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火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（以頂尖定位）
摘 要
鐵路系統(tǒng)中,作為車輛走行部主要部件的輪對(duì)是影響安全運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。輪對(duì)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(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力。所以要求輪對(duì)必須保持良好的技術(shù)狀態(tài),否則會(huì)嚴(yán)重影響行車安全。而作為輪軌接觸面的車輪踏面和輪緣的幾何參數(shù)又是判斷輪對(duì)技術(shù)狀態(tài)的重要依據(jù),因此,對(duì)車輪踏面和輪緣幾何參數(shù)的測(cè)量一直鐵路部門密切關(guān)注和不斷研究的課題。
本課題主要內(nèi)容有：
1、 利用CAD等軟件完成火車輪對(duì)制動(dòng)盤檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)包括軸肩距離、輪緣厚度、輪輞厚度、車輪端跳、車輪徑跳、車輪直徑、車輪內(nèi)測(cè)距、Qr值及輪緣高度等測(cè)量項(xiàng)目的檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模檢測(cè)機(jī)構(gòu)利用頂尖進(jìn)行定位。
2、 完成主要部件的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。
關(guān)鍵詞：輪對(duì)；自動(dòng)檢測(cè)；強(qiáng)度校核；
Abstract
In the railway system, the wheel set,which is the main part of the main part of the vehicle, is an important part of the safety operation.Wheel not only bear the full weight of the train and its own weight, but also to transfer the train and rail between the driving force and the braking force. Therefore,the requirements of the wheel must maintain a good technical state, otherwise it will seriously affect the safety of traffic. And as the wheel rail contact surface of the wheel tread surface and the rim of the geometric parameters and is an important basis for judging the technical condition of wheel. Therefore, the wheel step surface and the flange geometry parameters measurement has been railway departments pay close attention to and continue to study the subject.
The main contents of this paper are:
1, using CATIA software to complete train wheel brake disk test items include the shaft shoulder distance, flange thickness, rim thickness, wheel end jump, wheel diameter jump, wheel diameter and the inner wheel ranging, QR value and flange height, measurements of the detection system design and 3D modeling mechanism adopts the top position.
2, the completion of the main parts of the mechanism design and strength check.
Keywords: Wheel set; automatic detection; strength check;
目 錄
1 前言 1
1.1 課題來(lái)源及研究意義 1
1.1.1 火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概述 1
1.1.2 火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的裝備 2
1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析 2
1.3 發(fā)展趨勢(shì) 4
1.4 本章小結(jié) 5
2 火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的工作原理 5
2.1 輪對(duì)外形尺寸定義 5
2.2 輪對(duì)配合尺寸自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理 6
2.3 本章小結(jié) 8
3 火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì) 8
3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 8
3.2 總體方案設(shè)計(jì) 8
3.3 本章小結(jié) 11
4 火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 11
4.1 頂輪機(jī)構(gòu)部分的計(jì)算與校核 11
4.2 頂尖的計(jì)算 18
4.2.1 軸承的壽命計(jì)算 19
4.2.2 軸承的靜傳動(dòng)計(jì)算 20
4.2.3 頂尖心軸的計(jì)算 21
4.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的計(jì)算 22
4.3.1 確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 23
4.3.2 計(jì)算總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 23
4.3.3 計(jì)算傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 23
4.4 滾珠絲桿及電機(jī)選型計(jì)算 27
4.5 本章小結(jié) 31
5 設(shè)計(jì)總結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 34
謝 辭 35
1 前言
1.1 課題來(lái)源及研究意義
課題來(lái)源于教師自擬
1.11 火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概述
輪對(duì)作為鐵路車輛重要的行走部件,在鐵路安全運(yùn)輸和速度方面起著關(guān)鍵性的作用。目前,影響我國(guó)鐵路車輛提速的重要原因之一是車輛輪對(duì)的檢測(cè)技術(shù)落后,無(wú)法快速、精確地檢測(cè)出輪對(duì)狀態(tài)。在輪對(duì)的檢測(cè)過(guò)程中,需要檢測(cè)的輪對(duì)參數(shù)近10多個(gè),軸肩距離、輪緣厚度、輪輞厚度、車輪端跳、車輪徑跳、車輪直徑、車輪內(nèi)測(cè)距、Qr值及輪緣高度等,這些都是直接影響車輛運(yùn)行的重要參數(shù),必須及時(shí)、準(zhǔn)確地加以檢測(cè)和診斷。當(dāng)前輪對(duì)參數(shù)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄在國(guó)內(nèi)基本上還是靠手工完成,測(cè)量工具采用特制卡鉗和直尺。長(zhǎng)期、大量的重復(fù)性手工作業(yè)使得工人極易產(chǎn)生疲勞,加上目測(cè)誤差等問(wèn)題,使得手工測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差較大,工作效率也難以得到提高。
為了改變目前輪對(duì)參數(shù)測(cè)量的落后狀況和改進(jìn)輪對(duì)測(cè)量工藝,研制一套輪對(duì)參數(shù)全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)就具有重大的意義。該系統(tǒng)需滿足：運(yùn)用多種先進(jìn)的測(cè)試和控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)鐵路火車輪對(duì)參數(shù)的全自動(dòng)測(cè)量,包括軸肩距離、輪緣厚度、輪輞厚度、車輪端跳、車輪徑跳、車輪直徑、車輪內(nèi)測(cè)距、Qr值及輪緣高度等,并且要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)速度快、精度高。這對(duì)于提高輪對(duì)的檢測(cè)質(zhì)量、推進(jìn)鐵路系統(tǒng)的計(jì)一算機(jī)管理、保障鐵路機(jī)車的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
目前國(guó)內(nèi)的車輪外形檢測(cè)主要是人工手動(dòng)接觸測(cè)量，測(cè)量工具原始粗糙，精度低，自動(dòng)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(duì)車輪踏面部分的外形尺寸的測(cè)量，因?yàn)槭强臻g的復(fù)雜尺寸，弗且沒(méi)有有效且精確的測(cè)量工具，因此很難達(dá)到理想的效果。這樣的工作方式不僅使企業(yè)的生產(chǎn)成本居高不下，還嚴(yán)重影響著生產(chǎn)效率的提高和進(jìn)一步發(fā)展，因此尺寸檢測(cè)的自動(dòng)化對(duì)于提高生產(chǎn)效率，降低成本，以及企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的提高都具有重要的意義。
火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概述：
鐵路系統(tǒng)中,作為車輛走行部主要部件的輪對(duì)是影響安全運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。輪對(duì)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(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力。所以要求輪對(duì)必須保持良好的技術(shù)狀態(tài),否則會(huì)嚴(yán)重影響行車安全。而作為輪軌接觸面的車輪踏面和輪緣的幾何參數(shù)又是判斷輪對(duì)技術(shù)狀態(tài)的重要依據(jù),因此,對(duì)車輪踏面和輪緣幾何參數(shù)的測(cè)量一直是鐵路部門密切關(guān)注和不斷研究的課題。
目前,我國(guó)車輛輪對(duì)的檢測(cè)仍停留在手工測(cè)量階段,技術(shù)落后、工作效率低。而日本、美國(guó)等國(guó)在輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)方面進(jìn)行了大量的研究,并研制出各種類型的檢測(cè)裝置,產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)效益。
隨著我國(guó)鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,機(jī)車車輛工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高,改善檢測(cè)手段,己成為迫切的問(wèn)題。目前,為了使車輛輪對(duì)參數(shù)檢測(cè)自動(dòng)化,人們?cè)噲D采用機(jī)械、激光、視覺(jué)等傳感技術(shù)以及伺服控制技術(shù),進(jìn)行輪對(duì)檢測(cè)的研究。輪對(duì)外形的特殊性主要在于踏面平坦處與陡峭之間的最大斜度可到70多度,不同位置處的測(cè)量精度要求基本相同,但是若用傳統(tǒng)的平移式線性位移測(cè)量方法,由于角度方向的間隙,一般很難保證較高的系統(tǒng)精度要求。[1]
1.1.2 火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的裝備
根據(jù)輪對(duì)檢測(cè)工藝和車間實(shí)際情況,檢測(cè)系統(tǒng)采用龍門架通過(guò)式結(jié)構(gòu)。主要包括進(jìn)給總成、帶轉(zhuǎn)總成、升降總成、測(cè)量箱以及各種測(cè)量傳感器等如圖1。當(dāng)輪對(duì)沿車間軌道進(jìn)入輪對(duì)測(cè)量裝置后,通過(guò)各種測(cè)量傳感器和各個(gè)部件的調(diào)動(dòng)作（包括電動(dòng)、氣動(dòng)等) ,自動(dòng)完成輪對(duì)的測(cè)量。龍門架的設(shè)計(jì)采用全封閉式結(jié)構(gòu),從外觀上看不到任何電纜、氣管,整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、美觀大方給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖1-1結(jié)構(gòu)圖
1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析
目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于輪對(duì)參數(shù)的檢測(cè)基本上局限于輪對(duì)外形輪廓的檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。如曾經(jīng)使用的滾輪爬行式測(cè)量方法,通過(guò)機(jī)械滾輪與輪對(duì)踏面接觸,測(cè)量滾輪包絡(luò)線得到外形尺寸。但是由于導(dǎo)輪的磨損,測(cè)量誤差和定位誤差對(duì)問(wèn)題,使得該方法有時(shí)仍無(wú)滿足高精度要求。
國(guó)內(nèi)外對(duì)火車輪的檢測(cè)主要放在生產(chǎn)環(huán)節(jié)和進(jìn)行定期檢修上。 由于火車輪是行車安全至關(guān)重要的部件 ,各國(guó)對(duì)車輪質(zhì)量的要求十分嚴(yán)格 ,因此各國(guó)對(duì)剛生產(chǎn)的輪對(duì)都要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè) ,比如用超聲波或射線等無(wú)損檢測(cè)方法。對(duì)于已經(jīng)在運(yùn)行的火車,一般規(guī)定在幾年內(nèi)或行駛了多少里程之后必須要送到機(jī)務(wù)段或檢修廠對(duì)其進(jìn)行檢修 (預(yù)防檢修 )。 檢修期間為了對(duì)車輪進(jìn)行檢測(cè) ,往往先將輪對(duì)拆下 ,再將其搬到檢測(cè)臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)。而在平時(shí) ,只是進(jìn)行粗略的、以耳聽(tīng)、眼看、手摸為主的檢測(cè)。我國(guó)對(duì)運(yùn)行中的火車輪對(duì)就是通過(guò)用錘子敲擊車輪聽(tīng)其聲音有無(wú)異常來(lái)判斷車輪內(nèi)部有無(wú)缺陷的。 這種檢測(cè)有明顯的局限性 ,不但檢測(cè)效率低 ,而且易漏檢。 沈陽(yáng)鐵路局就在 1998年的兩個(gè)多月接連發(fā)生兩起客運(yùn)機(jī)車因輪箍崩裂而造成的機(jī)破事故。 1998年德國(guó) ICE鐵路列車脫軌翻車造成德國(guó)二戰(zhàn)以后最大的交通事故也與車輪輪箍有關(guān)。 由此可見(jiàn)對(duì)火車輪實(shí)行在線檢測(cè)是非常必要的。
因此有不少發(fā)達(dá)國(guó)家的鐵路部門已經(jīng)開(kāi)始研究火車輪在線自動(dòng)檢測(cè)裝置。美國(guó)在這方面起步較早 ,于 80年代初期就研制成功了火車車輪缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。 80年代末期美國(guó)聯(lián)邦鐵路局撥出?？钣脕?lái)改進(jìn)和完善該系統(tǒng) ,據(jù)說(shuō)改進(jìn)后的系統(tǒng)缺陷檢出率可達(dá) 100%。
該系統(tǒng)的工作原理是: 由磁傳感器探測(cè)車輪的到來(lái) ,通過(guò)敲擊錘敲擊車輪 ,再由拾音器接收聲信號(hào) ,將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 ,從而判定車輪有無(wú)缺陷。
近幾年 ,美國(guó)科羅拉多州博爾德的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院又開(kāi)發(fā)了一種采用 EM AT(電磁超聲換能器 )快速檢測(cè)鐵路貨車鑄鋼車輪輪輞殘余應(yīng)力狀態(tài)的超聲波無(wú)損檢測(cè)裝置。
該系統(tǒng)的工作原理是:根據(jù)穿過(guò)材料的聲速隨殘余應(yīng)力的變化而變化 ,EM A T 裝置產(chǎn)生正交的兩束偏振超聲波 ,超聲波從輪輞正面穿過(guò)截面和背面 ,其徑向和周向的穿播時(shí)間差可用于計(jì)算周向殘余應(yīng)力。 與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)裝置相比 , EM AT裝置不需要耦合劑 ,消除了因耦合不良造成的誤差 ,從而提高了儀器的精度。意大利鐵路于 1985年開(kāi)發(fā)了適車輪探傷的超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。 它采用串列式雙探頭分別檢查輪緣和踏面區(qū)域。 目前這種方法已部分用于高速列車、機(jī)動(dòng)車、輕軌車輛和時(shí)速 180km /h以上的拖車車輪檢查中。
俄羅斯的斯維爾德洛夫斯克鐵路局開(kāi)發(fā)了一種能自動(dòng)測(cè)量機(jī)車輪對(duì)輪箍參數(shù)的系統(tǒng)。 它的原理是采用無(wú)接觸式超聲波測(cè)距法 ,當(dāng)車輪從傳感器系統(tǒng)近旁通過(guò)時(shí)測(cè)量其與輪箍特征表面之間的距離 ,綜合測(cè)距傳感器來(lái)的信號(hào)并根據(jù)有關(guān)細(xì)則 ,即可確定輪箍的參數(shù)。
前聯(lián)邦德國(guó)鐵路研制了一種 SK220型超聲波檢測(cè)裝置。 該裝置將超聲波探頭置于特制的鋼軌凹槽中 ,采用充水耦合。 當(dāng)車輪經(jīng)過(guò)時(shí) ,與計(jì)算機(jī)相連的傳感器能檢測(cè)出其中埋藏的缺陷。 德國(guó)聯(lián)邦鐵路還采用模塊化設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)了一種輪對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)“ IN SPECTOM AT”。 該系統(tǒng)有三種模塊 ,分別用于裂紋檢測(cè)、斷面檢測(cè)、徑向跳動(dòng)及擦傷檢測(cè)。
匈牙利布達(dá)佩斯工業(yè)大學(xué)鐵路機(jī)車車輛系研制了一種機(jī)車車輛走行部測(cè)量診斷臺(tái)。不過(guò)該裝置是在火車靜止的情況下進(jìn)行檢測(cè)的。它可以測(cè)定踏面形狀和車輪直徑 ,并精確測(cè)量和記錄擦傷等缺陷。
我國(guó)有關(guān)火車車輪檢測(cè)的文章主要是關(guān)于已拆下車輪檢測(cè)的 ,關(guān)于在線自動(dòng)檢測(cè)的文章見(jiàn)到的不多,而且大都處于試驗(yàn)研究階段。 比如北方交通大學(xué)的鄭中興介紹了用超聲表面波檢測(cè)車輪踏面缺陷的原理和方法。上海鐵道學(xué)院的劉繼、馮銘介紹了用“剪力法”檢測(cè)輪軌載荷并由此判斷踏面擦傷程度的方法和實(shí)際應(yīng)用中的有關(guān)問(wèn)題。 由此可以看出我國(guó)在火車輪自動(dòng)檢測(cè)方面與國(guó)外還有一定差距。
從上面可以得出國(guó)外在輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)方面有以下區(qū)別:
（1）.各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)車輪參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)比較重視、研究早、方法多。
（2）.大多研制出各種自動(dòng)檢測(cè)裝置,而不是停留在理論和試驗(yàn)研制方面,在鐵路方面得到了廣泛的應(yīng)用,產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
（3）.但仍用超聲波檢測(cè)方法為主,雖然其它方法也取得了一些進(jìn)展,但相比之下仍顯不足。
比較國(guó)內(nèi)外車輪輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的研究,隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加速和我國(guó)加入世貿(mào)組織,對(duì)我國(guó)民族工業(yè)來(lái)講,既是一個(gè)機(jī)遇又是挑戰(zhàn),開(kāi)發(fā)和研究出符合我國(guó)國(guó)情的鐵路車輛輪對(duì)檢測(cè)裝置,以便在國(guó)際市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中有自己的立足之地,這是一個(gè)十分迫切的問(wèn)題。[2]
1.3 發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)外機(jī)車車輛走行部件自動(dòng)化在線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展充分說(shuō)明了對(duì)火車輪實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)是大勢(shì)所趨 ,我國(guó)的火車輪自動(dòng)在線檢測(cè)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。 隨著火車速度的不斷提高 ,對(duì)列車運(yùn)行的安全性將有更高的要求 ,作為列車走行部件之一的車輪,對(duì)其質(zhì)量與狀態(tài)的監(jiān)控更是不容忽視。
手工測(cè)量向自動(dòng)化測(cè)量過(guò)渡 , 接觸式向非接觸式過(guò)渡 , 靜態(tài)測(cè)量向動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)渡 , 車間的靜態(tài) 、 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量向在線動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)渡, 單一參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)同步測(cè)量過(guò)渡 , 是鐵路輪對(duì)檢測(cè)發(fā)展的大方向。
1.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了課題的來(lái)源，火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的作用，以及對(duì)國(guó)內(nèi)外火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀，進(jìn)一步的提出了設(shè)計(jì)研究的具體內(nèi)容。
2 火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的工作原理
2.1 輪對(duì)外形尺寸定義
圖2-1 輪對(duì)立體圖
圖2-2 火車車輪外形示意圖
如圖2－2 所示為火車車輪的外形示意圖，其中左側(cè)的車輪是剖面圖。左右兩個(gè)車輪都要求測(cè)量的尺寸是：軸頸直徑 A：火車車輪的兩側(cè)軸頸部分的直徑，即圖 2－2 中所標(biāo)出的直徑A。合格車輪軸頸直徑為 130mm，。軸頸圓度 B：要求測(cè)量車輪兩側(cè)軸頸部分有無(wú)倒錐，如有倒錐即判斷為不合格。軸頸長(zhǎng) C：車輪兩側(cè)軸頸部分的長(zhǎng)度，即圖 2－2中所標(biāo)出的距離 C。合格車輪的軸頸長(zhǎng)=265mm。 防塵板座直徑 D：車輪兩側(cè)的軸頸末端連接的防塵板座的直徑，即圖 2－2所標(biāo)出的直徑 D。合格車輪的防塵板座直徑=160mm。輪座直徑 E：車輪的安裝部分－輪座的直徑，與防塵板座相連，即圖 2－3所標(biāo)出的直徑 E。合格車輪的輪座直徑=191mm。車輪直徑 F：距離車輪內(nèi)側(cè)邊緣 70mm 處的車輪直徑。合格車輪直徑=920mm，要求測(cè)量精度為0.3mm。
輪緣厚 G、輪緣高 H和輪輞寬 I 為車輪踏面部分所要求測(cè)量的尺寸，如圖 2－3 所示為車輪踏面局部剖面圖，其中輪輞寬為車輪輪輞的寬度即為圖 2－3 中所標(biāo)出的距離 I；輪緣厚為距離輪緣頂點(diǎn) 15mm 處的輪緣厚度，即為圖 2－3 中所標(biāo)出的距離 H；輪緣厚是距離車輪內(nèi)側(cè)邊緣 70mm 處輪對(duì)踏面頂?shù)教っ娴椎木嚯x，即圖 2－3 中所標(biāo)出的距離 G。合格車輪的輪輞厚I ≥
圖2-3 火車輪對(duì)踏面剖視圖 135(1)mm，輪緣厚G≥26mm，輪緣高H≥28mm。輪緣QR值QR是從滾動(dòng)圓踏面基準(zhǔn)線以上10mm處引垂線與輪緣內(nèi)測(cè)有一交點(diǎn),輪緣頂部向下2mm引垂線與輪緣內(nèi)測(cè)有一交點(diǎn),這兩個(gè)點(diǎn)的水平距離就是QR值。
輪轂壁厚 K：車輪內(nèi)側(cè)輪轂部分的厚度，即圖 2－2 所標(biāo)出的距離 K，要求測(cè)量精度為 0.2mm。 輪位 L：圖 2－2 所示的距離 L 再減去一個(gè)常數(shù)，要求測(cè)量精度為 0.2mm。而兩個(gè)車輪的輪位之差為輪位差。
只要求測(cè)量一個(gè)尺寸的是：軸身直徑 M：兩個(gè)車輪中間部分的連接軸的直徑，即圖 2－2 所標(biāo)出的直徑M。合格車輪的軸身直徑=165mm。
車輪內(nèi)測(cè)距N：兩個(gè)車輪內(nèi)側(cè)之間的距離，即圖 2－2 所標(biāo)出的距離 N。合格車輪的輪內(nèi)距要求是（I 為輪輞寬）：當(dāng) 135mm≥I≥127mm，1359mm≥N≥1354mm；當(dāng) I≥135mm，1356mm≥N≥1350mm。取車輪內(nèi)測(cè)距N=1353（0+2）mm，要求測(cè)量精度為 0.2mm。[3]
2.2 輪對(duì)配合尺寸自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理
輪對(duì)的大部分參數(shù)檢測(cè)由進(jìn)給總成左右2個(gè)測(cè)量箱完成,測(cè)量箱可以實(shí)現(xiàn)水平左右及上下移動(dòng),以適應(yīng)不同規(guī)格尺寸輪對(duì)的測(cè)量。移動(dòng)距離由光柵傳感器測(cè)量。根據(jù)莫爾條紋原理,產(chǎn)生l個(gè)與光柵位移成正比的信號(hào),則通過(guò)信號(hào)處理可以獲取光柵的位移量。本系統(tǒng)采用的光柵傳感器分辨率為l林m。測(cè)量箱內(nèi)部裝有滑臺(tái),根據(jù)輪對(duì)的特殊外形固定安裝位置,上面裝有激光位移傳感器,其運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制,完成輪緣、輪徑、踏面掃描等測(cè)量。為避免激光位移傳感器擦傷和碰撞,在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電渦流傳感器移動(dòng)的過(guò)程中,有移動(dòng)步數(shù)限制和光電開(kāi)關(guān)限位來(lái)保護(hù)激光位移傳感器。
激光位移傳感器：
激光位移傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表。
能夠精確非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置、位移等變化?？梢詼y(cè)量位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等精密的幾何測(cè)量。
激光位移傳感器的基本原理
激光位移傳感器可精確非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置、位移等變化，主要應(yīng)用于檢測(cè)物體的位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量的測(cè)量。
按照測(cè)量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測(cè)量法和激光回波分析法,激光三角測(cè)量法一般適用于高精度、短距離的測(cè)量，而激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測(cè)量，下面分別介紹激光位移傳感器原理的兩種測(cè)量方式。
三角測(cè)量法
激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。同時(shí)，光束在接收元件的位置通過(guò)模擬和數(shù)字電路處理，并通過(guò)微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)。如果使用開(kāi)關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口內(nèi)導(dǎo)通，窗口之外截止。另外，模擬量與開(kāi)關(guān)量輸出可獨(dú)立設(shè)置檢測(cè)窗口。采取三角測(cè)量法的激光位移傳感器最高線性度可達(dá)1um，分辨率更是可達(dá)到0.1um的水平。比如ZDL1700-20LL類型的傳感器，它可以達(dá)到0.01%高分辨率，0.1%高線性度，9.4KHz高響應(yīng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境。
基本原理是光學(xué)三角法：??
圖2-4光學(xué)三角法基本原理
半導(dǎo)體激光器1被鏡片2聚焦到被測(cè)物體6。反射光被鏡片3收集，投射到CCD陣列4上；信號(hào)處理器5通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算陣列4上的光點(diǎn)位置得到距物體的距離。
回波分析法
激光位移傳感器采用回波分析原理來(lái)測(cè)量距離以達(dá)到一定程度的精度。傳感器內(nèi)部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接收器等部分組成。激光位移傳感器通過(guò)激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬(wàn)個(gè)激光脈沖到檢測(cè)物并返回至接收器，處理器計(jì)算激光脈沖遇到檢測(cè)物并返回至接收器所需的時(shí)間，以此計(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出。即所謂的脈沖時(shí)間法測(cè)量的。激光回波分析法適合于長(zhǎng)距離檢測(cè)，但測(cè)量精度相對(duì)于激光三角測(cè)量法要低，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)250m。[4]
2.4 本章小結(jié)
這一章主要對(duì)火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行了分析和研究，再根據(jù)其工作原理設(shè)計(jì)出相對(duì)于的機(jī)械機(jī)構(gòu)。
3 火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定
主要技術(shù)參數(shù)：
軸肩距離：221.5-222.71mm； 輪緣厚度：26mm； 輪輞厚度：135(1)mm； 車輪端跳：0.2mm; 車輪徑跳：0.1mm； 車輪直徑：（840-920）0.3mm； 車輪內(nèi)測(cè)距：1353（0/+2）mm； Qr值：6.5mm； 輪緣高度：28mm；
3.2 總體方案設(shè)計(jì)
根據(jù)輪對(duì)檢測(cè)工藝，檢測(cè)裝置采用龍門架通過(guò)式結(jié)構(gòu)，主要包括機(jī)架、頂輪機(jī)構(gòu)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)、輪對(duì)檢測(cè)裝置、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等幾部分。輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)裝置外形 ：機(jī)架部分包括基座、立臂、上梁 等組成的龍門架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部安裝有頂輪機(jī)構(gòu)、激光傳感系統(tǒng)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。此外，根據(jù)車間操作需要，測(cè)量裝置前后配備了輪對(duì)進(jìn)出導(dǎo)軌。
頂輪機(jī)構(gòu)主要由頂尖、液壓站和液壓缸組成，左、右各配置一套，（如圖3-1）并且由計(jì)算機(jī)控制動(dòng)作。頂輪機(jī)構(gòu)的作用是將待測(cè)輪對(duì)準(zhǔn)確、平穩(wěn)地送入測(cè)量工位，測(cè)量完畢后將輪對(duì)平穩(wěn)地送出測(cè)量裝置。當(dāng)輪對(duì)進(jìn)入預(yù)備工位時(shí)，工業(yè)計(jì)算機(jī)發(fā)出控制命令，左右液壓缸上升，由頂尖托住輪對(duì)，然后緩慢下降，將輪對(duì)平穩(wěn)送至測(cè)量工位。當(dāng)輪對(duì)測(cè)量完畢后，計(jì)算機(jī)控制液壓缸的頂尖再次上升，將已測(cè)輪對(duì)平穩(wěn)送出測(cè)量工位。頂輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，使用安全，巧妙的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)使它的單一運(yùn)動(dòng)同時(shí)具備進(jìn)輪與出輪功能。
圖3-1頂輪機(jī)構(gòu)
步進(jìn)驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)的作用是控制輪對(duì)按一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，在輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中完成輪對(duì)的檢測(cè)。它由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、連桿、減速箱和驅(qū)動(dòng)輪等組成。步進(jìn)電機(jī)接受由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，按一定頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器、減速箱等精密傳動(dòng)裝置將運(yùn)動(dòng)傳至驅(qū)動(dòng)輪，由驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖3-2。[5]
圖3-2步進(jìn)驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)
輪對(duì)檢測(cè)裝置采用激光傳感器完成輪對(duì)參數(shù)的采集和測(cè)量如圖3-3。在龍門架上梁機(jī)構(gòu)中安裝有數(shù)臺(tái)激光傳感器，采集輪對(duì)信息并轉(zhuǎn)換為輪對(duì)外形特征信號(hào)， 經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理獲取準(zhǔn)確的輪對(duì)外形尺寸信息。[6]
圖3-3輪對(duì)檢測(cè)裝置
輪對(duì)測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)述如下：首先輪對(duì)沿軌道進(jìn)入預(yù)備工位，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，頂輪機(jī)構(gòu)將輪對(duì)平穩(wěn)地送入測(cè)量工位，傳感裝置向計(jì)算機(jī)發(fā)出就位信號(hào)，然后計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，開(kāi)啟激光傳感系統(tǒng)，將輪對(duì)所有參數(shù)采集并輸入到計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出各參數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)輪對(duì)全部幾何參數(shù)的非接觸式自動(dòng)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果由計(jì)算機(jī)顯示并按照輪對(duì)卡片格式打印輸出。頂輪機(jī)構(gòu)再次上升，將已測(cè)輪對(duì)平穩(wěn)送出測(cè)量工位。[7]
垂直方向滾珠絲杠需要加自鎖機(jī)構(gòu)有以下方法:
（1）、電機(jī)帶剎車功能，有剎車電機(jī)（包括異步電機(jī)、伺服電機(jī)）。
（2）、電機(jī)和滾珠絲杠之間的聯(lián)軸器加裝報(bào)閘機(jī)構(gòu)。
（3）、電機(jī)先和具備自鎖功能的蝸桿減速機(jī)連接，再讓蝸桿減速機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠。這樣比較麻煩，而且傳動(dòng)精度降低了。
（4）、在滾珠絲杠另一端安裝報(bào)閘機(jī)構(gòu)。
我選擇其中第1種
要測(cè)量的值包括軸肩距離、輪緣厚度、輪輞厚度、車輪端跳、車輪徑跳、車輪直徑、車輪內(nèi)測(cè)距、Qr值及輪緣高度
其中軸肩距離、輪緣厚度、輪輞厚度、輪緣高度可通過(guò)兩端的絲桿水平移動(dòng)或上下移動(dòng)工作臺(tái)，再由工作臺(tái)中的激光位移傳感器直接測(cè)量出。
而測(cè)車輪端跳、車輪徑跳、車輪內(nèi)測(cè)距、車輪直徑、Qr值等值則需要先測(cè)量出一組標(biāo)準(zhǔn)件的值，然后讓傳感器（工作臺(tái)）移動(dòng)到固定的位置，測(cè)量出值再通過(guò)與之前測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)件的值相對(duì)比以檢測(cè)是否滿足精度要求。[8]
3.3 本章小結(jié)
本章主要對(duì)火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且對(duì)其各個(gè)部分的功能進(jìn)行了細(xì)致的劃分，以及對(duì)一些重要部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選型。
4 火車輪對(duì)配合尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與校核
4.1 頂輪機(jī)構(gòu)部分的計(jì)算與校核
頂輪機(jī)構(gòu)主要由頂尖、液壓站和液壓缸組成，左、右各配置一套。
頂尖部分液壓缸的基本參數(shù)選擇：?
頂尖的橫截面積為；
頂尖的強(qiáng)度極限為；
型材長(zhǎng)度；
（1）工作載荷
常見(jiàn)的工作載荷為活塞桿上所受的擠壓力，彈力，拉力等，在這里我們可得鋁合金板材所受的最大外力為：
（4-1）
式中 ----強(qiáng)度極限， ；
-----截面面積， 。
由上式得液壓缸所受工作載荷約為36KN
（2）單活塞桿雙作用缸液壓缸作伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)，其阻力或所需提供的液壓力可表示為
（4-2）
式中 -----作用在活塞上的工作阻力， ；
-----液壓缸起動(dòng)（或制動(dòng)）時(shí)的慣性力， ；
-----運(yùn)動(dòng)部件處的摩擦阻力， ；
-----運(yùn)動(dòng)部件的自重（含活塞和活塞桿自重）， ；
-----液壓缸活塞及活塞桿處的密封摩擦阻力， ；通常以液壓缸的機(jī)械效率來(lái)反映，一般取機(jī)械效率 ；
-----回油管背壓阻力，。
在上述諸阻力中，在不同條件下是不同的，因此液壓缸的工作阻力往往是變化的。因?yàn)榇颂幰簤焊字皇亲骼彀宀淖冃巫饔?，故其運(yùn)動(dòng)速度較小，慣性力和摩擦阻力都較小，得
（4-3）
液壓缸的液壓力計(jì)算和工作壓力選擇：
根據(jù)負(fù)載選擇壓力，初選系統(tǒng)壓力為；
根據(jù)液壓缸速比與工作壓力的關(guān)系，得出速比=1.33；
（4-4）
式中 -----活塞桿直徑， ；
-----液壓缸內(nèi)徑， 。
根據(jù)液壓缸輸出液壓力，選擇液壓缸的內(nèi)徑，活塞桿直徑；
（4-5）
（4-6）
式中 -----作用在活塞上的液壓力（推力）， ；
-----作用愛(ài)活塞桿側(cè)環(huán)形面積上的液壓力（拉力）， ；
-----進(jìn)液腔壓力（產(chǎn)生推力時(shí)液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)液；產(chǎn)生拉力時(shí)有桿腔進(jìn)液）， ；
-----活塞（無(wú)桿腔）面積， ；
-----有桿腔面積（活塞桿側(cè)環(huán)形面積），， ；
-----液壓缸內(nèi)徑（活塞外徑）， ；
-----活塞桿直徑， ；
-----被推動(dòng)的負(fù)載阻力（與反向）， ；
-----被拉動(dòng)的負(fù)載阻（與反向）， 。
液壓缸綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)及安全系數(shù)的選擇：
活塞外徑D和活塞桿直徑d是液壓缸的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，D與d的選擇與液壓缸的負(fù)載和速度要求相關(guān)；選擇出適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫凸┮毫髁繚M足負(fù)載和速度要求后，D和d可初步確定下來(lái)。除D和d外，液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)尚有活塞行程S、導(dǎo)向距離H和油口直徑d等。液壓缸的行程應(yīng)根據(jù)工作需要設(shè)定，為簡(jiǎn)化制造工藝和節(jié)約制造成本，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化行程尺寸系列參數(shù)。為減小活塞桿伸出時(shí)與缸體軸線的偏斜，液壓缸應(yīng)有合理的導(dǎo)向長(zhǎng)度。
缸筒設(shè)計(jì)與計(jì)算:
缸筒與缸蓋的連接方式:
端蓋分為前端蓋和后端蓋。前端蓋將活塞桿（柱塞）腔封閉，并起著為活塞桿導(dǎo)向、密封和防塵之作用。后端蓋即缸底一端封閉，通常起著將液壓缸與其他機(jī)件的作用。
缸筒與端蓋常見(jiàn)的連接方式有8種：拉桿式、法蘭式、焊接式、內(nèi)螺紋式、外螺紋式、內(nèi)卡環(huán)式、外卡環(huán)式和鋼絲擋圈式，其中焊接式只適應(yīng)缸筒與后端蓋的連接。
對(duì)缸筒的要求:
缸筒是液壓缸的主要零件，有時(shí)還是液壓缸的直接做功部件（活塞桿或柱塞固定時(shí)）；它與端蓋、活塞（柱塞）構(gòu)成密封容腔，用以容納壓力油液、驅(qū)動(dòng)負(fù)載而做功，因而對(duì)其有強(qiáng)度、剛度、密封等方面的要求。
缸筒的材料選擇:
缸筒的毛坯普遍采用退火的冷拔或熱軋的無(wú)縫鋼管，市場(chǎng)上已有內(nèi)孔經(jīng)過(guò)珩磨或內(nèi)孔經(jīng)過(guò)精加工的半成品，只需要按所要求的長(zhǎng)度切割無(wú)縫鋼管，材料有20、35、45號(hào)鋼和27SiMn合金鋼。
缸筒的計(jì)算
本課題中液壓缸承受壓力負(fù)載，缸筒內(nèi)徑可根據(jù)下式求出：
(4-7)
式中 -----拉力負(fù)載（取最大值），；
-----供液壓力（假定回液壓力為大氣壓），；
-----活塞桿直徑，。
由于該式中活塞桿直徑為未定值，可根據(jù)確定的速度比 及將 代入可求D值，再進(jìn)一步確定活塞桿直徑d。D和d應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸值。
(4-9)
圓整取
在初步確定缸筒內(nèi)徑D后，下一步的工作是確定液壓缸的壁厚 。
當(dāng)液壓缸為薄壁液壓缸（ ）, 可按下式計(jì)算：
(4-10)
式中 -----液壓缸最高（或設(shè)計(jì)或額定）工作壓力， ；
-----液壓缸筒內(nèi)徑（活塞外徑）， ；
-----缸筒材料的許用應(yīng)力， 。
對(duì)于脆性材料，許用應(yīng)力可表示為:
(4-11)
式中 -----材料的抗拉強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度（表4-13） ；
-----安全系數(shù)，通?？扇=5，見(jiàn)表4-14 。
(4-12)
因?yàn)樗?
通過(guò)上述計(jì)算，可得液壓缸缸筒外徑 為 :
(4-13)
缸筒壁厚的驗(yàn)算:
計(jì)算求得缸筒壁厚 值后，還應(yīng)進(jìn)行一下4個(gè)方面的驗(yàn)算，以保證液壓缸安全可靠的工作。
（1） 液壓缸的額定工作壓力 應(yīng)低于一定的極限值，以保證工作安全，即
(4-14)
式中 -----液壓缸外徑和內(nèi)徑， 或 ；
-----缸筒材料的屈服強(qiáng)度， 。
所以
（2） 為了避免缸筒工作時(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定工作壓力 應(yīng)與塑性變形壓力 有一定的比例關(guān)系：
(4-15)
(4-16)
(4-17)
(4-18)
因?yàn)?
（3） 缸筒的徑向變形量 值應(yīng)該在允許范圍內(nèi)，而不能超過(guò)密封件允許的范圍：
(4-19)
式中 -----液壓缸耐壓試驗(yàn)壓力，，取 ；
-----缸筒材料的彈性模數(shù)， ；
-----缸筒材料的泊松比，對(duì)鋼材 。
（4） 為確保液壓缸安全的使用，缸筒的爆裂壓力應(yīng)大于耐壓試驗(yàn)壓力
(4-20)
(4-21)
所以缸筒壁厚符合喲求。
缸筒底部厚度:
缸底結(jié)構(gòu)形式有四種：a. 平面缸底，有凹口，無(wú)孔；
b．平面缸底，無(wú)口；
c．半橢球形缸底；
d．半環(huán)形缸底。
本課題選擇b. 平面缸底，無(wú)口。
(4-22)
式中 -----缸底止口外徑， ；
-----油口直徑, ；
-----工作壓力， ；
----材料許用應(yīng)力安全系數(shù)（ ）, 。
(4-23)
缸筒頭部法蘭厚度
選擇螺釘連接法蘭，法蘭厚度 為
(4-24)
式中 -----法蘭厚度， ；
-----法蘭受力總和， ； ；
----密封環(huán)平均直徑， ； ；
-----工作壓力，；
-----密封環(huán)內(nèi)徑， ， ；
----密封環(huán)外徑， ， ；
-----附加密封壓力， ，若采用金屬材料時(shí)， 值即屈服極限點(diǎn)；
----螺釘孔分布圓直徑， ；
---法蘭材料的許用應(yīng)力， 。
圓整取
缸筒-缸蓋的連接計(jì)算
缸筒與缸蓋采用螺栓連接，螺紋處拉應(yīng)力為
(4-25)
螺紋處的切應(yīng)力為:
(4-26)
合應(yīng)力:
式中 -----螺紋擰緊系數(shù)，靜載時(shí)，取 ，動(dòng)載時(shí)，取 ；
----螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)，一般取 ；
----螺紋外徑， ；
----螺紋內(nèi)徑， ，采用普通螺紋時(shí)， ；
-----螺紋螺距， ；
----螺栓數(shù)量 ；
---螺紋材料的許用應(yīng)力， ， 。
這里選擇6個(gè) 的螺栓。
(4-27)
(4-28)
(4-28)
合應(yīng)力:
所以即滿足條件。[9]
4.2 頂尖的計(jì)算
頂尖處的受力：火車輪對(duì)的質(zhì)量1500kg，所以受到向下的車軸重力為15000N，為了安全因素，設(shè)計(jì)頂尖受到18000N。則頂尖受到的軸向力F1=18000N，
徑向力F2==10.4kN
在火車軸尺寸檢測(cè)過(guò)程中，要求車軸低速旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=50r/min；
設(shè)計(jì)壽命：3000h。
4.2.1 軸承的壽命計(jì)算
軸承以小時(shí)為單位的壽命計(jì)算公式為：
L= （4-29）
式中：n---軸承工作轉(zhuǎn)速，取50r/min；
E---壽命指數(shù)，取3；
為了安裝方便取一大一小兩個(gè)軸承，上邊的為7006AC，下邊的為7005AC；
上軸承的額定動(dòng)載荷，C1=14.5KN
下軸承的額定動(dòng)載荷，C2=11.3KN
P為當(dāng)量動(dòng)載荷，計(jì)算公式為：
P= （4-30）
為沖擊載荷因數(shù)，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(shù)，Y為軸向載荷系數(shù)。
（1）計(jì)算兩軸承所受徑向載荷：
根據(jù)力矩平衡條件：
12000=+
12000
解得：=3400N, =3000N
（2）計(jì)算兩軸承的內(nèi)部軸向力：
內(nèi)部軸向力計(jì)算公式：
=0.68
所以，=0.683400N=2432N
=2016N
故，==2432N
=-=2016N
（3）計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷
e=0.68
P=
因?yàn)?1>e
所以X=0.41，Y=0.87
=4884.6N
同理=1.44>e，
所以X=0.41，Y=0.87
=3352.8N
（4）壽命計(jì)算：
（a)下軸承壽命計(jì)算：
h=4233.8>3000h
符合設(shè)計(jì)要求
（b）上軸承壽命計(jì)算：
h=19472h>3000h
符合設(shè)計(jì)要求。
4.2.2 軸承的靜強(qiáng)度計(jì)算
為了使軸承滿足靜強(qiáng)度的要求，應(yīng)滿足下式；
式中為靜強(qiáng)度安全因數(shù)，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(dāng)量靜載荷，
=1820.2
=785.2N
下軸承靜強(qiáng)度校核：
上軸承靜強(qiáng)度校核：
上下軸承靜強(qiáng)度校核均符合設(shè)計(jì)要求
4.2.3 頂尖心軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
在設(shè)計(jì)中頂尖是用來(lái)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(hào)鋼
各軸段直徑：
軸段2、4直徑為=80mm，=90mm
軸段2、3之間為定位軸肩，故取軸肩高度：
h=0.07
則軸段1直徑為：
=+2h=80mm
取=64mm
軸段3、4之間為非定位軸肩，僅為軸承拆裝方便而設(shè)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，裝配完成后頂尖伸出部分為35mm，軸段2、4長(zhǎng)度取決于其上圓錐滾子軸承寬度，
已知，兩軸承寬度均為14mm，
故?。?
軸5長(zhǎng)度取決于其上止動(dòng)墊圈及圓螺母厚度，止動(dòng)墊圈厚度為2mm，圓螺母厚度為8mm，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，粗估計(jì)頂尖心軸長(zhǎng)度為350mm。[10]
4.3 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)部分的計(jì)算?
步進(jìn)驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)的作用是控制輪對(duì)按一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，具體過(guò)程是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)再通過(guò)齒輪帶動(dòng)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最后通過(guò)摩擦輪帶動(dòng)輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)以便對(duì)其相關(guān)的測(cè)量量進(jìn)行檢測(cè)。
選擇電動(dòng)機(jī)類型: 用Y系列電動(dòng)機(jī)
確定電動(dòng)機(jī)功率:
計(jì) 算 及 說(shuō) 明
結(jié) 果
工作機(jī)的效率
傳動(dòng)裝置中各部分的效率,查手冊(cè)中表1-7
7級(jí)精度的一般齒輪傳動(dòng)效率
彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率
齒式聯(lián)軸器傳動(dòng)效率
滾子軸承傳動(dòng)效率
電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)之間傳動(dòng)裝置的總效率
工作機(jī)所需功率
所需電動(dòng)機(jī)功率
4.3.1 確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求而選定的。在確定電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，必須考慮機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比值，兩者相互配合，經(jīng)過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)全面比較才能確定。
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與額定轉(zhuǎn)速平方的乘積等于生產(chǎn)機(jī)械在機(jī)械軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與生產(chǎn)機(jī)械軸轉(zhuǎn)速平方的乘積
由所需電動(dòng)機(jī)功率查手冊(cè)中表12-1，可選Y160M-4型電機(jī)，額定功率0.2kW，
電機(jī)級(jí)數(shù)：4級(jí)。
由,得。
4.3.2計(jì)算總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比
傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比要求為：
一般推薦展開(kāi)式二級(jí)圓柱齒輪減速器高速級(jí)傳動(dòng)比,取.
4.3.3 計(jì)算傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
該傳動(dòng)裝置從電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)有三軸,依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸,則:
（1）. 各軸轉(zhuǎn)速
式中: nm—為電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速,r/min;n1、n2、n3 —分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸轉(zhuǎn)速,r/min;Ⅰ為高速軸,Ⅲ為低速軸.
（2）.各軸功率
式中: Pd—為電動(dòng)機(jī)輸出功率,KW;
PⅠ、PⅡ、PⅢ —分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸輸入功率,KW；
—依次為電動(dòng)機(jī)與Ⅰ軸Ⅱ軸Ⅲ軸的傳動(dòng)效率。
（3）.各軸轉(zhuǎn)矩
第一級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算：
第一級(jí)齒輪設(shè)計(jì)最終結(jié)果如下：
計(jì) 算 及 說(shuō) 明
結(jié) 果
設(shè)計(jì)傳遞功率 /kW: 9.74523
小輪最高轉(zhuǎn)速 /(r/min): 1460.00
小輪最大扭矩 /(N.mm): 63744.50
預(yù)期工作壽命 /h: 38400
第Ⅰ公差組精度(運(yùn)動(dòng)精度) : 7
第Ⅱ公差組精度(運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性): 7
第Ⅲ公差組精度(接觸精度) : 7
名義傳動(dòng)比 : 5.00
實(shí)際傳動(dòng)比 : 5.00
使用系數(shù) : 1.10
動(dòng)載系數(shù) : 1.12
接觸強(qiáng)度齒間載荷分配系數(shù) : 1.29
接觸強(qiáng)度齒向載荷分布系數(shù) : 1.49
彎曲強(qiáng)度齒間載荷分配系數(shù) : 1.43
彎曲強(qiáng)度齒向載荷分布系數(shù) : 1.41
支承方式 : 非對(duì)稱支承
傳動(dòng)方式 : 閉式傳動(dòng)
齒面粗糙度Rz /μm : 3.20
潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度V40/(mm^2/s): 22.00
小輪齒數(shù)z1 : 17
小輪齒寬b1 /mm: 68.00
小輪變位系數(shù)x1 /mm: 0.0000
小輪分度圓直徑 /mm: 68.00
齒輪法向模數(shù)mn /mm: 4.00
小輪計(jì)算接觸應(yīng)力 /MPa: 448.47
小輪接觸疲勞許用應(yīng)力 /MPa: 605.36
小輪接觸疲勞極限應(yīng)力 /MPa: 730.00
小輪計(jì)算彎曲應(yīng)力 /MPa: 50.57
小輪彎曲疲勞許用應(yīng)力 /MPa: 295.18
小輪彎曲疲勞極限應(yīng)力 /MPa: 275.00
小輪材料及熱處理方式 : 合金鋼調(diào)質(zhì)
小輪齒面硬度 /HV10 : 280.00
大輪齒數(shù)z2 : 85
中心距 /mm: 204.000
大輪齒寬b2 /mm: 68.00
大輪變位系數(shù)x2 /mm: 0.0000
大輪分度圓直徑 /mm: 340.00
大輪計(jì)算接觸應(yīng)力 /MPa: 448.47
大輪接觸疲勞許用應(yīng)力 /MPa: 473.78
大輪接觸疲勞極限應(yīng)力 /MPa: 485.00
大輪計(jì)算彎曲應(yīng)力 /MPa: 46.71
大輪彎曲疲勞許用應(yīng)力 /MPa: 210.44
大輪彎曲疲勞極限應(yīng)力 /MPa: 195.00
大輪齒面硬度 /HBW : 210.00
大輪材料及熱處理方式 : 結(jié)構(gòu)鋼正火
極限傳遞功率 (kW): 10.87613
z1=17
b1=68
d1=68
mn=4
40Cr
z2=85
b2=68
d2=340
45鋼
第二級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算:
第二級(jí)齒輪設(shè)計(jì)最終結(jié)果如下：
計(jì) 算 及 說(shuō) 明
結(jié) 果
設(shè)計(jì)傳遞功率 /kW: 9.17119
小輪最高轉(zhuǎn)速