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提速道岔滑床板结构优化研究


西南交通大学 硕士学位论文 提速道岔滑床板结构优化研究 姓名:王阿利 申请学位级别:硕士 专业:交通运输工程 指导教师:王平;杨西 20070801

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本文较为系统地总结了国内外道岔用滑床板的结构现状,针对提速道岔 用滑

床板存在的扣压力失效i弹片与销钉出现裂纹、滑床台板表面阻力大、 轨距调整困难等问题,改进和优化了提速道岔用滑床板的结构。重点介绍了 改进型滑床板用楔形调整弹片式和双弹条分体式两种类型弹性扣压件的结构 特征、三种滚轮滑床板用减摩滚轮装置的结构特征、调整轨距用复合缓冲偏 心套的结构特征,并对两种规格的楔形调整弹片式弹性扣压件及便于改进型 滑床板调整轨距的复合缓冲偏心套进行了试制。 在改进型滑床板的弹性扣压系统设计中利用有限元分析软件ansys对新 型弹片的强度、弹程进行检算,对新型弹片的结构设计进行了多次优化,提 高了设计的理论水平,缩短了设计周期,降低了设计成本。 改进型滑床板一方面能持久、可靠的扣压基本轨内侧,保持扣压力的恒 定,另一方面能够方便、灵活的配合基本轨的轨距调整,此外滚轮滑床板减 小了道岔转换阻力,降低了尖轨的不足位移,确保道岔转换可靠。改进型滑 床板结构优化的成功研究,解决了既有滑床板的主要结构缺陷,满足了铁路 快速发展对道岔滑床板的使用要求。

关键词:

提速道岔,滑床板,改进型,弹性扣压,减摩,轨距调整

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Abstract
The paper slide plate of
SUllnila/1zes

systematically the existing

state of

the

structure of strIlctllrc of

turnout

at

home and abmad.improves and optimizes the

slide plate of speed-up

turnout

against the existing problems of slide plate of

speed-up turnout such船failure tigbtenmg force,cracks in spring shim and pin, large surface resistance of slide

bed-plate,difficulty

in gauge

adjusting and

SO on.

It also introduces the structure characteristics of two types of spring fastenings such
as

spring shim with wedge

adjustment and md印endent double spring

bar,

the structure

characteristics of

antifriction roller device of three types of miler

plate,the structure characteristics of compound buffer eccentric

adjusting

sleeves

used

for gauge

adjusting,Trial
on

production has been made

on

spring fastenings

with wedge

adjustment and

compound buffer

eccentric

sleeves for slide plate

adjusting gauge.
During the design of

spring

fastening system of

improved

slide plate of

speed—up

turnout,new-type spring shim is

inspected

and calculated by finite

dement analysis software,is optimized in the structural design,thus upgrade the
design
theory and

shorten the design

cycle and design cost.

The

improved

slide plate used fbr speed-up turnout
constant

Can

on one

hand

provide

endure,reliable and
h弛正Can
can

tightening

of inside of stock rail

and,on the other

flexibly match the

gauge删usting switching.The

of stock rail.Besides,roller plate
of tongue rail
on

reduce the switching resistance and the
ag

deficient displacement
successful research

SO

to realize the reliable

optimum

structure of

slide

plate

of speed-up turnout has resolved the main existing

structural defects of slide plate,thus met the application plate

requirements

of slide

caused

by rapid

development

ofrailway.

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speed-up turnout,side resistance,gauge

plate,improved,spring

fastening,reduce

adjusting

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第一章绪论
1.1引言
当前,我国正处在经济建设飞速发展阶段,铁路运输作为国民经济的 大动脉,担负着货运和客运两大重要运输任务。近几年来,随着既有线的 不断提速,新建线路设计速度的不断提高,特别是高速铁路的修建,到2010 年我国将建成1l条客运专线铁路,列车速度将大幅度的提高。随之而来,

铁路运输的安全性就显示出其非同寻常的重要性,作为道岔是铁路轨道的
重要部件之一,由于它具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速 度、行车安全性低、养护维修投入大等特点,与曲线、接头并称为轨道的 三大薄弱环节。 滑床板作为道岔的重要零件,它在整个尖轨长度范围内承托尖轨、扣 压基本轨。提速以前,国内滑床板是由上下两块钢板焊接而成,基本轨内 侧主要采用滑床台压舌刚性扣压,致使尖轨部分弹性较差.提速以后,虽 然国内滑床板开始采用弹片和销钉的方式弹性扣压基本轨内侧,但现场发 现个别弹片和销钉有损伤。我国铁路在快速的发展,已经过了六次大提速, 提速后道岔基本采用钢筋混凝土轨枕结构,轨下刚度较大,道岔几何不平 顺也较大;另外尖轨轨下滑床板是由上下两块钢板在四周焊接制成,致使 尖轨部分弹性较差,形成轨道结构钢轨纵向及横向刚度的不平顺,当列车 通过时引起轮轨间强烈的冲击和振动,从而加剧了车轮与尖轨以及尖轨与 滑床板之间的动力作用,恶化了道岔的工作条件,造成道岔部分零部件使 用寿命缩短,严重时还危及到列车的行车安全。因此很有必要研制用于滑 床板的新型优良弹性扣压件,满足铁路快速发展对道岔用滑床板的要求。 道岔的正常运转是行车安全的基本保证,设法减小道岔的转换阻力,

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可以提高道贫运行的可靠性。影响转换力大小的因素很多,如道岔的结构 形式、安装状况、转辙机的调整、道岔的使用环境等。道岔转换阻力主要 由尖轨的反弹力、尖轨和滑床台板间的摩擦力以及尖轨的密贴力等几部分 组成。尖轨转换时尖轨和滑床板的摩擦力是转换力的主要组成部分,设法 减小这种摩擦力,也是减小转换力的有效方法之一,对大号码高速道岔与 长大尖轨来说更是如此。因此,要快速发展铁路,研制摩擦系数小的改进 型滑床板是必要的。 提速滑床板的底板与其台板相焊接,为固定连接,基本轨磨耗后无法 向内侧移动来调整轨距,导致转辙器在滑床板部分轨距扩大,存有安全隐 患,因此有必要增加改进型滑床板的轨距调整功能.

1.2道岔滑床板结构发展现状
1.2.1国外滑床板的扣压现状
目前国外的滑床板以瑞士施维格公司和德国BWG公司的技术最为成 熟。施维格公司采用的弹性夹扣压为oc形状(图I-1),扣压力为12kN,能 够有效扣压基本轨,确保基本轨不外翻,并提供足够的扣件阻力抵抗温度 力,安装简单、方便。施维格公司的弹性夹为变截面曲线,结构较复杂, 具有技术含量高、结构简单、安装方便、性能稳定等特点,在世界范围应 用较广,法国高速道岔大量运用它。

图卜1瑞士施维格公司滑床板用扣压件

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BWG公司滑床板为可拆卸式,底板为整体硫化形式(图1-2),扣件为 左右分体双弹条形式(图1-3),台板用双弹条弹性扣压与底板连接,扣压 力也为12kN,台板下垫片几乎不提供任何弹性,其主要功能是方便基本轨 的安装和拆卸,同样具有技术含量高。安装、拆解简单实用的特点,在德 国道岔中运用较广泛。 此外,德法高速道岔转辙器基本轨、尖轨用UIC60和UIC60B(或D)配 合,两者有足够的高差,较容易设置与基本轨外侧弹条扣压力相同的弹性 扣压件。

图卜2

BWG公司滑床底板背面图卜3

BWG公司滑床台板用扣压件

1.2.2国外滑床板的减摩现状
国外道岔滑床台板的减摩主要有两种形式,第一种是机械式减摩,以 滚动摩擦代替滑动摩擦,将滑床板设计成带滚轮的特殊结构,尖轨工作状 态坐落在滑床台板上,承受列车载荷;斥离基本轨转换时,尖轨轨底爬上 滚轮,以滚动形式完成转换,扳开状态尖轨坐落在滚轮上. 国外在减摩滚轮装置方面也以瑞士施维格公司研制的可调滚轮装置为 典范,通过旋转偏心辊轴可满足不同牵引点对滚轮垂直高度的要求,通过 移动滚轮装置可调节滚轮与尖轨间的水平位置。法国采用的滚轮装置和它

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类似(图卜4),安装在各牵引点附近,同时和有减摩镀层的滑床台配合使 用,在法铁道岔上己试用,效果得到法铁认可,据介绍已在其它国家使用 5年且将要在法国正在修建的高速铁路上使用。

图卜4法国滚轮滑床板 德国在高速道岔和普通道岔中普遍采用滚轮滑床板(图1-5)。德国滚

轮组件下部粘有一层厚25~30m的弹性物质(比普通橡胶软,比硬海绵
硬),且长度方向弹性呈梯度变化,通过此弹性物质调节滚轮的高度,离基 本轨近侧较软,最外侧滚轮高出台板3毫米,结构见图卜6。德法两国扣 件形式不同,所以滚轮位置不同,德国安装在滑床台中间,法国在滑床板
一侧。

图卜5德国用滚轮滑床板

图卜6德国滚轮结构

在滑床板设计方面,德法两国都强调高速道岔设计系统性的重要,因

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此滑床板的弹性均与其它垫板匹配。法国道岔转辙器尖轨可动部分弹性完 全在板下实现,而德国由于走的是高弹性路线,滑床板及其它垫板本身很 厚(有50舢),滑床板为铁板与橡胶的结合体,具有很高的弹性。每隔3~
5根岔枕安装一块滚轮滑床板。

国外第二种减摩是通过改变滑床板表面的材质,以减小滑床台与尖轨 的摩擦系数。将自润滑式材料制成的薄板,以不同方式固定在滑床板上, 做成不用涂油的滑床板。自润滑材料主要有多孔浸油材料、含油粉末冶金 材料、含油陶瓷、石墨分散合金、等离子喷涂陶瓷、高分子材料涂层、特 种塑料等,用这些材料制成滑床板再以焊接、喷涂、镶嵌、粘结等方法固 定在滑床板上。 法国现有的高速铁路道岔采用滑床板(铸造)台面涂油的方式,这在 距马赛50公里的Aix
en

Provence车站现场铺设的道岔上采用。此外,

法国Cogifer公司也在使用一套无须润滑的滑床板,在安装滚轮滑床板以 外的位置,安装带有一层0.3毫米厚的NiCr减摩镀层的涂层减摩滑床板(图 I-7),摩擦系数为0.25。

图卜7法国涂层减摩滑床板图

卜8德国用涂层减摩滑床板

德国涂层减摩滑床板(图I-8)台板面上是一层灰黑色的减摩材料, 表面还有一层蜡样物质,这层蜡样物质一可填充减摩材料的细孔,二可稍

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 起保护作用。

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英国研制出了具有自润滑性能的高分子材料镶板式滑床板,波泰克 (PORTEC)公司用特制聚四氟乙烯做成了自润滑滑床板。美国曾采取将有弹 性的自润滑材料镶嵌在尖轨底部以减小摩擦力的方法。日本九州铁路公司 研究的金属基固体润滑剂分散形浸油双层材料,它用cu—Ni系合金粉末与 固定润滑剂粉末按一定比例混合均匀后散步在花纹钢板上,然后进行烧结, 通过烧结扩散使钢板与烧结层结合,切割到尺寸后,经干燥和真空处理后 即可焊接成滑床板,使用效果较好。

1.2.3国外滑床板的轨距调整现状
德法两国均认为道岔区钢轨磨耗很小,因此在道岔区扣件与钢轨间均 不设置轨距调整功能,即在扣件与钢轨间不设置我国的轨距块,以保证钢 轨方向稳定,德法两国调距主要是通过铁垫板钉孔内的偏心块实现(图 1.9),滑床板的调距与铁垫板相同。

图卜9

德国带偏心块的铁垫板

1。3国内道岔滑床板结构现状
1.3.1国内滑床板的扣压现状
提速以前,国内道岔滑床板是由上下两块钢板焊接而成,基本轨内侧

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主要靠滑床台压舌刚性扣压(图1-10),致使尖轨部分弹性较差,形成轨道 结构纵向及横向刚度不平顺,列车通过时在轮轨间引起强烈的冲击和振动, 从而加剧了车轮与尖轨以及尖轨与滑床板之间的动力作用,恶化道岔的工 作条件,造成道岔部分零部件使用寿命缩短,严重时还危及到行车安全。

图1.10刚性扣压滑床板 提速以后,国内滑床板开始采用弹片和销钉的方式弹性扣压基本轨内 侧(图1.11).根据秦沈道岔的综合试验测试结果,列车通过时转辙器部分 基本轨的横向最大位移值为1.07ram,完全能够满足提速道岔的使用要求, 但由于受基本轨与AT轨高差的限制,加之弹片后端与底板相顶,弹片易 产生过变形,造成弹片和销钉的强度不足,现场发现个别弹片和销钉有损 伤。

图1.11提速道岔用弹片销钉滑床板 2005年在国内自主研发的时速250km客专道岔中,对滑床板、辙跟垫 板、护轨垫板使用的扣压件均引进瑞士施维格的弹性夹(图1-12),此夹子 技术含量较高,结构独特,扣压力稳定、安装简单,但价格昂贵,最短的

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 夹子也在七百元以上,图1.13为客专道岔用滑床板。

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图1-12施威格弹性夹

图1-13时速250kin客专用滑床板

随着铁路速度不断的提高,确保滑床板安全、可靠、持久的弹性扣压
基本轨内侧就成亟需解决的问题。

1.3.2国内滑床板的减摩现状
目前我国道岔滑床板在减摩方面基本上是通过人工定期清理、涂油来 养护的,这不仅增大了道岔养护工作量,造成线路环境污染,同时由于缺 油或各种粉尘及杂物粘附在滑床板上,还会使道岔转换阻力增加,导致道 岔转换不良的情况时有发生。 近年来也开发和应用了多种技术试图取代传统方法,降低滑床板摩擦 系数,减少维护。如采用滑床台面喷涂减摩材料、电(化学)涂镀高硬减 摩或其复合材料并应用于提速、广深及秦沈道岔,具有一定效果,但不明 显,目前在国内未见有滚轮滑床板应用的实例。 在时速250km客专道岔中进口了施维格的减摩滚轮装置(图1-14), 此装置采用偏心辊轴结构,通过旋转偏心辊轴来调节滚轮的垂直高度,以 满足不同位置对滚轮的高度要求,具有很强的通用性,使用中免维修,但 同样价格高昂,每一滚轮装置约两万圆,图1.15为客专道岔用施维格滚轮 滑床板。

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图1.14施维格的减摩滚轮装置

图1.15时速250km客专滚轮滑床板

1.3.3国内滑床板的轨距调整现状
提速滑床板的底板与其台板相焊接,为固定连接,基本轨磨耗后无法 向内侧移动调整轨距.为了满足基本轨的轨距调整,曾在一些提速滑床板 的内侧台板与基本轨轨肢间预留2tm间隙,设置调整片,当基本轨需向内 侧调距时,抽换调整片以配合外侧的轨距块调整,实现基本轨的调距。此 方法简单,但现场应用中调整片易锈蚀,并且更换时相应的尖轨必须处于 扳开状态,用调整片在线路上调整基本轨轨距操作性不强。

1.4改进型滑床板结构优化研究主要内容
针对提速道岔滑床板存在弹片销钉折断、尖轨转换出现不足位移、滑 床板难以配合基本轨轨距调整等三个主要问题,改进型滑床板结构优化研 究主要内容如下:

1.4.1对基本轨内侧弹性扣压研究
研制具有良好弹性的新型扣压件,使其能持久、可靠的扣压基本轨内 侧,并确保新扣压件具有安装、拆解简单,现场使用、维修便利的特点。

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1.4.2减摩措施研究
研制具有较小摩擦力的改进型滑床板,使其能减小道岔转换阻力,消 除或降低尖轨的不足位移,确保道岔转换灵活、可靠。

1.4.3基本轨轨距调整研究
研制便于转辙器滑床板部分轨距调整的改进型滑床板,使其能灵活配 合基本轨的轨距调整。 综合上述三方面研究内容,研制具有良好弹性扣压、较小摩擦力、轨 距调整方便的改进型滑床板,使其一方面能持久、可靠的扣压基本轨内侧, 另一方面减小道岔转换阻力,消除或降低尖轨的不足位移,同时滑床板还 能方便、灵活的配合基本轨的轨距调整。

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第二章弹性扣压件研究及结构设计
2.1改进型滑床板弹性扣压件研究目的
针对提速道岔滑床板用弹片和销钉强度不足,存在折断、安装困难等 问题,本次设计将吸取借鉴国外先进技术,同时充分利用提速道岔弹片扣 压件的成熟经验,从弹片的工作原理、定位、支撑、安装,拆解及台板、 底板结构上进行改进,使其具有扣压力稳定、安全可靠的优点,而且安装 和拆解简便,方便现场使用和维修。在改进型滑床板中设计两种弹性扣压 件,~种是楔形调整弹片式扣压件,一种是分体式双弹条扣压件。

2.2楔形调整弹片式扣压件
2.2.1设计原则、参数及引用标准
(j设计原则:

1.满足提速道岔相关技术条件的要求; 基本结构:基本轨为60kg/m钢轨,尖轨为60AT钢轨; 2.在原有提速道岔滑床板扣件基础上优化设计,吸取原设计成功的经 验,克服目前存在的缺陷。 ∞设计参数: 参照客运专线及欧洲道岔区扣件系统的技术要求,滑床板对基本轨内 侧扣压件的设计参数如下: 1.一个节点扣件的扣压力不小于IOKNt 注:考虑疲劳后损耗和制造工艺的稳定性,设计扣压力按10+10x20 %=12KN设计.

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 2.一个节点扣件的防爬阻力大于10KN;
3.疲劳性能

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疲劳试验前后,应进行以下测定,性能变化不超过如下值: ①.扣压力变化(BS
EN

13146—7)≤20%;
EN

②.钢轨纵向阻力变化(BS ㈢设计引用标准:

13146—1)≤20%。

1.II型弹条设计标准:TB/I"3065.2。

2.2.2工作原理
提速道岔滑床板通过弹条、销钉组合方式对基本轨轨底进行扣压,其 工作原理为:在未工作状态时弹片前端靠在基本轨轨底上,后端靠在底板 上,呈斜坡梯子形;工作状态下,销钉下压紧固弹片,弹片前端产生向下 的扣压力,后端支撑受力点随着弹片受压变形而后移,最终停留固定在底 板铣削台阶处,因弹片后端直接与底板接触,受力点靠下,使弹片产生较 大的变形,见图2-1.又因提速道岔尖轨采用60^T,与基本轨仅有32mm的 高差,空间所限弹片设计的较薄,最大厚度10nan,强度不足,容易受伤断
裂。

图2-I提速滑床板弹片工作原理图 针对提速滑床板弹片工作原理上的缺陷,在其基础上研究出了楔形调

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整弹片式扣件,工作原理为:弹片前端扣压在基本轨轨底上,后端用楔形 调整块抬高支撑,当弹片抬高到位后,台板内腔的支撑凸台下压紧固弹片, 后端的楔形块支撑弹片,在弹片前端产生12KN的扣压力,见图2—2.

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图2-2楔形调整弹片式滑床板扣件工作原理图

2.2.3结构设计
为了通过试制、试验选择性价比最优者,本次设计了两种楔形调整弹 片式扣件,对其结构分别论述: ㈠楔形调整弹片式扣压件一 楔形调整弹片式滑床板一相对提速滑床板在各零部件结构上主要有以
下改进:

①弹片一 用有限元软件ANSYS分析检算,solid9S单元建模,材料弹性模量为
2.06X 105

Mpa,泊松比为0.3。通过有限元检算,对弹片的结构进行了多

次优化,弹片中间下部为水平面,考虑此段弹片与台板内腔的支撑凸台接 触,所受的应力较其它部位要大,因此将其设计的较其它部位厚,厚度为

11咖,下部的前后均为斜面,与基本轨相扣压部位弹片厚度为6姗,后端
设有限位结构,限位结构与台板内腔的两限位槽配合,确保弹片在横向安 装到设计位置,弹片一结构见图2—3。

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图2-3弹片一结构图 经有限元分析计算,弹片一的最大屈服应力0==771.6Mpa,仅存在于 小区域内,绝大区域应力在680Mpa以下,应力检算结果见图2-4;在弹片 一与台板支撑凸台紧固位置处弹程S=2.3rm,与基本轨轨底相扣压位置处

弹程S=4.1衄,位移检算结果见图2—5。

图2-4

弹片一应力图

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图2-5弹片一位移图 提速道岔滑床板用弹片材料为60Sign,屈服强度为866.7MPa(已扣除 I.35安全系数),为了确保弹片有一定的强度储备,本次选用热轧优质弹 簧钢60Sirra,其屈服强度为1185.7MPa(已扣除1.35安全系数)。由检算 结果知弹片一的最大应力在材料强度的许用范围内,提速用弹片最大应力 o,=850.6Mpa,新设计的弹片一达到了降低应力的目的。 ②台板一 利用有限元软件ansys计算的弹片变形曲线,模拟出弹片在工作状态 下的轮廓,以此来设计台板的内腔结构。改进了提速滑床台内腔结构,取 消销钉孔,在台板内腔分别设有限位凸台和支撑凸台,设置限位凸台以避 免弹片受力过大而伤损,限制弹片的过变形;设置支撑凸台作为弹片受力 变形时的支点,支撑凸台距压舌跟端71ram,距台板底19.8m;台板后端设 有弹片限位槽、调整楔锁闭槽。台板内腔前段深26m,内腔后段深22册,

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 结构见图2—6。采用铸造工艺,减少加工工作量,有利于批量生产。

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图2-6台板一结构 ③锁闭装置 锁闭装置由楔形调整块、压簧、锁闭杆、盖板四部分组成,结构见图 2—7,将压簧与锁闭杆装配 后,放入楔形调整块内腔 中,再用盖板焊接,将其 封闭起来,防止零件散乱. 为避免锁闭装置锈蚀,压 簧采用防锈材料
1Crl8Ni9或2Crl8Ni9,锁

闭杆、楔形锁闭块均进行 发黑防锈处理,锁闭装置 组装焊接完后,由盖板孔 加注黄油润滑锁闭杆和压簧。 图2-7锁闭装置

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为方便弹片安装,将弹片后端支撑装置设置成楔形调整块,用楔形调 整块逐渐拾高弹片,当弹片安装到位后,安装在调整块内腔的锁闭杆与台 板后端的锁闭槽相配合锁定调整块位置。拆解时用小铁棍塞进锁闭杆后端 孔中。拨动压簧,解除锁闭杆的锁闭,同时再用另一个小铁棍塞进楔形调


整块上部的孔中,用力推撬调整块,弹片便拆解。 ㈢楔形调整弹片式扣件二 扣件二与扣件一的工作原理相同,区别仅在弹片、台板的结构,设计 两种弹性扣压件主要目的是通过试验,选择性价比最优者,将其更好的用 在以后的道岔产品中。 ①弹片二

与弹片一区别:中间最厚处由11咖变为12ram,距扣压基本轨轨底位
置由65m变为84嘞,楔形调整块支撑处厚度由6mm变为7mm,见图2-8。



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图2—8弹片二结构 经有限元分析计算,弹片二的最大应力0,=934.19Mpa,仅存在于极小 区域内,绝大区域应力在726.6Mpa以下,60Sirra的屈服强度

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1185.7MPa(已扣除1-35安全系数),最大应力在材料强度的许用范围内, 应力检算结果见图2-9;弹片二在与台板支撑的凸台紧固位置处弹程S= 2.4mm,与基本轨轨底相扣压位置处弹程S=5.1哪,位移检算结果见图
2—10。

图2-9弹片二应力图 ②台板二

图2—10弹片二位移图

与台板一在内腔尺寸上有区别,支撑凸台距压舌跟端由71咖变为 90ram,距台板底高度仍是19.8m:内腔后部深由22ram变为23r,m,见图2一11。

图2-11台板二结构

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图2-12楔形调整弹片式扣件滑床板组件示意图

2。2.4小结
两种规格的楔形调整弹片式扣件滑床板均取消了销钉,改善了弹片的 受力状态,在提供足够扣压力情况下避免了弹片的过变形,降低了弹片的 应力。

2.3分体式双弹条滑床板扣压件
2.3.1设计原则、参数及引用标准
¨设计原则: 1.满足提速道岔相关技术条件的要求; 基本结构:基本轨为60kg/m钢轨,尖轨为60AT钢轨; 2.充分借鉴铁路发达国家滑床板用弹性扣压件设计的成功经验,并进
行改良;

3.结构应具有同一性和统一性. ㈢设计参数:

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根据提速道岔术条件的要求,参照欧洲道岔区扣件系统的技术要求, 道岔区扣件系统的设计参数如下: 1.一组扣件(2个弹条)的扣压力不小于IOKN(单个弹条不小于5KN); 注:考虑疲劳后损耗和制造工艺的稳定性,设计扣压力按10+10×20 %=12KN(单个弹条设计6KN扣压力)计算。 2.一组扣件(2个弹条)的防爬阻力大于IOKN(单个弹条大于5KN); 3.疲劳性能 疲劳试验前后,应进行一下测定,性能变化不超过所示值:
扣压力(BS
EN

13146—7)

≤20% ≤20%

钢轨纵向阻力(BS EN 13146-1) ∞设计引用标准:

1.II型弹条相关设计标准:TB/T3065.2

2.3.2工作原理
两个弹条分别设置在滑床板两外侧,弹条前端扣压基本轨轨底,中部 通过滑床台的侧翼限位,弹条后端通过台板的支座抬高、支撑、限位,工 作状态弹条发生弹性变形,在弹片前端产生12KN的扣压力,见图2一13。

图2-13

双弹片式扣件滑床板工作原理图

2.3.3结构设计
①底板

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考虑滑床板空间有限,同时为节省底板材料,仅在与台板两侧翼与弹 条配合的部位进行加宽,以确保支撑点有足够的强度;此外为方便弹条安 装,也避免弹条工作状态的过变形,在底板长度方向两外侧与弹条相配和 的部位均挖掉一部分,留出弹片变形空间,结构见图2-14。

图2-14

底板结构

②台板
在台板宽度方向的两外侧分别设置了侧翼和支座,侧翼用来是限位、 支撑弹条,支座用来抬高、固定、支撑弹条。提速道岔尖轨采用60AT钢轨, 基本轨轨底与尖轨轨底高差仅为32mm,因此台板的厚度也有限,在台板高 度设计中尽可能的减小弹条的占用空间,但同时要保证台板的侧翼、支座 有足够的强度,台板与底板则采用焊接形式的刚性连接,结构见图2一15。

图2-15

双弹条用台板结构

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③弹条

第22页

弹条采用梭形结构,跟端设有限位结构与台板相配合,确保弹条安装 到设计位置,结构见图2—16。

图2—16双弹条结构图(单件)

2.3.4分析检算
①弹条检算 设计了7种规格的新型弹条结构,结构及受力如图2—17所示:

图2一17双弹条受力图 注:弹条宽度为B(mm) 弹条材料采用60Sign热轧优质弹簧钢,其淬火后屈服强度 866.7MPa(以扣除1.35安全系数)。在结构设计中用有限元检算分析,对结 构进行优化对比,在弹条提供足够扣压力的同时,使其应力尽可能分布均

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第23页

匀,并降低应力最大值。solid95单元建模,材料弹性模量为2.06X 105MPa,
泊松比为0.3。

当弹条前端提供12KN的扣压力时,理论计算七种方案的新型弹条,其 变形△Y、应力值见表2_l。
表2.1 方 Y1(mm)
6 6

各方案应力与变形 B(姗)
15 15 15 15 15 10 13


1 2 3 4 5 6 7

Y2(姗)
13

Y3(唧)

8 8 8 8 8 8

X(咖)
70 70 70 80 60 70 70

弹条变形 △Y(唧)
—4.18 —3.07 —2.92

最大应力
(14Pa)
992 758.2 759.9

15
15 15. 15 15 15


6 6

—3.78 —2.38 —4.6
—3.37

873.8
651.54 1156 893.55




对计算结果进行分析对比,选用方案3。弹条的最大应力值为759.9MPa, 达到了提高弹条强度,降低其应力的目的,应力结果见图2—18,位移结果 见图2-19。

图2—18方案3弹条应力图

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第24页

图2—19方案3弹条位移图

2.3.4.2台板检算
台板用0235-A材料,屈服强度为235MPa,抗拉强度为375MPa。经分 析计算,在台板扣压弹条处应力最大,为160MPa,但仅在极小区域内存在, 大部分区域应力低于IOOMPa,台板侧翼的最大位移为0.Olmm,不影响尖轨 的扳动。台板分析检算结果见图2—20、图2—2l。

图2—20台板应力图

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第25页

图2-21台板竖向位移图

2.3.5小结
双弹条式扣件改进了滑床板的扣压方式(图2-22),取消了销钉,双 弹条薄弱点最大应力值远远低于材料屈服强度,能够满足提速道岔的使用 要求;同时新结构设计考虑了制造精度和安装使用状态对弹条和台板的应 力影响。此结构可持久弹性扣压基本轨内侧,使用安全可靠。此外,双弹 条式扣件在弹条的安装和拆解上均较简单灵活,适应铁路野外作业和维修 养护,能够满足提速道岔的使用要求,开创了滑床板安全可靠弹性扣压基 本轨内侧的新领域。

图2-22双弹条式扣件滑床板组件示意图

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第三章减摩措施研究及结构设计
3.1研究目的
随着大号码道佾的开发及长大尖轨的应用,尖轨与滑床板的摩擦力在 道岔转换力中所占比例增大,需要研制不用涂油、摩擦力小的减摩滑床板。 减摩滑床板可减小道岔转换阻力、人工涂油养护滑床板工作量及涂油引发 的环境污染,可消除或减小尖轨的不足位移,使道岔转换可靠、安全。

3.2减摩原理的研究
减小尖轨与滑床板间摩擦力有两大研究方向,一是改滑动摩擦为滚动 摩擦,达到减小摩擦力的目的;二是减小滑床台表面摩擦系数,达到相同 目的。参考国内外的减摩方式,有两种方式供选择: ①机械式减摩,滑床板上安装滚轮装置,变滑动摩擦为滚动摩擦: ②改变滑床板表面材质,将自润滑式材料以喷涂、镶嵌、粘结等方式 固定在滑床台板上表面。

3.2.1减摩滚轮的研究
变滑动摩擦为滚动摩擦的思路在国外己得到了较为广泛的应用,技术 已经成熟,在我国虽然个别单位和部门已开展了研究,但目前国内还没有 成熟的技术。机械式滑床板以滚动代替滑动,毫无疑问,减摩效果最好, 但这种方式也有明显的缺点:一是由于裸露使用,灰尘、油污及其它有害 物质,如酸碱盐等化学物质,易于侵入滚珠槽内,不易清理,容易将滚珠 腻住,滚动失效:二是雨水特别是酸雨等有害介质的作用下。易造成锈蚀; 三是结构复杂,成本高。

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第27页

3.2.2减摩涂层的研究
表面减摩涂层技术应用目的是减少滑床台表面与尖轨(心轨)轨底间 的摩擦系数,达到减少摩擦力目的。台板表面嵌入式减摩技术的研究在国 内也有一些应用,但没有得到较为广泛的推广。其原因之一在于适用性有 一定限制,如我国提速系列道岔应用在结构上较为困难;原因之二是气候 条件限制,在高寒高热地区使用会存在材料适应性问题;原因之三是温差 造成材料膨胀和缩小,为其固定造成一定困难;原因之四是减摩材料本身 的使用寿命也是制约其发展的一个方面。 之所以将减摩涂层方式列为一种研究方式,主要在于该方式研究投入 少,利于快速开发,更重要的是有利于可动心轨辙叉部分滑床台板表面实 现减摩,滑床台板减摩涂层技术在我国有广阔的应用前景。

3.3减摩滚轮装置结构设计
3.3.1偏心辊轴滚轮装置
此结构类似客专道岔进口的施维格滚轮,主要优点在于它有很强的通 用性,不同位置的滚轮滑床板均可用同一滚轮装置,滑床底板上配有螺纹 孔,通过水平移动滚轮装置,可满足不同动程处安装使用同一滚轮装置的 要求;通过旋转偏心辊轴,满足不同位置对滚轮垂直高度的要求,组装图 见图3-1。滚轮装置是在尖轨开通状态下安装的,它和尖轨轨底外侧边留有 约2mm的间隙,以免开始扳动时阻力大;离基本轨近的滚轮高出滑床台表 面1.5~2mm,离基本轨远的滚轮高出滑床台表面2.5~3mm,因为两滚轮 的高差,可以使扳开尖轨走上坡,开通尖轨走下坡,这能够使开通的尖轨 与基本轨更好的密贴;在尖轨后端动程较小处,安装靠近基本轨侧的一个 滚轮,调整好滚轮的垂直高度及水平位置后将辊轴锁紧,滚轮装置安装在

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 滑床台一侧,装配图见3-2。


第28页

辊轴

滚轮

轴套

密封环

图3-1偏心辊轴组装图

图3-2偏心滚轮装置

关键件结构设计: ①滚轮 设计为弧形,以减少尖轨与滚轮的接触面积;滚轮材料用40Cr,淬火 处理,HRc50~58,并且对表面进行发黑防锈处理。 ②辊轴 设计3m偏心量,最大调高量为6咖,调高范围-0.5~5.5mm;辊轴 调到合适高度后再锁紧,为增大辊轴与上下盖的摩擦力,在盖与轴接触部 位对轴进行滚花处理。辊轴材料用40Cr,淬火处理,HRC50~58,也进行

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 发黑防锈处理。 ③轴套、密封环

第29页

因轴套较薄,精度要求高,将辊轴与轴套设计为过盈配合,滚轮与轴 套为间隙配合,用热胀冷缩原理装配,滚轮绕轴套转动。轴套、密封环均 采用聚四氟乙烯材料,主要鉴于聚四氟乙烯具有优良的综合性能,耐高温,

耐腐蚀、不粘、自润滑、很低的摩擦系数,在已知塑料中聚四氟乙烯具有
最好的耐化学腐蚀性能及介电性能。此材料用做轴套与密封环,减摩装置 将具有免润滑,良好的防尘等优点。 ④辊轴的锁紧 通过上下盖间隙及摩擦力,用联结螺栓将轴卡死锁定。

3.3.2同心辊轴滚轮装置
为了便于辊轴加工,采用同心辊轴,滚轮、密封、减摩轴套均与偏心 辊轴装置结构相同,图3—3为同心辊轴与滚轮、轴套、密封环的组装图。 为确保距基本轨远的滚轮高,在上下盖设计中将装配辊轴的两孔中心高相 差1.5mm,这样在双滚轮结构中不用调高,第二滚轮就比第一滚轮高1.5mm; 为了在不同牵引点附近安装同一同心辊轴滚轮装置,在滚轮框架底部使用 0.5~2mm调整片:滚轮直径、框架厚度均比偏心滚轮装置小,便于调整片 的应用,装配图见3-4。

图3-3同心辊轴组装图

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第30页

图3-4同心滚轮装置

3.3.3岔枕间减摩滚轮装置
滚轮装置安装在牵引点附近的两岔枕间,在岔枕边上安装连接支架, 支架一方面通过限位装置与岔枕螺栓相连,一方面通过连接板与滚轮框架 相连:不同位置处滚轮的垂直高度通过调高螺栓调节,尖轨开通时坐落在 台板面上,扳开时坐落在滚轮上,装配图见图3—5。

图3-5岔枕间减摩滚轮装置

3.4减摩材料及工艺的研究与选择
3.4.1对减摩涂层的技术要求
1.良好的减摩性能; 2.良好的强度和硬度;

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 3.与机体有良好的结合性能; 4.良好的摩擦疲劳性能: 5.良好的抗冲击性能; 6.良好的耐腐蚀性和良好的防锈性能:

第31页

对以上的技术要求,目前很难给出具体指标,主要要求台板面摩擦系 数小于0.3。

3.4。2减摩材料及工艺的研究与选择
陶瓷材料耐高温、硬度高、耐磨损、稳定性好,但其塑性变形能力差, 加工成型困难。 等离子喷涂陶瓷涂层,有较好的减摩效果,但涂层较薄、易发生脆性 破坏,而且一旦破坏后很难修补,Jjn-r时对金属表面处理要求严格,设备 昂贵。 金属基复合自润滑材料,如铁一石墨系、青铜一石墨系等,是在金属 基体内加入适量石墨、MoS2、WS2等固体润滑剂或在多孔的金属基体空隙 中浸入润滑油,这些方法都是用粉末冶金法制成的。这种减摩材料的缺点 是接触面处于边界润滑状态,所以摩擦系数变化较大,露天使用时,容易 被污染,所含润滑油也容易干涸。另外,工艺复杂,价格昂贵。 碳石墨材料,具有良好的自润滑能力和抗磨性、耐蚀性、线膨胀系数 小、浸渍金属或环氧树脂等高分子材料后,其抗磨性、减摩性均很好,但 其抗冲击性差,不适宜做道岔滑床板。 塑料基复合材料是在尼龙等基体中加入润滑油或石墨、MoS2等固体润 滑剂制成,这种材料的抗磨减摩作用很好、改性容易、工艺简单、成本较 低,其缺点为在自然界光和热的作用下易于老化,在冲击载荷作用下易于 变形,特别是出现压痕之后,反而增大了转换阻力。

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第32页

上述减摩材料和减摩方法对道岔滑床台板表面均可程度不同地起到减 小转换阻力的作用,但也存在着不同的弱点。


在滑床台板减摩工艺方面目前主要通过喷涂和涂镀(电刷镀)两种方 式实现。 本次选择金属镍作为减摩涂层主要材料,镍涂层厚度≤O.15mm,采用 电刷镀工艺,此镀层具有良好的防腐蚀防锈功能,镀层与基体有优良的结 合力,通过镀镍台板表面硬度可达到HV550,减摩镀层改变了原有的摩擦 副、摩擦系数减小,减小了道岔电机的牵引阻力。此减摩技术已经在2006 年6月应用在客运专线铁路时速250公里60.18号单开道岔滑床台板上, 通过现场使用调查得知,此减摩镀层在经过近一年的使用达到了预想要求, 台板的耐磨性提高,不锈蚀,而且台板表面的灰尘易清除,缩短了养护维
修时间。

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第33页

第四章改进型滑床板轨距调整设计
4.1轨距调整方案
提速滑床板的台板焊接在底板上,基本轨磨耗后无法向内侧移动调整 轨距,为解决此结构设计缺陷,主要采取了以下两个方案: 方案一:调整片调整轨距 在滑床板内侧台板与基本轨轨肢间预留3mm间隙,设置调整片,当基 本轨需向内侧调距时,抽换调整片以配合外侧的轨距块调整,实现基本轨
的调距。

此方法简单,在既有道岔中已使用,但现场应用中容易出现调整片锈 蚀,且更换时相应的尖轨必须处于扳开状态,因此更换较困难。 方案二:复合缓冲偏心套调整轨距

横向移动滑床板
‘_■■??一------

图4-1复合缓冲偏心套调距原理图 在滑床板岔枕螺栓孔处设置复合缓冲偏心套,当基本轨需要调整轨距

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第34页

时,通过旋转复合偏心套或更换偏心套规格,以改变滑床板的两螺栓孔中 心距,从而实现滑床板的横向左右移动,起到调整基本轨内侧轨距的效果, 工作原理如图4-1所示。 方案比选及结论:方案二通过滑床板横向位置的移动,起到调整基本 轨轨距的功能,方便现场操作,而且此复合缓冲偏心套具有缓冲功能,能 够改善岔枕螺栓的受力状况,故改进型滑床板在轨距调整方面选择复合缓 冲偏心套结构调整轨距。

4.2改进型滑床板轨距调整的结构设计
4.2.1与岔枕联结件结构的设计
原提速道岔滑床板与岔枕联结的紧固机构由49m预埋塑料套管、o 30姗岔枕螺栓、弹簧垫圈三部分组成。原设计力学模型为:岔枕螺栓紧固 后,用垫板、板下胶垫、岔枕三者之间形成的摩擦阻力来平衡横向力,岔 枕螺栓仅受单纯的拉力。但事实上,当紧固扭距不足或板下胶垫老化后, 垫板螺栓孔壁将与吐)30m岔枕螺栓直接接触,岔枕螺栓将承受横向力,其 受力状态由单纯受拉转变为拉弯结合,因此岔枕螺栓的弯曲疲劳断裂时有 发生。在滑床板部位轨距的调整仅可以通过与II型弹条相配和的轨距块来 调整,调整量为:±2栅。 优化后的滑床板与岔枕联结的紧固机构由(b45ram预埋塑料套管、预埋 不锈钢套管、复合缓冲偏心套、中30咖岔枕螺栓、弹簧垫圈五部分组成,
见图4—2。

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图4-2提速用滑床板的岔枕紧固结构与改进型滑床板的岔枕紧固结构 防转台








图4-3复合缓冲偏心套

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新结构中增加了滑床板调整轨距的结构件:复合缓冲偏心套,它由钢 套、偏心套、上下橡胶垫圈四部分构成,用硫化工艺形成一个整体结构, 结构见图4—3。 岔枕螺栓被复合缓冲偏心套、板下胶垫柔性包围,缓冲了由垫板传递 给岔枕螺栓的横向力,降低了横向力作用点的高度。这种缓冲技术在国外 道岔中已普遍应用,国内自主研发的客专道岔也已采用,但客专道岔的调 距结构由盖板、复合套、缓冲调距块三部分组成,本设计将这三者硫化在 一起,简化了零件数量,便于线路组织施工。复合缓冲偏心套中的钢套内 径为阶梯形结构,上部不与岔枕螺栓接触,降低了横向力的作用点高度, 岔枕螺栓的受力状态得到明显改善,提高了岔枕螺栓抗弯强度。此外,复 合缓冲偏心套也设计了与底板岔枕螺栓孔相配和的防转台。 设计了2种规格的复合缓冲偏心套,偏心值P=1、3,通过搭配组合, 可形成6种轨距调整量,分别为一2唧、+2mm、一4m、+4m、一6嗍、+6栅, 具体情况见表4-1。两种规格偏心套与轨距块相配和,可形成8种轨距调 整量:一4ml、一2哪、+2mm、一4哪、+4m、一6mm、+61m、+8rmo

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 表4-I偏心套组合方式与调整量 鹏
复合售电蠢组合哥式 涮瞳 片号 复台售电垂组畚齐式

第37页

调整量

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,2mm

4.2.2改进型滑床板底板螺栓孔结构设计
为了增大改进型滑床板轨距调整范围,同时为了降低成本,复合偏心 套规格尽可能的要少。在国内客专道岔中滑床板底板仅设置了一个防转限 位槽,见图4-4,这样复合缓冲偏心套在一个孔中只有一个偏心距,为了 增强复合缓冲偏心套调整轨距的功能,底板在垂直于板长方向设计了两个 防转孔,见图4_5。如果轨距不合适,将同一规格的复合缓冲偏心套旋转 180。,便增加一种轨距调整量,可再次横向移动滑床板,从而减少了复合

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 缓冲偏心套规格,降低产品成本,也方便线路施工。

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图4-4客专用滑床板螺栓螺栓孔

图4—5改进型滑床板用底板

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第五章改进型滑床板的结构设计
5.1改进型滑床板结构设计方案
提速道岔用改进型滑床板在结构上需具有三大功能:持久的弹性扣压、 较低的摩擦系数、方便灵活的轨距调整。前几章根据改进型滑床板的三大 功能分别对其进行了研究和结构设计,本章根据上述特点对改进型滑床板 进行综合设计。在弹性扣压件方面有两种结构设计,一种是楔形调整弹片 式扣件,一种是分体式双弹条扣件,这两种扣件都能够持久稳定扣压基本 轨轨底。根据道岔野外作业特点,在滑床板的轨距调整方面选择了复合缓 冲偏心套结构。在滑床板的减摩方面尽管有机械式的减摩滚轮装置和改变 滑床台板表面材质的电刷镀减摩涂层两种方式,但考虑到一组12号单开道 岔中有四十多块滑床板,若全部采用滚轮滑床板,用户势必无法接受整组 道岔高昂的造价,而且也没有必要事倍功半,和国外以及国内客专道岔一 样,间隔约3米,在各牵引点附近设置一对滚轮滑床板,同时为了台板表 面更好的防锈防腐及减摩,减少养护维修工作量,对所有滑床台板表面均 进行电刷镀减摩涂层处理,如此以来提速道岔用改进型滑床板结构分为两 种类型(图5-1),一种是电刷镀台板表面的涂层滑床板,一种是带减摩滚 轮装置的滚轮滑床板。

图5-I改进型滑床板分类图

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5.1.1涂层滑床板结构设计方案
在一组道俞中所用滑床板大多数为涂层滑床板,滑床台板表面均电刷 镀含镍基的减摩涂层,有二种设计方案,方案见图5—2.

图5-2涂层滑床板设计方案图 方案一:楔形调整弹片式扣件+复合缓冲偏心套(图5—3)

图5—3楔形调整弹片式扣件滑床板装配图

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优点:楔形调整弹片式扣件改变了弹片受力状况,可持久弹性扣压基 本轨,工作状态下弹片的锁闭位置比较可靠,滑床底板、弹片加工也容易, 台板可用铸造与机加工相配和的工艺完成,台板上表面电刷镀减摩涂层。 缺点:楔形调整弹片式扣件组件较多,拆解较费劲。

方案--:分体双弹条式扣件+复合缓冲偏心套(图5—4)

图5-4双弹条式扣件滑床板装配图 优点:双弹条扣件组件少,安装、拆解简单,方便野外作业。 缺点:双弹条,台板、底板的结构复杂,制造难度较大,特别是弹条 的尺寸精度要求高,需采用锻造与机加工相配和的工艺完成。 方案比选及结论:综合涂层滑床板两个方案的优缺点,本设计选择方 案一,虽然它的扣件零部件多,但有提速道岔滑床板使用弹片销钉的成熟 经验,弹片、台板、底板、锁闭装置结构较简单,加工较容易,也适应我 公司目前的生产能力.根据试制后的具体情况再优化楔形调整弹片式扣件 的安装、拆解结构,最终设计出符合我国国情的滚轮滑床板,双弹条扣件 将作为我们下一步重点研究对象。

5.1.2滚轮滑床板结构设计方案
在一组道岔中滚轮滑床板仅在各牵引点附近设置,有三种设计方案,
见图5-5。

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图5-5滚轮滑床板设计方案图 滚轮滑床板方案一:楔形调整弹片式扣件+偏心减摩滚轮装置+复合缓 冲偏心套,结构见图5-6。

图5—6滚轮滑床板方案一 优点:楔形调整弹片式扣件改交了提速弹片工作原理,去掉了销钉,

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可持久弹性扣压基本轨内侧,安装、拆解较简单灵活,适应铁路野外作业 和维修养护。滑床底板、弹片较易加工,台板采用机加工或铸造均可实现。 偏心辊轴滚轮装置具有很强的通用性,在所有的牵引点附近均可用同 一减摩滚轮装置,根据各牵引点对滚轮高度的不同要求,通过旋转辊轴来 调整滚轮高度,其零部件数量也较少,而且偏心辊轴滚轮装置不受滑床板 调高影响,可与底板一起升降。


缺点:楔形调整弹片式扣件组件较多;偏心辊轴滚轮装置的滚轮直径 因受台板高度限制,直径相对较小,偏心辊轴加工相对复杂。 滚轮滑床板方案二:分体双弹条式扣件+同心减摩滚轮装置+复合缓冲 偏心套,结构见图5.7.

图5-7滚轮滑床板方案二 优点:梭形结构的双弹条扣件组件少,安装、拆解简单, 方便野外作 业:同心辊轴滚轮装置加工简单. 缺点:双弹条、台板、底板的结构复杂,制造难度较大, 特别是弹条 的尺寸精度要求高,需采用锻造与机加工相配和的工艺完成。 同心辊轴滚 轮装置增加了调高零件调整片. 滚轮滑床板方案三:楔形调整弹片式扣件+岔枕间减摩滚轮装置+复合

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 缓冲偏心套,结构见图5-8。

第“页

图5-8滚轮滑床板方案三 优点:此减摩装置的安装与既有滑床板结构不发生干涉,所有滑床板 结构一致,安装滚轮装置附近的滑床板底板结构简单,也不需加宽,滚轮 直径不受台板高度限制,此方案的滚轮滑床板比较适合已上道的提速道岔
改造。

缺点:此减摩装置安装在岔枕间,影响道床捣固,滚轮框架加工较难, 零件也比较多。 方案比选及结论:综合上述滚轮滑床板三方案的优缺点,滚轮滑床板 选择方案一,虽然它的扣件零部件多,但我们有提速道岔滑床板使用弹片 销钉的成熟经验,弹片、台板、底板、锁闭装置结构较简单,加工较容易, 也适应我公司的生产能力。偏,IL,辊轴滚轮装置有很强的通用性,试制后根 据具体应用情况再优化楔形调整弹片式扣件的安装、拆解结构,最终设计 出符合我国国情的滚轮滑床板。

5.2涂层滑床板结构设计
涂层滑床板结构:楔形调整弹片式扣件+复合缓冲偏心套(图5—9)

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图5-9涂层滑床板 楔形调整弹片式扣件、复合缓冲偏心套的结构在前几章己分别进行了 详细设计,在此设计的重点是将这二者结构与底板综合起来,设计出完整
的滑床板。

底板宽度仍和提速道岔一样取180m,因复合缓冲偏心套上部盖板外
径较岔枕螺栓大,长度取640m。底板上设计了与复合缓冲偏心套相配合 的巾56岔枕螺栓孔,此孔带两个防转槽,增大复合缓冲偏心套的轨距调整
范围。

5.3滚轮滑床板结构设计
滚轮滑床板结构:楔形调整弹片式扣件+偏心减摩滚轮装置+复合缓冲
偏心套(图5—10)

楔形调整弹片式扣件、偏心减摩滚轮装置、复合缓冲偏心套的结构在 前几章已分别进行了详细设计,在此设计的重点是将这三者结构与底板、 台板结构综合起来,设计出完整的滚轮滑床板。

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图5—10滚轮滑床板装配图

5.3.1底板结构设计
底板上首先需安装减摩滚轮装置,其次需焊接台板,另外还要与复合 缓冲偏心套配合,底板宽度=滚轮框架宽度(1lOm)+间隙(10,m)+台 板宽度(1lO,m)+2条焊肉宽度(16)ml=246mm,宽度取250mm;考虑到 复合缓冲偏心套上部盖板外径较岔枕螺栓大,长度取640mm,底板见图
5—11。

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图5-11底板 结构特点: ①根据转辙器各牵引点动程,底板上设计了与滚轮装置相配合的4对 孔,同一底板可以满足不同牵引点对滚轮装置横向位景的要求,增强了滚 轮滑床板底板的通用性。因连接螺栓为M12,直径较小,若在此处整个板 厚(23ram)内钻制M12的孔,丝锥易打断,螺纹孔也易钻偏,在时速250km 客专道岔中有此方面的教训。为此将此孔系设计成13ram深的M12螺纹孔和 8mm深的中16光孔两部分,即满足了连接螺纹长度要求,又方便了加工。 ②底板上安装滚轮框架的位置设计了两个凸台,此凸台与滚轮框架配 合,可限制框架在滑床板纵向移动。 ③底板上装滚轮装置的外边设计了R5的排水孔,避免雨水滞留在装 滚轮的槽中。 ④底板上设计了与复合缓冲偏心套相配合的中56岔枕螺栓孔,此孔 带两个防转槽,增大复合偏心套的轨距调整能力。

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5.3.2台板结构设计
滚轮滑床板因安装有滚轮框架,所以此处的台板宽度交窄了40ram,宽 度为1lOmm,内腔结构与普通提速道岔用改进型滑床板用台板完全一致,仅 仅是将它在宽度方向两外侧各减小20ram,经过有限元分析检算,滚轮滑床 板用窄台板强度在材料需用范围内。

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第六章涂层滑床板试制及试验
因生产繁忙,我公司在2006年9月1日~2006年10月30日仅对涂 层滑床板进行了试制,本次按第二章设计结果分别试制了两种楔形调整弹 片式扣件滑床板,以便通过试制、试验选择性价比最优者,将其用在以后 的道岔产品中。

6..1试制内容
分别试制了3套楔形调整弹片式扣件滑床板一和楔形调整弹片式扣件 滑床板二,试制件见图6—1,滑床板表面电刷镀镍基减摩涂层,弹片试制 件见图6_-2,锁闭装置见图6—3;试制了两种规格(偏心值P=l、3)的 复合缓冲偏心套,分别试制了5套。

图6-1楔形调整弹片式滑床板试制件

图6-2弹片试制件(正面)与弹片试制件(背面)

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图6-3楔形调整块试制件图

图6-3复合缓冲偏心套

6.2试制问题
通过对试制的两种改进型滑床板进行组装,备部件装配关系合理,证 明了设计关系的正确性.弹片在安装时比较容易,但在拆解时较费劲,锁 闭装置中的锁闭杆紧紧卡在台板的槽内,加之工作状态时弹片给楔形块很 大的压力,本想按原设计,用两个小铁棍相配和(一个塞进楔形块上面的 孔中往外推撬,另一个塞进锁闭杆的孔中通过拨动压簧解除锁闭)来拆解 楔形块根本就行不通,小铁棍的力量不够大,设计和实际状态存有较大的 差异,最终用榔头猛烈敲打楔形块,才将其拆解.通过试制发现了楔形调 整块的拆解设计不理想,需要完善优化,否则很难满足线路维修养护要求。

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6.3试验及测试
2006年11月24日~2006年12月5日在西南交大土木学院轨道试验 室对两种楔形调整弹片式扣件涂层滑床板分别做了如下试验: ①检测涂层滑床板系统的疲劳性能是否合格; ②检测新型弹片的扣件力是否合格; ②检测新型弹片在疲劳试验后的扣压力损失是否合格;
主要检测设备:

(1)FCS0118四通道电液伺服协调加载试验系统; (2)扣压力试验专用加力架; (3)大量程百分表。 ∽组装疲劳检测 (1)加载方式 试验加载方式如图6-5所示,在加力架顶部施加疲劳荷载P,经加力 架传递,施加于左、右轨上的水平力分别为H1和H2,施加于矮轨上的垂 向力分别为Q1和Q。加力架斜腿与水平轴间夹角为45。.由力学平衡原 理,可知HI=H2=Ql=Qz=P/2。

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垂向力Q- 水平力H-—“ P/试验用矮轨
岔枕、一

垂向力Q2

水平力}12 5 )——一
、●■■■■■-—L

逸一』U
图图6-5试验设计加载模型





(2)加载设备 ①FCS0118四通道电液伺服协调加载试验系统; ②扣件疲劳试验专用加力架; ③扣件疲劳试验用特殊矮轨。 (3)试验荷载 参考我国《扣件组装疲劳试验方法(TB厂1’2491-94)》和欧洲标准《铁 路应用一扣件系统性能要求:转辙器、辙叉和护轨特殊用扣件系统 (ENl3481.7:1999)}的相关规定,扣件采用如下荷载进行试验:作用在加 力架上的竖向疲劳荷载P为10~100kN,加载频率为6Hz,加载波形为正 弦波,加载次数为200万次。加力架斜腿与水平面的夹角450,相当于每 组扣件承受5~50kN的横向荷载交替变化200万次。 ㈢扣件力及扣压力损失检测

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扣压力测试加载方式如图6-6所示,先将轨下胶垫取出,钢轨两端支 撑着,岔枕通过滑床台系统与钢轨联结并被悬挂于空中.在钢轨和滑床台 的对应位置分别安装4个百分表,用来测量二者在这4个位置的相对位移, 其中滑床台的百分表布置如图6.7所示。通过一个特制的加力架在岔枕上 施加压力,钢轨被支撑住不产生垂向位移,岔枕由于压力作用将产生向下 移动,钢轨和滑床台产生垂向相对位移。由钢轨和滑床台上的百分表读数 可测出Ⅱ型弹条和弹片处二者相对位移,这两个相对位移分别为Ⅱ型弹条 和弹片的弹程,由于岔枕自重、施加的压力P和Ⅱ型弹条的刚度已知,根 据测出Ⅱ型弹条和弹片的弹程,可求出弹片在不同弹程下的扣压力,图6.8 为扣压力测试加载全景。


加力架

图6-6扣压力测试加载

图6-7涂层滑床板上百分表布置

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图6-8新型弹片扣压力测试加载图全景 检测结论:新型弹片一、二在设计弹程下的扣压力分别为11.224kN和 13.358kN,扣压力损失分别为1.077kN和1.204kN,两种弹片的扣压力及 扣压力损失合格。200万次疲劳试验后,轨距扩大2.5ram,所有部件没有 损坏和严重变形,两种新型弹片与滑床台的组装疲劳性能合格。此外,轨 距块和复合偏心套组成的二级调距方式可以大大增大滑床板系统的轨距调 整能力。

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第七章
7.1结构完善

结论与展望

根据试制结果,新型弹片拆解困难,必须进行优化完善,否则难以满 足现场操作。本次设计的锁闭机构尽管复杂,但使用效果却不理想。原设 计中锁闭机构由调整块、锁闭杆、压簧、盖板四部分组成,组件较多,而 且楔形调整块内腔结构复杂,机加工难度和工作量均较大。 优化后的新锁闭装置精简了原有锁闭机构的零件数量,取消了安装在 楔形块内腔的锁闭杆、压簧和下部的盖板,新锁闭装置由楔形调整块和挡 板两部件组成,楔形块的锁闭不再通过锁闭杆与台板内腔的锁闭槽配合, 而是通过与岔枕螺栓相连接的挡板配合限制其横向移动,新的弹片锁闭装
置见图7.1。

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图7-I优化后的涂层滑床板

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拆解时首先将挡板拆下。挡板见图7-2,用榔头敲打楔形块上部,楔形 块上部设计了拆解空间,便于操作,楔形调整块见圈7.3。因无锁闭杆卡在 台板锁闭槽中,只要轻轻敲打就可以拆解,2007年7月我公司对改进后的 改进型滑床扳进行了试制。弹片的安装、拆解操作简单,符合线路使用状
况。

图7-2挡板

图7-3优化后的调整块

7.2本文的主要工作
1.设计、试制了2种楔形调整弹片式涂层滑床板; 2.设计了3种结构的减摩滚轮滑床板: 3.试制了滑床台板表面的减摩涂层;

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 4.设计、试制了滑床板调整轨距用复合缓冲偏心套。 5.改进优化了涂层滑床板弹性扣压件安装、拆解机构。

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7.3涂层滑床板使用效果
@、与目标比较: I、提速道岔用涂层滑床板试验结果:在西南交大进行了试验测试,检 测结论:新型弹片一、二在设计弹程下的扣压力分别为11.224kN和 13.358kN,扣压力损失分别为1.077kN和1.204kN,两种新型弹片的扣压 力及扣压力损失合格。200万次疲劳试验后,轨距扩大2.5mm,所有部件 没有损坏和严重变形,两种新型弹片与滑床板的组装疲劳性能合格。 结果统计如表7-l所示. 表7.1涂层滑床板与提速滑床板比较 序号
l 2

项目

提速滑床板
8.9 2

目标值
lO

涂层滑床板
11.2

弹性扣压力(KN)

轨距调整范围(咖)
扣压力损失 轨距扩大值(ram) 摩擦系数

±4 15%
3 O.35

±6 9.60%
2.5


4 5

20%
5 O.6

O.18

绘成柱状图如7-5:

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图7.5涂层滑床板参数柱状图

7。4涂层滑床板的研制效益
(一)、技术效益: 此项目开始于2005年6月,在2005年8月通过了公司内组织的结构 审查后,为了保护知识产权,公司于2005年9月在弹性扣压件结构设计方 面申报了两项专利技术。此涂层滑床板在经过多次试制和结构改进完善后, 于2006年12月20日通过了中铁宝桥股份有限公司组织的设计评审,并在 时速200公里新型60kg/m钢轨12号可动心轨辙叉单开道岔上成功试用。 2007年1月此涂层滑床板已获得国家实用新型专利、发明专利,专利号如
下;

①发明专利,专利号:200610059462.6 ②实用新型专利,专利号:200620003195.6 目前,设计图纸已经定型,生产工艺日趋成熟,涂层滑床板的研制得 到了有关专家的认可和高度评价,为我国铁路现代化建设做好了技术储备。 o、经济效益:

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试验检测证明,本文研制的楔形调整弹片式扣压滑床板各项参数均符 合铁标要求,可以替代施威格弹性夹,在提供持久、可靠扣压力的同时, 能够大大降低滑床板的成本。此涂层滑床板已用在铁道部工管中心牵头联 合设计的时速200公里新型60kg/m钢轨12号可动心轨辙叉单开道岔中, 其每组道岔用40块提速道岔用改进型滑床板: 每个涂层滑床板可节约:588元 每组节省成本:23520元 ∞、社会效益: 涂层滑床板的应用,大大降低了提速道岔的成本,有利于铁路提速的
全面展开。

7.5涂层滑床板研制成果的巩固措施
经过方案设计、方案审查、结构细节设计、产品试制及试验,已经积 累很多宝贵的经验,将采取以下措施来巩固涂层滑床板的研制成果: 1.制定涂层滑床板制造验收标准,使其制造和设计保持一致; 2.对图纸、文件进行了整理、归档: 3.对生产人员、技术人员及用户进行了相关的培训。

7.6本文的下一步工作及展望
本文虽然做了不少的工作,但是没有对滚轮滑床板用三种减摩滚轮装 置进行试制,涂层滑床板结构可能还有设计不足的地方,今后将根据用户 反馈意见及目前的实际情况进行下一步的工作,安j{}如下: 1.争取时间尽早对所设计的三种减摩滚轮装置进行试制,以便对其结 构进行完善优化,能够早日上道应用,消除或降低尖轨的不足位移。 2.根据线路反馈意见,不断改进完善涂层滑床板结构。

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致谢
本文是在校内导师王平教授和校外导师杨西副总工程师的悉心指导下 完成的,在三年多的学习工作中,两位导师给了我很多的帮助与支持,他 们渊博的学识、精湛的技艺和正直豁达的为人令我受益匪浅,是我今后学 习和工作的榜样。值此论文完成之际,向两位导师表示最衷心的感谢和深 深的敬意! 在写作期间,讲师陈小平为本论文提出了许多宝贵的意见,费维周同 事在改进型滑床板设计、试制中给予了大力协助,在此向所有给予我帮助 的老师、同事和朋友表示衷心的感谢l

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参考文献
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工作简历
本人2000年7月毕业于大连铁道学院机车车辆工程专业,毕业至今在 中铁宝桥股份有限公司从事道岔技术工作。2000年8月~2001年7月在机 一车间见习:2001年8月~2002年9月在道岔车间任助理工程师,从事道 岔工艺和工装技术工作;2002年10月~至今在道岔研发部任工程师,从 事道岔设计、研发工作。 2005年~2006年负责了公司道岔科研项目“新型滑床板的研制”,此 研制成果取得了国家实用新型专利和发明专利,Qc成果也获得铁道部优 秀成果,已应用在时速200公里新型60kg/m钢轨12号可动心轨辙叉单开 道岔中,为铁路提速做出了重要贡献。2007年负责了公司道岔科研项目“客 专大号码道岔前期研究”,配合此科研项目完成了目前国内最大号码客专 60kg/m钢轨42号试验道岔的试制工作,顺利的进行了各相关试验。作为 主要负责人之一,完成了公司重大道岔产品“时速250公里客专60kg/m钢 轨18号单开道岔”、“时速350公里客专60kg/m钢轨18号单开道彷”、“技 术引进60kg/m钢轨18号高速道岔”的研制工作。此外,负责或参与了很 多提速道禽的设计改进工作。2005年和2007年分别参加了铁道部组织的 客运专线道笳联合设计工作,2006年在法国科吉富公司学习了高速道岔设 计知识,目前已成为公司道岔研发专业的青年技术骨干。 七年来刻苦钻研业务,出色地完成了负责的各项工作,2002年被评为 公司优秀团员和“百日劳动先进个人”,2004年被评为公司先进女工,2006 年被评为客专道岔生产先进个人。


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