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目 錄
摘 要 III
Abstract IV
1 緒論 5
1.1課題背景 5
1.2 本章小結 6
2 閥殼油封軸承壓裝機的技術路線 6
2.1 閥殼油封軸承壓裝機研究現(xiàn)狀 6
2.2 主要研究內容及結構框架 7
2.3 設計要求 8
2.4 研究目的和意義 8
2.5 本章小結 9
3 總體方案設計及設備選型計算 9
3.1 總體方案設計 9
3.2氣缸的選型 10
3.2.1減震器壓裝機定位機構氣缸的選擇 10
3.2.2 氣缸的理論輸出力 11
3.2.3氣缸的負載率 11
3.2.4計算和選型 12
3.3直線滾動導軌副 14
3.4 螺栓強度校核 14
3.4.1受橫向載荷鉸制孔螺栓連接強度校核與設計 14
3.4.2受橫向載荷緊螺栓連接強度校核與設計 15
3.5 本章小結 17
4 運用CAD進行建模 17
4.1軟件概述 17
4.2總體結構建模 18
4.3 關鍵零件的設計 19
4.3.1底板的設計 19
4.3.2 支撐軸座與支撐軸的設計 19
4.3.3 壓塊連接件的結構設計 21
4.3.4 壓緊部件上板的設計 21
4.4 裝配 22
5 總結與展望 23
5.1 總結 23
5.2 展望 24
參考文獻 25
緒論
本文主要是對閥殼油封軸承壓裝機設計，通過對其機械結構的設計，使其可以實現(xiàn)閥殼油封軸承的壓裝。根據(jù)軸承進行工藝分析，將壓裝分成2部。在設計中分別叫做Ⅰ工位和Ⅱ工位。本文第一章，首先介紹了閥殼油封軸承壓裝機的研究背景，闡述了本設計的主要意義；第二章，主要介紹閥殼油封軸承壓裝機的發(fā)展趨勢和國內外研究現(xiàn)狀，然后闡述閥殼油封軸承壓裝機的分類和工作原理；第三章，主要進行設計計算和強度校核；第四章，通過第三章的設計計算對閥殼油封軸承壓裝機進行主要部件設計和結構設計，使其能夠處理實際應用的目標。通過本次畢業(yè)設計，是我對大學這幾年所學到的指示進行了一次系統(tǒng)的分析與應用，鍛煉我對制圖軟件的熟練應用程度，鍛煉了獨自解決問題的能力，為今后的工作打下了良好的基礎。
關鍵詞：軸承 壓裝機 機械
Abstract
This article is mainly about the design of the valve housing oil seal bearing press machine. Through the design of its mechanical structure, it can realize the press fit of the valve housing oil seal bearing. According to the process analysis of the bearing, the press-fitting is divided into two parts. In the design, they are called I station and II station respectively. The first chapter of this article first introduces the research background of the valve housing oil seal bearing press and explains the main significance of the design; the second chapter mainly introduces the development trend of the valve housing oil seal bearing press and the current research status at home and abroad, and then explains the valve The classification and working principle of the shell oil seal bearing press machine; Chapter 3 is mainly for design calculation and strength check; Chapter 4 is for the main component design and structural design of the valve shell oil seal bearing press machine through the design calculation in Chapter 3. So that it can deal with the goals of practical applications. Through this graduation project, I carried out a systematic analysis and application of the instructions I have learned in the past few years, exercised my proficiency in 3D drawing software and 2D drawing software, and exercised my ability to solve problems alone. , Laying a good foundation for future work.
Keywords: Bearing Press Machine Machinery
III
附 錄
1 開題報告
1.1課題背景
在中國的國民經(jīng)濟中機械占有重要地位，機械制造是我國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點。新中國成立后，特別是改革開放30年來，我國的機械工業(yè)發(fā)展迅速，各種機械產(chǎn)品層出不窮。當我們設計機械產(chǎn)品時，第一個要滿足一定的要求，在一個機械產(chǎn)品的設計也必須遵循某種方法。機械產(chǎn)品的基本要求取決于其所處的地位、作用及工作條件，主要考慮以下要求：功能要求、壽命要求、工藝性要求、價格要求、可靠性要求以及維護要求和標準化要求。
自1960年代以來，中國的軌道車輛一直在安裝無軸滾動軸承。在1970年代有了固定軸承，他們分別是移動式液壓機和固定軸承，并在1980年代記錄了壓力時間曲線和相關數(shù)據(jù)。 1989年之后，使用固定的兩缸軸承來通過單個微型計算機芯片記錄壓力和保持時間。在1990年代，計算機控制的固定式內置鋼制兩缸軸承以及整體結構內置的軸承開始進入鐵路生產(chǎn)和維修服務部門。隨著時間的不斷發(fā)展，淘汰舊產(chǎn)品和出現(xiàn)新產(chǎn)品是歷史的必然。 1970年代的移動式液壓機滿足了滾動軸承的最基本要求，但是工作強度高，工作效率低。壓力測量使用手動測量誤差。在相應的數(shù)據(jù)中，以手動填充為準。這些缺點非常重要。出現(xiàn)在1980年代的固定式軸承機可以自動測量和記錄每個車輪軸承組的技術參數(shù)，自動測量和打印軸承壓力，停止按壓力，并隨時間自動改變按壓力。曲線連接，其外觀很快就消除了移動式液壓機。由于當時的技術局限性以及軸承軸承工藝開發(fā)人員缺乏了解，經(jīng)過十多年的制造實踐，軸承滾動壓力機中記錄的時間和壓力曲線的缺點變得越來越明顯
滾動軸承在鐵路部門有非常重要的作用，因為他直接關系到車輛形勢的安全性，一直是中國鐵道部門的工作重點。但是，在過去的一段時間，密封裝置，潤滑和保持架的質量一直影響軸承的質量，不能滿足貨運鐵路運輸?shù)陌l(fā)展需求。熱軸將在車輪對工作期間產(chǎn)生，壓縮時的偏心載荷是軸端的變形。灼熱的地雷非常有害，從車輛的正常暴露，造成數(shù)十萬的經(jīng)濟損失到發(fā)生爆炸事故，都炸毀了威脅乘客和機組人員安全的車輛。壓機的固定過程對軸承的可靠性具有決定性的影響。壓缸的設計主要是為了確保軸承正確安裝，車軸工作正常以及汽車性能最大化。壓力機的殼體由底座，支架，供油的主缸，輔助缸和一對輪對組成。與以前相比，該機器的機身和支架的強度和剛度得到了極大的提高。主缸設計獨特，具有良好的特性。
1.2 本章小結
本章首先對閥殼油封軸承壓裝機的研究背景進行了詳細的介紹，并結合當今社會的現(xiàn)狀分析了研究的目的及意義，為后續(xù)論文的進行奠定了優(yōu)良的基礎。
2 閥殼油封軸承壓裝機的技術路線
2.1 閥殼油封軸承壓裝機研究現(xiàn)狀
與老式的壓裝機相比，現(xiàn)在的滾動軸承軸承機具有更高的壓力機輸出固定力，并通過自動化和信息技術大大提高了壓力機的精度，不僅提供了壓力機技術等級的自動控制。壓力機的沖壓質量高，并且壓力機的固定效率提高。
壓力機的殼體由底座，支架，供油的主缸，輔助缸和一對輪對組成。與以前相比，該機器的機身和支架的強度和剛度得到了極大的提高。主缸設計獨特，具有良好的特性。液壓站液壓控制的結構和原理經(jīng)過多年的測試，密封性能良好，可靠。集成單元的主體是通過六個側面的鍛造和磨削制成的?？刂婆_是計算機控制臺的一種流行結構，電氣盒的強弱安裝，很容易發(fā)生障礙。
（1） 鐵路滾動軸承的發(fā)展與現(xiàn)狀
在鐵道部門的積極配合下，解決了許多制約滾動軸承發(fā)展的狹窄問題。1978年，中國鐵路開始使用滾動軸承代替滑動軸承。鐵道部制定的主要技術政策是用滾動軸承代替滑動軸承，這樣一來起動阻力和列車行駛阻力都減小了，增加列車牽引噸位，減少軸燃燒事故。為確保行車安全，提高速度，減少火車上的阻力85％，行駛中的阻力約10％，加速車流，節(jié)省油脂，白金屬和其他材料，降低運營成本，延長車的保養(yǎng)周期。開始使用大量的卡車，當時使用的是軸承軸承，例如97720、197720、197726、197726和97730。其中，從日本進口的兩軸承圓錐滾子軸承197726和國產(chǎn)軸承。在測試過程中，它主要符合中國使用的環(huán)境條件和線性條件。 1978年，鐵道部決定在中國的有軌電車上安裝197726型軸承，并于1980年開始裝載大量新卡車。這種軸承已成為中國貨車的主要產(chǎn)品。 1992年10月5日，鐵道部發(fā)布了《關于發(fā)布鐵路貨車197726滾動軸承檢修會議紀要的通知》和“鐵路車輛197726軸承檢修措施”。在大修期間，在維護期間可能發(fā)生沒有用過的軸的圓柱滾子軸承。1998年1月，鐵道部鐵路局在第一階段批準了由中外合資經(jīng)營的197726型軸承對北京南科夫軸承SKF鐵路軸承有限公司的改進設計。這種先進的設計主要包括使用塑料鋼保持架制造軸承和內部微觀幾何尺寸，而傳統(tǒng)的滾子線模仿具有完全凸度的弧形。 SKF197726型軸承的生產(chǎn)始于1998年1月1日，用于車輛，與此同時工廠停止了197726軸承的生產(chǎn)。
（2）軸承的設計及現(xiàn)狀
隨著鐵路車輛軸承的發(fā)展，壓機也得到了升級。近幾十年來，中國最常見的手推車軸承壓力機是移動式機器，具有優(yōu)越的優(yōu)勢，易于移動和易于操作，但隨著橋梁和軸承的發(fā)展，軸承和軸承的配合要求越來越高：工作進展用于裝配壓力機無軌電車的移動式機械性能差，故障率高，勞動強度大，正逐漸被固定的機床所取代。迄今為止，固定壓力機的功能非常強大：在開始按壓時，操作員可以在控制系統(tǒng)中輸入軸號，軸類型，軸承號以及左右兩端。自動匹配系統(tǒng)使用主控制機器上的傳感器和測量設備來獲得各種技術。
2.2 主要研究內容及結構框架
第一章，首先對閥殼油封軸承壓裝機的研究背景進行了詳細的介紹，并結合當今社會的現(xiàn)狀分析了研究的目的及意義，為后續(xù)論文的進行奠定了優(yōu)良的基礎。
第二章，本章首先介紹了閥殼油封軸承壓裝機的研究現(xiàn)狀，并提出今后閥殼油封軸承壓裝機的發(fā)展方向，然后介紹了閥殼油封軸承壓裝機的開發(fā)的技術路線，最后對本文研究的主要內容及結構框架進行了介紹，為后續(xù)畢業(yè)設計的開展工作做了鋪墊。
第三章，主要是設計計算，首先對閥殼油封軸承壓裝機氣缸進行了選型，然后又對直線軸承進行了計算與選項，并對其中所用的螺栓進行了選型與校核，最后對閥殼油封軸承壓裝機的整體強度進行計算與校核，為后續(xù)對其結構設計起到了至關重要的作用。
第四章，主要利用二維制圖軟件對閥殼油封軸承壓裝機進行了結構設計，并繪制出了它的重要零部件的二維圖紙， 并對其主要零部件的功能及材料進行了詳細的介紹，對它的整體結構進行講解。
第五章，結論與展望，總結了全文，并且對本設計中研究的主要成果進行概括總結，并且提出本設計中的不足之處，以及后續(xù)需要改進的地方。
2.3 設計要求
閥殼油封軸承壓裝機應滿足的要求，如表2-1所示。
表2-1 設計要求
要求
內容
經(jīng)濟性要求
在滿足使用要求的前提下，要盡可能的降低成本，在設計過程中，經(jīng)濟性的重要性體現(xiàn)在制造、維修和銷售等各個方面。因此在設計時要重點考慮它的經(jīng)濟性。
安全性要求
安全性是設計一個機器是最重要的指標，需要保證機器安全穩(wěn)定的運行，也要保證在進行實驗的人員的人身安全。
可靠性要求
可靠性就是是指它在運行的過程中的穩(wěn)定性，可靠性越高運行過程中發(fā)生故障的可能性就會越小，它的使用壽命就會越長。
操作使用方便性要求
測試裝置使用時便捷性也十分重要，操作方便可以有效的提高實驗效率。。
2.4 研究目的和意義
在本課題的設計中，采用三維制圖軟件完成整體結構的設計，利用計算機集成先進制造技術，開辟一種新的設計思維，有很重要的現(xiàn)實意義。本研究課題參考壓裝試驗機整體結構，通過對壓裝機工作原理深度研究，對比現(xiàn)有裝置結構中的不足之處，對其中所存在的問題進行改正，總結分析并研究出一種全新的結構，提升裝置的通用性、可靠性及穩(wěn)定性。本裝置可以更有效的提高加工效率，對我國減震器護蓋裝配技術發(fā)展有著重要借鑒意義。
通過在對本裝置的整體結構進行設計的過程中，能夠巧妙地利用大學四年所學到的基礎理論知識，完成裝置的結構設計，并通過理論與實踐相結合，不斷的鞏固理論知識，完成對大學這幾年的理論知識的梳理與復習，在借助繪圖軟件過程中，使我們對軟件的運用更加熟練，為以后參加工作，培養(yǎng)自主完成項目的能力打下堅實的基礎。
2.5 本章小結
本章首先介紹了閥殼油封軸承壓裝機的研究現(xiàn)狀，然后對閥殼油封軸承壓裝機的設計要求進行了總結與歸納，最后對本文研究的主要內容及結構框架進行了介紹。
3 總體方案設計及設備選型計算
3.1 總體方案設計
本設計是閥殼油封軸承壓裝機，本次設計通過下方的定位塊固定工件，通過氣缸的伸出和縮回來實現(xiàn)壓頭的上下運動，以直線軸承和導桿實現(xiàn)壓頭的精準定位，用限位塊實現(xiàn)壓塊的伸出位置的限位，通過以上結構的整體裝配，保證設備的精準度。
閥殼油封軸承壓裝機主要包括一下幾部分：工作平臺、定位裝置、壓頭裝置、機體安裝座、動力裝置等。
具體設計參數(shù)：
1. Ⅰ工位氣缸： MDB1F100-150-Z73L -XC12
2. 總行程： 150mm
3.力行程： 15mm
4.最大沖壓力： 5600N/0.6Mpa
5.Ⅱ工位氣缸： MDB1F100-150-Z73L -XC12
6.總行程： 150mm
7.力行程： 15mm
8.最大沖壓力： 23000N/0.6Mpa
9.作業(yè)高度 750（工作臺面高度）
10.生產(chǎn)節(jié)拍： 40S
11.外形尺寸： 1780mm×1670mm×600mm
為了滿足以上的裝配要求，我采用立式壓裝機。壓裝裝置采用液壓缸，這樣可得到足夠大的壓入力，從而使系統(tǒng)簡單可靠。定位裝置采用、V型塊等定位元件來實現(xiàn)活塞桿的準確定位。（如下圖）
圖3.1 閥殼油封軸承壓裝機總體方案圖
3.2氣缸的選型
3.2.1減震器壓裝機定位機構氣缸的選擇
氣動驅動，壓縮空氣，并將存儲在氣缸，電動機或其他設備中的能量轉換為機械能。但是，當工業(yè)應用中對能量的要求不高時，使用壓縮空氣是唯一具有成本效益的選擇。氣動“敏捷手指”用于在短距離內高速移動小物體，例如夾緊，運輸，擰緊螺釘以及其他工業(yè)，貿易或醫(yī)療任務。
氣動驅動系統(tǒng)包括空氣壓縮和處理、控制（通過閥門）和輸出驅動（缸或電機）。這些組件在運行期間幾乎不需要維護，因此使用壽命會延長。壓縮空氣易于獲取，不會引起火災或爆炸的危險。然而，壓縮空氣的生產(chǎn)和制備可能非常昂貴，并且必須抑制排氣的刺耳噪音。優(yōu)點是壓縮空氣對溫度變化不敏感。如果有泄漏，則不會影響機器的安全，也不會污染環(huán)境。在很寬的范圍內，可以簡單地控制致動器的速度和力，但是可能難以獲得恒定且均勻的活塞速度。
在了解了各驅動方式之后，對減震器壓裝機定位部分進行選擇。
由于定位機構中，定位的動作為夾緊往復運動，并且在定位過程中需要有一定的力。所以選擇氣動作為減震器壓裝機定位部分的驅動方式。
定位機構為通過直線運動帶動連桿機構實現(xiàn)夾緊往復的運動，所以選擇的氣缸類型為雙作用的直線氣缸，并且為了保證氣缸的活塞桿不受徑向力，所以有相應的限位機構，最終選擇氣缸的類型為單導桿的雙作用直線氣缸作為定位機構的氣動驅動元件，直線的位移行程為150mm。接下來對氣缸的缸徑進行計算和選型。
3.2.2 氣缸的理論輸出力
普通雙作用氣缸的理論推力（N）為：
式中, D一缸徑(mm)，p一氣缸的工作壓力(MPa)。
理論拉力(N)為：
式中,d一活塞桿直徑（mm）時,估算時可令d=0.4D。
3.2.3氣缸的負載率
氣缸的負載率=實際負載力F/理論輸出力F0
當負載情況變化，實際負載力也變化。
氣缸的實際負載是由工況決定，如果確定了負載率η，那么氣缸的理論出力也隨之確定，負載率η的選取與氣缸的負載性能及氣缸的運動速度有關（見下表）
負載的運動狀態(tài)
靜負載
如夾緊、
低速壓鉚
動載荷
氣缸速度
＜100mm/s
氣缸速度
100~500mm/s
氣缸速度
＞500mm/s
負載率η
≤80％
≤65％
≤50％
≤30％
3.2.4計算和選型
本課題中舉升氣缸的軸向負載力：
F =μmg=0.3×104×9.8=306N
氣缸的平均速度：
V=s/t=100/0.8=125mm/s，按上表中，取負載率η=0.5；
理論輸出力：
F0=F/η=306/0.5=612N
由式和得：D=13.5mm；d=5.6mm
考慮安全系數(shù)后，根據(jù)下表得氣缸理論輸出力表，選擇缸徑為100mm的單導桿氣缸，行程為150mm，最終型號為MDB1F100-150-Z73L -XC12。
3.3直線滾動導軌副
直線導軌的距離額定壽命可用下式計算：
式中：——硬度系數(shù)，一般要求滾道的硬度不得低于58HRC，故通常可取；
——溫度系數(shù)，工作溫度<，??；
——接觸系數(shù)，每根導軌上的滑塊數(shù)為2，??；
——精度系數(shù)，精度等級為2，??；
——載荷系數(shù)，無外部沖擊或振動的低速運動場合，?。?
——額定動載荷（N）；
F——計算載荷（N）。
由此可計算出導軌的距離額定壽命為
一般把滾動直線導軌的距離額定壽命定位50km，故滿足要求。
3.4 螺栓強度校核
3.4.1螺栓連接強度校核與設計
受橫向載荷鉸制孔螺栓連接的基本形式如圖3.3所示：
圖3.3受橫向載荷鉸制孔螺栓連接
受橫向載荷鉸制孔螺栓連接的基本計算公式：
按擠壓強度校核計算：
按抗剪強度校核計算：
按擠壓強度設計計算：
按抗剪強度設計計算：
式中： ――受橫向載荷，N； ――受剪直徑，（＝螺紋小徑），mm，查表獲得； ――受擠壓高度，取 、 中的較小值，mm；m――受剪面?zhèn)€數(shù)。
許用應力的計算公式分兩組情況，如表3-2：
表3-2許用應力計算公式
強度計算
被連接件材料
靜載荷
動載荷
擠壓強度
鋼
鑄鐵
抗剪強度
鋼和鑄鐵
表中： 為材料的屈服極限，由螺栓機械性能等級所決定。
3.4.2受橫向載荷緊螺栓連接強度校核與設計
受橫向載荷緊螺栓連接的基本形式如圖3.4所示：
圖3.4 受橫向載荷緊螺栓連接
受橫向載荷緊螺栓連接強度校核與設計的基本公式如下：
?????? （1）預緊力計算公式：
?????? （2）校核計算公式：
?????? （3）設計計算公式：
?。?）許用應力計算公式：
式中： ――橫向載荷，N； ――螺栓預緊力，N； ――可靠性系數(shù)，取1.1~1.3；m――接合面數(shù)；f――接合面摩擦因數(shù)，根據(jù)不同材料而定。鋼對鋼時，為0.15 左右； ――螺紋小徑，從表中獲??； ――螺栓屈服強度，MPa，由螺栓材料機械性能等級決定； ――安全系數(shù)，按表3-3選用。
表3-3 預緊螺栓連接的安全系數(shù)
材料種類
靜載荷
動載荷
M6~M16
M16~M30
M30~M60
M6~M16
M16~M30
M30~M60
碳鋼
4~3
3~2
2~1.3
10~6.5
6.5
6.5~10
合金鋼
5~4
4~2.5
2.5
7.5~5
5
6~7.5
根據(jù)以上計算，最終選取連接螺栓的為四個8.8級的M8螺栓進行連接，可以有效的整體裝置的強度及穩(wěn)定性和可靠性。
3.5 本章小結
本章主要是設計計算，首先對閥殼油封軸承壓裝機的總體方案機器工作原理進行了設計，然后根據(jù)總體方案的設計結果，對其中涉及到的設備進行計算選型，首先對閥殼油封軸承壓裝機的氣缸進行了計算選型，然后又對直線軸承進行了設計計算，并對其中所用螺栓進行了選型與校核，為后續(xù)對其結構設計起到了至關重要的作用。
4 運用CAD進行建模
4.1軟件概述
Autocad是Autodesk計算機設計軟件，在1982年由Autodesk首次開發(fā)?？捎糜?D工程圖，詳細的技術圖像，基本設計和3D設計文件。它的多媒體設計文檔使不使用計算機的專業(yè)人員可以快速學習使用計算機。在持續(xù)重復期間，最好研究各種技能和發(fā)展技能的要求，以不斷提高工作效率。 Autocad具有廣泛的兼容性，可以在微型計算機和工作站上的各種操作系統(tǒng)中使用。主要任務是完成完整的攝影作品。詳細而有力的工作。有很多方法可以聚在一起。他們可以改變形狀圖的多樣性，并具有很強的交流性。支持多種設備。該系統(tǒng)簡單易用，適合所有類型的用戶。此外，autocad2000系統(tǒng)還包含一個autocad設計（adc），用于多個文檔的項目環(huán)境（mde），一個網(wǎng)絡驅動程序，一個新的目標功能，一個預定義功能以及一個打開和一個分區(qū)一個啟示。該程序的好處在于，現(xiàn)在可以輕松管理順暢的遷移和遷移管理。您可以使用當前圖像導出PDF文件中的幾何圖形，填充，排序和分組文本。 pdf數(shù)據(jù)可以來自附加到現(xiàn)有圖像的PDF或指定的PDF文件。
4.2總體結構建模
根據(jù)前文的計算以及相關參考文獻數(shù)據(jù)，對閥殼油封軸承壓裝機二維圖紙的繪制，閥殼油封軸承壓裝機的二維數(shù)模如圖4.1所示，裝配體在實際安裝的過程中要注意各個零部件的公差配合和尺寸精度是否滿足要求，在裝配前要檢查零件是否有加工缺陷，是否在運輸過程中有劃傷等現(xiàn)象出現(xiàn)。要保證各零部件具有夠用的剛度和強度，結構簡單，降低成本，加工方便，并提高在使用時的便捷性及保證穩(wěn)定性可靠性。
圖4.1總裝圖
4.3 關鍵零件的設計
4.3.1底板的設計
底板為整個耐久試驗設備的支撐裝置，能夠承受裝置所需承受的最大壓力而不產(chǎn)生變形，并且能夠滿足工作壓力面的尺寸要求。底板的材料選擇Q235-A，通過數(shù)控機床加工，保證表面的粗糙度和孔的位置公差以及行位公差，如圖4.2所示。
圖4.2底板
4.3.2 支撐軸座與支撐軸的設計
在本次設計中整體框架通過二根支撐軸和二個支撐軸連接座作為框架，通過螺栓把接的方式，將其固定在連接板上，這二個軸和二個支撐軸座在整體中間位置，下方連接有支撐下板，也是通過螺栓把接的方式連接，結構簡單，降低成本，加工方便，并提高在使用時的穩(wěn)定性可靠性。支撐軸座和支撐軸的三維數(shù)模分別如圖4.3、4.4所示
圖4.3 支撐軸座的
圖4.4 支撐軸
4.3.3 壓塊連接件的結構設計
在本次設計中，壓塊連接件是用來安裝和支撐壓塊，因為壓塊的強度要求比較高，對其加工精度還是有一定要求，須嚴格按照技術要求進行加工，如圖4.5所示。
圖4.5 支撐軸
4.3.4 壓緊部件上板的設計
在本次設計中，壓緊部件上板選用的材料為Q235，并進行調質處理后，進行淬火的熱處理，壓緊部件上板安裝在支撐桿上，通過螺母把接的方式，能有效的保證其穩(wěn)定性，壓緊部件上板上安裝氣缸，將氣缸固定在上面。所以壓緊部件上板所需的強度比較高，并且對其中間的孔要求加工精度較高，不能有加工缺陷，其零件圖如圖4.6所示。
圖4.6 壓緊部件上板
4.4 裝配
組裝是按照規(guī)定的技術要求組裝零件：按照規(guī)定的技術要求組裝零件，然后進行調試和檢查以使其成為合格產(chǎn)品的過程始于裝配圖的設計。組件必須具有定位和夾緊的兩個基本條件。定位是確定零件正確位置的過程。定位后立即夾緊并固定零件。根據(jù)產(chǎn)品結構的復雜性，裝配工作可分為零件裝配，零件裝配和總裝。
（1）組件裝配：將若干零件連接成組件或將若干零件和組件連接成結構更為復雜一些的組件的工藝過。
（2）部件裝配：將若干零件和組件連接成部件的過程，稱為部件裝配。
（3）總裝配：將若干零件和部件裝配成最終產(chǎn)品的工藝過程，稱為總裝配。
因為裝配工作的主要任務是保證產(chǎn)品在裝配后達到規(guī)定的各項精度要求，所以一定采取合理的裝配方法。
裝配體是由幾個零件組成的零部件。它表達了組件的工作原理和裝配關系。這在設計，組裝，調整，檢查，安裝，實用性和維護過程中非常重要。在CAD中，零件可以位于零件，零件和子裝配體，同軸配合，垂直配合，平行配合，距離配合，角度配合等之間。頂升機構的裝配體如4.7所示:
圖4.7總裝圖
5 總結與展望
5.1 總結
本次畢業(yè)設計通過分析軸承壓裝機的工作原理，設計了一種閥殼油封軸承壓裝機，通過分析其工作原理的基礎上，對閥殼油封軸承壓裝機的主要結構進行設計和優(yōu)化。本次論文首先介紹了閥殼油封軸承壓裝機的研究背景及本次設計的主要意義，然后提出閥殼油封軸承壓裝機的基本設計思路和設計理念，對閥殼油封軸承壓裝機進行主要零部件設計，設備選型和結構設計，最后，閥殼油封軸承壓裝機關鍵零部件進行強度校核。另外，通過這個設計，可以了解機械設計的一般流程：設計準備、發(fā)送裝置的整體設計、發(fā)送部件的設計和計算、組裝設計、部件的加工圖紙設計、設計規(guī)范的制作。在設計過程中完成的同時，需要在時間內進行溝通與指導人員進行商談。各階段結束后，應謹慎檢查，慎重保持正確錯誤，并保持改進。畢業(yè)項目的各個階段互相關聯(lián)著。在設計上，零件和部件的結構尺寸不能完全通過計算來決定，也應該考慮結構，技術，經(jīng)濟，標準化，串聯(lián)化的要求。影響部件和部件尺寸的因素很多，隨著設計的發(fā)展需要考慮的課題需要綜合且合理，因此后期階段的設計應該對前期設計中不合理的結構尺寸進行必要的修改。因此，需要計算設計，同時繪制，反復修正，交替進行設計計算和附圖。標準化、串聯(lián)化、通用化應在設計中進行，以確?？苫Q性、成本降低、設計周期縮短，這是機械設計、設計質量評估指標之一。在設計上，我們要注意的是，如果要使用標準部件，就必須熟練、正確地使用所有種類的相關技術標準和規(guī)范。通過本次畢業(yè)設計，鍛煉了我對三維及二維軟件的應用能力和設計制圖能力，對大學這么多年自己的學習成果進行了很好的總結和凝聚，為今后走向工作，實現(xiàn)快速接軌社會奠定了基礎。
5.2 展望
本次的設計任務對與我個人來說實屬很難，很難，尤其是這個設計很復雜，尤其在于本次的設計過程中，一直以來自己能力有限。確實無法完成本次的設計，最后在老師與同學的熱情幫助下，我經(jīng)歷各種問題，最后實現(xiàn)了設計思路的設定，最后完成這個自動打箔機的設計，完成一個主要從結構設計到最后的創(chuàng)新設計的一個過程。其實一個產(chǎn)品從設計到最后，成型到最后加工要經(jīng)歷一個全新的過程，這個過程很漫長也很長久，經(jīng)過這個過程我也努力的完成了自己的想法與夢想。未來我希望自己能在機械設計領域創(chuàng)造出屬于自己的天地。本次的設計，讓給我感觸很深，本次設計對我的鍛煉也很多，讓自己更加清楚自己的能力，設計就是從發(fā)現(xiàn)問題到最后解決問題的一個過程，本次完成設計任務，對自己也是一個極大的認可。
參考文獻
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Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 178 DOI: 10.3384/ecp09430040 Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 179 Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 180 Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 181 Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 182 Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 183 畢業(yè)設計（外文翻譯）
第七屆會議論文集Modelica語言，科莫，意大利，9月20日至22日，2009
基于Modelica半實物仿真的
飛機反推力裝置液壓系統(tǒng)
趙建軍1 李自強1 丁劍烷1 陳利平1 王祈福1
陸清2王宏鑫2吳爽2
1：計算機輔助設計中心，機械學院，華中科技大學?？萍技凹夹g。湖北省武漢市，中國，430074
2：上海飛機設計研究所，中國商用飛機集團有限公司，上海，200436
{jjzhao168, willhave, jwdingwh, chenliping.ty}@gmail.com wangqf@hust.edu.cn
lq70300@126.com whongxin@sina.com wushuanga@sohu.com
摘要：本文介紹了一個解決方案來建立一個硬件在環(huán)（HIL）仿真系統(tǒng)與Modelica語言為基礎的民間飛機推力逆向仿真平臺系統(tǒng) -機電工程在Windows系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用硬件在環(huán)仿真平臺“機電工程”，以模型和模擬的推力反向器的液壓系統(tǒng)，并采取硬件- 作為模擬輸入PLC的輸出信號。建模模塊，通信模塊，解決模塊，動畫模塊和控制模塊包括硬件在環(huán)仿真平臺中，其關鍵技術和實施細節(jié)規(guī)定。HIL系統(tǒng)已成功應用于ARJ21飛機液壓系統(tǒng)仿真反推力。它可以模擬液壓系統(tǒng)在正常狀態(tài)，故障狀態(tài)以及其他工作條件，以驗證控制邏輯和評價系統(tǒng)的關鍵性能，從而幫助減少了實驗成本，優(yōu)化系統(tǒng)設計。
關鍵詞：飛機推力反向器的液壓系統(tǒng)，實時仿真，硬件在環(huán)，Modelica
1. 簡介
推力反向器[1]作為飛機引擎的一部分，是飛機著陸減速裝置，它可以有效地縮短了滑行距離。推力反向器是一個典型的復雜物理系統(tǒng)，涉及機械，電子，液壓，控制等領域。為了驗證推力反向器的控制邏輯，我們可以進行地面試驗及飛行的推力反向器真正件實驗，但這種方法具有較高的成本和安全性差，而且只限于不同的自然條件。此外，這種方法，對極端條件下的測試是非常困難的。Modelica語言為基礎的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)可以解決上述問題。首先，基于Modelica[2，3]是一個免費的，面向對象的大型，復雜和異構的物理系統(tǒng)的語言formodeling。這是適合多領域建模。在數(shù)學描述Modelica語言模型是由微分，代數(shù)和離散方程。Modelica語言，我們可以在整個反推模型，它涉及機械，電子，液壓和控制領域。其次，HIL系統(tǒng)同時使用真實邏輯控制元件和反推力模型來實現(xiàn)模擬。HIL系統(tǒng)可以驗證這在varietyof工作條件的控制邏輯，它的成本非常低。此外，有了這個系統(tǒng)，就沒有必要考慮安全性。
本文介紹了一個解決方案來建立一個模擬平臺與基于Modelica語言反推力HIL模擬系統(tǒng) –機電工程[4]與Windows操作系統(tǒng)的普通電腦。它使用為例，先進的區(qū)域噴氣飛機的推力反向器在21世紀（ARJ21的），這是設計和公司的中國商用飛機有限公司（專員）制造。首先，它介紹了硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的總體框架，然后詳細說明了仿真平臺，這是建模模塊，解決，溝通，動畫及和記控制的幾個重要模塊，最后演示了該系統(tǒng)的成功應用ARJ21的推力反向器模擬。
2系統(tǒng)概述
一般來說，硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由主機上的Windows操作系統(tǒng)和實時目標機器上運行的PC運行的操作系統(tǒng)， 這種系統(tǒng)具有較高的實時功能，但非常昂貴。ARJ21飛機的推力反向器是由液壓驅動系統(tǒng)，它主要是由六電磁液壓閥，其國家所有的推力反向器控制開關取決于控制。在模擬實驗中，PLC作為反推控制器產(chǎn)生控制信號，液壓閥6根據(jù)的推力反向器控制開關和反饋信號從模擬平臺的狀態(tài)。和反饋信號將只用于故障觸發(fā)。因此，模擬不需要很高的實時能力。
該硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，在這篇文章中討論，不需要昂貴的“真正的“實時系統(tǒng)。它可以運行于Windows操作系統(tǒng)的普通計算機和采樣頻率可以達到50赫茲，這是足夠的推力反向器模擬的要求。
在圖1所示的系統(tǒng)的概述。HIL仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)基于PLC和仿真平臺“機電工程”，這五個軟件模塊組成- 建模模塊，解決模塊，通信模塊，動畫模塊和硬件在環(huán)控制模塊。
圖1：系統(tǒng)概述
PLC中，作為在HIL系統(tǒng)的硬件部分使用，接收電子信號控制開關，以及模擬反饋信號，并發(fā)送控制信號的邏輯運算后的仿真平臺。機電工程，以Modelica語言為基礎的綜合開發(fā)環(huán)境，是用來作為建模和硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的仿真平臺。推力反向器是模擬對象，這是基于Modelica模型。根據(jù)該模型，求解模塊產(chǎn)生的疑問，這是實時計算工作。通訊模塊是實時仿真平臺之間的數(shù)據(jù)交換和PLC負責。該動畫模塊接收從解決模塊和驅動器的三維動畫的結果數(shù)據(jù)。囪基發(fā)展控制模塊，它的面板，如圖2所示，為啟動和終止仿真，仿真參數(shù)設置負責，展現(xiàn)與其他模塊進行通信，以及關鍵數(shù)據(jù)。
圖2：半實物仿真系統(tǒng)
仿真過程如下：
1) 在分析了反推力系統(tǒng)，組件模型和系統(tǒng)模型）創(chuàng)建于Modelica語言。
2) 在設置與控制模塊的硬件在環(huán)仿真面板參數(shù)，模擬開始：HIL模式轉換控制模塊，然后生成一個求解器模塊解決，這將是在一個新的程序調用。
3) 通信模塊是由所謂的硬件在環(huán)控制模塊接收來自PLC的控制信號。經(jīng)過翻譯，這些信號會顯示在面板上，并傳送到求解程序。
4) 在求解過程中接收控制信號并在每個周期計算。當計算完成后，解算器發(fā)送的結果到HIL控制模塊，并等待下一個周期。
5) HIL控制模塊接收來自求解過程的結果，并顯示在HIL控制模塊的硬件面板，并交付給動畫模塊來驅動的實時動畫。與此同時，HIL控制模塊命令通訊模塊發(fā)送結果反饋信號給PLC。
6) PLC采用反饋信號和控制作為輸入開關狀態(tài)，邏輯運算后，發(fā)送控制信號到仿真平臺。
7) 重復步驟3，直到終止循環(huán)的模擬。
3關鍵技術
3.1建模
在分析了ARJ21飛機的推力反向器的液壓系統(tǒng)，我們開發(fā)了一個專用液壓庫：Hydrau -Comac，這是在HyLibLight的液壓庫。Hydrau_Comac庫提供ARJ21的推力反向器和輔助液壓元件庫，如隔離控制閥（側腦室），兜帽鎖（氯），方向控制閥（直流電壓），液壓執(zhí)行器，管，負載，以及流體的特性。這些模型是根據(jù)自身構造方程及其參數(shù)的檢測結果判定是否有必要校準。為了滿足實時性的要求，Hydrau_Comac庫還提供簡化的實時組件模型。Hydrau_Comac庫的結構如圖3所示。
圖3：Hydrau_Comac庫的結構
在HyLibLight庫和Hydrau_Comac庫的基礎上，我們模擬ARJ21的反推力液壓系統(tǒng)，提供簡化的系統(tǒng)模型（圖4）實時硬件在環(huán)仿真，以及詳細的系統(tǒng)模型進行離線仿真（圖5）。
圖4：實時反推力系統(tǒng)模型
圖5：離線系統(tǒng)模型與管道
3.2求解
HIL仿真模型的模型解決與離線模擬解決不同。HIL仿真解決不僅需要與外部硬件交換數(shù)據(jù)，而且還保證物理時間之間在現(xiàn)實世界中的模擬和邏輯時間同步。為了識別輸入和輸出數(shù)據(jù)，我們使用“輸入“和“輸出’”前綴修改輸入變量和輸出變量，因此，我們可以保證計算順序-從輸入變量到輸出變量。此外，根據(jù)Modelica的規(guī)范，輸入變量和輸出變量可用于外部通信，因此，外部交換數(shù)據(jù)需要在配置文件中記錄。根據(jù)在配置文件中記錄，聯(lián)營的解決模塊輸入/輸出共享內存變量。求解器模塊從共享內存中讀取輸入數(shù)據(jù)，并寫入輸出數(shù)據(jù)到那里。 HIL控制模塊寫入輸入數(shù)據(jù)從PLC的共享內存中，并從哪里讀取輸出數(shù)據(jù)。
實時流程圖解決是如圖6所示。在每一個采樣周期，如果他們的數(shù)據(jù)變動，解決模塊將會從共享內存中提取輸入數(shù)據(jù)并檢查。如果更改，這意味著會導致事件的外面環(huán)境改的變化，從而使解決模塊需要做事件循環(huán)。然后，解決模塊計算，并寫入所要求的輸出數(shù)據(jù)到共享內存。
圖6：流動的實時圖表求解
我們使用定時器來實現(xiàn)同步。通過調用查詢性能頻率（）函數(shù)，我們可以得到，并調用查詢性能計數(shù)器（）在兩個時間點功能的機器內部定時器的時鐘頻率，我們可以得到一個計數(shù)。隨著頻率和數(shù)量，我們可以知道這兩個時間點之間的精確時間。利用這種方法，我們可以知道在一個周期內所花費的時間并把這時間稱為一個變量的物理循環(huán)時間。在下一個周期開始時物理循環(huán)時間超過采樣周期。這種方法的計時誤差小于1ms。
在每個周期中，模塊檢查是否解決在計算所花費的時間長于采樣周期。如果計算超過采樣周期，但不超過可接受的時間，該模塊將報告一個警告。而如果計算超出可接受的時間，該模塊將報告錯誤并退出。因此，為了實現(xiàn)高實時性，仿真系統(tǒng)需要運行在高性能計算機，以確保解決的速度。
3.3通訊
在HIL仿真中，如何溝通仿真平臺和PLC，以及如何保證精確的通信頻率是實時能力的關鍵因素。通過使用通訊模塊，仿真平臺采用PLC通過RS232串行端口通信。通訊參數(shù)如下：57.6kbps的傳輸速率，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗和固定字長的數(shù)據(jù)幀。根據(jù)該指定，從模擬平臺傳輸?shù)絇LC的數(shù)據(jù)將被轉換為標準數(shù)據(jù)幀。然后，PLC將這些數(shù)據(jù)轉換幀檢索內容。通訊模塊調用Windows API函數(shù)進行串口通訊：調用CreateFile（）函數(shù)打開串口，writeFile（）函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入到串行端口，用readfile（）函數(shù)來讀取串口數(shù)據(jù)。
PLC采用高速串口通信模塊CP341來實現(xiàn)通信。FB7的CP341功能塊負責接收從模擬平臺的數(shù)據(jù)，并且FB8的CP341功能塊是將數(shù)據(jù)發(fā)送到模擬平臺負責。通過使用定時器，串行口通信的頻率可以被控制。串口通信的頻率是相同的采樣頻率。PLC使用其內部定時器，其最小時間間隔可為10ms。由于PLC是電路工作，因此，定時精度取決于PLC控制程序運行周期。在正常情況下，PLC控制程序運作周期可小于1毫秒，精度可以達到1毫秒。通訊模塊在于Windows操作系統(tǒng)的基礎上，使用多媒體定時器 “時間設置事件（）“定時控制，并實現(xiàn)串口讀寫回調功能操作，精度也能達到1毫秒。
3.4動畫
一般來說，基于Modelica多體動畫的實施有3個步驟：首先，求解計算模型生成的結果數(shù)據(jù)，然后將被用來形成動畫數(shù)據(jù)；其次，幾何模型建立；第三，幾何模型的動畫數(shù)據(jù)驅動并在屏幕上顯示出來。對于實時仿真，我們需要在每個周期的最新的動畫數(shù)據(jù)，但它需要較長時間，不能滿足實時性要求。幸運的是，反推只有一個自由議案，也就是驅動可以來回移動。因此，我們可以首先創(chuàng)建一個離線的動畫，然后用執(zhí)行器來部署可變長度變量使該離線動畫顯示，從而保證動畫的同步性。具體過程如下：
首先，建立了推力反向器多體運動學模型，并執(zhí)行離線仿真，使仿真結果文件生成；其次，閱讀模擬結果的文件并創(chuàng)建三維動畫；第三，建立一對一的執(zhí)行機構之間的映射關系的長度和脫機部署動畫幀變量；最后，進行了實時仿真，獲得該變量的值，并用它來驅動動畫。
4應用
HIL仿真系統(tǒng)已成功應用于ARJ21飛機液壓系統(tǒng)仿真反推力。仿真平臺的用戶界面如圖7所示。邏輯控制部分的硬件實現(xiàn)與西門子S7- 300系列PLC類似，其中包括電源模塊，CPU模塊，離散輸入模塊，離散輸出模塊，模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊，串口通信模塊和觸摸屏。PLC控制程序的開發(fā)和STEP7一樣以及觸摸屏界面（圖7）開發(fā)與Flexcible2005一起。采用可編程控制器控制開關的推力反向器，或從觸摸屏作為輸入信號的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一番邏輯運算，它輸出數(shù)據(jù)相當于仿真平臺的控制信號。
圖7：觸摸面板的PLC
機電工程運行于Windows操作系統(tǒng)與通用計算機。我們與仿真平臺機電工程計算機是一種具有英特爾酷睿2 2.8G的CPU，2G內存，ATI的3450HD顯卡和19英寸液晶顯示器戴爾桌面。在這種配置中，ARJ21的反推力液壓系統(tǒng)的實時仿真周期可以達到20毫秒。結果數(shù)據(jù)和HIL仿真系統(tǒng)生成曲線與試驗基本吻合，所不同的也是可以接受的。（表1，圖8，圖9）。
表1：部署時間及充填時間的執(zhí)行器
圖8：執(zhí)行器壓力試驗曲線
9：執(zhí)行機構的壓力仿真曲線
HIL仿真系統(tǒng)具有結構簡單，成本低。通過對ARJ21飛機液壓系統(tǒng)仿真反推力，我們可以驗證在各種工況的控制邏輯，評價系統(tǒng)的關鍵性能，使數(shù)量和測試成本可降低，以及ARJ21的設計優(yōu)化飛機液壓系統(tǒng)及測試可以提供依據(jù)。
5結論
本文演示了以Modelica為基礎的HIL硬件仿真專為??飛機液壓系統(tǒng)研制反推力的解決方案。HIL硬件仿真系統(tǒng)，運行在Windows操作系統(tǒng)的普通計算機上，通過與外部硬件進行串行端口通信。HIL仿真系統(tǒng)的成本非常低，而且其采樣周期可長達20毫秒，因此特別適合用于對那些不需要非常高的實時功能的情況下。該仿真原型應用ARJ21的推力反向器的模擬表明，該HIL硬件仿真系統(tǒng)，它采用基于Modelica語言模型飛機推力反向器的液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)連接，能大大提高測試效率，減少測試數(shù)量和測試成本。
今后的工作是要加強與一般的Windows計算機模擬實時功能，以及使用機電工程生成目標代碼，它可以用于實時系統(tǒng)。
致謝
這項工作得到了中國國家自然科學基金（批準No.60704019和Grant No.60874064）。
特別感謝Medelon公司認可使用HyLibLight庫。
縮略語
ARJ21的：21世紀先進的支線飛機
申訴專員：中國工商有限公司飛機公司
發(fā)光：兜帽鎖
側腦室：隔離控制閥
直流電壓：方向控制閥
PLC：可編程邏輯控制器
HIL發(fā)展：硬件在半實物
參考文獻
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