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火車車軸尺寸檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
在鐵路高速、重載的發(fā)展形勢(shì)下，即提高鐵路的運(yùn)輸能力，實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)代化，又保證鐵路的運(yùn)輸生產(chǎn)安全，顯得尤為重要，如果沒(méi)有性能良好的車軸作為保證，要提高車輛的運(yùn)行速度和運(yùn)行安全是不可能的。車軸尺寸檢測(cè)對(duì)檢修車軸中處于關(guān)鍵地位，是保證車軸質(zhì)量的重要手段，傳統(tǒng)的檢測(cè)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(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實(shí)性，也直接影響了車輛的行車安全。所以急需對(duì)現(xiàn)有的檢測(cè)方式進(jìn)行微機(jī)化、自動(dòng)化改造，以消除測(cè)試過(guò)程中人為因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，用先進(jìn)的設(shè)備保證車輛的行車安全，所以本設(shè)計(jì)研制一種火車車軸尺寸檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)測(cè)量機(jī)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
本設(shè)計(jì)研究的車軸尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)是一套現(xiàn)代化的智能檢測(cè)系統(tǒng)，能滿足火車車軸各個(gè)尺寸的檢測(cè)，火車車軸尺寸測(cè)量機(jī)構(gòu)主要是由側(cè)翻機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、測(cè)量機(jī)構(gòu)等組成，火車軸尺寸測(cè)量機(jī)改變傳統(tǒng)人工測(cè)量的方式，實(shí)現(xiàn)車軸尺寸檢測(cè)，避免人為測(cè)量中的誤判及波動(dòng)，以及誤檢、錯(cuò)檢等弊端。
關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；側(cè)翻機(jī)構(gòu)；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(wèn)題的提出 1
1.2 課題研究的目的與意義 2
1.3國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析 3
1.3.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析 3
1.3.2國(guó)外現(xiàn)狀分析 3
1.4發(fā)展趨勢(shì) 4
2 火車車軸尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 4
2.1概述 4
2.2主體設(shè)計(jì) 5
2.3火車車軸尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 5
3 火車車軸尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)液動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7
3.1液壓部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 7
3.1.1液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算與選取 8
3.1.2液壓缸的缸筒的設(shè)計(jì)與計(jì)算 8
3.1.3活塞桿的設(shè)計(jì)與計(jì)算 9
3.1.4最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H的確定 11
4 火車車軸尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13
4.1電機(jī)的選型設(shè)計(jì) 13
4.2頂尖心軸的設(shè)計(jì) 21
4.2.1頂尖的計(jì)算 21
4.2.2軸承的壽命計(jì)算 21
4.2.3軸承的靜強(qiáng)度計(jì)算 23
4.2.4頂尖心軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 24
4.3翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核 25
4.4滾珠絲杠及電機(jī)選型計(jì)算 27
4.4.1確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 27
4.4.2滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算 28
4.4.3滾珠絲杠副預(yù)期額定動(dòng)載荷 28
4.4.4導(dǎo)程精度的選擇 29
4.4.5絲杠電機(jī)的選擇 29
5 檢測(cè)部分 31
5.1激光位移傳感器的簡(jiǎn)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(shè)計(jì) 33
畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié) 35
參考文獻(xiàn) 36
謝 辭 37
1 緒 論
1.1 問(wèn)題的提出
中華人民共和國(guó)鐵路主要技術(shù)政策指出:
鐵路是國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施,國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈,交通運(yùn)輸體系的骨干。為貫徹國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,適應(yīng)和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步,應(yīng)充分發(fā)揮鐵路技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),積極發(fā)展鐵路,滿足運(yùn)輸市場(chǎng)需求。
鐵路技術(shù)發(fā)展的總原則是：
在國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下,加快科技進(jìn)步,突出技術(shù)創(chuàng)新,以市場(chǎng)為導(dǎo)向,加快科技進(jìn)步,突出技術(shù)創(chuàng)新,以市場(chǎng)為導(dǎo)向,以經(jīng)濟(jì)效益為中心,以運(yùn)輸安全為前提,不斷提高運(yùn)輸能力、質(zhì)量和效率。堅(jiān)持自主開(kāi)發(fā)與引進(jìn)相結(jié)合,積極采用高新技術(shù),重視技術(shù)的綜合集成。根據(jù)不同運(yùn)輸需求,采用不同層次的技術(shù)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(yīng)的政策,推動(dòng)新技術(shù)盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。
目前,我國(guó)鐵路的安全技術(shù)裝備落后于運(yùn)輸生產(chǎn)不斷發(fā)展的要求,運(yùn)量與運(yùn)能的尖銳矛盾,是我國(guó)鐵路存在超負(fù)荷運(yùn)用鐵路設(shè)備的嚴(yán)重傾向,長(zhǎng)此以往,必將降低設(shè)備的安全系數(shù),縮短使用壽命,危及行車安全。此外,鐵路運(yùn)輸自身固有的點(diǎn)多、線長(zhǎng)、生產(chǎn)的連續(xù)性、協(xié)作性和全天候等特點(diǎn),使鐵路設(shè)備也具有種類多、數(shù)量大、配置分散、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、自然力影響大和有形損耗嚴(yán)重等特點(diǎn),不僅加大了保證設(shè)備技術(shù)狀態(tài)經(jīng)常性良好的難度,而且還不易使運(yùn)用中的設(shè)備始終處于有效的監(jiān)控之下。所有這些,使鐵路運(yùn)輸安全基礎(chǔ)建設(shè)面臨更為復(fù)雜和艱巨的挑戰(zhàn)。發(fā)達(dá)國(guó)家鐵路技術(shù)發(fā)展的實(shí)踐表明,隨著現(xiàn)代鐵路高速、重載和信息技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,安全技術(shù)己成為與一系列高新技術(shù)相互融合、彼此滲透、不可分割的先導(dǎo)技術(shù),研制和發(fā)展先進(jìn)的高質(zhì)量的運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)備和安全技術(shù)檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)成為鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。因此,在我國(guó)鐵路大發(fā)展的形勢(shì)下,強(qiáng)調(diào)運(yùn)輸設(shè)備的基礎(chǔ)作用,不失時(shí)機(jī)地進(jìn)行機(jī)輛設(shè)備的系統(tǒng)配套改進(jìn)和安全技術(shù)裝備的加強(qiáng),改善車輛狀態(tài),改善檢測(cè)裝備,提高安全保障能力,必將大大加強(qiáng)我國(guó)鐵路的安全基礎(chǔ)設(shè)備。[10]
在我國(guó)鐵路提速和重載和鐵路信息化管理的發(fā)展過(guò)程中,車輛行駛的安全問(wèn)題日益突出,對(duì)火車車軸質(zhì)量也提出了更高的要求。車軸是鐵路車輛上重要的運(yùn)動(dòng)部件,其狀態(tài)直接影響到車輛的運(yùn)行安全。車軸的尺寸檢測(cè)至關(guān)重要，對(duì)車軸的各關(guān)鍵尺寸以及精度的檢測(cè)非常重要,檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將直接影響到車軸的檢修質(zhì)量,當(dāng)前對(duì)車軸參數(shù)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄基本上還是靠手工完成,測(cè)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(duì)測(cè)量裝置,因效率低、差錯(cuò)率高、不便于信息化管理而不能滿足當(dāng)前的需要。與此同時(shí),由于列車向高速重載方向發(fā)展,導(dǎo)致工作量加大,根據(jù)車軸檢修質(zhì)量控制的需要,在調(diào)研國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備技術(shù)的基礎(chǔ)上,采用非接觸的激光位移傳感器檢測(cè)車軸尺寸更為方便，設(shè)計(jì)這套車軸尺寸檢測(cè)機(jī)。大大提高工作效率和檢測(cè)精度,其應(yīng)用必將為列車車軸的測(cè)量和檢修提供一種高精度、高效率的檢測(cè)手段,對(duì)于提高車軸的檢修質(zhì)量、推進(jìn)鐵路系統(tǒng)的計(jì)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。
1.2 課題研究的目的與意義
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新、生產(chǎn)水平的加速進(jìn)步，要求機(jī)械裝置的精度、速度也越來(lái)越高。軸類相關(guān)零件主要起到傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)的作用，并保證各部件性能的穩(wěn)定性，是各種機(jī)械裝置中應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用面最大、應(yīng)用程度最高的一種零件，諸如各類變速箱、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)部件、火車輪對(duì)系統(tǒng)等中都有軸類零件重要應(yīng)用。鑒于軸類零件的重要應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)其相關(guān)參數(shù)的高精度測(cè)量及檢測(cè)將對(duì)人員、生產(chǎn)安全等起到保障作用，《鐵路貨車輪對(duì)和滾動(dòng)軸承組裝檢修規(guī)則》中規(guī)定：貨車輪對(duì)檢修壓裝過(guò)程中軸頸的檢測(cè)工作量很大，一般情況下，一個(gè)車輛段一天檢修檢測(cè)50～100個(gè)輪對(duì)軸頸。另外，軸承內(nèi)圈與軸頸之間存在過(guò)盈配合，涉及到軸承與軸頸的測(cè)量精度問(wèn)題，而軸承作為標(biāo)準(zhǔn)件，在制造出廠時(shí)已標(biāo)注其精度，因此輪對(duì)軸頸軸徑測(cè)量存在必要性。目前，軸類零件的測(cè)量方法可分為機(jī)械測(cè)量法、氣動(dòng)法、超聲法、光學(xué)檢測(cè)法等，傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量法大都利用機(jī)械式測(cè)量工具，利用直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺等工具進(jìn)行機(jī)械接觸式測(cè)量方法容易使零件表面發(fā)生損傷或變形。氣動(dòng)法、超聲法等手工見(jiàn)表面粗糙度影響較大，線形范圍小，且精度不高，測(cè)量范圍小而有限，在實(shí)際測(cè)量檢測(cè)中得不到較廣的發(fā)展空間，應(yīng)用較少。機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)作為一種非接觸的、高精度的柔性坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)，可以滿足現(xiàn)代化制造領(lǐng)域?qū)z測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)新的更高的技術(shù)需要，文章基于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量原理對(duì)軸徑測(cè)量裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，通過(guò)模擬裝置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量、試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)顯示，此激光視覺(jué)軸徑測(cè)量裝置的測(cè)量方法簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，且適用于大尺寸軸徑測(cè)量。
通過(guò)該設(shè)計(jì)題目，不僅可以提高火車軸尺寸檢測(cè)的精度，可靠性。而且可以提高車輛的運(yùn)行安全。由于長(zhǎng)期、大量的重復(fù)性手工作業(yè)使工人極易產(chǎn)生疲勞，再加上目測(cè)的誤差等問(wèn)題使得手工測(cè)量的誤差較大，車軸尺寸檢測(cè)裝置的出現(xiàn)可以改變目前對(duì)參數(shù)測(cè)量的落后狀況，對(duì)提高車軸的尺寸檢測(cè)，推進(jìn)鐵路系統(tǒng)的發(fā)展和保障鐵路機(jī)車的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。[15]
1.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析
1.3.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析
在國(guó)內(nèi)在針對(duì)較大的大尺寸零件的車軸尺寸測(cè)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(duì)于這類量具普遍所具有的特點(diǎn)是從體積方面看較大、并且移動(dòng)笨重、使用時(shí)不方便，這些常用量具的測(cè)量精度在很大程度上取決于工人的技術(shù)水平，由此導(dǎo)致了精度不穩(wěn)定，最終難以達(dá)到對(duì)大尺寸零件的精度要求。由于長(zhǎng)期、大量的重復(fù)性手工作業(yè)使工人極易產(chǎn)生疲勞，再加上目測(cè)的誤差等問(wèn)題使得手工測(cè)量的誤差較大。目前，軸類零件的測(cè)量方法可分為機(jī)械測(cè)量法、氣動(dòng)法、超聲法、光學(xué)檢測(cè)法等，傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量法大都利用機(jī)械式測(cè)量工具，利用直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺等工具進(jìn)行機(jī)械接觸式測(cè)量方法容易使零件表面發(fā)生損傷或變形。氣動(dòng)法、超聲法等手工見(jiàn)表面粗糙度影響較大，線形范圍小，且精度不高，測(cè)量范圍小而有限，在實(shí)際測(cè)量檢測(cè)中得不到較廣的發(fā)展空間，應(yīng)用較少。國(guó)內(nèi)部分研究單位采用成像技術(shù)采用一個(gè)圖像傳感器,從車軸的一端運(yùn)行至另一端,讀出相關(guān)數(shù)據(jù)。主要存在問(wèn)題是對(duì)參數(shù)的檢測(cè)方法不符合規(guī)程,比如軸直徑等都無(wú)法符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)的重復(fù)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(cè)試尺寸。車軸尺寸檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，可以改變目前對(duì)火車軸尺寸參數(shù)測(cè)量的落后狀況，對(duì)提高車軸的尺寸檢測(cè)很有幫助。[9]
1.3.2 國(guó)外現(xiàn)狀分析
在國(guó)外，提高大尺寸零件的測(cè)量精度，當(dāng)前，大尺寸測(cè)量的精度的準(zhǔn)確性基本上可通過(guò)對(duì)機(jī)床的定期檢查來(lái)保證，并對(duì)調(diào)整機(jī)器的第一個(gè)檢查工具是嚴(yán)格保密，對(duì)大型部件長(zhǎng)度測(cè)量仍然繼續(xù)在采用以往的測(cè)量方法，傳統(tǒng)機(jī)械測(cè)量方法只能測(cè)量 7、8 級(jí)精度的零件，用來(lái)測(cè)量精密零件的儀器實(shí)際上是在國(guó)外都沒(méi)有現(xiàn)成的工具出售，而大尺寸零件的精度測(cè)量是確保重大技術(shù)裝備質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。國(guó)外有使用輪對(duì)測(cè)量機(jī)的先例,但檢測(cè)參數(shù)不多,功能比較簡(jiǎn)單,如美國(guó),是按照標(biāo)準(zhǔn)檢查部分項(xiàng)目,包括輪對(duì)跳動(dòng)、輪直徑、軸偏心。而一些車軸部分參數(shù)等都由人工檢測(cè),檢測(cè)要求的標(biāo)準(zhǔn)不高。在過(guò)去十年中，其他行業(yè)的飛速發(fā)展，如計(jì)算機(jī)，傳感技術(shù)等方面，都在不同程度的促進(jìn)著檢測(cè)機(jī)檢測(cè)水平的提高。當(dāng)前，檢測(cè)機(jī)已大量用于高精度的測(cè)量，以及數(shù)字化在線質(zhì)量控制的物理模型，測(cè)量形狀和位置等的三維復(fù)雜零件領(lǐng)域。它具有測(cè)量不同形狀和不同平面的空間的各方位的曲面結(jié)構(gòu)的能力，但也有數(shù)控機(jī)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(shù)，以實(shí)現(xiàn)一體化的設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)際專業(yè)咨詢公司的可靠數(shù)據(jù)表明，測(cè)量機(jī)銷售約 8％-24％的增長(zhǎng)率。發(fā)達(dá)國(guó)家有更高的增長(zhǎng)速度正在下降，約 6％-10％;發(fā)展中國(guó)家則 較低，但約14％-24％的增長(zhǎng)速度，不斷改進(jìn)。目前，美國(guó)，英國(guó)，德國(guó)，日本，意大利和其他工業(yè)國(guó)家都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)各類規(guī)格的測(cè)量機(jī)，以滿足不同場(chǎng)合的需要。[9]
1.4 發(fā)展趨勢(shì)
車軸尺寸零件的生產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，在很大程度上取決于所采用測(cè)量的方法和工具。國(guó)內(nèi)往往使用在重型機(jī)械制造業(yè)：大卡尺，千分尺及大型千分桿。這些常見(jiàn)的測(cè)量工具普遍體積大，笨重，使用不便，使其工人的技術(shù)水平對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生了很大影響，測(cè)量精度是非常不穩(wěn)定的，在國(guó)內(nèi)的大型零部件的尺寸測(cè)量，已引起廣泛關(guān)注，也是重型機(jī)械制造工藝及設(shè)備改造需要解決的技術(shù)問(wèn)題，更是我國(guó)機(jī)械行業(yè)的重點(diǎn)研究項(xiàng)目。發(fā)展趨勢(shì)如下：（1）利用微電子技術(shù)，依據(jù)工廠車間的實(shí)際情況，利用微電子技術(shù)，傳感器技術(shù)和大尺寸測(cè)量技術(shù)，建立一個(gè)大型的零部件尺寸測(cè)量系統(tǒng)，以提高測(cè)量精度。（2）對(duì)于大型零件的測(cè)量環(huán)境復(fù)雜，以及因手工測(cè)量操作大型部件的測(cè)量存在不可靠的因素，因此，采用非接觸式光點(diǎn)測(cè)量技術(shù)測(cè)量大尺寸部件將是大尺寸檢測(cè)發(fā)展的主要方向。機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)作為一種非接觸的、高精度的柔性坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)，可以滿足現(xiàn)代化制造領(lǐng)域?qū)z測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)新的更高的技術(shù)需要，基于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量原理對(duì)車軸尺寸測(cè)量裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，通過(guò)模擬裝置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量、試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)顯示，用激光位移傳感器測(cè)量車軸尺寸裝置測(cè)量方法簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，且適用于大尺寸軸徑測(cè)量。
2 火車車軸尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
2.1 概述
火車車軸應(yīng)按預(yù)先規(guī)定的工藝規(guī)程及技術(shù)要求完成,并應(yīng)符合《車輛輪對(duì)、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(cè)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(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新、生產(chǎn)水平的加速進(jìn)步，要求機(jī)械裝置的精度、速度也越來(lái)越高。軸類相關(guān)零件主要起到傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)的作用，并保證各部件性能的穩(wěn)定性，是各種機(jī)械裝置中應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用面最大、應(yīng)用程度最高的一種零件，諸如各類變速箱、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)部件、火車輪對(duì)系統(tǒng)等中都有軸類零件重要應(yīng)用。用激光位移傳感器測(cè)量技術(shù)作為一種非接觸的、高精度的柔性坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)，可以滿足現(xiàn)代化制造領(lǐng)域?qū)z測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)新的更高的技術(shù)需要，基于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量原理對(duì)軸徑測(cè)量裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，通過(guò)模擬裝置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量、試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)顯示，此激光視覺(jué)軸徑測(cè)量裝置的測(cè)量方法簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，且適用于大尺寸軸徑測(cè)量。
為適應(yīng)鐵道部火車車軸組裝和提速的需要, 新車統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的要求,實(shí)現(xiàn)火車軸尺寸參數(shù)自動(dòng)測(cè)量及各設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,提高設(shè)備檢測(cè)水平,保證火車軸檢修及組裝質(zhì)量。我們?cè)谡{(diào)研國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備技術(shù)的基礎(chǔ)上,采用非接觸的激光位移傳感器測(cè)量技術(shù),開(kāi)發(fā)研制了火車軸參數(shù)測(cè)量機(jī)。通過(guò)對(duì)火車軸參數(shù)的測(cè)量,解決了傳統(tǒng)人工測(cè)量存在的問(wèn)題同時(shí)可與其它工序共享所檢測(cè)的數(shù)據(jù),而且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全雙工通訊,可將測(cè)量數(shù)據(jù)直接存入輪軸系統(tǒng)。
2.2 主體設(shè)計(jì)
由基座、側(cè)翻機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，測(cè)量機(jī)構(gòu)組成，并配置激光位移傳感器，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及精密機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等一整套測(cè)量裝置。設(shè)計(jì)尺寸測(cè)量機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)為3900mm，寬為2880mm，高為4300mm，并配置激光位移傳感器，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及精密機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等一整套測(cè)量裝置，采用灰鐵鑄造框架結(jié)構(gòu),整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,機(jī)構(gòu)部分與檢測(cè)部分分離設(shè)計(jì),排除定位部分的壓力變形對(duì)檢測(cè)精度的影響，采用頂尖定位的方式,以滿足系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的要求主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布合理,穩(wěn)定性好。
2.3 火車車軸尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
圖2-1
1.上頂尖 2.激光位移傳感器 3.滑架 4.側(cè)翻底板 5.底座 6.側(cè)翻機(jī)構(gòu) 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(cè)翻底板
火車車軸尺寸檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)最主要的是要求車軸要豎直放置測(cè)量，如果車軸橫放頂尖夾緊后電機(jī)帶動(dòng)車軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在車軸自身重力的作用下會(huì)發(fā)生彎曲，使得測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，達(dá)不到測(cè)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(shè)計(jì)了一種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，它是由底座、三腳架、液壓拉桿等組成，可以實(shí)現(xiàn)將軸翻轉(zhuǎn)豎直測(cè)量。
翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將車軸豎直后，該機(jī)構(gòu)到達(dá)最大翻轉(zhuǎn)程度，翻轉(zhuǎn)托板成九十度，整個(gè)裝置繞著托板前端翻轉(zhuǎn)，三腳架可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)，拉桿繞著底座轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，側(cè)翻托板上的支撐點(diǎn)與側(cè)翻托板前端垂直，這樣就可以將水平的車軸側(cè)翻成豎直狀態(tài)。在翻轉(zhuǎn)前，4帶有液壓拉桿的活動(dòng)夾將車軸固定，在豎直狀態(tài)后，下部帶有液壓缸的頂尖對(duì)準(zhǔn)車軸中心孔，上部頂尖也下降至車軸中心孔，這時(shí)，4個(gè)活動(dòng)夾松開(kāi)，帶有摩擦輪的電機(jī)沿滑槽移動(dòng)至摩擦輪接觸到車軸之后，啟動(dòng)電機(jī)讓摩擦輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)車軸旋轉(zhuǎn)，帶有激光位移傳感器的上下滑架開(kāi)始工作，最后，完成測(cè)量工作。
用吊車準(zhǔn)確將被測(cè)車軸準(zhǔn)確平穩(wěn)地送入放軸凹槽，而將測(cè)量完畢的車軸平穩(wěn)送出測(cè)量裝置，當(dāng)車軸進(jìn)入預(yù)備工位時(shí)，工業(yè)計(jì)算機(jī)發(fā)出控制命令，由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)將車軸從平衡狀態(tài)推送至豎直狀態(tài)，車軸剛好進(jìn)入孔中，再由上下頂尖夾緊車軸，隨后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)頂尖旋轉(zhuǎn)，車軸也就隨之旋轉(zhuǎn)，使用上下滑架帶動(dòng)傳感器的移動(dòng)來(lái)測(cè)量車軸尺寸，當(dāng)車軸測(cè)量完畢后，計(jì)算機(jī)控制進(jìn)出總成的導(dǎo)出系統(tǒng)使翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)再次移動(dòng)將已測(cè)車軸平穩(wěn)送出測(cè)量工位整個(gè)進(jìn)出總成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與導(dǎo)入和導(dǎo)出控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致，避免了車軸進(jìn)入測(cè)量工位時(shí)對(duì)裝置造成的沖擊，并控制車軸的速度，防止發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)安全事故。
系統(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)吊車將被測(cè)車軸平穩(wěn)送入測(cè)量工位，電機(jī)控制頂尖旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)車軸按預(yù)定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，激光位移傳感器掃描車軸測(cè)量部位實(shí)時(shí)獲取車軸外形特征并反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)處理并根據(jù)測(cè)量算法得到車軸尺寸。驅(qū)動(dòng)總成安裝在測(cè)量裝置的基座上，其作用是通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出電脈沖信號(hào)，將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)機(jī)械裝置傳遞給頂尖，頂尖帶動(dòng)車軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以控制車軸的運(yùn)動(dòng)，配合傳感器準(zhǔn)確采集各軸段的信息，完成軸尺寸測(cè)量。
由基座、側(cè)翻機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，測(cè)量機(jī)構(gòu)組成，并配置激光位移傳感器，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及精密機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等一整套測(cè)量裝置，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及精密機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等一整套測(cè)量裝置，不是靠特制工具的手工測(cè)量方法。當(dāng)被測(cè)量車軸進(jìn)入測(cè)量裝置后，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制磨砂輪旋轉(zhuǎn)再帶動(dòng)車軸旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器在車軸的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中完成車軸尺寸的檢測(cè)。
3 火車車軸尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)液動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1液壓部分設(shè)計(jì)與計(jì)算
車軸尺寸測(cè)量系統(tǒng)的大部分動(dòng)作都由液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),因此液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)液壓站采用最新的液壓控制技術(shù),全部液壓系統(tǒng)采用進(jìn)口器件,保證液壓系統(tǒng)品質(zhì)優(yōu)良,液壓系統(tǒng)的每個(gè)動(dòng)作都由可調(diào)節(jié)的減壓閥來(lái)控制,可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況調(diào)節(jié)各部分動(dòng)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中， 選擇拉桿型液壓缸，前后端蓋與缸筒用四根拉桿來(lái)連接，前后端蓋為正方形、長(zhǎng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、零件通用化程度較高，但是，受到行程長(zhǎng)度、缸筒內(nèi)徑和額定壓力的限制。如缸筒內(nèi)徑過(guò)大和額定壓力偏高時(shí)，因拉桿材料強(qiáng)度的要求，選取大直徑拉桿，但徑向尺寸不允許拉桿直徑過(guò)大。
3.1.1液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算與選取
火車軸質(zhì)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(zhì)量M＝1200kg
升降平臺(tái)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(tái)上升工況的最大負(fù)載F＝Mg＝120010＝12000N
液壓缸的機(jī)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(fù)載下的工作壓力
負(fù)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(shè)計(jì)與計(jì)算
（1）液壓缸內(nèi)徑D的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)值后，得液壓缸內(nèi)徑D=80mm
表3-2 液壓缸內(nèi)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(jì)算
本設(shè)計(jì)的內(nèi)徑D為80mm，查液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)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(qiáng)度，但為安全起見(jiàn)我們還要進(jìn)行校核。
由于D=80mm，外徑D1=95mm，則/D=0.094<0.25，可按第一強(qiáng)度理論，即按照薄壁圓筒的中徑公式計(jì)算，則有：
式中： --缸筒壁厚；
D—缸筒內(nèi)徑；
Pmax—缸筒的試驗(yàn)壓力，液壓缸的額定壓力Pn<16MPa時(shí)的Pmax=1.5Pn，液壓缸的額定壓力Pn>16MPa時(shí)的Pmax=1.25Pn；
[]—材料的許用壓力。
b為材料的抗拉強(qiáng)度，n=3.5—5，這里n取5。選用45號(hào)鋼，并且調(diào)質(zhì)241~285HB，查工程力學(xué)可知45號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)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?yàn)?.5mm>0.8mm，故強(qiáng)度足夠。
3.1.3 活塞桿的設(shè)計(jì)與計(jì)算
活塞桿是液壓缸傳遞動(dòng)力的主要部件，它要承受拉力、壓力、彎力和震動(dòng)沖擊等多種作用，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。
（1）活塞桿直徑的計(jì)算
根據(jù)活塞桿受力狀況來(lái)確定，一般受拉力作用時(shí)，d=0.3~0.5D。
受壓力作用時(shí)P<5MPa時(shí)，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(yīng)力，，s為材料的抗力強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，一般取n>1.4。
由45號(hào)鋼的許用應(yīng)力MPa，F(xiàn)=5000N
得d>0.0043m，而d=40mm，故活塞桿強(qiáng)度符合要求。
按彎曲穩(wěn)定性校核
當(dāng)活塞桿全部伸出后，活塞桿外端到液壓缸支撐點(diǎn)之間的距離l>10d時(shí)，應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。
按材料力學(xué)理論，當(dāng)一根受壓直桿的軸向載荷F超過(guò)臨界受壓載荷Ff時(shí)，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(zhǎng)度、剛度以及兩端支撐狀況有關(guān)。Fk的相關(guān)計(jì)算如下：
由公式 Fk=
式中 l---活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度；
N---端點(diǎn)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(zhuǎn)動(dòng)慣量，實(shí)心桿的J=。
而 J=，
故 Fk==46.2kN，
而 F=5kN<=11.55kN（當(dāng)nk取4時(shí)），
故活塞桿彎曲穩(wěn)定性符合要求。
3.1.4 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H的確定
當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，從活塞桿支撐面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)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(shè)計(jì)是必須保證液壓缸有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，對(duì)于一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度應(yīng)該滿足下式要求：
H=
式中 L---最大工作行程；
D---缸筒內(nèi)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(jì)算：B=（0.6~1.0）D=（48~80）mm
取B=60mm。
導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1電機(jī)的選型設(shè)計(jì)
在火車車軸尺寸檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中，要用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)摩擦輪帶動(dòng)車軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行尺寸檢測(cè)，那么對(duì)于電機(jī)的選擇至關(guān)重要，檢測(cè)需要滿足高精度的要求。選擇伺服電機(jī)還是步進(jìn)電機(jī)，也會(huì)影響檢測(cè)的精度，步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的性能比較如下：
步進(jìn)電機(jī)作為一種開(kāi)環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)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(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。
（1）控制精度不同?
兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為?1.8°、0.9°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72?°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)細(xì)分后步距角更小。如山洋公司（SANYO?DENKI）生產(chǎn)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)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(jìn)電機(jī)的步距角。?
交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以京伺服（KINGSERVO)全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。
（2）低頻特性不同?
步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。
（3）矩頻特性不同?
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。???
（4）過(guò)載能力不同?
步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以京伺服（KINGSERVO)交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。
（5）運(yùn)行性能不同
步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。???
（6）速度響應(yīng)性能不同?
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）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(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)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(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)火車軸旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、高精度檢測(cè)的要求，因此，我選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，選擇的電機(jī)型號(hào)是GYS500D5-B2，它可以實(shí)現(xiàn)低速平穩(wěn)運(yùn)行，在電機(jī)軸上安裝齒輪，用齒輪進(jìn)行減速，電機(jī)減速后帶動(dòng)磨砂輪旋轉(zhuǎn)，再帶動(dòng)車軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行檢測(cè)。
齒輪的計(jì)算
電機(jī)型號(hào)GYS500D5-B2，轉(zhuǎn)速nm=1440 r/min，功率為1kw。車軸豎直夾在頂尖中，電機(jī)需要帶動(dòng)摩擦輪旋轉(zhuǎn)，摩擦輪再帶動(dòng)車軸旋轉(zhuǎn)。
（1）總傳動(dòng)比
（2）分配傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比：
式中分別為帶傳動(dòng)和減速器的傳動(dòng)比
為使V帶傳動(dòng)外廓尺寸不致過(guò)大，初步取(實(shí)際的傳動(dòng)比要在設(shè)計(jì)V帶傳動(dòng)時(shí)，由所選大小帶輪的標(biāo)準(zhǔn)直徑之比計(jì)算)，則減速器的傳動(dòng)比為：
（3）分配減速器的各級(jí)傳動(dòng)比
按展開(kāi)式布置，考慮潤(rùn)滑條件，為使兩級(jí)大齒輪直徑相近，由經(jīng)驗(yàn)公式：
取
且有
得
（4）選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料和齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動(dòng)方案，選用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2）運(yùn)輸機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用7級(jí)精度（GB10095-88）
3）選擇材料。選擇齒輪材料為40Ｇr（調(diào)質(zhì)），硬度289HBS,大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），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(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行計(jì)算，即
確定公式內(nèi)的各計(jì)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(jì)算大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
大齒輪的轉(zhuǎn)矩可視為與軸I的輸出轉(zhuǎn)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(qiáng)度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=600MPa;大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為=550MPa;
8）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
9)由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù),
10)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，
許用接觸應(yīng)力
計(jì)算
1）計(jì)算小齒輪分度圓直徑，代入的值
2）計(jì)算圓周速度v
3）計(jì)算齒寬b
4)計(jì)算齒寬和齒高之比
模數(shù)：
齒高：
5)計(jì)算縱向重合度
6）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=1.592m/s,7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)
用插值法查得，7級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱分布時(shí)，
查得
查得,故載荷系數(shù)
7)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，得
8）計(jì)算模數(shù)
（6）根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
確定計(jì)算參數(shù)
1） 計(jì)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(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
4）查齒形系數(shù)
,
5)查應(yīng)力校正系數(shù)
,
6)查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
7）取彎曲疲勞系數(shù),
8）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得
9）計(jì)算大小齒輪的,并加以比較
大齒輪的數(shù)值較大
設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算法面模數(shù)大于齒面彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算帶模數(shù)，去，以滿足彎曲強(qiáng)度。但為了同時(shí)滿足接觸疲勞強(qiáng)度算得分度圓直徑，來(lái)計(jì)算齒數(shù)。于是有，
取，則
（7）幾何尺寸計(jì)算
1）計(jì)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(jì)算大小齒輪分度圓直徑
4）計(jì)算齒輪寬度
圓整后取,
4.2 頂尖心軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.2.1 頂尖的計(jì)算
頂尖處的受力：火車車軸的質(zhì)量1000kg，所以受到向下的車軸重力為10000N，為了安全因素，設(shè)計(jì)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(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
4.2.2 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=
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=
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
4.2.3 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
4.2.4 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：
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(shè)，
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，裝配完成后頂尖伸出部分為50mm，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400mm。
4.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核
圖4-2 側(cè)翻機(jī)構(gòu)
圖4-3 側(cè)翻機(jī)構(gòu)
火車車軸尺寸檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)要求車軸要豎直放置測(cè)量，車軸豎直放置還不能損壞車軸表面，因此我設(shè)計(jì)了一種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，它是由底座、三腳架、液壓拉桿等組成，可以實(shí)現(xiàn)將軸翻轉(zhuǎn)豎直測(cè)量。
它的底座采用灰鐵鑄造框架結(jié)構(gòu),整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中桿件的強(qiáng)度、剛度非常重要。
為了保證桿在機(jī)構(gòu)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(zhì)中碳機(jī)構(gòu)鋼，只有在特別強(qiáng)化且產(chǎn)量不大的汽油機(jī)中用40Cr等合金鋼。合金鋼有較高的綜合機(jī)械性能，但當(dāng)存在產(chǎn)生應(yīng)力集中的因素時(shí)，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(shè)計(jì)、過(guò)度圓滑性、毛坯表面質(zhì)量下降等，必須給以更多的注意，才能充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)材料的潛力。設(shè)計(jì)三腳架的尺寸為600mm，500mm，150mm，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)單獨(dú)桿件長(zhǎng)為900mm。
火車軸質(zhì)量m＝1000kg 但是考慮安全系數(shù) 取m＝1200kg
車軸的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由兩對(duì)拉桿式液壓缸組成，所以校核一側(cè)的安全強(qiáng)度即可：
m=300kg G=3000N 三腳架桿件設(shè)計(jì)直徑為100mm
桿件的橫截面積為： S==3.14=7850
3000N