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基于TRIZ理论分析钢轨扣件的发展与应用分析.pdf

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西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本学位论文的主要贡献点如下1.论述了国内外钢轨扣件的类型、特点,指出了当前我国轨道交通系统中弹性扣件所起的关键作用,描述了钢轨扣件技术系统的组成,重点阐述了TRIZ技术系统进化理论和矛盾矩阵原理的构成及其应用方法,提出了基于TRIZ理论的钢轨扣件发展的应用研究。2.对我国钢轨扣件的相关专利进行了统计分析,通过多项式和逻辑增长曲线拟合的方法得到了我国钢轨扣件技术系统目前所处的发展阶段,以及不同发展阶段的转折点和钢轨扣件专利数量的饱和点。3.通过对专利数据的分析研究,得到我国钢轨扣件的设计属性,将设计属性与筛选得到矛盾矩阵工程参数相结合,得到设计属性与工程参数的关联表,使矛盾矩阵原理能够更加方便的应用到钢轨扣件的设计中。4.通过对具体专利的分析研究指出了该专利可能产生矛盾的地方,给出了解决该矛盾的发明原理,并对发明原理进行排序,指出可能产生专利的创新点,并得到启发,设计了一种新型的锚固联接结构。本人郑重声明所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名支’j苟日期汐Js.占.6万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页摘 要随着我国轨道交通系统的进一步发展,轨道交通系统与城乡居民的密切程度日益增大,轨道交通系统所带来的环境污染问题也逐渐制约着轨道交通系统的发展,因此能否最大限度的把噪声和振动降低在最低限度内,避免其成为外在的公害,是轨道交通建设的重要因素之一。因此,钢轨扣件作为轨道交通系统中起减振抗噪作用的重要技术系统,开展其发展规律和设计方法的研究显得十分必要。本文对我国钢轨扣件专利的数量进行统计分析,通过多项式和逻辑增长曲线拟合的方法,得到钢轨扣件专利数量的增长曲线。结合TRIZ技术系统进化理论中专利数量与技术进化S曲线的关系,通过对拟合函数的进一步研究分析,研究得出我国钢轨扣件技术系统不同发展阶段的转折点,总结得出我国钢轨扣件技术系统正处在技术发展的成长期,以及扣件专利数量增长的饱和点。通过对专利内容的进一步分析,得到我国钢轨扣件的设计属性,筛选得到与设计属性相关的矛盾原理工程参数,建立了设计属性与工程参数的关联表,以及TRIZ矛盾原理的具体使用步骤,并通过该方法对锚固联结件进行了优化设计。关键词轨道交通;钢轨扣件;技术进化理论;矛盾解决原理万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1I页ABSTRACTWith the development of rural and urban rail transit system in our country,the closeextent of rail transit and residents increases with each passing day,the environmentpollution which rail transportation system brings is also gradually restricts the developmentof rail transit system,SO how to reduce the vibration and noise into a minimum,avoidbecoming the extemal pollution,is one of the important factors in the construction of traffictrack.Therefore,the rail fastener,as one rail transportation system,plays an important rolein damping noise,it is very necessary to research the rules of its development and design.The number of patent rail fastener were used for statistical analysis,the growth curvefitting by polynomial and logic,get the growth curve of rail fastener patent number.Combining with the correlation theory of evolution of TRIZ technology evolution of Scurves and the number of patent,further study of the fixing function through analysis,theresearch obtains the different tuming points the development stage of the technology systemof rail fastener,concluded that the technology system of rail fastener is in the technologydevelopment of growth period,and get the fastener patent quantity growth saturation point·Through further analysis on patent content,the design attribute of rail fastener can beget,screening engineering parameters of the principle of contradiction which is related tothe design attribute,the association table of design attributes and engineering parameters isestablished,and the specific use of TRIZ the principle of contradiction can be caught out,and the Was used to optimize the design of the anchorage connection piece.Key wordsrail transit;rail fastening;technology evolution theory;solve contradictionprinciple万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1II页目 录第1章绪论11.1选题背景和研究意义.11.1.1选题背景.11.1.2研究意义.21.2国内外钢轨扣件的研究21.2.1国外钢轨扣件研究发展.21.2.2国内钢轨扣件研究发展一61.3研究目标、内容、拟解决的关键问题71.3.1研究目标.71.3.2研究内容.71.3.3拟解决的关键问题.71.4本文的主要框架8第2章TRIZ创新方法概述及钢轨扣件介绍92.1TRIZ技术系统进化理论92.1.1技术系统理论基础.92.1.2系统的定义及本质属性.92.1.3技术系统进化的s曲线102.1.4技术系统的进化规律1 12.2TRIZ矛盾解决原理.122.2.1矛盾的分类122.2.2技术矛盾的解决办法1 22.2-3物理矛盾的解决办法1 32.3钢轨扣件的介绍一14万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1V页2.3.1钢轨扣件的主要性能142.3.2钢轨扣件的分类1 52.3.3扣件的系统的组成152.4本章小结一1 8第3章钢轨扣件的技术发展阶段预测193.1专利作为研究对象的可行性..193.2我国钢轨扣件的现状..203.2.1我国钢轨扣件的主要类型203.2.2钢轨扣件的主要病害243.2.3小节253.3钢轨扣件技术属性研究..263.3.1不同技术属性的研究263.3.2不同类型专利的研究283.3.3小节一293.4钢轨扣件技术发展阶段研究一293.4.1线性相关度分析3 13.4.2基于matlab的线性拟合..323.4.3钢轨扣件技术系统的进化阶段研究363.5本章小节一40第4章钢轨扣件的设计方法研究414.1钢轨扣件的设计原则..414.2钢轨扣件主要技术参数..424.3基于矛盾原理的钢轨扣件设计方法一434.3.1确定设计属性及矛盾类型434.3.2利用矛盾矩阵原理设计444.3.3利用分离原理设计47万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第V页4.3.4具体专利分析484.3.5锚固联接的应用研究5 14.4本章小结..54总结与展望55致谢57参考文献58万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页1.1选题背景和研究意义1.1.1选题背景第1章绪论作为发展中的国家,随着改革开放的步伐的不断深入,我国城市的经济建设和发展规模得到了充分的发展,由此我国城市的人口、区域面积也在快速增长。由于人口和机动车辆的快速增长,城市所能容纳的人口总数和机动车辆总数正在逐渐趋于饱和,而城市交通的建设却迟迟跟不上人口和机动车辆数量增加的速度,因此城市交通的建设也逐渐成为了制约城市得到进一步发展的重要因素之一。于此同时,轨道交通具有运输量大、安全性强、可靠度高、运输速度快、环境污染小、不占用地表面积的特点,正是由于轨道交通的这些特点,其扮演了能够缓解城市交通拥堵和减少环境污染的重要角色之一【11。因此,推行城市轨道交通的快速发展,既能够安全有效的降低城市交通压力,也能够准确方便民众快速出行,更重要的是其还能够在带动城乡建设和经济互动方面发挥重要的作用,在增强社会和经济效益中的作用显著。大城市比如上海、北京、重庆,它们的市郊铁路大多是需要穿越居民区以及经济开发区的,因此,也不可避免的带来了轮轨碰撞的噪声,以及车辆噪声等噪声源,而这些噪声源产生的噪音和振动对周边环境的影响变得十分敏感和突显。并且,这些外来因素会对沿线的经济开发结果产生最直接影响,所以,能否最大限度的把噪声和振动降低在最低限度内,避免其成为外在的公害,是城乡轨道交通建设的重要因素之一【2】o城市轨道交通线路的特点之一是运行密度大,这也限制了城市轨道结构的养护以及维修工作,因此在世界范围内,大多数城市的城轨道路的结构采用的是刚性较大的混凝土整体道床,用来弥补在日常运行中维修工作的不足,而轨道结构的弹性主要依万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页靠钢轨扣减提供,但是结构不合理的钢轨扣件也会带来了更加严重的轮轨振动和冲击,给轨道结构使用寿面和环境保护方面带来一定的负面影响。1.1.2研究意义随着轨道交通系统的不断发展壮大,其与城市居民区和经济开发区的交集也越来越大,轨道交通系统在运行的过程中产生的噪声、振动也越来越大的影响着城乡原有的环境建设。由于车轮与轨道之间的碰撞所产生的噪音和振动冲击,在轨道、道床、土层和地上建筑之间不断传播,对周边环境的影响十分不利。因此,钢轨扣件作为轨道交通中抗振降噪的重要系统之一,其发展规律和设计方法的研究是能够有效改善对周边环境产生负面影响的重要课题。TPdZ的发明来自于根里奇·阿奇舒勒通过对大量的专利创新发明的研究,在对大量的专利发明进行研究后,根里奇·阿奇舒勒得出结论,其中大约八成的专利发明,其实早已经在其他的行业中出现并被有效使用过了,并且相同的技术发明原理和相应的用于解决问题的方案,也在随后的许多发明创新成果中被反复多次利用。因此,发明问题创新理论的原理一定是客观存在的,一旦相应的发明原理被发现以及掌握,不仅可以有效提高发明创造的效率、更大限度的减少发明创造的周期,更重要的是还可能使发明创造中出现的问题的解决更具有预见性。因此,将TR/Z理论运用到钢轨扣件的研究中,对扣件系统的发展进行预测以及设计方法的研究是十分有必要的。1.2国内外钢轨扣件的研究1.2.1国外钢轨扣件研究发展扣件是联接钢轨和轨枕的关键部件,在轨道整体结构中起着十分关键的作用,为了获得最优的轨道结构,各个国家都在持续不断的大力发展扣件事业。由于各国的发万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页展方向的不同,因此各国所采用的扣件类型也大不相同。20世纪60年代,国外就开始了轨道交通系统的减振降噪产品系列的研制,德国是最早研制成功轨道减震器的国家,并首次应用于科隆地铁。也正是该地铁工程首次把普遍应用于机械的减震器引入到了地铁系统中,由于该扣件的造型是椭圆形的,故被称为克隆.蛋形扣件。该扣件的主要工作机理就是使用橡胶为介质,通过硫化处理,将轮轨下的呈椭圆形状的用于承轨的铁垫板和联接轨枕的底座铁垫板固定在一起,橡胶的主要功能是承受剪切力,同时,承轨板的上方安装用来扣压钢轨的扣板,用螺栓将底座与轨枕联接在一起。这样的设计构造达到了一定得减振效果,平均可以达到5~7dB的减振效果,图1.1为科隆蛋扣件。图1.1科隆蛋扣件日本铁路采用的钢轨扣件类型主要为弹片式。其弹片式扣件的原型是法国生产的RN型弹片式扣件,如图1.2所示,日本在其基础上优化改良得到了其特有的弹片式扣件。日本铁路所采用的弹片式扣件的类型有很多种,其中整体效果较好的为102型扣件,如图1.3所示。该扣件主要由扣压钢轨的主弹片,辅助补强的圆形弹片,以及主要承受横向作用力的横向放置的弹性挡板组成。其中,使用圆形弹片作为辅助部件,主要目的是可以将安装应力共同分担给主弹片和圆形弹片,用来减少主弹片的安装负载。由于横向弹性挡板的前端压项在钢轨底部,另一端连接在主弹片尾部的上卷部分上,所以钢轨的横向压力主要是由横向弹性挡板和主弹片的尾部共同承担,这样横向万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页压力也是以弹性方式支撑的,能有效分散横向压力。而在紧固力方面,横向挡板的上沿和主弹片的下沿之间的间隙称为第二接触点,当间隙为零时,扣件就得到了额定的紧固力,因为使紧固力保持在可控范围内。图1.2 RN型扣件 图1.3日本102型扣件洛德Lord扣件是美国研制的另一种减振器扣件,如图1.4所示。洛德扣件通常被称为钢轨的固定器,是由美国的洛德公司生产的主要应用于减振降噪的新型扣件。其原理是将具有弹性的材料通过处理后紧密连接在金属垫板的表面,从而起到提高抗疲劳强度的作用,进而是结构的使用寿命的得到延长。并且洛德扣件在修理养护方面,也具有很强的优势,特别体现在对轨面的调整能力以及对轨距的保持能力上。并且该扣件采用的是刚度中低的扣压器,在降低噪音和振动方面具有显著作用。洛德扣件现在已经被广泛应用于华盛顿、纽约、洛杉矶、台北等城市地铁项目中,运营后的统计结果表明洛德扣件与普通扣件相比,在抗振降噪方面增加了1-4dB,并且使用寿命达到了20年以上。万方数据
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