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火車車軸尺寸檢測系統(tǒng)機構設計
摘 要
在鐵路高速、重載的發(fā)展形勢下，即提高鐵路的運輸能力，實現(xiàn)鐵路運輸?shù)默F(xiàn)代化，又保證鐵路的運輸生產安全，顯得尤為重要，如果沒有性能良好的車軸作為保證，要提高車輛的運行速度和運行安全是不可能的。車軸尺寸檢測對檢修車軸中處于關鍵地位，是保證車軸質量的重要手段，傳統(tǒng)的檢測方法是以人工操作為主，數(shù)據(jù)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(xiàn)有的檢測方式進行微機化、自動化改造，以消除測試過程中人為因素對測量結果的影響，用先進的設備保證車輛的行車安全，所以本設計研制一種火車車軸尺寸檢測系統(tǒng)機構測量機來解決這個問題。
本設計研究的車軸尺寸檢測機構是一套現(xiàn)代化的智能檢測系統(tǒng)，能滿足火車車軸各個尺寸的檢測，火車車軸尺寸測量機構主要是由側翻機構、夾緊機構、旋轉驅動、測量機構等組成，火車軸尺寸測量機改變傳統(tǒng)人工測量的方式，實現(xiàn)車軸尺寸檢測，避免人為測量中的誤判及波動，以及誤檢、錯檢等弊端。
關鍵詞：旋轉機構；側翻機構；頂尖
Abstract：
Under the situation of the development of the railway high speed, heavy load, namely to improve railway transport capacity, realize the modernization of railway transportation, and ensure the production safety of railway transportation is particularly important, if not the good performance of the axle as a guarantee, to improve vehicle running speed and transport security is not possible. Detection of axle size of maintenance axle in the key position, is an important means to ensure the quality of the axle, 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, has a direct impact on the safety of vehicles. So there is an urgent need to on the existing detection methods of computer and automation transformation, in order to eliminate the test in the process of human factors on the measurement results and advanced equipment to ensure the safety of vehicles, so in this paper, the development a train axle size detection system measuring machine to solve this problem.
The axle dimension detection mechanism is a set of modern intelligent detection system, can meet the detection of train axles of each size, train axle dimension measuring mechanism is mainly by the rollover mechanism, a clamping mechanism, a rotating driving, measurement mechanism, shaft train size measuring machine changes the way of traditional manual measurement, size detection of axles and avoid artificial measurement error and fluctuation, and false detection, false detection of drawbacks.
Key words: Rotating mechanism；rollover mechanism；core clamper
目 錄
1 緒論 1
1.1問題的提出 1
1.2 課題研究的目的與意義 2
1.3國內外現(xiàn)狀分析 3
1.3.1國內現(xiàn)狀分析 3
1.3.2國外現(xiàn)狀分析 3
1.4發(fā)展趨勢 4
2 火車車軸尺寸檢測機構系統(tǒng)的方案設計 4
2.1概述 4
2.2主體設計 5
2.3火車車軸尺寸檢測系統(tǒng)的設計方案 5
3 火車車軸尺寸檢測機構液動系統(tǒng)設計 7
3.1液壓部分設計與計算 7
3.1.1液壓缸的設計計算與選取 8
3.1.2液壓缸的缸筒的設計與計算 8
3.1.3活塞桿的設計與計算 9
3.1.4最小導向長度H的確定 11
4 火車車軸尺寸檢測機構機械系統(tǒng)設計 13
4.1電機的選型設計 13
4.2頂尖心軸的設計 21
4.2.1頂尖的計算 21
4.2.2軸承的壽命計算 21
4.2.3軸承的靜強度計算 23
4.2.4頂尖心軸的設計與計算 24
4.3翻轉機構的設計與強度校核 25
4.4滾珠絲杠及電機選型計算 27
4.4.1確定滾珠絲杠副的導程 27
4.4.2滾珠絲杠副的載荷及轉速計算 28
4.4.3滾珠絲杠副預期額定動載荷 28
4.4.4導程精度的選擇 29
4.4.5絲杠電機的選擇 29
5 檢測部分 31
5.1激光位移傳感器的簡介 31
5.2激光位移傳感器的工作原理 32
5.3上下滑架的設計 33
畢業(yè)設計總結 35
參考文獻 36
謝 辭 37
1 緒 論
1.1 問題的提出
中華人民共和國鐵路主要技術政策指出:
鐵路是國家重要的基礎設施,國民經濟的大動脈,交通運輸體系的骨干。為貫徹國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,適應和促進國民經濟發(fā)展和社會進步,應充分發(fā)揮鐵路技術經濟優(yōu)勢,積極發(fā)展鐵路,滿足運輸市場需求。
鐵路技術發(fā)展的總原則是：
在國家發(fā)展戰(zhàn)略指導下,加快科技進步,突出技術創(chuàng)新,以市場為導向,加快科技進步,突出技術創(chuàng)新,以市場為導向,以經濟效益為中心,以運輸安全為前提,不斷提高運輸能力、質量和效率。堅持自主開發(fā)與引進相結合,積極采用高新技術,重視技術的綜合集成。根據(jù)不同運輸需求,采用不同層次的技術和裝備,系統(tǒng)配套,發(fā)揮整體效能。改革管理體制,制訂相應的政策,推動新技術盡快轉化為生產力。
目前,我國鐵路的安全技術裝備落后于運輸生產不斷發(fā)展的要求,運量與運能的尖銳矛盾,是我國鐵路存在超負荷運用鐵路設備的嚴重傾向,長此以往,必將降低設備的安全系數(shù),縮短使用壽命,危及行車安全。此外,鐵路運輸自身固有的點多、線長、生產的連續(xù)性、協(xié)作性和全天候等特點,使鐵路設備也具有種類多、數(shù)量大、配置分散、連續(xù)運轉、自然力影響大和有形損耗嚴重等特點,不僅加大了保證設備技術狀態(tài)經常性良好的難度,而且還不易使運用中的設備始終處于有效的監(jiān)控之下。所有這些,使鐵路運輸安全基礎建設面臨更為復雜和艱巨的挑戰(zhàn)。發(fā)達國家鐵路技術發(fā)展的實踐表明,隨著現(xiàn)代鐵路高速、重載和信息技術的應用與發(fā)展,安全技術己成為與一系列高新技術相互融合、彼此滲透、不可分割的先導技術,研制和發(fā)展先進的高質量的運輸基礎設備和安全技術檢測設備已經成為鐵路現(xiàn)代化的重要標志。因此,在我國鐵路大發(fā)展的形勢下,強調運輸設備的基礎作用,不失時機地進行機輛設備的系統(tǒng)配套改進和安全技術裝備的加強,改善車輛狀態(tài),改善檢測裝備,提高安全保障能力,必將大大加強我國鐵路的安全基礎設備。[10]
在我國鐵路提速和重載和鐵路信息化管理的發(fā)展過程中,車輛行駛的安全問題日益突出,對火車車軸質量也提出了更高的要求。車軸是鐵路車輛上重要的運動部件,其狀態(tài)直接影響到車輛的運行安全。車軸的尺寸檢測至關重要，對車軸的各關鍵尺寸以及精度的檢測非常重要,檢測數(shù)據(jù)的準確性將直接影響到車軸的檢修質量,當前對車軸參數(shù)的檢測和數(shù)據(jù)記錄基本上還是靠手工完成,測量工具采特制量具車輛車輪第四種檢查器和直尺等,而這些傳統(tǒng)的手工輪對測量裝置,因效率低、差錯率高、不便于信息化管理而不能滿足當前的需要。與此同時,由于列車向高速重載方向發(fā)展,導致工作量加大,根據(jù)車軸檢修質量控制的需要,在調研國內外同類設備技術的基礎上,采用非接觸的激光位移傳感器檢測車軸尺寸更為方便，設計這套車軸尺寸檢測機。大大提高工作效率和檢測精度,其應用必將為列車車軸的測量和檢修提供一種高精度、高效率的檢測手段,對于提高車軸的檢修質量、推進鐵路系統(tǒng)的計算機管理、保障鐵路機車的安全運行具有重要的現(xiàn)實意義。
1.2 課題研究的目的與意義
隨著科學技術的不斷創(chuàng)新、生產水平的加速進步，要求機械裝置的精度、速度也越來越高。軸類相關零件主要起到傳遞轉矩和運動的作用，并保證各部件性能的穩(wěn)定性，是各種機械裝置中應用范圍最廣、應用面最大、應用程度最高的一種零件，諸如各類變速箱、汽車發(fā)動機及傳動部件、火車輪對系統(tǒng)等中都有軸類零件重要應用。鑒于軸類零件的重要應用場合，對其相關參數(shù)的高精度測量及檢測將對人員、生產安全等起到保障作用，《鐵路貨車輪對和滾動軸承組裝檢修規(guī)則》中規(guī)定：貨車輪對檢修壓裝過程中軸頸的檢測工作量很大，一般情況下，一個車輛段一天檢修檢測50～100個輪對軸頸。另外，軸承內圈與軸頸之間存在過盈配合，涉及到軸承與軸頸的測量精度問題，而軸承作為標準件，在制造出廠時已標注其精度，因此輪對軸頸軸徑測量存在必要性。目前，軸類零件的測量方法可分為機械測量法、氣動法、超聲法、光學檢測法等，傳統(tǒng)的機械測量法大都利用機械式測量工具，利用直尺、游標卡尺、千分尺等工具進行機械接觸式測量方法容易使零件表面發(fā)生損傷或變形。氣動法、超聲法等手工見表面粗糙度影響較大，線形范圍小，且精度不高，測量范圍小而有限，在實際測量檢測中得不到較廣的發(fā)展空間，應用較少。機器視覺測量技術作為一種非接觸的、高精度的柔性坐標測量技術，可以滿足現(xiàn)代化制造領域對檢測技術及系統(tǒng)新的更高的技術需要，文章基于機器視覺測量原理對軸徑測量裝置進行設計研究，通過模擬裝置進行實際測量、試驗驗證，數(shù)據(jù)顯示，此激光視覺軸徑測量裝置的測量方法簡單、測量精度高，且適用于大尺寸軸徑測量。
通過該設計題目，不僅可以提高火車軸尺寸檢測的精度，可靠性。而且可以提高車輛的運行安全。由于長期、大量的重復性手工作業(yè)使工人極易產生疲勞，再加上目測的誤差等問題使得手工測量的誤差較大，車軸尺寸檢測裝置的出現(xiàn)可以改變目前對參數(shù)測量的落后狀況，對提高車軸的尺寸檢測，推進鐵路系統(tǒng)的發(fā)展和保障鐵路機車的安全運行具有重要的現(xiàn)實意義。[15]
1.3 國內外現(xiàn)狀分析
1.3.1 國內現(xiàn)狀分析
在國內在針對較大的大尺寸零件的車軸尺寸測量方面，比較常規(guī)的量具有：大型卡尺、大型千分尺和大型千分桿等等。對于這類量具普遍所具有的特點是從體積方面看較大、并且移動笨重、使用時不方便，這些常用量具的測量精度在很大程度上取決于工人的技術水平，由此導致了精度不穩(wěn)定，最終難以達到對大尺寸零件的精度要求。由于長期、大量的重復性手工作業(yè)使工人極易產生疲勞，再加上目測的誤差等問題使得手工測量的誤差較大。目前，軸類零件的測量方法可分為機械測量法、氣動法、超聲法、光學檢測法等，傳統(tǒng)的機械測量法大都利用機械式測量工具，利用直尺、游標卡尺、千分尺等工具進行機械接觸式測量方法容易使零件表面發(fā)生損傷或變形。氣動法、超聲法等手工見表面粗糙度影響較大，線形范圍小，且精度不高，測量范圍小而有限，在實際測量檢測中得不到較廣的發(fā)展空間，應用較少。國內部分研究單位采用成像技術采用一個圖像傳感器,從車軸的一端運行至另一端,讀出相關數(shù)據(jù)。主要存在問題是對參數(shù)的檢測方法不符合規(guī)程,比如軸直徑等都無法符合檢測標準，數(shù)據(jù)的重復誤差大,不能滿足精度要求，由于光散射、車軸表面不同粗糙度等,都將影響測試尺寸。車軸尺寸檢測裝置的設計，可以改變目前對火車軸尺寸參數(shù)測量的落后狀況，對提高車軸的尺寸檢測很有幫助。[9]
1.3.2 國外現(xiàn)狀分析
在國外，提高大尺寸零件的測量精度，當前，大尺寸測量的精度的準確性基本上可通過對機床的定期檢查來保證，并對調整機器的第一個檢查工具是嚴格保密，對大型部件長度測量仍然繼續(xù)在采用以往的測量方法，傳統(tǒng)機械測量方法只能測量 7、8 級精度的零件，用來測量精密零件的儀器實際上是在國外都沒有現(xiàn)成的工具出售，而大尺寸零件的精度測量是確保重大技術裝備質量的重要指標之一。國外有使用輪對測量機的先例,但檢測參數(shù)不多,功能比較簡單,如美國,是按照標準檢查部分項目,包括輪對跳動、輪直徑、軸偏心。而一些車軸部分參數(shù)等都由人工檢測,檢測要求的標準不高。在過去十年中，其他行業(yè)的飛速發(fā)展，如計算機，傳感技術等方面，都在不同程度的促進著檢測機檢測水平的提高。當前，檢測機已大量用于高精度的測量，以及數(shù)字化在線質量控制的物理模型，測量形狀和位置等的三維復雜零件領域。它具有測量不同形狀和不同平面的空間的各方位的曲面結構的能力，但也有數(shù)控機床，加工中心和柔性制造系統(tǒng)（FMS）等制造工程，綜合性的在線系統(tǒng)，及 CAT/ CAD/ CAM 技術，以實現(xiàn)一體化的設計，制造和測試。據(jù)統(tǒng)計，國際專業(yè)咨詢公司的可靠數(shù)據(jù)表明，測量機銷售約 8％-24％的增長率。發(fā)達國家有更高的增長速度正在下降，約 6％-10％;發(fā)展中國家則 較低，但約14％-24％的增長速度，不斷改進。目前，美國，英國，德國，日本，意大利和其他工業(yè)國家都在競相開發(fā)各類規(guī)格的測量機，以滿足不同場合的需要。[9]
1.4 發(fā)展趨勢
車軸尺寸零件的生產質量及生產效率，在很大程度上取決于所采用測量的方法和工具。國內往往使用在重型機械制造業(yè)：大卡尺，千分尺及大型千分桿。這些常見的測量工具普遍體積大，笨重，使用不便，使其工人的技術水平對測量精度產生了很大影響，測量精度是非常不穩(wěn)定的，在國內的大型零部件的尺寸測量，已引起廣泛關注，也是重型機械制造工藝及設備改造需要解決的技術問題，更是我國機械行業(yè)的重點研究項目。發(fā)展趨勢如下：（1）利用微電子技術，依據(jù)工廠車間的實際情況，利用微電子技術，傳感器技術和大尺寸測量技術，建立一個大型的零部件尺寸測量系統(tǒng)，以提高測量精度。（2）對于大型零件的測量環(huán)境復雜，以及因手工測量操作大型部件的測量存在不可靠的因素，因此，采用非接觸式光點測量技術測量大尺寸部件將是大尺寸檢測發(fā)展的主要方向。機器視覺測量技術作為一種非接觸的、高精度的柔性坐標測量技術，可以滿足現(xiàn)代化制造領域對檢測技術及系統(tǒng)新的更高的技術需要，基于機器視覺測量原理對車軸尺寸測量裝置進行設計研究，通過模擬裝置進行實際測量、試驗驗證，數(shù)據(jù)顯示，用激光位移傳感器測量車軸尺寸裝置測量方法簡單、測量精度高，且適用于大尺寸軸徑測量。
2 火車車軸尺寸檢測機構系統(tǒng)的方案設計
2.1 概述
火車車軸應按預先規(guī)定的工藝規(guī)程及技術要求完成,并應符合《車輛輪對、軸承組裝及檢修規(guī)則》的規(guī)定?；疖囓囕S在外觀檢查后必須測量各部尺寸,并按規(guī)定建立車軸卡片,確定旋修范圍。隨著科學技術的不斷創(chuàng)新、生產水平的加速進步，要求機械裝置的精度、速度也越來越高。軸類相關零件主要起到傳遞轉矩和運動的作用，并保證各部件性能的穩(wěn)定性，是各種機械裝置中應用范圍最廣、應用面最大、應用程度最高的一種零件，諸如各類變速箱、汽車發(fā)動機及傳動部件、火車輪對系統(tǒng)等中都有軸類零件重要應用。用激光位移傳感器測量技術作為一種非接觸的、高精度的柔性坐標測量技術，可以滿足現(xiàn)代化制造領域對檢測技術及系統(tǒng)新的更高的技術需要，基于機器視覺測量原理對軸徑測量裝置進行設計研究，通過模擬裝置進行實際測量、試驗驗證，數(shù)據(jù)顯示，此激光視覺軸徑測量裝置的測量方法簡單、測量精度高，且適用于大尺寸軸徑測量。
為適應鐵道部火車車軸組裝和提速的需要, 新車統(tǒng)標準的要求,實現(xiàn)火車軸尺寸參數(shù)自動測量及各設備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,提高設備檢測水平,保證火車軸檢修及組裝質量。我們在調研國內外同類設備技術的基礎上,采用非接觸的激光位移傳感器測量技術,開發(fā)研制了火車軸參數(shù)測量機。通過對火車軸參數(shù)的測量,解決了傳統(tǒng)人工測量存在的問題同時可與其它工序共享所檢測的數(shù)據(jù),而且實現(xiàn)數(shù)據(jù)全雙工通訊,可將測量數(shù)據(jù)直接存入輪軸系統(tǒng)。
2.2 主體設計
由基座、側翻機構、夾緊機構、旋轉機構，測量機構組成，并配置激光位移傳感器，伺服電機驅動控制系統(tǒng)及精密機械傳動系統(tǒng)等一整套測量裝置。設計尺寸測量機構的長為3900mm，寬為2880mm，高為4300mm，并配置激光位移傳感器，伺服電機驅動控制系統(tǒng)及精密機械傳動系統(tǒng)等一整套測量裝置，采用灰鐵鑄造框架結構,整體結構穩(wěn)定性好,機構部分與檢測部分分離設計,排除定位部分的壓力變形對檢測精度的影響，采用頂尖定位的方式,以滿足系統(tǒng)對測量精度的要求主體結構應力分布合理,穩(wěn)定性好。
2.3 火車車軸尺寸檢測系統(tǒng)的設計方案
圖2-1
1.上頂尖 2.激光位移傳感器 3.滑架 4.側翻底板 5.底座 6.側翻機構 7.下頂尖
圖2-2
1.桿 2.底座 3.三腳架 4.拉桿式液壓缸 5.側翻底板
火車車軸尺寸檢測系統(tǒng)機構最主要的是要求車軸要豎直放置測量，如果車軸橫放頂尖夾緊后電機帶動車軸轉動，在車軸自身重力的作用下會發(fā)生彎曲，使得測量結果不準確，達不到測量的精度要求。車軸豎直放置還不能損壞車軸表面，因此我設計了一種翻轉機構，它是由底座、三腳架、液壓拉桿等組成，可以實現(xiàn)將軸翻轉豎直測量。
翻轉機構將車軸豎直后，該機構到達最大翻轉程度，翻轉托板成九十度，整個裝置繞著托板前端翻轉，三腳架可以相互轉動，拉桿繞著底座轉動，此時，側翻托板上的支撐點與側翻托板前端垂直，這樣就可以將水平的車軸側翻成豎直狀態(tài)。在翻轉前，4帶有液壓拉桿的活動夾將車軸固定，在豎直狀態(tài)后，下部帶有液壓缸的頂尖對準車軸中心孔，上部頂尖也下降至車軸中心孔，這時，4個活動夾松開，帶有摩擦輪的電機沿滑槽移動至摩擦輪接觸到車軸之后，啟動電機讓摩擦輪旋轉帶動車軸旋轉，帶有激光位移傳感器的上下滑架開始工作，最后，完成測量工作。
用吊車準確將被測車軸準確平穩(wěn)地送入放軸凹槽，而將測量完畢的車軸平穩(wěn)送出測量裝置，當車軸進入預備工位時，工業(yè)計算機發(fā)出控制命令，由旋轉驅動裝置是翻轉機構運動將車軸從平衡狀態(tài)推送至豎直狀態(tài)，車軸剛好進入孔中，再由上下頂尖夾緊車軸，隨后電機轉動帶動頂尖旋轉，車軸也就隨之旋轉，使用上下滑架帶動傳感器的移動來測量車軸尺寸，當車軸測量完畢后，計算機控制進出總成的導出系統(tǒng)使翻轉機構再次移動將已測車軸平穩(wěn)送出測量工位整個進出總成機構的設計與導入和導出控制系統(tǒng)協(xié)調一致，避免了車軸進入測量工位時對裝置造成的沖擊，并控制車軸的速度，防止發(fā)生現(xiàn)場生產安全事故。
系統(tǒng)以工業(yè)計算機為核心，通過吊車將被測車軸平穩(wěn)送入測量工位，電機控制頂尖旋轉帶動車軸按預定速度轉動，同時，激光位移傳感器掃描車軸測量部位實時獲取車軸外形特征并反饋給計算機，計算機經過處理并根據(jù)測量算法得到車軸尺寸。驅動總成安裝在測量裝置的基座上，其作用是通過工業(yè)計算機向步進電機發(fā)出電脈沖信號，將步進電機的運動經機械裝置傳遞給頂尖，頂尖帶動車軸轉動，可以控制車軸的運動，配合傳感器準確采集各軸段的信息，完成軸尺寸測量。
由基座、側翻機構、夾緊機構、旋轉機構，測量機構組成，并配置激光位移傳感器，伺服電機驅動控制系統(tǒng)及精密機械傳動系統(tǒng)等一整套測量裝置，伺服電機驅動控制系統(tǒng)及精密機械傳動系統(tǒng)等一整套測量裝置，不是靠特制工具的手工測量方法。當被測量車軸進入測量裝置后，通過伺服電機驅動控制磨砂輪旋轉再帶動車軸旋轉，激光位移傳感器在車軸的旋轉過程中完成車軸尺寸的檢測。
3 火車車軸尺寸檢測機構液動系統(tǒng)設計
3.1液壓部分設計與計算
車軸尺寸測量系統(tǒng)的大部分動作都由液壓系統(tǒng)來實現(xiàn),因此液壓系統(tǒng)設計的好壞直接影響到系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)液壓站采用最新的液壓控制技術,全部液壓系統(tǒng)采用進口器件,保證液壓系統(tǒng)品質優(yōu)良,液壓系統(tǒng)的每個動作都由可調節(jié)的減壓閥來控制,可以根據(jù)系統(tǒng)的運行情況調節(jié)各部分動作保證系統(tǒng)在允許壓力下工作。
液壓缸具有多種不同的類型，在翻轉機構的設計中， 選擇拉桿型液壓缸，前后端蓋與缸筒用四根拉桿來連接，前后端蓋為正方形、長方形或圓形。前后端蓋和活塞等主要零件均為通用件。因此，拉桿型液壓缸結構簡單、拆裝方便、零件通用化程度較高，但是，受到行程長度、缸筒內徑和額定壓力的限制。如缸筒內徑過大和額定壓力偏高時，因拉桿材料強度的要求，選取大直徑拉桿，但徑向尺寸不允許拉桿直徑過大。
3.1.1液壓缸的設計計算與選取
火車軸質量m＝1000kg 但是考慮安全系數(shù) 取m＝1200kg
液壓缸的單缸最大起升的質量M＝1200kg
升降平臺的最大起升高度：h＝1.5m
上升速度等于下降速度v＝0.1m/s
液壓平臺上升工況的最大負載F＝Mg＝120010＝12000N
液壓缸的機械效率＝0.95
液壓缸的工作壓力由表可知P＝1MPa
表3-1 不同負載下的工作壓力
負載F/KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力p/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
>5
3.1.2 液壓缸的缸筒的設計與計算
（1）液壓缸內徑D的計算
由公式D=
（Fmax=12000N；P=1MPa；=0.95）
解得D=0.063426m
根據(jù)表可知，圓整成標準值后，得液壓缸內徑D=80mm
表3-2 液壓缸內徑系列mm（GB/T 2348-93）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
（280）
320
（360）
400
（450）
500
（2）缸筒壁厚和外徑計算
本設計的內徑D為80mm，查液壓設計手冊液壓缸的外徑D1為95mm，缸壁的厚度為7.5mm。一般按正規(guī)的方法選取液壓缸壁厚都能滿足其強度，但為安全起見我們還要進行校核。
由于D=80mm，外徑D1=95mm，則/D=0.094<0.25，可按第一強度理論，即按照薄壁圓筒的中徑公式計算，則有：
式中： --缸筒壁厚；
D—缸筒內徑；
Pmax—缸筒的試驗壓力，液壓缸的額定壓力Pn<16MPa時的Pmax=1.5Pn，液壓缸的額定壓力Pn>16MPa時的Pmax=1.25Pn；
[]—材料的許用壓力。
b為材料的抗拉強度，n=3.5—5，這里n取5。選用45號鋼，并且調質241~285HB，查工程力學可知45號鋼的抗拉強度b=530~598MPa，現(xiàn)取b=560MPa，故：
[==112MPa
由于液壓缸的工作壓力P=1.5MPa<16MPa，故取Pmax=1.5Pn=2.25MPa
所以==0.0008m=0.8mm
因為7.5mm>0.8mm，故強度足夠。
3.1.3 活塞桿的設計與計算
活塞桿是液壓缸傳遞動力的主要部件，它要承受拉力、壓力、彎力和震動沖擊等多種作用，必須有足夠的強度和剛度。
（1）活塞桿直徑的計算
根據(jù)活塞桿受力狀況來確定，一般受拉力作用時，d=0.3~0.5D。
受壓力作用時P<5MPa時，d=0.5~0.55D
5MPa
式中 d---活塞桿直徑
F---活塞桿上作用的力
---活塞桿材料的許用應力，，s為材料的抗力強度，n為安全系數(shù)，一般取n>1.4。
由45號鋼的許用應力MPa，F(xiàn)=5000N
得d>0.0043m，而d=40mm，故活塞桿強度符合要求。
按彎曲穩(wěn)定性校核
當活塞桿全部伸出后，活塞桿外端到液壓缸支撐點之間的距離l>10d時，應進行穩(wěn)定性校核。
按材料力學理論，當一根受壓直桿的軸向載荷F超過臨界受壓載荷Ff時，即可能失去原有的直線狀態(tài)平衡，稱為失穩(wěn)，其條件為：
F<
式中 F---液壓缸最大推力；
Fk---液壓缸臨界受壓載荷；
Nk---穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取nk=2~4。
液壓缸臨界受壓載荷Ff與活塞桿和缸體的材料、長度、剛度以及兩端支撐狀況有關。Fk的相關計算如下：
由公式 Fk=
式中 l---活塞桿的計算長度；
N---端點安裝形式系數(shù)，兩端固定，故n=4；
E---材料的彈性模量，鋼材的E=2.1Pa；
J---活塞桿的橫截面積轉動慣量，實心桿的J=。
而 J=，
故 Fk==46.2kN，
而 F=5kN<=11.55kN（當nk取4時），
故活塞桿彎曲穩(wěn)定性符合要求。
3.1.4 最小導向長度H的確定
當活塞桿全部伸出時，從活塞桿支撐面中點到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向長度。如果導向長度過短。將使液壓缸因間隙引起的初始擾度增大，影響液壓缸的工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設計是必須保證液壓缸有一定的最小導向長度，對于一般的液壓缸，最小導向長度應該滿足下式要求：
H=
式中 L---最大工作行程；
D---缸筒內徑；
液壓缸工作行程的確定：
升降液壓缸的最大升起高度為1.5m，依表選取液壓缸工作行程為：800mm
表3-4 液壓缸活塞桿行程參數(shù)系列mm（GB/T 2348-80）
25
50
80
100
125
160
200
250
320
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3200
4000
故L=0.8m，D=0.08m，代入公式
得：H==80mm
活塞桿寬度B的計算：B=（0.6~1.0）D=（48~80）mm
取B=60mm。
導向套滑動面的長度A，由公式A=（0.6~1.0）d
由前面的數(shù)據(jù)可知，d=40mm，故取A=（0.6~1.0）d=24~40mm
取A=30mm。
中隔圈K的長度C：
由公式 H=得：C=H-=35mm。
圖3-1 液壓缸頂尖
4 火車車軸尺寸檢測機構機械系統(tǒng)設計
4.1電機的選型設計
在火車車軸尺寸檢測系統(tǒng)機構中，要用到電機驅動摩擦輪帶動車軸旋轉進行尺寸檢測，那么對于電機的選擇至關重要，檢測需要滿足高精度的要求。選擇伺服電機還是步進電機，也會影響檢測的精度，步進電機與伺服電機的性能比較如下：
步進電機作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術有著本質的聯(lián)系。在目前國內的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。
（1）控制精度不同?
兩相混合式步進電機步距角一般為?1.8°、0.9°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72?°、0.36°。也有一些高性能的步進電機通過細分后步距角更小。如山洋公司（SANYO?DENKI）生產的二相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。?
交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以京伺服（KINGSERVO)全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。
（2）低頻特性不同?
步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。
（3）矩頻特性不同?
步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。???
（4）過載能力不同?
步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以京伺服（KINGSERVO)交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。
（5）運行性能不同
步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。???
（6）速度響應性能不同?
步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以京伺服（KINGSERVO)400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。?
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當?shù)目刂齐姍C。對于驅動火車軸旋轉的平穩(wěn)性、高精度檢測的要求，因此，我選擇伺服電機驅動，選擇的電機型號是GYS500D5-B2，它可以實現(xiàn)低速平穩(wěn)運行，在電機軸上安裝齒輪，用齒輪進行減速，電機減速后帶動磨砂輪旋轉，再帶動車軸旋轉進行檢測。
齒輪的計算
電機型號GYS500D5-B2，轉速nm=1440 r/min，功率為1kw。車軸豎直夾在頂尖中，電機需要帶動摩擦輪旋轉，摩擦輪再帶動車軸旋轉。
（1）總傳動比
（2）分配傳動裝置傳動比：
式中分別為帶傳動和減速器的傳動比
為使V帶傳動外廓尺寸不致過大，初步取(實際的傳動比要在設計V帶傳動時，由所選大小帶輪的標準直徑之比計算)，則減速器的傳動比為：
（3）分配減速器的各級傳動比
按展開式布置，考慮潤滑條件，為使兩級大齒輪直徑相近，由經驗公式：
取
且有
得
（4）選定齒輪類型、精度等級、材料和齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動方案，選用斜齒圓柱齒輪傳動。
2）運輸機為一般工作機器，速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）
3）選擇材料。選擇齒輪材料為40Ｇr（調質），硬度289HBS,大齒輪材料45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS.
4)選小齒輪齒數(shù)為z1=24，大齒輪齒數(shù)為z2=3.32*24=79.68，取z2=80
5）選取螺旋角。初選螺旋角
（5）按齒面接觸強度設計
由設計計算公式（10-9a）進行計算，即
確定公式內的各計算數(shù)值
1)試選=1.6
2）選取區(qū)域系數(shù) Z=2.43
3）
則
4)計算大齒輪傳遞的轉矩
大齒輪的轉矩可視為與軸I的輸出轉矩相等
5)由表10-7選取吃寬系數(shù)=1
6）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
7）由圖10-21d按齒面強度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限=600MPa;大齒輪的接觸疲勞強度極限為=550MPa;
8）由式10-13計算應力循環(huán)次數(shù)
9)由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù),
10)計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，
許用接觸應力
計算
1）計算小齒輪分度圓直徑，代入的值
2）計算圓周速度v
3）計算齒寬b
4)計算齒寬和齒高之比
模數(shù)：
齒高：
5)計算縱向重合度
6）計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=1.592m/s,7級精度，由圖10-8查得動載荷系數(shù)
用插值法查得，7級精度，小齒輪相對支承非對稱分布時，
查得
查得,故載荷系數(shù)
7)按實際的載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，得
8）計算模數(shù)
（6）根據(jù)齒根彎曲疲勞強度設計
確定計算參數(shù)
1） 計算載荷系數(shù)
2） 根據(jù)縱向重合度從圖10-28查得螺旋角影響系數(shù)
3） 計算當量齒數(shù)
4）查齒形系數(shù)
,
5)查應力校正系數(shù)
,
6)查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限
7）取彎曲疲勞系數(shù),
8）計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得
9）計算大小齒輪的,并加以比較
大齒輪的數(shù)值較大
設計計算
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算法面模數(shù)大于齒面彎曲疲勞強度計算帶模數(shù)，去，以滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強度算得分度圓直徑，來計算齒數(shù)。于是有，
取，則
（7）幾何尺寸計算
1）計算中心距
修正后的中心距為129mm.
2)按圓整后的中心距修整螺旋角
因改變不多，故參數(shù),等不必修正。
3）計算大小齒輪分度圓直徑
4）計算齒輪寬度
圓整后取,
4.2 頂尖心軸的設計與計算
4.2.1 頂尖的計算
頂尖處的受力：火車車軸的質量1000kg，所以受到向下的車軸重力為10000N，為了安全因素，設計頂尖受到12000N。則頂尖受到的軸向力F1=12000N
徑向力F2==6.9kN
在火車軸尺寸檢測過程中，要求車軸低速旋轉，設計轉速n=50r/min
設計壽命：3000h
4.2.2 軸承的壽命計算
軸承以小時為單位的壽命計算公式為：
L=
式中：n---軸承工作轉速，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(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）計算兩軸承的內部軸向力：
內部軸向力計算公式：
=0.68
所以，=0.683400N=2432N
=2016N
故，==2432N
=-=2016N
（3）計算當量動載荷
e=0.68
P=
因為=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）壽命計算：
（a） 下軸承壽命計算：
h=4233.8>3000h
符合設計要求
（b）上軸承壽命計算：
h=19472h>3000h
符合設計要求
4.2.3 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(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
4.2.4 頂尖心軸的設計與計算
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
各軸段直徑：
圖4-1 頂尖心軸
軸段2、4直徑為=45mm，=45mm
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=45mm
取=50mm
軸段3、4之間為非定位軸肩，僅為軸承拆裝方便而設，
根據(jù)設計要求，裝配完成后頂尖伸出部分為50mm，軸段2、4長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長度取決于其上止動墊圈及圓螺母厚度，止動墊圈厚度為2mm，圓螺母厚度為8mm，根據(jù)設計要求，粗估計頂尖心軸長度為400mm。
4.3 翻轉機構的設計與強度校核
圖4-2 側翻機構
圖4-3 側翻機構
火車車軸尺寸檢測系統(tǒng)機構要求車軸要豎直放置測量，車軸豎直放置還不能損壞車軸表面，因此我設計了一種翻轉機構，它是由底座、三腳架、液壓拉桿等組成，可以實現(xiàn)將軸翻轉豎直測量。
它的底座采用灰鐵鑄造框架結構,整體結構穩(wěn)定性好，在翻轉機構中桿件的強度、剛度非常重要。
為了保證桿在機構輕巧的條件下有足夠的剛度，一般多用精選含碳量的優(yōu)質中碳機構鋼，只有在特別強化且產量不大的汽油機中用40Cr等合金鋼。合金鋼有較高的綜合機械性能，但當存在產生應力集中的因素時，它的耐勞能力急劇下降，甚至低到與碳素鋼不相上下。所以合金鋼連桿的形狀設計、過度圓滑性、毛坯表面質量下降等，必須給以更多的注意，才能充分發(fā)揮優(yōu)質材料的潛力。設計三腳架的尺寸為600mm，500mm，150mm，翻轉機構單獨桿件長為900mm。
火車軸質量m＝1000kg 但是考慮安全系數(shù) 取m＝1200kg
車軸的翻轉機構是由兩對拉桿式液壓缸組成，所以校核一側的安全強度即可：
m=300kg G=3000N 三腳架桿件設計直徑為100mm
桿件的橫截面積為： S==3.14=7850
3000N
圖4-4
F1==