機械設(shè)計課程設(shè)計-自翻車綜合設(shè)計.doc

課程名稱：機械設(shè)計設(shè)計題目： 自翻車綜合設(shè)計 院 系： 機械工程系 專 業(yè)： 機械制造工藝與設(shè)備 年 級： 2008級 姓 名： 鄧嘉陵 指導(dǎo)教師： 何俊 西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 2011 年 5 月 25 日摘要：我國鐵路貨物運輸中散裝貨物所占比重較大，約占貨運量的60%，但其裝卸(特別是卸貨)機械化程度較低。自翻車是一種將卸貨設(shè)備和車輛結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的專用車輛，大力發(fā)展自翻車可以有效提高我國貨運能力。適用于在標準軌距上運輸?shù)V石、剝離巖石、沙礫、煤塊、建筑材料等散裝貨物。具有兩側(cè)自翻，自動開、關(guān)門的功能，（以下簡稱為自翻車），可節(jié)省人力，減輕勞動強度。該車能通過機車或地面供壓力實現(xiàn)向任何一邊卸料,即能同時滿足單、雙邊卸料的要求,對貨物的粒度沒有限制,可裝運大塊礦石,且兼具卸貨速度快、不埋道、周轉(zhuǎn)快、經(jīng)濟效益好、節(jié)約人力等優(yōu)點,越來越受到大型廠、礦的青睞。本文主要做了以下方面的設(shè)計:1、介紹自翻車的相關(guān)背景。2、分析自翻車的工作原理及組成。3、設(shè)計自翻車的原理圖，根據(jù)相關(guān)強度大小計算零件的尺寸。4、用proe三維軟件建造自翻車的模型關(guān)鍵詞：自翻車、機構(gòu)、建模、強度校核尺寸大小、設(shè)計、proe三維造型目錄1.緒論31.1.選題背景及意義31.1.1.自翻車相關(guān)背景31.1.2.本設(shè)計課題的意義41.2.本文主要研究的內(nèi)容52.自翻車原理及分析52.1問題的提出52.2卸貨時的情況62.3、傾翻設(shè)計方案及原理73自翻車構(gòu)件長度及傳動角83.1自翻車的自由度計算83.2自翻車構(gòu)件的相關(guān)長度數(shù)據(jù)計算93.3傳動角104自翻車構(gòu)件的尺寸參數(shù)及對它們進行選材114.1已知數(shù)據(jù)114.2液壓缸相關(guān)參數(shù)計算114.2.1液壓缸所受負載114.2.2液壓缸的直徑和其相關(guān)參數(shù)124.2.3活塞桿彎曲穩(wěn)定性的校核164.3耳環(huán)參數(shù)174.4液壓缸活塞銷釘參數(shù)184.5車廂和底架的參數(shù)185自翻車三維建模225.1proe軟件介紹225.2自翻車模型236參考文獻231.緒論1.1.選題背景及意義1.1.1.自翻車相關(guān)背景我國鐵路承擔著繁重的運輸任務(wù)，其中貨物運輸尤甚。而貨物運輸中散裝貨物所占的比重較大，約占貨物運輸?shù)?0%，但其裝卸(特別是卸貨)的機械化程度較低。因此提高對這類貨物裝卸的機械化、自動化水平迫在眉睫。目前，我國散裝貨物運輸主要靠通用敞車來完成。卸車作業(yè)在一些大型廠、礦和港口采用翻車機、鏈斗卸車機卸貨。但很大一部分中小型廠、礦及站廠的卸車作業(yè)，還沒有比較合適的機械。同時翻車機設(shè)備龐大復(fù)雜，有一定的局限性，且易破壞車輛;鏈斗卸車機效率低，邊角部位不易清除，很難滿足粒(塊)狀貨物的卸貨要求。對如何進一步提高散裝貨物卸車機械化的程度，應(yīng)從兩方面考慮:其一，從卸車機具考慮，研制裝卸機械化的設(shè)備;其二，采取設(shè)備與車輛合二為一的方法，使它們能更好地滿足不同散裝貨物的高效卸車要求。后者是提高卸車措施的有效途徑，這就要求大力發(fā)展專用車輛的數(shù)量和品種。從世界各國鐵路貨車的發(fā)展趨勢看，專用貨車發(fā)展的速度很快，我國目前粒(塊)狀貨物運輸約占散狀貨物總運輸量的40%，而與之相適應(yīng)的運輸車輛則較少，特別是自動傾翻車更少。因此大力發(fā)展自動傾翻車勢在必行。自翻車是一種卸車設(shè)備與車輛結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的專用車輛，適用于在標準軌距上運輸?shù)V石、剝離巖石、沙礫、煤塊、建筑材料等散裝貨物。具有兩側(cè)自翻，自動開、關(guān)門的功能，（以下簡稱為自翻車），可節(jié)省人力，減輕勞動強度。該車利用機車提供的風源自動傾斜貨物。用它既可以最大限度地簡化卸貨場地設(shè)施，又能更好地適應(yīng)大中小型廠、礦及站廠的使用。國外的自翻車起步時間早，品種多樣化。與國外相比，我國自翻車發(fā)展較晚，無論品種和數(shù)量都難以適應(yīng)當代貨運快速發(fā)展的需要。我國制造的第一臺自翻車是上世紀三十年代由當時大連工礦車輛廠(現(xiàn)大連重型機器廠)，仿造美國60t自動傾翻車制造的，后在1959年轉(zhuǎn)由哈爾濱車輛廠生產(chǎn)。哈爾濱車輛廠又經(jīng)過一系列改進，于1963年定型為KF60型。該型車是我國生產(chǎn)領(lǐng)域使用自動傾翻車時間最長、數(shù)量最多的主要產(chǎn)品。之后哈爾濱車輛廠又先后研制了載重100噸的KF100型液壓自翻車、載重70噸的KF70型風動自翻車、載重65噸的KF65型)“L動自翻車，一共四種形式。我國自動傾翻車與國外相比還有很大差距，主要存在以下問題:1.自重大國內(nèi)平均自重系數(shù)為0.51，國外為0.49。這和自翻車本身的工作性質(zhì)有關(guān)，裝貨條件惡劣要求有足夠的強度;保證傾翻穩(wěn)定，又要求車箱和底架有足夠的剛度，所以自重系數(shù)均較通用車要高。2.最高運行速度低KF一100型自翻車是三軸一體構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，適應(yīng)曲線能力較差，對線路要求較高，最高運行速度為80Km/h，但實際運用速度低于40Km/h。KF60型自翻車的最高運行速度也是80Km/h，后來哈爾濱車輛廠為哈爾濱鐵路局制造了一批最高運行速度90Km/h的KF60型自翻車，株洲車輛廠為鄭州鋁廠制造了一批最高運行速度為1OOKm/h的KF60型自翻車，均未正式定型，同時也和我國目前貨車最高運行速度12Okm/h的要求有很大差距。3.品種少目前在我國礦山及其它部門使用的自翻車，僅有KF60型和KF100型兩種。其中KF60型較多，估計全國范圍內(nèi)有至少3000臺，而且形式較雜，有用滑動軸承的，有用滾動軸承的，有焊接構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，有三大件式轉(zhuǎn)向架的，但上體基本上是KF60原型原樣。KF100型自翻車全國只有攀枝花礦業(yè)公司應(yīng)用，共60輛，到目前為止僅由哈爾濱車輛廠制造。4.關(guān)鍵技術(shù)缺乏基礎(chǔ)研究自翻車不同于其它專用車輛，有其獨特的要求，涉及的方面較多。中可看出我國自翻車，在上世紀六七十年代是發(fā)展高峰，但之后多停留在局部鋼結(jié)構(gòu)的加強和走行部的改進上，在整體框架和一些影響傾翻性能的關(guān)鍵技術(shù)上未做新的嘗試，基本處于停滯階段。例如對傾翻機構(gòu)缺乏更多的研究，目前自翻車的傾翻機構(gòu)主要有三種，一是端部控制機構(gòu)，前蘇聯(lián)的自翻車多采用該種結(jié)構(gòu);二是大折頁機構(gòu)，KF一60型自翻車應(yīng)用此種結(jié)構(gòu);三是四連桿機構(gòu)，KF一100型自翻車采用該結(jié)構(gòu)。除此之外，還沒有推出更新的機構(gòu)，來實現(xiàn)減輕車輛自重，簡化車輛結(jié)構(gòu)，增加車輛傾翻穩(wěn)定性。1.1.2.本設(shè)計課題的意義我國60至70年代自動傾翻車的發(fā)展較快，品種相對較多，而進入80年代到90年代幾乎沒有什么新產(chǎn)品，但構(gòu)想方案仍有一些。從滿足鐵路貨運發(fā)展的角度看，應(yīng)大力研制相同噸位、不同容積、適應(yīng)不同運行線路的低自重、構(gòu)造速度高的多品種自翻車，以適應(yīng)冶金、煤炭等行業(yè)的發(fā)展。本文以載重80t自翻車為研究對象，首先通過對其原理、結(jié)構(gòu)、進行分析，了解自翻車的結(jié)構(gòu)特點特性，為自翻車的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析提供一定參考建議。然后通過理論分析并設(shè)計方案，同時計算各個構(gòu)件的相長度，同時根據(jù)相關(guān)強度來尺寸大小來設(shè)計自翻車。然后通過proe進行三維建模。1.2.本文主要研究的內(nèi)容載重80t氣動自翻車車體包括車箱、底架兩部分。車箱由車箱底架、側(cè)墻、端墻等三大部件組成，其主要承載件由板材Q450和型鋼Q345組焊而成。車體底架結(jié)構(gòu)主要用材為Q450NQRI高強度耐大氣腐蝕鋼。整個結(jié)構(gòu)由中梁、枕梁及端梁等組成箱型焊接結(jié)構(gòu)。本文以載重80t氣動自翻車車箱、底架為研究對象，主要研究內(nèi)容如下:1. 根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計出相應(yīng)的方案，計算自翻車相關(guān)構(gòu)件的參數(shù)，和尺寸大小，用CAD軟件繪出確定方案的二維圖草圖。2. 再利用三維軟件Pro/E建立自翻車三維實體模型。2.自翻車原理及分析2.1問題的提出一種鐵路運輸散裝貨物的車輛，具有兩側(cè)自翻，自動開、關(guān)門的功能（以下簡稱為自翻車），可節(jié)省人力，減輕勞動強度。試設(shè)計其自翻，自動開、關(guān)門機構(gòu)。設(shè)計要求和有關(guān)數(shù)據(jù)：(1) 車廂向一側(cè)傾翻至給定角度時，該側(cè)廂門聯(lián)動打開，成為車廂低面的延伸面或平行延伸面。(2） 車廂向一側(cè)傾翻時，另一側(cè)廂門不得向內(nèi)擺動擠壓。(3) 車廂未傾翻時及恢復(fù)水平狀態(tài)時，兩側(cè)廂門聯(lián)動關(guān)閉，廂門不得在散貨壓迫下自行開啟。(4） 驅(qū)動和傳動系統(tǒng)在車廂下面，不超出車廂側(cè)面。(5) 采用液壓驅(qū)動，各傳動角不得小于30。(6） 不得發(fā)生桿件干涉現(xiàn)象。受力合理。2.2卸貨時的情況1、以下兩幅圖片是自翻車卸貨時的情景：2、自翻車機構(gòu)運動原理圖圖如下所示：2.3、傾翻設(shè)計方案及原理1、傾翻機構(gòu)組成：該運動機構(gòu)由液壓缸與相應(yīng)的連桿和側(cè)門組成。2、機構(gòu)簡圖：用CAD繪制的自翻車機構(gòu)原理草圖如下圖所示：自翻車草圖當自翻車向右傾斜卸貨時，左邊的液壓缸EF緩慢向上頂，車廂繞G點順時針旋轉(zhuǎn)（基本上趨近于勻速轉(zhuǎn)動），旋轉(zhuǎn)至?xí)r的虛線位置，由于左邊的連桿與側(cè)門垂直，并且連桿不會發(fā)生逆時針轉(zhuǎn)動，所以左側(cè)側(cè)門不會自動打開，也不會向里擠壓。右側(cè)側(cè)門在在K點的帶動下相對于J點順時針旋轉(zhuǎn)，最后旋轉(zhuǎn)到與車廂底面平行，貨物被卸下。由于該機構(gòu)是對稱的，所以自翻車向左傾斜卸貨的工作原理與向右傾斜卸貨的工作原理相同，符合要求。3自翻車構(gòu)件長度及傳動角3.1自翻車的自由度計算當自翻車向右傾翻卸貨時：自由度，所以有確定的運動，由于該機構(gòu)是對稱的，所以自翻車向左傾翻卸貨時與自翻車向右傾翻卸貨時的自由度相等，也具有確定的運動。3.2自翻車構(gòu)件的相關(guān)長度數(shù)據(jù)計算根據(jù)給定的原始參數(shù)可以求出各連桿的長度和相關(guān)機構(gòu)的角度：參數(shù)計算過程結(jié)果AM已知參數(shù)BK已知參數(shù)FG已知參數(shù)RS已知參數(shù)KM已知參數(shù)AB已知參數(shù)JG由已知條件得：SK同理可得FC同理可得BR同理可得JK由已知條件得：GS同理可得RF同理可得BC同理可得JI初始位置狀態(tài)時: ，在中，由勾股定理可得 當GK旋轉(zhuǎn)到與GJ重合時，KJ的長度最短，可以根據(jù)幾何關(guān)系可以求得此時的長度為此時JI的長度應(yīng)該小于JG的長度，即JI在初始位置長度加上JK與JG重合時JK從滑塊右端向左端滑出的部分為的和應(yīng)該小于JG的長度，即；可以推出所以取CD與求JI的方法相同，其結(jié)果也與JI相同可得QGQG的長度應(yīng)該小于FG的一半，即，所以取PF與求QG的方法相同，其結(jié)果也與QG相同可得GH根據(jù)自翻車機構(gòu)運動圖上給定的數(shù)據(jù)可以求出液壓缸的原始長度，取FE與求QG的方法相同，其結(jié)果也與QG相同可得在自翻車傾斜到虛線位置時，此時液壓缸的長度可以根據(jù)幾何關(guān)系圖求得，簡化圖如右圖所示：由于,所以在中：又由于 所以所以在中： 所以取VW放在轉(zhuǎn)向架上的鋼梁結(jié)構(gòu)的寬度 所以取3.3傳動角當自翻車在初始位置時，傳動角都為，當自翻車向右傾斜卸貨后開始返回時為傳動件，輸出構(gòu)件為,傳動角為傳動件對輸出構(gòu)件的作用力和傳動構(gòu)件的轉(zhuǎn)動中心連線間所夾的銳角，如簡化圖所示：在中，所以此傳動角為最小傳動角，滿足傳動角的設(shè)計要求。4自翻車構(gòu)件的尺寸參數(shù)及對它們進行選材4.1已知數(shù)據(jù)由車輛工程可知載重80t氣動自翻車主要由車體底架、車箱、2個ZF軸轉(zhuǎn)向架及底架附屬件、空氣制動裝置、車鉤緩沖裝置、傾翻裝置等部分組成。其中車體主要由底架、車箱組成。其主要技術(shù)參數(shù)如下所示:載重80t自重38.7 t容積35.4m3商業(yè)運營速度80Km/h通過最小曲線半徑80m車輛長度13234mm車輛換長1.2車廂重（t） 16軸重(t) 30車輛定距(mm) 8786車輛最大寬度(mm) 3300車鉤中心線高(mm) 880傾翻角度（） 45最高運行速度 (km/h) 120固定軸距(mm) 18004.2液壓缸相關(guān)參數(shù)計算4.2.1液壓缸所受負載由于自翻車載重80噸，即貨物的質(zhì)量為80000Kg，車廂質(zhì)量約重16噸，即16000Kg，取，所以可以得出車廂加上貨物的重力為，本自翻車車廂每側(cè)采用3個液壓缸。自翻車液壓缸受力圖當自翻車向右側(cè)傾翻卸貨時，由于液壓缸的運動非常緩慢，可以視為勻速運動，故車廂將繞著G點作勻速旋轉(zhuǎn)。自翻車的車廂在水平位置時左側(cè)液壓缸的受力最大，由上圖可以得車廂出左側(cè)2個液壓缸的每個液壓缸的受力大小。忽略其他桿件的受力情況，由靜力平衡得，又，所以得到即為液壓缸把車廂頂起來的最少推力。4.2.2液壓缸的直徑和其相關(guān)參數(shù)本車選用三級同步伸縮液壓缸，因為該液壓缸的推力和速度始終保持恒定，此時該缸的各級活塞設(shè)面積關(guān)系為即 ，化簡后得三級同步伸縮液壓缸草圖液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的具體計算:參數(shù)計算過程結(jié)果活塞桿直徑d由輸出推力得，由于各類起重運輸機械液壓缸的壓力范圍為,所以可以取，取故根據(jù)活塞桿強度公式得 ，取活塞桿的材料為45號碳鋼，查機械設(shè)計手冊（軟件版2008），其，可知，取得 ，。所以綜上所述可知：，根據(jù)活塞桿外徑（GB/T 23481993）查得三級活塞缸的內(nèi)徑由于，故根據(jù)活塞桿外徑（GB/T 23481993）查得三級活塞缸的厚度按中等厚缸筒計，缸筒壁厚按中等壁厚缸筒計算：，其中時，。而。所以；又，查機械設(shè)計手（軟件版2008）得45號鋼的，取，所以.該液壓缸缸筒采用無縫鋼管，所以，c值忽略不計。故驗證，符合。取三級活塞缸的外徑由得二級活塞缸的內(nèi)徑由于，故根據(jù)活塞桿外徑（GB/T 23481993）查得二級活塞缸的厚度與的計算原理和方法相同 故驗證，符合。取二級活塞缸的外徑由得一級活塞缸的內(nèi)徑由于，故根據(jù)活塞桿外徑（GB/T 23481993）查得一級活塞缸的厚度與的計算原理和方法相同 故驗證，符合。取一級活塞缸的外徑由得根據(jù)液壓傳動設(shè)計指南（北京 2009）的活塞桿端部耳環(huán)尺寸表查得CD根據(jù)液壓傳動設(shè)計指南（北京 2009）的活塞桿端部耳環(huán)尺寸表查得XD根據(jù)液壓傳動設(shè)計指南（北京 2009）的缸蓋尺寸表查得根據(jù)液壓傳動設(shè)計指南（北京 2009）的缸蓋尺寸表查得取二級活塞缸的活塞厚度取三級活塞缸的活塞厚度取活塞桿的活塞厚度取一級缸筒長二級缸筒長三級缸筒長活塞桿長4.2.3活塞桿彎曲穩(wěn)定性的校核a液壓缸伸長后的總長度為b活塞桿的直徑，且所以液壓缸的活塞桿穩(wěn)定性要進行校核。c活塞桿的截面轉(zhuǎn)動慣量d活塞桿截面的面積e活塞桿斷面的回轉(zhuǎn)半徑f活塞桿細長比g由于液壓缸的兩端采用鉸接，所以末端條件系數(shù)h又45號鋼為中碳鋼，故根據(jù)液壓傳動設(shè)計指南（北京 2009）的柔性系數(shù)表查得桿的柔性系數(shù)i所以j總上所述k因此可按用戈登蘭金公式計算臨界載荷此時 l根據(jù)液壓傳動設(shè)計指南（北京 2009）的中碳鋼參數(shù)取值表格中查到實驗常數(shù)和材料強度實驗值m所以n故，（其中為穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取，本驗算中?。?。o由此看出符合液壓缸的穩(wěn)定性條件。4.3耳環(huán)參數(shù)根據(jù)液壓缸活塞桿采用的是銷軸，所以與液壓缸連接的耳環(huán)一般采用雙耳環(huán)。如下圖所示：雙耳環(huán)草圖尺寸計算過程結(jié)果耳環(huán)寬度EW由公式得，（其中，而對于45號鋼其，）故取1一般取 故MS一般取 故L一般取 故C一般取4.4液壓缸活塞銷釘參數(shù)銷軸草圖銷軸直徑由圖可知銷軸是雙面受剪，為此其直徑應(yīng)按以下式子計算。對于45號鋼其。故根據(jù)液壓缸活塞桿端部耳環(huán)CD直徑取銷軸一端的長度l其長度一般為。故4.5車廂和底架的參數(shù)載重80t自翻車車箱由車箱底板、側(cè)墻、端墻等三大部件組成，考慮到車廂里裝的散裝顆粒，所以其強度和剛度都要求比較好，因為Q345的綜合力學(xué)性能好，焊接性、冷、熱加工性能和耐蝕性能均好，C、D、E級鋼具有良好的低溫韌性，Q450強度高，在正火，正火加回火或淬火加回火狀態(tài)有很高的綜合力學(xué)性能，全部用鋁補充脫氧，質(zhì)量等級為C、D、E級，可保證鋼的良好韌性，故其主要承載件選取材料為板材Q450和型鋼Q345組焊而成。車廂底板初步取鋼地板厚度為12mm的鋼板同時采用41根型號為10的角鋼作為小橫梁，中梁采用型號為I 32a的工字鋼，2根的方鋼作為側(cè)梁。端墻厚度初步選取12mm，同時采用5根的方鋼作為立柱。2根的方鋼作為端梁。 端墻與地板焊接成一體，如以下的三維圖所示：側(cè)墻厚度初步選取12mm的鋼板同時也采用41根的方鋼作為立柱，與側(cè)墻相連接的滑桿初步選取4根的方鋼桿作為折頁，2根的方鋼作為上下側(cè)梁，如以下三維圖所示：滾輪是連接折頁和開啟桿的重要零件。與滾輪相連接的橫桿初步選取的方桿；滾輪初步選取內(nèi)直徑為52mm、外直徑為70mm，止擋部分直徑為80mm，長為90mm，如以下三維圖所示：車體底架結(jié)構(gòu)選擇材料為Q45ONQRI高強度耐大氣腐蝕鋼，其相對整體性能好，整個結(jié)構(gòu)是由中梁、枕梁、端梁及氣缸支架等組成的焊接結(jié)構(gòu)。橫梁和中梁初步做成魚腹型結(jié)構(gòu);枕梁為上下蓋板、腹板組焊成的箱形結(jié)構(gòu)，如以下三維圖所示：（6）轉(zhuǎn)向架由于載重80噸的自翻車加上本身的自重就在100噸左右，所以需采用軸重為30噸的轉(zhuǎn)向架，全車采用2組新研制的鑄鋼三大件式2F軸貨車轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架主要由輪對、軸承裝置、搖枕、側(cè)架、彈簧減振裝置及基礎(chǔ)制動裝置等組成，懸掛系統(tǒng)采用帶變摩擦減振裝置的中央枕簧懸掛系統(tǒng)，搖枕彈簧為二級剛度，采用直徑為440 mm 的下心盤和間隙旁承，裝用符合AAR標準的F級滾動軸承裝置。如以下三維圖所示：5自翻車三維建模5.1proe軟件介紹proe是美國PTC公司旗下的產(chǎn)品Pro/Engineer軟件的簡稱。Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的重要產(chǎn)品。是一款CAD/CAM/CAE功能一體化