火車輪對盤位差檢測系統(tǒng)機構設計

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火車輪對盤位差檢測系統(tǒng)機構設計 摘 要 在中國這個人口眾多的發(fā)張中國家，鐵路運輸是人們出行的一種重要交通工具，同時在貨物運輸中也離不開鐵路，鐵路運輸也在飛快的發(fā)展與完善，但在發(fā)展的過程中如果沒有性能良好的輪對作為保證,要提高車輛運行速度和運行安全是不可能的。輪對參數檢測在輪對檢修中處于關鍵地位,是保證輪對檢修質量的重要手段,傳統(tǒng)的檢測方式是以人工操作為主,數據的判斷讀取存在較大的人為誤差,所以影響了檢測結果的準確性、真實性,也直接影響了車輛的行車安全。所以急需對現有的檢測方式進行自動化改造,以消除測試過程中人為因素對測試結果的影響,用先進的設備保證車輛行車安全。 本課題研究的是一種可以自動完成火車輪對盤位差檢測的裝置，傳感器采用德國米銥激光位移傳感器，更好地保證參數的檢測質量,輪對盤位差自動測量機構的開發(fā)和應用對新形勢下鐵路運輸設備實現技術升級、試驗檢測手段現代化、保證行車安全都具有積極的意義。 整個測量裝置有送料機構，托起機構，頂尖定位機構，旋轉驅動機構。采用相對測量法，傳感器通過絲杠上下和左右移動來完成制動盤盤位差、端面跳動及盤厚的測量。 關鍵詞：輪對；制動盤；機構 Abstract In China, the population many hair a family of China, railway transportation is people travel is a kind of important traffic tool, at the same time in the carriage of goods is also inseparable from the railway, the railway transportation is in rapid development and improvement, but in the process of development without the good performance of the wheel as a guarantee to improve the vehicle running speed and safe operation is not possible. Detecting wheelset parameters of railway vehicles in the wheels "repair in a key position, is an important means to ensure the quality of wheels overhaul, the traditional detection method is mainly by manual operation, data of the judge and read there is a large man-made error, so the effect of the accuracy and reliability of the test results, but also has a direct impact on the safety of vehicles. Therefore, it is urgent to automate the existing testing methods in order to eliminate the impact of human factors on the test results in the test process, and to ensure the safety of vehicle operation with advanced equipment. This research is a kind of can automatically complete the train wheel disc parallax detection device, the sensor adopts the Germany meter iridium laser displacement sensor, to better ensure the quality of measurement parameters, wheel disc parallax automatic measurement mechanism of the development and application under the new situation of railway transportation design realize equipment upgrade technology, modernization of the means test, to ensure that the traffic safety are of positive significance. The measurement apparatus includes a feeding mechanism, support mechanism, top positioning mechanism, a rotation driving mechanism. By using the relative measurement method and sensor through a screw up and down and left and right moves to complete brake potentiometer trays, end face runout and disc thickness measurement. Keywords:Wheel set;Brake disc;Mechanism 目錄 1 緒論 1 1.1 問題的提出 1 1.2.1 國內現狀分析 1 1.2.2 國外現狀分析 3 1.3 設計任務的主要內容與要求 5 2 總體方案設計 6 2.1 激光位移傳感器測量方法 6 2.2 總體方案的確定 8 3 滾珠絲杠的設計計算與選用 9 3.1 滾珠絲杠介紹 9 3.2 滾珠絲杠的選型與計算 11 3.2.1 水平方向滾珠絲杠選型與計算 11 3.2.2 垂直方向滾珠絲杠的選型與計算 13 4 液壓缸的設計計算 15 4.1 液壓系統(tǒng)的結構形式和工作原理 15 4.2 油缸的選取 15 4.3 液壓缸工作壓力的確定 15 4.4 油缸各部分材料的確定 17 4.5 液壓缸壁厚和外徑的計算 17 4.6 液壓缸活塞行程 18 4.7 油缸的缸徑、活塞桿直徑的計算 19 5 旋轉機構 20 5.1 摩擦輪傳動 20 5.2 減速電機介紹： 21 5.3 電動機的選擇計算 21 5.4 軸承校核 23 6 雙頂尖定位機構設計 26 6.1 回轉頂尖結構 26 6.2 軸承的受力計算 27 6.3 頂尖心軸的設計與計算 29 總 結 30 參考文獻 31 致 謝 32 2 1 緒論 1.1問題的提出 機車車輛的檢修是鐵路運輸過程中的一個重要環(huán)節(jié),車輪作為機車車輛走行部的重要部件,直接關系到行車安全,因此,輪對幾何參數的測量在機車車輛的檢修過程中尤為重要。 鐵路系統(tǒng)中，作為車輛走行部主要部件的輪對是影響安全運行的一個重要環(huán)節(jié)。輪對不僅承受著列車的全部重量和自身的重量，而且還要傳遞列車與鋼軌間的驅動力和制動力。另外輪對需要承受很大的靜載荷和動作用力、組裝應力、閘瓦制動時產生的熱應力以及曲線通過時的構架力、導向力、輪對本身旋轉的離心力等。所以要求輪對必須保持良好的技術狀態(tài)，否則會嚴重影響行車安全。 目前國內的車輪外形檢測主要是人工手動接觸測量，測量工具原始粗糙，精度低，自動化程度和工作效率不高，并且受人為因素影響很大。尤其是對車輪踏面部分的外形尺寸的測量，因為是空間的復雜尺寸，并且沒有有效且精確的測量工具，因此很難達到理想的效果。這樣的工作方式不僅使企業(yè)的生產成本居高不下，還嚴重影響著生產效率的提高和進一步發(fā)展，因此尺寸檢測的自動化對于提高生產效率，降低成本，以及企業(yè)競爭力的提高都具有重要的意義。國外生產的輪對自動檢測機，雖然性能先進，功能齊全，但是價格高，操作維護困難。況且，國外產品的一些技術參數，操作界面和語言也不能很高的適應我們的工藝現狀和技術標準，維修和售后服務也跟不上。 綜上所述，我們有必要自主研制和開發(fā)具有國際先進水平的、性價比較高的并能代替進口產品的輪對尺寸自動檢測機，以提高火車輪對的裝配質量和精度。 1.2 現狀分析 1.2.1國內現狀分析 國內開展輪對外形尺寸檢測研究工作相對較晚，從 90 年代開始，經過十多年的努力，提出了一些新思路和新方法，研制出了不同類型的檢測裝置，但是沒有形成廣泛適用的自動化檢測產品，沒有改變我國輪對尺寸定期進行人工檢測的落后狀態(tài)。 目前，柳州鐵路局車輛研究所和北京鐵路局車輛研究所在進行這一項目的開發(fā)研制，西南交大也正在進行鐵道部的車載在線測量的項目申請。我們與石家莊鐵龍電子計量有限公司合作開發(fā)的項目——火車車輪外形尺寸自動檢測儀，實現了計算機自動測量火車車輪的多項外形尺寸。檢測儀采用CCD探測頭作為測量的傳感器對火車車輪進行綜合測量，利用計算機處理采集數據和圖像、提取邊沿、檢測數據，實現了高速、連續(xù)的自動測量，人為因素的影響也降至最低，從而提高了工廠的自動化程度和工人的勞動效率，這套方案的研制成功對于實際的工廠檢測是一個創(chuàng)新，它取代了現有的測量工具，具有很大的實際應用價值和廣泛的應用前景。歸納起來，現階段使用的火車車輪外形尺寸自動檢測儀具有以下特點： 1） 計算機控制自動測量； 2） 測量范圍大、精度高，可以測量空間二維復雜尺寸； 3） 每次測量尺寸達到20多個，由計算機軟件控制自動對8片線陣CCD和16個面陣 CCD 探測頭進行切換，實現逐一測量的順序化； 4） 可隨時進行軟件標定，從而避免長期使用造成的精度降低； 5） 因為采用非接觸光電測量方式，對被測工件沒有影響，對于光電探頭也不存在磨損的問題，不必要定期更換檢測探頭，只要定期為光電探頭除塵即可。 在國內早期，無錫市中國船舶科學研究中心陳建平等人研制出一套乘用車制動盤轉向節(jié)部件的檢測設備，用來測量滾動軸承拖滯扭矩和制動盤的跳動量。該設備由氣動系統(tǒng)控制，依次完成工件的初定位、精確定位、加載銷的插入。利用花鍵傳遞載荷的方式，借助步進電機提供的扭矩，來解決花鍵軸與花鍵孔插入時齒形不配的問題，并實現了制動盤的旋轉，測量制動盤的跳動量。該套設備的工件定位屬于制動盤輪轂組件與輪轂軸承上下壓緊形式中的一種。在整個系統(tǒng)中關于加載、工件定位、花鍵軸軸向定位三個方面所做的工作，均值得借鑒與學習研究。 2011 年，湖北省機電研究院為東風日產乘用車公司研制了“一種基于高精度激光位移傳感器的汽車制動盤面振在線檢測系統(tǒng)”。該套系統(tǒng)與本課題所研究的設備的主要區(qū)別在于其檢測工件不同，該項目對應工件是制動盤與輪轂總成，方案設計的基礎是建立在固定輪轂來檢測制動盤端面跳動，而本課題所測量的工件是制動盤轉向節(jié)總成，在制動盤與輪轂裝配完成后，再壓入轉向節(jié)內，最后再測量制動盤的端面跳動。但該套系統(tǒng)依然具有一定的參考價值，具體為： 1）在該套系統(tǒng)中，測量時制動盤旋轉轉速為每分鐘 10~12轉，一個測量周期內制動盤的轉角為1.2~2轉。 2）對不同車型的制動盤，設置不同的檢測探頭，探頭的安裝位置設計成可以沿制動盤徑向水平方向調整。 3）該設備在夾緊工件時，采用上部壓緊的結構方式。安裝時，工件朝下，通過氣缸、減壓閥、導桿及彈簧，壓緊制動盤，壓緊力可調。 2012年7月，在中國專利網上公布了昆山佳銘自動化科技有限公司研制的“一種制動盤跳動度檢測裝置”的發(fā)明專利。該發(fā)明檢測對象是單個汽車制動盤，制動盤定位在托指上部，托指與心軸連成一體，心軸通過齒輪與減速電機聯接，傳遞動力。 2012年底，在中國專利網上公布了青特集團有限公司研制的“一種制動盤總成跳動檢具”的實用新型專利。雖然該專利權利書中述說的功能，指的是對制動盤總成的圓跳動和全跳動的測量，但說明書附圖及其具體實施方式的說明中卻是描述關于輪轂與制動鼓合件的跳動測量，并沒有能使讀者了解其關于測量制動盤跳動的結構。此外，該專利所使用的輪轂與乘用車上輪轂的結構形式有差別，所述設備測量元件采用傳統(tǒng)的千分表，驅動工件旋轉采用人手轉動方式，總體而言具有較大局限性，并不適合總裝車間在線檢測。 1.2.2國外現狀分析 國外從事輪對自動檢測方面的研究已經進行了很多年，在輪對的外形尺寸檢測方面進行了深入的研究，擁有了較成熟的檢測技術，開發(fā)出了適用于不同場合的動態(tài)靜態(tài)自動檢測產品。 （1） 超聲遙測檢測裝置俄羅斯聯邦鐵路于90年代中期研制成功輪對參數自動化檢測裝 置。它采用超聲遙測的非接觸方法,當鐵路車輛以不大于5km/h的速度行時,遙測傳感器組可測出距車輪各特征表面的距離,經分析處理后可得出車輪直徑、輪緣厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等參數。測量誤差分別為輪徑誤差不大于lmm輪緣厚度誤差不大于0.5mm踏面磨耗誤差不大于0.3mm。整套測量裝置由傳感器組地面測量單元、數據傳輸線路操縱控制單元和外部設備等組成。此檢測裝置結構復雜安裝調試困難。 （2）加速度峰值評法 日本20世紀90年代中期研制了“車輪踏面損傷檢測裝置”如圖所示。2個相同的加速度傳感器安裝在鋼軌座處,相距半輪周長S2/測量前后1/4周長的震動。裝置除檢測踏面損傷外還能測量車輛通過測點的速度。該測量系統(tǒng)的主要問題是因車輪踏面?zhèn)鸬臎_擊波形和鋼軌的共振波形重登因而加速度峰值無法原原本本地反映出車輪踏面的損傷程度。 1 列車檢測器 2 加速度傳感器 3 車輪檢測器 圖1-1 車輪踏面損傷檢測裝置傳感器分布 （3）基于圖像的自動檢測方法 在國外,如日本、德國、美國等國都已研制出了一些基于圖像處理方法的自動檢測設備。近年來,我國也已經開展了基于圖像的自動檢測系統(tǒng)的研究,并取得 了 很大 的成果:如高速列車輪對自動檢測系統(tǒng)的原理及實施方案和基于圖像的輪對在線動態(tài)檢測應用研究閉等,下面簡要介紹幾種國內外基于圖像檢測的方法和裝置。(1)日本于20世紀90年代末研制的車輪踏面形狀自動測定裝置川。如圖3,測量裝置有細激光束、CCD、車輪檢測器、同步檢測傳感器及遮光板組成。激光是在一個車輪通過的時候照射,用光電傳感器捕捉通過的車輪輪緣,用高速隨機光柵攝影。對所攝影的像,經濾波和細化處理,抽出激光圖像的中心線,算出車輪各部位的尺寸。測量誤差分別為:車輪直徑誤差不大于 0.5mm,輪緣高度誤差不大于0.5mm,輪緣厚度誤差不大于0.lmm,輪對內距誤差不大于0.lmm。(2)德國鐵路于80年代末期研制成功輪對自動診斷裝置。這套裝置的工作原理是將縫隙光光帶以規(guī)定角度透射到車輪上形成可辨認的輪廓,同時用攝像機在對應角度捕捉反射的光束。車輪圖像是通過布置在每根鋼軌上的4半導體攝像機拍攝的,經過分析處理后便可計算出輪緣厚度、踏面磨耗和車輪內距等參數。(3)美國Loram公司于90年代中期研制成功了2種形式的車輪自動檢測系統(tǒng),低速檢測型和高速檢測型。低速檢測型可在列車運行速度不超過5km/h的情況下輸出圖像、圖標和統(tǒng)計數據;高速檢測型可在列車運行速度不超過72km/h的情況下打印出測量數據和報告。(4)國內基于圖像的輪對在線動態(tài)檢測應用研究時的檢測裝置由CCD和激光線光源為核心的基本檢測單元安裝在機車輪對檢測線上,當機車接近檢測區(qū)域時,傳感器啟動現場檢測器件,攝像機捕捉車輪的輪廓圖像,對圖像進行處理計算。測量精度可達0.4mm。基于圖像的自動檢測方法,采樣率高、機構簡單、測量精度高,但是造價相對昂貴。另外,光源相對攝像機位置的微小變化將會增大檢測誤差。 圖1-2 車輪踏面形狀測定裝置原理圖 1.3設計任務的主要內容與要求 1.3.1主要技術參數： （1）軸的倆側軸肩距離為mm； （2）盤位差mm,mm, mm； （3）3個制動盤兩側端面跳動0.3mm； （4）3個制動盤盤厚80mm。 1.3.2 主要要求 （1）A0裝配圖、零件圖3張（當量圖紙3張A0），機械結構三維建模，手繪1張A1圖紙； （2）開題報告一份，字數不少于3000字； （3）設計說明書一份（按學院相關文件要求），字數1.5萬字左右； （4）提交外文專業(yè)資料復印件及中文譯文打印件各一份，外文原文不少于3000單詞，并有明確的文獻出處； （5）參考資料8篇以上，其中外文資料2篇以上； 所有設計資料電子版（光盤）一份。 2總體方案設計 2.1 激光位移傳感器的選用 圖2-1 德國米銥激光位移傳感器 激光位移傳感器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化，主要應用于檢測物體的位移、厚度、振動、距離、直徑等幾何量的測量。 　　按照測量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法,激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠距離測量?！　? 三角測量法原理： 圖2-2 三角測量法原理圖 　激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內部的CCD線性相機接收，根據不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。 　　同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數字電路處理，并通過微處理器分析，計算出相應的輸出值，并在用戶設定的模擬量窗口內，按比例輸出標準數據信號。如果使用開關量輸出，則在設定的窗口內導通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關量輸出可獨立設置檢測窗口。 　　根據需要，選用德國IDL-1700-20LL激光位移傳感器 2.2 總體方案的確定 圖2-3 整體檢測裝置 1-立柱；2-頂尖；3-液壓缸；4-激光位移傳感器；6-滾輪；7-測量裝置；8-底座 根據需要，整體尺寸總長為3040mm,總寬1960mm,總高2300mm。 整個測量裝置有送料機構，托起機構，頂尖定位機構，旋轉驅動機構。檢測時，先用塔吊將輪對組合放在送料小車上的V型塊上，然后液壓缸將小車推到指定位置，托起機構將待測輪對組合頂起，兩側的頂尖將輪對組合固定：測量裝置鋁合金方管上固定的兩個激光位移傳感器測量軸肩距離；中間兩個傳感器設計成相對固定，可以通過絲杠左右和上下移動，可以測量制動盤盤位差、端面跳動和盤厚。 整個測量采用相對測量法，先用頂尖定位一個標準件，標記激光位移傳感器檢測標準件的位置點和檢測到的數據，檢測時，通過比較同一位置點傳感器數據的變化來達到檢測目的。 3滾珠絲杠的設計計算與選用 3.1 滾珠絲杠介紹 滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 1）與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。 2）高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度濕度進行了嚴格的控制,由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。 3）微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現滑動運動那樣的爬行現象,能保證實現精確的微進給。 4）無側隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。 5）高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現高速進給(運動)。 滾珠絲杠副特性： 1） 傳動效率高 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達90%～98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的2～4倍，如圖1.1.1所示，所以能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉為旋轉運動（運動可逆）。 2）運動平穩(wěn) 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時無顫動、低速時無爬行現象，因此可精密地控制微量進給。 3）高精度 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預緊消除軸向間隙和對絲杠進行預拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復定位精度。 4）高耐用性 鋼球滾動接觸處均經硬化（HRC58～63）處理，并經精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 5）同步性好 由于運動平穩(wěn)、反應靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 6）高可靠性 與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 7）無背隙與高剛性 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀（見圖2.1.2—2.1.3）、使鋼珠與溝槽達到最佳接觸以便輕易運轉。若加入適當的預緊力，消除軸向間隙，可使?jié)L珠有更佳的剛性，減 8）少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達到更高的精度。 現代制造技術的發(fā)展突飛猛進，一批又一批的高速數控機床應運而生。它不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對進給系統(tǒng)提出了很高的要求：最大進給速度應達到40m/min或更高；加速度要高，達到1g以上；動態(tài)性能要好，達到較高的定位精度。 3.2滾珠絲杠的選型與計算 圖3-1 檢測裝置 3.2.1 水平方向滾珠絲杠選型與計算 （1）直線滾動導軌副的計算與選型 1)滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 工件載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素?；瑝K所受最大垂直方向載荷計算公式為： 其中為垂直方向絲杠的重量和鋁合金方管的重量再加上兩個激光傳感器的重量，考慮安全系數，取，外加載荷，那么 初選直線滾動導軌副型號為RGH20HA型號導軌，其額定動載荷，根據加工要求選取導軌的長度為1300mm。 2)距離額定壽命L的校核計算 上訴選取的RGH20HA型號導軌副的滾道硬度為60HRC工作溫度不超過℃，每根導軌上配有兩只滑塊，精度等級定為4級。工作速度較低，載荷不大。查表3-36~3-40，分別取硬度系數，溫度系數，接觸系數，精度系數，載荷系數帶入式 計算得：大于50km的期望值，故該導軌的壽命滿足要求。 （2） 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 1）最大工作載荷的計算 已知移動部件總重量為，取顛覆力矩影響系數為，滾動導軌的摩擦因數。 那么： 2)最大動載荷計算 設承受最大負載時最快進給速度，初選絲杠導程，絲杠長度870mm，則此時絲杠的轉速，取滾珠絲杠的使用壽命，代入公式中可得絲杠的壽命系數（單位為）。 取載荷系數，滾道的硬度為60HRC時，取硬度系數為代入式： 得 3)初選絲杠螺母副型號 根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選取GD系列5005型滾珠絲杠，為內循環(huán)固定反向器雙螺母式，其公稱直徑為50mm，導程為10mm，精度等級取5級，額定動載荷為3.14kN，大于，能夠滿足傳動要求。 4)傳動效率的計算 將公稱直徑，導程代入公式：得絲杠的螺旋升角。 將求出的螺旋升角與摩擦角代入公式中 得傳動效率 5)確定精度 ：任意300mm內行程變動量對系統(tǒng)而言 0.8定位精度－ 定位精度為20/300 <14.3,絲杠精度取為3級 ＝12<14.3 (3) 伺服電機的選用 計算電機功率 式中----電機功率，； ----電機所要傳遞的扭矩，； ----電機轉速， 所以 選擇的伺服電機，型號為富士GYS401D5,額定電壓220V，轉速，速度響應頻率。 3.2.2垂直方向滾珠絲杠的選型與計算 (1) 導軌副的選擇 因為在垂直方向上導軌主要承受的是彎矩，故采用燕尾槽型導軌。據估計移動部件的總重量為100N，由加工范圍，確定導軌長度為410mm。 (2)滾珠絲杠螺母副的計算與選型 1)最大工作載荷的計算 已知移動部件總重量為，取顛覆力矩影響系數為，滑動導軌的摩擦因數。 那么： 2)最大動載荷計算 設承受最大銑削力負載時最快進給速度，初選絲杠導程，則此時絲杠的轉速，取滾珠絲杠的使用壽命，代入公式中可得絲杠的壽命系數（單位為）。 取載荷系數，滾道的硬度為56HRC時，取硬度系數為代入式： 得 3)初選絲杠螺母副型號 根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選取GD系列4005-4型滾珠絲杠，為內循環(huán)固定反向器雙螺母式，其公稱直徑為50mm，導程為10mm，精度等級取5級，額定動載荷為3.56kN，大于，能夠滿足傳動要求。 經校核該絲杠的強度滿足要求，具體的校核內容與之前的校核基本一致。 (3)伺服電機的選擇 選擇的伺服電機，型號為富士GYS401D5,額定電壓220V，轉速，速度響應頻率50KHZ。 4液壓缸的設計計算 圖4-1 液壓缸 圖4-2 托起機構 4.1液壓系統(tǒng)的結構形式和工作原理 輪對組合估重為10KN,取安全系數K=1.5，則重力G=15KN，加上托架的重量500N，單個液壓缸受到的負載取8000N。 (1)單作用油缸 單作用油缸是指壓力油只能向油缸活塞的一側供油，即活塞只在向一個方向運動時靠油壓力推動，動作完成后的返回行程則靠其他外力來推動。 (2)液壓油缸上作用力分析： 表示安裝在機座上的油缸組的工作位置。在缸筒中伸縮活動的活塞桿，其上端鉸接到托架上。引用液壓缸起升受載荷Q=8000N時動載荷系數K1=1.3以及偏載系數?=1.1。起升力分別為： 以及 活塞桿頂端承受載荷為 4.2油缸的選取 柱塞式油缸造價高維修復雜，但是截面慣量大，工作時不容易失穩(wěn)，但是活塞式油缸價格低廉，裝配維修方便，但是截面慣量小，尤其當偏載啟動時更需校驗發(fā)生。輪對組合重量約為1噸，取安全系數k=1.5，則液壓缸工作壓力為15000N, 活塞式油缸足夠承受此力。 4.3液壓缸工作壓力的確定 液壓缸工作壓力主要是通過液壓設備和油缸外載荷來確定的，如下表4-1所示： 表4-1 外載荷與油缸壓力關系表 外載荷W（N） ＜5000 5000-10000 10000-20000 油缸工作壓力P（Mpa) 0.8-1.5 1.5-2.5 2.5-3.5 取液壓缸工作壓力2.5Mpa 液壓缸內徑D和活塞桿直徑d的確定 油缸的工作壓力P，活塞桿頂端承受載荷W和油缸內徑的關系 當活塞桿工作受拉伸時，一般取d/D=0.3~0.5;當活塞桿工作受壓縮時，為保證活塞桿工作的縱彎曲穩(wěn)定性，d/D的比值應該取較大，故取0.5所以d=0.05m 4.4油缸各部分材料的確定 (1) 材料用45鋼的無縫鋼管且要調質 缸體技術條件： 1）缸體內徑D采用D4配合。內徑的加工光潔度：當活塞用橡膠密封時，取8~10；當活塞用活塞環(huán)密封時，取8~9，都需要進行研磨。 2）熱處理：調質，硬度HB241-HB285. 3）直徑D的圓錐度，橢圓度不大于直徑公差一半。 4）缸體與端部采用螺紋連接，螺紋采用2a級精度的公制螺紋。 5)缸體尾部為耳環(huán)型。 6)為了防止腐蝕和提高壽命，在缸體內表面可以鍍鉻，再進行拋光，在缸體外表面涂上耐油油漆。 活塞材料：耐磨鑄鐵 活塞技術條件 1)外徑D對d的振擺不大于D公差一半； 2)端面T的不垂直度的在直徑100毫米上不大于0.04毫米； 3)外徑D的橢圓度，元錐度不大于直徑公差一半。 活塞的密封 采用O型密封圈進行密封 (2)活塞桿 根據起升重量選擇實心活塞桿。 活塞桿材料材料45號鋼 其抗拉強度為N：許用安全系數， n=4所以活塞桿材料許用應力：。 4.5液壓缸壁厚和外徑的計算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算。 液壓缸的壁厚一般是指缸筒結構中最薄處的厚度，從材料力學可知，承受內壓力的圓通，其內應力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。一般計算式可以分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。液壓缸的內徑與其壁厚的比值的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運輸機械和工程機械的液壓缸，一般采用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結構，其壁厚按薄壁圓筒公式計算： 式中: ：液壓缸壁厚（m） D：液壓缸內徑（m) ：試驗壓力，一般取最大工作壓力的1.5倍（Mpa） ：缸筒材料的許用應力 無縫鋼管：=100Mpa 在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計算所得液壓缸的壁厚往往很小，使缸體的剛度不夠，如在切削加工過程中的變形，安裝變形等等，引起液壓缸工作過程卡死或漏油，因此一般不作計算，按經驗選取，必要時按上式進行校核。 液壓缸內徑D與其壁厚的比值所以=0.0025m。 液壓缸壁厚算出來以后，即可求出缸體的外徑 式中應該按無縫鋼管標準。 4.6液壓缸活塞行程 液壓缸活塞行程取300mm 缸蓋厚度的確定 一般液壓缸多采用平底缸蓋，其有效強度t按強度要求可用下面兩式進行近似計算 無孔時 0.01 式中： t--缸蓋有效厚度（m） --缸蓋止口內徑（m） --缸蓋孔的直徑（m) 最小導向長度確定 對一般的液壓缸，最小導向長度H應該滿足一下要求 式中：L--液壓缸的最大行程； D--液壓缸的內徑 活塞的寬度B一般取B=（0.6~1.0）D 所以B=10.049=0.049m。 缸體長度的確定 液壓缸缸體內部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和，缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應大于內徑的20-30倍。取缸體長度L=942mm，液壓缸型號為HSGK。 4.7油缸的缸徑、活塞桿直徑的計算 采用雙作用油缸，當油進入有桿腔時，活塞桿受力 一般的，，可得到 所以 式中 P——液壓系統(tǒng)壓力。由起升油缸選用100Kg/cm2； η——油缸機械效率，用耐油橡膠密封，取=0.95； D——缸內徑，cm。 則有 得出：。 查《液壓傳動實用手冊》，可選擇D為78mm。 活塞桿直徑 液壓缸壁厚 由得出 缸體外徑 綜上所述，液壓缸的缸徑D=100mm、桿徑d=50mm 型號為：HSGK01-100/dE 5旋轉機構 5.1摩擦輪傳動 (1)摩擦輪傳動工作原理 摩擦輪傳動是利用兩輪直接接觸所產生的摩擦力來傳遞運動和動力的一種機械傳動。簡單的摩擦輪傳動是由兩個相互壓緊的圓柱形摩擦輪組成。在正常傳動時，主動輪依靠摩擦力的作用帶動從動輪轉動，并保證兩輪面的接觸處有足夠大的摩擦力，使主動輪產生的摩擦力矩足以克服從動輪上的阻力矩。如果摩擦力矩小于阻力矩，兩輪面接觸處在傳動中會出現相對滑移現象，這種現象稱為“打滑”。 (2) 增大摩擦力的途徑 一是增大正壓力，二是增大摩擦因數。增大正壓力可以在摩擦輪上安裝彈簧或其他的施力裝置 。但這樣會增加作用在軸與軸承上的載荷，導致增大傳動件的尺寸，使機構笨重。因此，正壓力只能適當增加。增大摩擦因數的方法，通常是將其中一個摩擦輪用鋼或鑄鐵材料制造，在另一個摩擦輪的工作表面，粘上一層石棉、皮革、橡膠布、塑料或纖維材料等。輪面較軟的摩擦輪宜作主動輪，這樣可以避免傳動中產生打滑，致使從動輪的輪面遭受局部磨損而影響傳動質量。 5.2德國SEW輪對旋轉驅動減速機 交流減速電機采用交流單項電容運轉電機，配上一種合適的齒輪減速器，達到某種需要的輸出，適合于在低速傳動裝置中作驅動元件，能起到簡化機械結構和降低能耗的作用，按其功能分YY型感應電動機和YN型可逆電動機兩種，每種還可以增加無極變速的速度控制功能。部分電機還可配帶微型電磁制動器。YY型感應電機適用于按一個方向連續(xù)運轉的工作場合，如生產流水線、自動機床、印刷機械等。YN型可逆電動機適合于頻繁啟動或換向運轉的場合，如自動售貨機、包裝機、電壓調整器、電動升降機、電動執(zhí)行器等。 S系列斜齒輪-蝸輪減速電機特點： 1) S系列斜齒輪-蝸輪減速電機具有很高的科技含量，有斜齒輪與蝸輪蝸桿結合一體傳動，提高該機力矩與效率。該系列產品規(guī)格齊全，轉速范圍廣，通用性好，適應各種安裝方式，性能安全可靠壽命長，實施了國際標準要求。 2) 機體表面凹凸具有散熱作用，吸振強，低溫升，低噪音。 3) 該機密封性能好，對工作環(huán)境適應性強，可在腐蝕、潮濕等惡劣環(huán)境中連續(xù)工作，并具有防腐特點，能長時間貯存。 4) 該機傳動精度高，具有自鎖功能，特別適應在有頻繁啟動的場合工作，可連接各類減速機及配置各類型電機驅動，可安裝在90度傳動操作位置。 5) 該電機關鍵零部件采用了高耐磨材料，并經過特種熱處理，具有加工精度高，傳動平穩(wěn)、體積小承載能力大、壽命長等特點。 6) 該減速機可配置各種類電機，形成了機電一體化，完全保證了產品使用質量特征。 5.3電動機的選擇計算 工作機所需功率 表5-1 效率參數表 名稱 效率 彈性聯軸器 圓柱齒輪傳動 滾子軸承 剛性聯軸器 傳動裝置的總效率 所需電動機功率 滾筒的工作轉速 所選電動機型號 表5-2 電機參數 同步轉速 1500r/min—4級電動機 型號 S57-DT71D 額定功率 0.2kw 滿載轉速 1460r/min 堵轉轉矩 2.2 最大轉矩 2.2 工作轉速 52.11r/min 總傳動比 5.4軸承校核 (1) 高速軸軸承校核： 選用軸承307，由GB276-89表查=25800, =17800 沖擊符合系數 ，壽命指數（球軸承） 1) 計算當量動負荷： 兩端軸承分別受徑向力： =356N =798N 軸承B受力大，所以只需對軸承B校核 軸向力A=0 , =0 查表得，X=1, Y=0, 則當量動負荷為： =769.8N 2) 計算軸承壽命： 根據 ,查表得，則可及算出為： ＝608227h> 3) 驗算靜負荷： =0， 查表得, 其當量靜負荷為： =643N 由表查得，安全系數，則 < 綜上，選用307型號的軸承使用壽命合格。 (2) 中間軸軸承校核： 選用軸承309，由GB276-89表查=40800, =29800 沖擊符合系數 ， 壽命指數（球軸承） 1) 計算當量動負荷： 兩端軸承分別受徑向力： =4258N =3120N 軸承A受力大，所以只需對軸承A校核 軸向力A=0 , =0 查表得，X=1, Y=0, 則當量動負荷為： =5210.2N 2) 計算軸承壽命： 根據 ,查表得，則可及算出為： ＝685448h> 3) 驗算靜負荷： =0， 查表得, 其當量靜負荷為： =4530N 由表查得，安全系數，則 < 綜上，選用309型號的軸承使用壽命合格。 (3) 低速軸軸承校核： 選用軸承413，由GB276-89表查=90800, =78000 沖擊符合系數 ， 壽命指數（球軸承） 1) 計算當量動負荷： 兩端軸承分別受徑向力： =1960N =3950N 軸承B受力大，所以只需對軸承B校核 軸向力A=0 , =0 查表得，X=1, Y=0, 則當量動負荷為： =3872N 2) 計算軸承壽命： 根據 ,查表得，則可算出為： ＝7074711h> 3) 驗算靜負荷： =0， 查表得, 其當量靜負荷為： =3892N 由表查得，安全系數，則 < 綜上，所選軸承合格。 6雙頂尖定位機構設計 圖6-1 頂尖三維圖 6.1回轉頂尖結構 機床回轉頂尖主要用于加工回轉類零件,借助被加工零件的中心孔定位,使被加工零件能夠獲得的精度?；剞D頂尖有兩種形式:頭部旋轉式頂尖(又稱活頂尖)和整體式頂尖(又稱死頂尖)。旋轉式頂尖頭部安裝有軸承,定位精度略差,但旋轉時不容易發(fā)熱;整體式頂尖定位精度高,但工件旋轉時頂尖頭部容易摩擦生熱在齊通車床和萬能外圓磨床中,經常會用到以下兩種回轉頂尖。 圖6-2 旋轉式頂尖 圖6-3 整體式頂尖 6.2軸承的受力計算 (1) 軸承徑向力計算 輪對組合重量約為1噸，取安全系數K=1.5，則G取15000N。則頂尖受到的軸向力F1=15000N。 (2) 軸承壽命計算 壽命指數ε=10/3則壽命 L= 式中：n---軸承工作轉速，取50r/min； E---壽命指數，取3； 為了安裝方便取一大一小兩個軸承，上邊的為7006AC，下邊的為7005AC 上軸承的額定動載荷，C1=14.5KN 下軸承的額定動載荷，C2=11.3KN P為當量動載荷，計算公式為： P= 為沖擊載荷因數，取1.2； 為軸承所受徑向載荷，為軸承所受軸向載荷，X為徑向載荷系數，Y為軸向載荷系數。 計算得壽命：L=5665h，符合設計要求。 (2) 軸承的靜強度計算 為了使軸承滿足靜強度的要求，應滿足下式； 式中為靜強度安全因數，取=3.5； 下軸承額定靜載荷C1=10.1KN,上軸承額定靜載荷C2=7.4KN 為當量靜載荷， =1820.2 =785.2N 下軸承靜強度校核： 上軸承靜強度校核： 上下軸承靜強度校核均符合設計要求 6.3頂尖心軸的設計與計算 圖6-4 頂尖剖視圖 在設計中頂尖是用來定位和支撐車軸的，頂尖心軸要承受較大的壓力，因此頂尖心軸的材料我選擇的是：45號鋼，軸段1直徑為=30mm，軸段2直徑為=55mm，軸段3直徑為=50mm， 根據設計要求，裝配完成后頂尖伸出部分為47mm，各軸段長度：=88mm,=100mm,=100mm。 根據設計要求，預估計心軸長度為340mm。 總結 馬上就要畢業(yè)了，我們迎接來了大學里的最后一次考核，畢業(yè)設計。在畢業(yè)設計中，我們通過閱讀、收集、整理、分析、和運用各種信息，提高了我們查閱文獻的能力，培養(yǎng)了我們綜合運用所學知識的能力，提高了我們理論聯系實際的能力，使我們經歷了比較專業(yè)系統(tǒng)的機械設計及控制設計，為我們以后的學習及工作打下了堅實的基礎。通過撰寫畢業(yè)設計說明書及科學文獻的翻譯，使我們掌握了科技論文的寫作方法，提高了專業(yè)英語的水平。通過CAD出圖，使我們對CAD的掌握更加扎實，同時也學到了以前很少用過的東西。不管畢業(yè)設計做的如何，對我們來說都是一段有意義的歷程，通過這個過程，使我們在設計的路上邁出了堅實的一步。 本次設計，我的題目是火車盤位差檢測機構設計，我主要負責機械結構的設計。本文主要介紹了用激光位移傳感器檢測火車輪對制動盤盤位差和端面跳動自動檢測機構設計過程。在設計過程中，由于經驗不足，知識不夠全面，故只能查閱資料資料及詢問老師，有些機械定位不夠十分合理，尺寸選取的也不是十分準確等，需要改進的方面很多。本文系統(tǒng)的介紹了這一過程，并進行了詳細的設計計算，確定各個系統(tǒng)機械結構部分的結構尺寸，并完成了檢測機構的總裝圖紙以及部分零件圖。 參考文獻 [1] 李景泉等.車輪踏面擦傷自動檢測方法的研究和試驗.同濟大學學報.2003-31（4）. 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Journal of Sound and Vibration, Volume 267, Issue 1, 9 October 2003, Pages 105-166 致謝 我這次的畢業(yè)設計是在王華老師，張爽老師和高金剛老師的精心指導下完成的。 在設計的過程中，由于水平有限，遇到過很多問題，老師本著認真的工作作風、高度的責任心和嚴謹的治學態(tài)度為我營造了一個良好的氛圍，對我順利的完成了本次畢業(yè)設計起到了很大的幫助。本次設計使我對大學以來所學的知識得到綜合的融會貫通，并有了進一步的理解，對所學的知識以及相互聯系有了實際應用的機會，使我在各方面的能力都得到了很大程度的提高和鍛煉；學會了一些設計方法，提高了自身分析解決問題的能力，為以后的學習和工作打下了良好的基礎。 同時，論文的順利完成，離不開其它各位老師、同學和朋友的關心和幫助。在整個的論文寫作中，各位老師、同學和朋友積極的幫助我查資料和提供有利于論文寫作的建議和意見，在他們的幫助下，論文得以不斷的完善，最終幫助我完整的寫完了整個論文。 另外，要感謝在大學期間所有傳授我知識的老師，是你們的悉心教導使我有了良好的專業(yè)課知識，這也是論文得以完成的基礎。 繁忙的畢業(yè)設計已經結束，由于水平有限，考慮不免有漏洞，設計難免有不當之處，懇請答辯老師批評指正！ 同時衷心的感謝關心、支持這次設計的各級領導！各位老師！ 40