寿命等方面有领先的技术，清洗效果良好【。设备如下图。 图 公司产品 浚公司产品多使用钢梁结构支撑洗刷，采用西门子作为控制元件。机车在室内完成清洗。以是该公司产品的一些优点：）清洗效果好，清洁度商。对顽固、含油污渍也有很好的清沈效果。（如图）。）
14、清洗用水少，单位车辆清洗用水是公司的，水处理简单。）列车辆表面损伤较小。 该公司的产品也有一些缺点：）清洗面适应程度小，对复杂表面达不到较好的清洗效果。）采用了室内清洗，工程造价较高。）采用昂贵控制器件，制造成本高。 塑婆查茎堡：！兰些堡兰！塑塑！塑些！婴壁皇堡望一 图，清洗前后效果对比。国内机车清洗机研究现状 国内目前有多家机务段自主完成了清沈机设计制造。其中哈尔滨铁路研究所在德黑兰中标的地铁清洗系统是机车清洗机一个典型的代表（如图）。以下是改产品的一些特点。）多清洗工位设计。主要包含侧面、剥顶面、端面清洗工位。）控制系统】。利用先进的工业级控制系统，对清洗机进行控制。哈尔滨铁路研究所刀：发
15、设备布局如下：个控制屏和个操作控制台组成。控制屏分别为可编程控制器、强电控制屏和供电屏。其使用了 型。总体设计如下： 采用分布式控制方式。减少了移动电缆的总数，提高了系统的可靠性和经济性。 远程扩展部分设在移动设备上。可方便地解决现场就地调试问题。 控制系统的丌放性，系统采用可扩展模块，同时在资源的分配上保证有足够冗余，软件上也留有相应开发区段以备变更或扩展再开发。）其他设计 可靠性设计：包括信号联锁、速度限制等设计。 防腐蚀设汁，包括腐蚀面的处理，以及在清洗剂条件下的设备防腐。 外观综合设计：包括外观用材，视觉效果设计等。 塑望查堂堡！兰兰些笙苎：塑整！塑堕垫！壅兰丝生一 该清洗机代表了国内
16、清洗机设计制造最高水平，具有很多可以借鉴的设计思路。同时该产品也有一些缺点；）端面需要停车清洗机车通过时间较长，且对停车定位有较高的要求。）端刷设计复杂，制造成本高。）移动部件上有重要控制器件，对设备防尘防水有高要求。）对复杂表面如车轮等处，未进行清洗。 图哈尔滨铁路研究所研制清洗机论文的课题背景与研究的主要内容 本课题是应上海铁路局下属杭州机务段的要求立项的。上海铁路局是中国铁路特大型运输企业，固定资产亿元，员工万人。主要担负安徽、江苏、浙江、福建和上海四省一市范围的铁路运输经营以及建设任务，铁路运输业务辐射全国各地。杭州机务段作为该局的一级站局，拥有内燃机车近五百辆。担负了杭州段益繁忙的客
17、运、货运机车车头运营管理及日常维护工作。在杭州机务段大力提高铁路服务水平、提高设备现代化的指导思想下，结合该机务段的实际情况，提出了内燃机车专用清洗机的立项要求。论文作者通过对发达国家先进机车清洗机的研究，结合杭州机务段实际情况，对高可靠性、性价比因素等因素综合考虑，完成内燃机车清洗机的设计与部分实施。目前该系统的主要部分已经在杭州机务段得到实施，获得了使用者的好评。本论文的主要内容有；机车清洗机种类与现状研究。对国内外的机车清洗机的种类以及代表厂家、设备的优缺点进行对比研究介绍。 浙江大学坝学位论文：内燃机车清洗机研究与设计清洗机清洗原理研究。包含了对清洗的理论以及实际运用情况进行研究。内燃
18、机车清洗流程以及清洗机清洗方式和工位布置研究。清洗机的机械结构设汁。对清洗机的机械部分的三大要素：机体结构、动力源、机械执行机构进行研究设计。清洗机喷淋系统设计。将射流清洗引入到机车的蒙皮清洗中来。对管路、水泵、以及唢嘴的选型漫计。清洗机现场控制设计。现场控制系统设计，对清洗机工作模式以及控制方式进行研究。对现场控制的核心控制进行重点研究。清洗机上位机监控系统没计。在保证网络自动化控制的同时提供良好的人机界面。主要包括与上位机的通信，上位机程序模块和清洗车辆信息数据库设计的研究。 浙江大学硼士学位论文，内燃机车清洗机研究与设计 第二章总体设计方案【摘要】 本章通过对清洗需求分析后得出清洗机的设
19、计要求，结合国内内燃机特点以及杭州机务段实际情况，提出了内燃机车清洗机的总体清洗设计方案。对清洗流程、清洗工位、清洗方式进行了设计。设计理论 内燃机车清洗机属于一套复杂的机电设备，合理的设计是基于先进可靠的机电系统设计理论的。机电系统设计 设计是人类的种创造性智力活动，它意味着用种有规律的方法和过程来创造并获得对某利一问题的解】。在各种工程实践中，人们的设计活动往往是由各种需求与限制因素驱动的【，例如：满足实际指定的功能需求。符合明确或隐含非功能需求。符合明确或隐含的设计条件限制。符合设计过程的资源限制，如开发成本、时问及支持工具等。在需求的驱动下综合使用各种技术，完成开发。 机电系统是在：益
20、发展的机械、电子信息技术相接合的产物。随着微电子技术和信息技术向机械工业的渗透与深入应用，机械工业开始了一场巨大的变革。方面，在传统的机械产品设计中不断强化智能、自动控制设计理念，产品的功能和性能大大增强；另一方面，在机械系统的制造中也引入了信息技术，生产的过程中自动化程度不断提高，使得企业的生产系统效率和竞争力不断提高”引。内燃机车清洗机设计属于一套复杂的机电系统设计，涉及到多个领域，尤其是机械、电气电子、射流（液）、光（传感器）、计算机等技术。包含了团队的分工设计，相互配合等。是复杂机电系统设计的一个典型应用。具有复杂机电系统的共有特点四”：多种技术交叉融合。机电产品系统是机械、电子、信息
21、等技术相互交叉运用 浙江夫学硕二卜学位论文：内燃机车清洗机研究与设计 和发展的产物，其设计过程综合机、电、磁、光、液、生物、化学等多种科 学知识。如图所示。知识密集的开发过程。系统本身涉及到多种科学技术领域，因此开发中需要 多方面理论知识和相当丰富的实践经验。系统备个模块之间及与外部环境的信息交换提升了产品的附加值，是机器智 能化及协调控制的基础。 图多领域交叉的机电系统一般设计方法 复杂机电系统的设计工作基本可以划分为两个方面，一是系统功能设计，二是系统内部模块间的接口和人机接口设计。而技术实现应按照横向分层次分工实施，（如图，）。上层模块的实现和可靠性是建立在下层模块的基础上的（。机电系统包含了个基本要素：动力源、执行机构、驱动器、控制器、数据采集与检测、机体结构及各个要素问的接口。设计的主要目标就是将这个要素合理的实现，并优化组合，完成设计目标四。 壤 塑坚查兰塑：！竺丝堡兰：堕塑！垩塑选！型！堑兰堂生一 天 。鼍 。 机醚备 图机电系统实现层次划分 操作系统 ”：。二机电设计的一般的设计步骤如下降“：）功能分析。在完成需求分析后，明确该系统实现的目标、完成的功能，将复杂的功能体系分解成为容易实现的简单功能体。）在功能分析的基础上进一步细化，将每一功能对应于个机电单元模块，获得单元模块的组合体。）冗余分析。对上述单.
