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遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第48頁
火車車廂用推車機設計
摘 要
火車車廂用推車機亦稱撥車機或推車機，是翻車機卸車線成套輔助設備之一，采用活動配重式撥車臂俯仰機構，用于牽引重車列和將一輛或兩輛礦車推入翻車機內進行翻卸,同時將翻車機內的礦車頂出。撥車機是實現(xiàn)翻車機系統(tǒng)高效自動化的關鍵設備，可用來撥送多種鐵路敞車，并使其在規(guī)定的位置上定位，以便翻車機完成翻卸作業(yè)。本文根據(jù)設計要求制定了設計方案，對撥車機機構進行了結構設計，并對其內部主要零部件進行了設計、選擇和強度計算，內容包括主電動機功率的選擇，齒輪、鍵、聯(lián)軸器、車輪、銷軸、撥鉤拉桿、液壓缸以及彈簧的設計和校核，同時還闡述了潤滑的方式、方法以及潤滑劑的選擇等。本套撥車機結構合理、成本低廉、且便于安裝和維護，可廣泛應用于碼頭、鋼廠、電廠、焦化廠等大型企業(yè)散裝物料輸送系統(tǒng)上。
關鍵詞：撥車機；翻車機；撥車臂
Train compartment with a cart machine design
Abstract
Train cars used for cars, also known as a cart-pusher machine or machines, is the car dumper lines set one of the auxiliary equipment, re-use activities with pitching arm for cars, heavy trucks are used for traction and will be one or two Tramcar vehicles into the dumper up within the unloading, while the tipper to mine roof can be used to be sent to a variety of rail gondola, and to give them the provisions of the targeted position, in order to complete the tipper up unloading operations. For car-tipper system is the key to achieve efficient automation equipment, has been on the pier, steel mills, power plants, coking plants and other large enterprises bulk material handling systems were widely used. Based on the design calls for the design of the cars allocated for the structural design of institutions, and its main internal components for the design, selection and strength calculation, including the main electrical power of choice, gear, keys, coupling And the wheels, Pin, for hook drawbars, hydraulic cylinders, as well as the design and verification of Spring, also expounded the lubrication of the ways and methods of selection and lubricants. Finally, the design of the feasibility of the economic analysis, through analysis, it can be concluded that this is designed to meet the design requirements.
Key words: Allocated car machine; tipper; allocated to arm
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 撥車機概論 1
1.2 選題背景 1
1.3 同類設備的分析比較 2
1.3.1 液壓鋼絲繩式推車機 2
1.3.2 銷齒推車機成套操車設備 3
1.3.3 新型礦山操車動力系統(tǒng) 4
1.4 撥車機設計參數(shù) 4
2 總體方案設計 6
2.1撥車機工作原理及機能 6
2.1.1 撥車機的作用與原理 6
2.1.2 撥車機工作機能 6
2.2 撥車機工作過程 7
2.3 撥車機必備條件 7
2.4 撥車臂結構 7
3 撥車機的設計 8
3.1 電機的選擇 8
3.1.1 計算電機所需功率 8
3.1.2 電機的選擇 9
3.2 主傳動齒輪設計及校核 10
3.2.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 10
3.2.2 按齒面接觸強度設計 10
3.2.3 按齒根彎曲強度設計 12
3.2.4 直齒輪傳動幾何尺寸的計算 14
3.3 鍵的選擇和校核 14
3.3.1 鍵的基本概況及鍵的選擇 14
3.3.2 選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 15
3.3.3 校核鍵聯(lián)接的強度 16
3.4 聯(lián)軸器的選擇 16
3.4.1 聯(lián)軸器概述 16
3.4.2 彈性柱銷聯(lián)軸器 17
3.4.3 彈性柱銷聯(lián)軸器的強度計算 17
3.5 撥車機車輪的強度校核 19
3.6 撥車臂銷軸的設計和校核 20
3.6.1 銷軸的設計 20
3.6.2 銷軸的校核 21
3.7 撥車臂撥鉤拉桿的設計和校核 22
3.7.1 撥車臂的主要作用 22
3.7.2 拉桿的設計和校核 23
3.7.3 軸肩圓角的選擇和校核 23
3.8 液壓缸的設計和校核 25
3.8.1 液壓缸的組成 25
3.8.2 設計依據(jù)和設計步驟 27
3.8.3 確定基本參數(shù) 27
3.8.4 液壓缸強度校核與結構計算 30
3.8.5 缸底厚度的計算 31
3.8.6 液壓缸蓋固定螺栓直徑校核 32
3.8.7 穩(wěn)定性計算 32
3.9 彈簧的設計和校核 33
3.9.1 基本參數(shù) 33
3.9.2 彈簧的設計和校核 33
4 試車方法和對控制系統(tǒng)的要求 37
4.1 試車要求 37
4.2 對計算機的要求 37
4.3 對傳動控制系統(tǒng)的要求 37
4.4 對電機的要求 37
5 設備維修、安裝、潤滑及密封 39
5.1 設備維修 39
5.2 機械設備的安裝 39
5.3 潤滑 39
5.3.1 潤滑的方法 39
5.3.2 潤滑的作用 39
5.3.3 潤滑油的選擇 39
5.3.4 潤滑脂的選擇 40
5.3.5 齒輪的潤滑 40
5.3.6 軸承的潤滑 40
5.3.7 其他潤滑 41
5.4 密封 41
6 經(jīng)濟性與可靠性分析 42
6.1 設備的經(jīng)濟性 42
6.2 設備的可靠性 42
6.3 設備的有效度 42
結 束 語 44
致 謝 45
參 考 文 獻 46
1 緒論
1.1 撥車機概論
火車車廂用推車機亦稱撥車機或推車機，是翻車機卸車線成套輔助設備之一，采用活動配重式撥車臂俯仰機構，用于牽引重車列和將一輛或兩輛礦車推入翻車機內進行翻卸,同時將翻車機內的礦車頂出?？捎脕頁芩投喾N鐵路敞車，并使其在規(guī)定的位置上定位，以便翻車機完成翻卸作業(yè)。撥車機是實現(xiàn)翻車機系統(tǒng)高效自動化的關鍵設備，目前已經(jīng)在碼頭、鋼廠、電廠、焦化廠等大型企業(yè)散裝物料輸送系統(tǒng)上獲得廣泛應用。
圖1.1 撥車機
撥車機是翻車機系統(tǒng)中主要調車設備之一，它走行于鐵路一側，通過側臂頭部的車鉤牽引和推送車輛。
撥車機主要有兩種形式：一種為齒輪齒條式驅動；另一種為鋼絲繩牽引驅動。本次設計研究的是第一種——齒輪齒條式驅動撥車機。
現(xiàn)有列車推車機根據(jù)牽引結構的不同,可分為板鏈、鋼絲繩及圓環(huán)鏈三種主要列車推車機,均為鏈式或繩式結構,可稱為鏈式列車推車機。
1.2 選題背景
隨著生產的自動化和連續(xù)化發(fā)展，鋼鐵企業(yè)對冶煉生產過程中各種設備的要求更加嚴格，更加精確。國內幾家鋼鐵企業(yè)的煉鐵廠也都在尋求實現(xiàn)自動化、連續(xù)化的途徑。
高爐生產原料準備過程是煉鐵生產效率提高的關鍵所在。原料從料場由火車運至高爐冶煉區(qū)，然后由C型翻車機或O型翻車機將來料倒進料坑。以往采用火車動力車將車廂一節(jié)一節(jié)地推進翻車機，這樣既浪費資源，又對機車的損耗很大，對環(huán)境的危害也很大。而且火車動力機車的重復起制動會大大的縮短火車的壽命，并且，推車位置的精度也很難保證。
本套火車用推車機可以很好的解決這個難題?；疖囃栖嚈C通過齒輪齒條的嚙合，帶動車體的往返行進，從而，帶動車體上的撥車臂行進，撥車臂通過掛鉤與火車車廂聯(lián)接，將車廂拉進翻車機。
本套設備已經(jīng)在鞍山鋼鐵集團煉鐵廠應用，通過現(xiàn)場情況的反饋，對火車推車機有很高的評價，大大地縮短了來料的供給時間，有效的提高了高爐煉鐵的效率。
1.3 同類設備的分析比較
1.3.1 液壓鋼絲繩式推車機
1.液壓鋼絲繩式推車機的功能
此類操車能夠實現(xiàn)操車設備的聯(lián)動閉鎖,系統(tǒng)具有故障自動檢測功能,當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,可自動發(fā)出報警信號并打印故障清單;采用LED大屏幕顯示模擬車輛設備的運行狀況;通過計數(shù)器或傳感器實現(xiàn)固定點自動停車,防止推車過位;推車機運行前,實現(xiàn)先告警,后運行;采用軟啟動,具有牽引平穩(wěn)、沖擊小、過載時自動卸荷等特點;具有手動、點動(檢修)轉換按鈕,正常操車時將按鈕處于手動位置,檢修處于點動位置;緊急情況下可采用操車急停按鈕,實現(xiàn)緊急停車。
2. 液壓鋼絲繩式推車機的工作原理
該機將牽引鋼絲繩布置于軌道中間,與軌道中間的推車器前后連接,鋼絲繩通過前部和后部的導向輪,使上下繩分開,液壓馬達驅動輪運轉帶動鋼絲繩運行,使推車機沿著固定的滑道前后運行,實現(xiàn)推車和調車作業(yè)。
下圖為液壓鋼絲繩式推車機布置圖,它是由阻車器1、繩輪2、鋼絲繩3、鋼絲繩驅動裝置4、拉緊裝置5、推車器6、推車器軌道系統(tǒng)和電氣控制裝置構成。繩輪、鋼絲繩驅動裝置和張緊裝置分別安裝在基礎上,推車器軌道系統(tǒng)安裝在車輛軌道內側的基礎上,推車器沿推車器軌道系統(tǒng)運行,鋼絲繩穿繞安裝于軌道中間的繩輪,繩端連接在推車器上形成一個閉合的繩環(huán),電氣控制裝置控制鋼絲繩驅動裝置,在推車器的兩側設有承載輪,承載輪在推車器軌道系統(tǒng)中運行,鋼絲繩驅動裝置由驅動滾筒和液壓馬達組成。
1—阻車器; 2—繩輪; 3—鋼絲繩; 4—鋼絲繩驅動裝置; 5—張緊裝置; 6—推車器
圖1.2 液壓鋼絲式推車機布置圖
張緊裝置使纏繞在驅動輪上的鋼絲繩與驅動滾筒表面之間產生張力,當液壓馬達帶動滾筒轉動時,使鋼絲繩與驅動滾筒同步運動,從而使推車器沿軌道系統(tǒng)前后運行。推車機工作前,運行車輛處于兩阻車器之間,前阻車器打開、后阻車器關閉。操作人員通過電氣控制裝置控制推車機的啟動、停止,調節(jié)推車速度。
該裝置采用液壓集中控制,動力單一,結構簡單,造價低廉,運行穩(wěn)定可靠,維修方便,且可減少施工人員,生產安全,可作為實現(xiàn)操車作業(yè)機械化的一個重要途徑。
1.3.2 銷齒推車機成套操車設備
礦井成套操車設備主要用于各種罐籠提升的井上下車場的罐籠內裝卸礦車，實現(xiàn)礦車裝罐、卸罐、定位、調運等功能。銷齒推車機成套設備形式新穎，一機多用，操車機構運行由傳動齒輪直接驅動，傳動環(huán)節(jié)少，效率高，結構簡單，克服了鏈式推車機結構復雜，易損壞，不便維修的缺點；操車裝置采用低速大扭距液壓馬達直接驅動，運行平穩(wěn)，緩沖撞擊，停位準確，過載自動保護性能好。集中控制使用可編程序控制系統(tǒng)，邏輯閉鎖，控制方式以一個選擇開關配合一組按鈕控制全部操車設備。主要包括TB型銷齒推車機、YC型搖臺、ZC型阻車器和ML型安全門。YBC型銷齒推車機成套操車設備集中液壓系統(tǒng)、DBC型銷齒推車機成套操車設備電控信號裝置等部分組成。
銷齒推車機由一系列在軌道上的銷齒小車組成，銷齒小車底部在全長內設置等距離的銷軸，鏈板上安裝有操車使用的推爪和拉爪，推爪推礦車碰頭，拉爪作用于礦車車軸或擋板。推車機推爪的尾端與銷齒小車鉸接，推爪抬起推礦車碰頭；拉車器拉爪的尾端與銷齒小車鉸接，拉爪的中部安裝一個滾輪，當該滾輪經(jīng)過軌道上固定的啟爪曲軌時，拉爪自動抬起，其頭端拉礦車車軸。操車裝置的推爪或拉爪在礦車沿進車方向經(jīng)過時碰到，銷齒小車往返運行時可以在礦車下面通過。
十幾年來，操車設備經(jīng)過不斷改造、更新、換代，從傳統(tǒng)的鏈式氣動設備到電液推桿驅動和直線電動圓環(huán)鏈推車機的操車設備但仍滿足不了生產現(xiàn)場不同工況的使用要求。銷齒推車機成套操車設備的研制成功，實現(xiàn)了機、電、液一體化的設計，集中控制、多功能連鎖、閉鎖、通訊裝置安全可靠性得到了解決，系統(tǒng)做到了設備簡單化，操作智能化，運行自動化，操作工藝簡單，結構緊湊，簡化了礦井車場布置，解決了多年來存在的操車工藝復雜且需要人工輔助操車和布置形式受條件限制的難題，提高了工作效率和生產現(xiàn)場的安全性。
1.3.3 新型礦山操車動力系統(tǒng)
YKC型銷齒操車集中液壓系統(tǒng)由液壓站、工作油缸、液壓馬達及管路部分組成。采用1臺液壓站(雙電機雙泵)作為動力源,雙泵1臺工作、1臺備用。系統(tǒng)具有工作卸荷功能,操車設備不動作時電動機空負荷運轉,節(jié)約電能。系統(tǒng)壓力和流量均可調節(jié),與可編程序控制器聯(lián)動控制時,操車設備運行速度可根據(jù)一次提升循環(huán)時間的要求設定最佳值。系統(tǒng)還設有蓄能器作為輔助液壓源,在停電時,操車設備仍可完成一次工作循環(huán)。另具有高壓、溫度、液位自動保護及緊急卸荷等功能。該操車集中液壓系統(tǒng)可以用于搖臺、安全門、前阻車器、推車機、后阻車器等設備控制,既可控制單股道設備,也可控制雙股道設備。此外,液壓站上還留有2~4個備用接口,用戶可自行接入其它需要控制的設備液壓站采用標準化、結構化、模塊化的設計,安裝、維護以及系統(tǒng)功能擴充極為方便。推車機采用液壓制動,慣性小、停位準確、推爪的重復定位精度高,易于采用可編程序控制器對其進行精確行程控制。推車機直接用液壓馬達驅動,其傳動裝置極為緊湊,不需要電動機減速器裝置結構復雜的設備基礎,省去專門安裝傳動裝置的硐室,亦從根本上消除電動機減速器裝置的某些弊病。
1.4 撥車機設計參數(shù)
牽引噸位（平直線路）————1000t
工作速度：牽引———————0.6m/s
掛鉤———————0.3m/s
返回———————1.4m/s
驅動電機：型號———————YP280M-8
功率———————45kw
額定轉數(shù)—————740r/min
臺數(shù)———————4 臺
2 總體方案設計
2.1 撥車機工作原理及機能
2.1.1 撥車機的作用與原理
撥車機的作用是將重載鐵路車皮牽引至翻車位置,翻車機開始翻卸,然后將空載車皮撥出翻車機。撥車機主要由車體、撥車臂和行走部分組成。它的行走部分由四臺直流電動機及四臺立式擺線減速機、車輪、導向輪組成,通過齒輪、齒條傳動來完成車體的前進和后退。而撥車臂的一端是鉸接在車體上,由液壓系統(tǒng)控制,通過擺動馬達和平衡液壓缸來驅動,使撥車臂能在0~93°24′17″的范圍內做上下擺動，如圖2.1所示。撥車臂另一端的兩側面分別裝有牽引車皮的鉤頭,脫鉤和掛車的過程都是由液壓系統(tǒng)來控制的。
1-鉤頭;2-撥車臂;3-平衡液壓缸;4-支架;5-車體;6-導向輪;
7-齒條座;8-齒條;9-鐵軌;10-行走車輪
圖2.1 撥車機撥車臂動作示意
2.1.2 撥車機工作機能
當翻車機系統(tǒng)工作時,撥車機的液壓系統(tǒng)啟動,在擺動馬達及平衡油缸驅動下,將位置在93°24′17″的撥車臂降至0°,牽引重車皮到翻車位置,此時翻車機的靠車板及夾具將車皮固定,撥車機通過液壓系統(tǒng)自動脫鉤后,前行至抬臂位置,將撥車臂抬至原始位置后返回原牽引位置,進行下一個工作循環(huán)。
2.2 撥車機工作過程
撥車機在原位降大臂，后退與重車連掛，信號顯示后鉤閉合，然后撥車機牽引重車前行與翻車機平臺上的空車連掛，信號顯示前鉤閉合并繼續(xù)前行，至人工提鉤站自動停車，人工摘鉤后按循環(huán)啟動撥車機繼續(xù)前行至翻車機內定位自動停止，自動摘后鉤銷（撥車機與重車連掛鉤銷）顯示后鉤打開信號后繼續(xù)前行，將空車送至遷車臺定位，自動摘前鉤銷（撥車機與空車連掛鉤銷）顯示前鉤打開信號后返回至撥車機抬臂位置，待所有設備都回到原位后再進行下一個循環(huán)過程。
2.3 撥車機必備條件
1. 撥車機的撥車臂必須按指令程序動作,并且升降平穩(wěn)自如,不能有鎖卡、停滯和沖擊現(xiàn)象。
2. 撥車臂上的鉤頭必須在液壓系統(tǒng)的控制下完成自動掛車和自動脫鉤動作,要求鉤頭轉動靈活,不能犯卡。
3. 撥車機的行車系統(tǒng)必須具有足夠的動力來牽引載重車皮和空載車皮并且撥出翻車機,同時要求運行平穩(wěn)。
4. 撥車機的每個動作都必須在微機的指令程序控制下自動完成。只有具備上述條件,才能滿足翻車機的工作需要。
2.4 撥車臂結構
撥車機上帶動活動配重的大臂俯仰機構包括：由車體上的支架，配重臂、配重拉桿、大臂體分別鉸接構成的平行四連桿機構的大臂平衡裝置和由安于支架上的回轉油缸、驅動臂、驅動拉桿、大臂體分別鉸接構成的曲柄搖桿機構的大臂驅動裝置組成。撥車機的大臂與配重臂兩者通過配重拉桿相連接，構成平行連桿式活動配重機構；齒條油缸通過驅動臂連接曲柄搖桿，曲柄搖桿與大臂連接構成驅動連桿，實施后，可使撥車機上的大臂俯仰機構實現(xiàn)俯仰動作快速，平穩(wěn)、無沖擊、定位準確且安全可靠地運行以及降低功耗和具有結構簡單,使用和維護方便等優(yōu)點。
3 撥車機的設計
3.1 電機的選擇
選擇電動機的容量是電力傳動系統(tǒng)能否經(jīng)濟和可靠運行的重要問題。如果電動機容量太小，長期處于過載運行，造成電動機絕緣裝置過早的損壞；如果容量過大，不僅造成設備上的浪費，而且運行效率又較低，對電能的利用也很不經(jīng)濟。所以，要綜合各方面的因素，選擇合適的電動機。
電動機的選擇范圍應該包括：電動機的種類、型式、容量、額定電壓、額定轉速及其各項經(jīng)濟指標等，而且對這些參數(shù)還應該綜合進行考慮。
3.1.1 計算電機所需功率
已知
——車輪滾動軸承的摩擦系數(shù)，?。?.015；
——車輪對軌道的滾動摩擦系數(shù)，?。?.8mm;
——車輪軸軸頸直徑，取撥車機=100mm; 火車=120mm;
——車輪直徑，取撥車機＝500mm, 火車=600mm；
——考慮車輪輪緣對軌道摩擦的系數(shù)，可?。?。
則撥車機車輪的阻力系數(shù)
＝
＝0.0186
火車車輪的阻力系數(shù)
＝0.017
當返回空載時
當滿載前進時
當空載返回時
當滿載牽引時
取電機效率 ＝0.93
則所需電機功率為
3.1.2 電機的選擇
根據(jù)所需的電動機功率，查文獻[1,40-115]附表40-1，可選YP2 280M－8型電動機共4臺，額定功率，額定轉速 。本系列電機是按國際電工委員會標準全國統(tǒng)一設計的新系列產品，適用于傳動無特殊性能要求的各種機械設備。電動機采用B級絕緣，外殼防護等級為，冷卻方式為IC0141即全封閉自扇冷式。
3.2 主傳動齒輪設計及校核
3.2.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1. 考慮到本套設備的傳動方案以及其他因素，選用直齒圓柱齒輪傳動。
2. 由于撥車機工作速度不高，故選用7級精度（GB 10095－88）。
3．材料選擇。查文獻[2，10-191]表10-1選擇齒輪材料為40Cr（調質），硬度為
280HBS。
4. 選齒輪齒數(shù) z=31。
3.2.2 按齒面接觸強度設計
由設計計算公式,查文獻[2,10-203]式10－9a進行試算，即
1. 確定公式內的各計算數(shù)值
(1) 試選載荷系數(shù)。
(2) 計算齒輪傳遞的轉矩。
已知電機功率 P=45kw，選取減速器的傳動效率
則齒輪軸輸入功率
且齒輪轉速
因此齒輪傳遞的轉矩
(3) 查文獻[2,10－205]表10－7選取齒寬系數(shù)
(4) 查文獻[2,10－201]表10－6查得材料的彈性影響系數(shù)
(5) 查文獻[2,10－209]圖10－21d按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限
(6) 查文獻[2,10－206]式10－13計算應力循環(huán)次數(shù)。
撥車機工作制度為：兩班制，8小時工作量，年工作300天，使用年限15年。
則
(7) 查文獻[2,10－207]圖10－19取接觸疲勞壽命系數(shù) 。
(8) 計算接觸疲勞許用應力。
取失效概率為，安全系數(shù)S=1,由文獻[2,10－205]式10－12得
2．計算
(1) 試算齒輪分度圓直徑。
(2) 計算圓周速度。
(3) 計算齒寬。
(4) 計算齒寬與齒高之比。
模數(shù)
齒高
(5) 計算載荷系數(shù)。
根據(jù)，7級精度，由文獻[2,10－194]圖10－8查得動載系數(shù);
直齒輪, ;
由文獻[2,10－193]表10－2查得使用系數(shù)；
由文獻[2,10－196]表10－4用插值法查得7級精度、齒輪懸臂布置時,。
由，，查文獻[2,10－198]圖10－13得
故載荷系數(shù)
(6) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由文獻[2,10－204]式10－10a
得
(7) 計算模數(shù)m 。
3.2.3 按齒根彎曲強度設計
由文獻[2,10－201]式10－5得彎曲強度的設計公式為
1. 確定公式內的各計算數(shù)值
(1) 由文獻[2,10－208]圖10－20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限
(2) 由文獻[2,10－206]圖10－18取彎曲疲勞壽命系數(shù)
(3) 計算彎曲疲勞許用應力。
取彎曲疲勞安全系數(shù)，由文獻[2,10－205]式10－12得
(4) 計算載荷系數(shù)K。
(5) 查取齒形系數(shù)。
由文獻[2,10－200]表10－5查得
(6) 查取應力校正系數(shù)。
由文獻[2,10－200]表10－5查得
2. 設計計算
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決
于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關，綜合考慮取齒輪模數(shù)m＝12mm 。
這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。
由此可算出齒輪的分度圓直徑
3.2.4 直齒輪傳動幾何尺寸的計算
名稱 代號 計算公式 數(shù)值
模數(shù) m 12
壓力角
分度圓直徑 372
齒頂高 12
齒根高 15
齒全高 27
齒頂圓直徑 396
齒根圓直徑 342
基圓直徑 349.566
齒距 37.699
基圓齒距 35.425
齒厚 18.850
齒槽寬 18.850
頂隙 3
節(jié)圓直徑 (當中心距為標準中心距時)
3.3 鍵的選擇和校核
3.3.1 鍵的基本概況及鍵的選擇
鍵是一種標準零件，通常用來實現(xiàn)軸與輪轂之間的軸向固定以傳遞轉矩，有的還能
實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動的導向。鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方
面。鍵的類型應根據(jù)鍵聯(lián)接的結構特點、使用要求和工作條件來選擇；鍵的尺寸則按符
合標準規(guī)格和強度要求來取定。所以，鍵的選擇很重要。重要的鍵聯(lián)接在選出鍵的類型
和尺寸后，還應進行強度校核計算。
鍵聯(lián)接的類型主要有：平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。各種鍵聯(lián)接類型的特點如下：
1. 平鍵可分為普通平鍵、導向平鍵和滑鍵三種
普通平鍵聯(lián)接的特點：靠側面?zhèn)鬟f轉矩。對中良好，結構簡單，拆裝方便；但不能實現(xiàn)軸上零件的軸向固定。普通平鍵分為A型、B型和C型。A型用于端銑刀加工的軸槽，鍵在槽中固定良好，但軸上槽引起的應力集中較大；B型用于盤銑刀加工的軸槽，軸的應力集中較?。籆型用于軸端。普通平鍵應用最廣，也適用于高精度、高速或承受變載、沖擊的場合。
2. 半圓鍵聯(lián)接的特點：靠側面?zhèn)鬟f轉矩。鍵在軸槽中能繞槽底圓弧曲率中心擺動，
裝配方便。鍵槽較深，對軸的削弱較大。一般可用于輕載。
3. 楔鍵聯(lián)接的特點：鍵的上下兩面是工作面。鍵的上表面和轂槽的底面各有的斜度，裝配時需打入，靠楔緊作用傳遞轉矩，可軸向固定零件和傳遞單方向的軸向力，但使軸上零件與軸的配合產生偏心與偏斜。用于精度要求不高、轉速較低時傳遞較大的、雙向的或有振動的轉矩。
4. 切向鍵聯(lián)接的特點：由兩個斜度為的楔鍵組成。其上下兩面（窄面）為工
作面，其中一面在通過軸心線的平面內。工作面上的壓力沿軸的切線方向作用，能傳遞很大的轉矩。一個切向鍵只能傳遞一個方向的轉矩，傳遞雙向轉矩時，須用互成角的兩個鍵，用于載荷很大，對中要求不嚴的場合。由于鍵槽對軸削弱較大，所以常用于直徑大于mm的軸上, 如大型帶輪及飛輪，礦用大型絞車及齒輪等與軸的聯(lián)接。
經(jīng)過綜合考慮軸的結構，鍵的使用要求、工作條件和經(jīng)濟性等因素，選擇普通平鍵
聯(lián)接。
3.3.2 選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸
已知直齒圓柱齒輪懸臂安裝在齒輪軸上，齒輪的精度為7級。一般8級以上精度的齒輪有定心精度要求，所以應選用平鍵聯(lián)接。這里選用圓頭普通平鍵（A型）。
根據(jù)從文獻[3,4-306]表4-95查得鍵的截面尺寸。有輪轂寬度并參考文獻[3,4-307]表4-96鍵的長度系列，取鍵長（比輪轂寬度小些）。
3.3.3 校核鍵聯(lián)接的強度
鍵、軸和輪轂的材料都是鋼，由文獻[2,6-106]中表6-2查得許用擠壓應力。
鍵的工作長度
鍵與輪轂鍵槽的接觸高度
小齒輪傳遞的轉矩
根據(jù)文獻[2,6-106]中式6-1，把,,,
代入可得
可知所選鍵合適。
3.4 聯(lián)軸器的選擇
3.4.1 聯(lián)軸器概述
聯(lián)軸器是聯(lián)接兩軸或軸與回轉件，在傳遞運動和動力過程中一同回轉而不脫開的一種裝置。此外，聯(lián)軸器還可以具有補償兩軸相對位移、緩沖和減振以及安全防護等功能。根據(jù)工作特性，聯(lián)軸器可以分為以下幾類：
1. 聯(lián)軸器用來把兩軸連接在一起，機器運轉時兩軸不能分離；只有在機器停車并將連接拆開后，兩軸才能分離。
2. 安全聯(lián)軸器在機器工作時，如果轉矩超過規(guī)定值，這種聯(lián)軸器即可自行斷開或打滑，保證機器中的主要部件不致因過載而損壞。
3. 特殊功用的聯(lián)軸器用于某些有特殊要求處，例如在一定的回轉方向或達到一定轉速時，聯(lián)軸器即可自行接合或分開等。
根據(jù)聯(lián)軸器對各種相對位移有無補償能力（即能否在發(fā)生相對位移條件下保持連接的能力），聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器（無補償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補償能力）兩大類。撓性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓性聯(lián)軸器兩個類別。
3.4.2 彈性柱銷聯(lián)軸器
彈性柱銷聯(lián)軸器利用若干非金屬材料制成的柱銷置于兩半聯(lián)軸器凸緣上的孔中，以實現(xiàn)兩半聯(lián)軸器的聯(lián)接。由于柱銷與柱銷孔為間隙配合，且柱銷富有彈性，因而獲得補償兩軸相對位移和緩沖的性能。為了改善柱銷與柱銷孔的接觸條件和補償性能，柱銷的一端制成鼓型。
柱銷的材料目前主要用MC尼龍6制成，其抗拉強度，抗彎強度，抗壓強度，抗剪強度。
彈性柱銷聯(lián)軸器的結構簡單，制造容易，裝拆更換方便，不需潤滑，并有較好的耐磨性。但尼龍易吸潮變形，尺寸穩(wěn)定性較差，導熱率低，使用時應注意環(huán)境的影響。
彈性柱銷聯(lián)軸器的許用兩軸相對位移：徑向位移，軸向位移，角位移。
3.4.3 彈性柱銷聯(lián)軸器的強度計算
考慮到此處的軸徑為140mm ,所以選擇HL8型彈性柱銷聯(lián)軸器。
已知電機額定功率P=18.5kW,額定轉數(shù)r=1470r/min 。
則電機的輸出轉矩
根據(jù)文獻[4，29-161]中表29.5-40可知，HL8型彈性柱銷聯(lián)軸器的，，。
查文獻[4,29-160]彈性柱銷聯(lián)軸器的主要尺寸關系，可知聯(lián)軸器的外徑
因此
即柱銷的剪切強度
則柱銷的擠壓強度條件
以上式中 ——聯(lián)軸器的計算扭矩 ；
——柱銷中心分布圓直徑 ；
——柱銷直徑 ；
——柱銷數(shù)；
——柱銷長度 ；
——尼龍柱銷材料的許用切應力 ，可取 ；
——尼龍柱銷材料的許用壓強 ，可取
3.5 撥車機車輪的強度校核
撥車機正常工作條件下，其車輪與軌道接觸的力學模型簡化如下圖所示:
圖3.1 車輪與軌道接觸的力學模型簡化圖
由圖可知，車輪受載荷，。
查文獻[5,4-278]得鋼軌的最大接觸應力
其中 ——載荷，；
——接觸長度，；
R——車輪半徑，；
——車輪速度，；
——軌道速度，；
——車輪的模數(shù)，；
——軌道的彈性模量，.
因此
=609.18 MPa
由于接觸面附近材料處于三向應力狀態(tài)，而且三個主應力都是壓應力，在接觸面中心處三個主應力大小幾乎是相等的，所以，該處的材料能夠承受很大的壓力而不發(fā)生屈服。因此，接觸面上的許用應力較高，接觸問題的強度條件通常寫成
而這里選取車輪材料為45鋼， 鋼軌材料為35鋼，車輪與鋼軌的接觸許用應力查文獻[6,2-27]表2.1得
=800 MPa
由于,故滿足接觸許用應力。
3.6 撥車臂銷軸的設計和校核
3.6.1 銷軸的設計
銷主要用來固定零件之間的相對位置，也可用于軸與轂的聯(lián)接或其它零件的聯(lián)接。
本撥車臂用銷軸來承受其牽引火車車廂時所產生的扭轉力矩，故在設計校核時要合理選材，這里選擇45鋼，并對所設計的銷軸進行剪切強度校核。
銷軸設計尺寸如下：
圖3.2 銷軸
3.6.2 銷軸的校核
其受力分析如下圖所示：
圖3.3 銷軸受力分析
由 得
由此可得到
而銷軸的直徑
故銷軸截面上的剪切應力根據(jù)文獻[6,2-49]中式2.22可得
而銷軸材料為45鋼，其剪切強度極限
因此
故此銷軸滿足剪切強度條件。
3.7 撥車臂撥鉤拉桿的設計和校核
3.7.1 撥車臂的主要作用
撥車臂的主要作用是當運料火車進入指定位置后,由撥車機與列車掛鉤相連接,將單 節(jié)車皮牽引至翻車機，翻車機翻車后再由撥車機將空車皮拉出。因此,如果一列50節(jié)車廂的運煤車全部卸車,撥車機將經(jīng)受50次牽引重車和50次牽引空車的循環(huán)載荷。而撥
車臂的撥鉤拉桿是傳動牽引拉力的關鍵部件,所以，選其材質為Q235,它的外形結構如圖3.4所示
圖3.4 拉桿
3.7.2 拉桿的設計和校核
由于撥車機工作時，需要牽引火車車廂，其拉桿主要承受橫向拉應力，故需校核其拉應力。
當撥車機牽引火車車廂（為計算方便，假設其牽引一節(jié)滿載車廂時的狀況）時，車
廂所受摩擦力約為：
其中——為滿載行進時車輪的摩擦系數(shù)。
拉桿所受軸向拉力為
由此求得拉桿橫截面上的應力為
而Q235的許用拉應力
即
故滿足強度條件。
3.7.3 軸肩圓角的選擇和校核
的桿部是整個拉桿截面最小的部分，顯然，最容易發(fā)生斷裂的部位是的桿部與的桿部的交界處。
由于應力集中系數(shù)值的大小與變截面處倒角半徑的關系很大，對于受拉應力作用的拉桿而言，應力集中系數(shù)的大小由下式確定：
1. 當時
2. 當時
由此不難看出，當圓角半徑大時，其集中載荷系數(shù)要小。故，將此軸肩處的倒角半徑定為3mm。
該拉桿主要用于連接撥車臂與火車,掛鉤傳遞牽引力給火車,從而使火車前進,所以
該拉桿主要受拉力F,在牽引火車啟動過程中,拉力F逐漸增大,當拉力F與火車自身重力
相等時,火車勻速前進,火車到達指定位置后拉力消失,直到火車停車。而每牽引1次火
車,該撥車臂拉桿所受交變拉力F應循環(huán)1次。拉桿受力狀況見圖3.5
圖3.5 拉桿受力狀況
3.8 液壓缸的設計和校核
3.8.1 液壓缸的組成
液壓缸又稱為油缸，它是液壓系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，其功能就是將液壓能轉變成直線往復式的機械運動。
液壓缸的組成：缸體組件、活塞組件、密封件、連接件、緩沖裝置、排氣裝置等。
設計依據(jù)：缸工作壓力、運動速度、工作條件、加工工藝及拆裝檢修等。
1．缸體組件包括：缸體、端蓋、連接件等。
缸體組件的連接形式因為壓力、缸體材料、工作條件的不同，所以連接形式也有很多種。撥車機的液壓缸，由于工作壓力較高，所以常用45鋼的無逢鋼管，并在粗加工后調質，以保證較高的強度和較好的加工性能。為了裝配時不損傷密封件，缸體內徑兩端倒15°角。必要時缸內徑可鍍鉻，以防止腐蝕并提高壽命。
端蓋：因為與缸體形成密閉容腔，同樣承受很大液壓力，所以和連接部件一起都應具有足夠的強度。
導向套：對活塞、活塞桿或柱塞起導向和支承作用，也可直接用端蓋孔導向，結構簡單，但磨損后必須更換端蓋。
2．活塞組件包括：活塞、活塞桿和連接件等。
由于工作壓力、安裝方式、工作條件的不同，所以活塞組件有多種結構形式。如螺紋式：常被用于單桿缸，結構簡單，裝拆方便，但需防止螺母松動。
活塞：必須具有足夠的強度和良好的耐磨性，一般用整體式鑄鐵制造，通?？煞譃檎w式、組合式。
活塞桿：連接活塞和工作部件的傳力零件，須具有足夠的強度和剛度，一般用鋼料制成?，且需鍍鉻。
3．活塞密封的功用：防止液壓油的泄漏。要求：良好的密封性、耐磨性、經(jīng)濟性。撥車機液壓系統(tǒng)中的液壓缸組件的密封形式采用密封圈密封。
密封圈類型：O型、LX型、Y型、V型和組合式等。
材料：石棉橡膠板。
活塞密封形式如圖3.6所示：
圖3.6 活塞密封形式
4．緩沖裝置
必要性：因為在質量較大、速度較高（v>12m/min）的情況下，由于慣性力較大，活塞運動到終端時會撞擊缸蓋，產生沖擊和噪聲，嚴重影響加工精度，甚至使液壓缸損壞。所以常在大型、高速、或高精度液壓缸中設置緩沖裝置或在系統(tǒng)中設置緩沖回路，以此，來減小撞擊的程度。
緩沖原理：利用節(jié)流方法在液壓缸的回油腔產生阻力，減小速度，避免撞擊。緩沖裝置如圖3.7所示：
圖3.7 緩沖裝置
5．排氣裝置
必要性：因為系統(tǒng)在安裝或停止工作后，常會滲入空氣，所以使液壓缸產生爬行、振動和前沖，換向精度降低等，故必須設置排氣裝置。
排氣方法：排氣孔油口設置在液壓缸最高處；排氣塞象螺釘（如暖氣包上的放氣閥）；排氣閥使液壓缸兩腔經(jīng)該閥與油箱相通啟動時，擰開排氣閥使液壓缸空載往復運動幾次即可。
3.8.2 設計依據(jù)和設計步驟
1. 設計依據(jù)及原始資料
(1) 液壓缸工作行程 ；
(2) 最大進給力 。
2. 液壓缸的設計內容和步驟
(1) 液壓缸類型和各部分結構形式的選擇。液壓缸的類型結構形式很多，但對于特
定的設備，其特定的用途也就決定了液壓缸的形式，比如單作用或雙作用液壓缸、柱塞缸或活塞缸等。
(2) 基本參數(shù)的確定。基本參數(shù)包括液壓缸的工作負荷、工作速度、工作行程和導
向長度、缸筒內徑以及活塞桿直徑等。
(3) 結構計算和驗算，其中包括缸筒壁厚、外徑和缸底厚度的強度計算、活塞桿
強度和穩(wěn)定性驗算，以及各部分連接結構的強度計算。
(4) 導向、密封、防塵、排氣和緩沖裝置的設計。
(5) 整理設計計算書，繪制裝配圖和零件圖。
3.8.3 確定基本參數(shù)
當組合機床液壓系統(tǒng)的最大負載為50000N時，
即
查文獻[7，9-203]表11-1和表11-2可得
因為液壓缸為單桿式如圖3.8所示，活塞只有一端帶活塞桿，單桿液壓缸也有缸體固定和活塞桿固定兩種形式，但它們的工作臺移動范圍都是活塞有效行程的兩倍。
圖3.8 單桿式活塞缸
由于液壓缸兩腔的有效工作面積不等，因此它在兩個方向上的輸出推力和速度也等，其值分別為：
F1=(p1A1-p2A2)=π［(p1-p2)D2+p2d2］/4
F2=(p2A2-p1A1)=π［(p2-p1)D2-p1d2］/4
v1=q/A1=4q/πD2
v2=q/ A2=4q/π(D2-d2)
由上式可知，由于A1＞A2,所以F1＞F2，v1＜v2。若把兩個方向上的輸出速度v2和v1的比值稱為速度比，記作λv，則λv=v2/v1=1/［1—(d/D)2］。因此，。在已知D和λv時，可確定d值。單桿活塞缸在其左右兩腔都接通高壓油時稱為：“差動連接”，且在快進時作差動連接，如下圖3.9所示。
圖3.9 差動缸??
差動連接缸左右兩腔的油液壓力相同，但是由于左腔(無桿腔)的有效面積大于右腔(有桿腔)的有效面積，故活塞向右運動，同時使右腔中排出的油液(流量為q′)也進入左腔，加大了流入左腔的流量(q+q′)，從而也加快了活塞移動的速度。實際上活塞在運動時，由于差動連接時兩腔間的管路中有壓力損失，所以右腔中油液的壓力稍大于左腔油液壓力，而這個差值一般都較小，可以忽略不計，則差動連接時活塞推力F3和運動速度v3為：
F3=p1(A1-A2)=p1πd2/4
進入無桿腔的流量
q1=
v3=4q/πd2
由上式可知，差動連接時液壓缸的推力比非差動連接時小，速度比非差動連接時大，正好利用這一點，可使在不加大油源流量的情況下得到較快的運動速度，這種連接方式被廣泛應用于組合機床的液壓動力系統(tǒng)和其他機械設備的快速運動中。如果要求機床往返快速相等時，則得：
即
D=
若單桿活塞缸要實現(xiàn)差動連接，活塞桿直徑d需與缸筒直徑D成d=0.707D的關系。
查《機械工程手冊》表34.7-17中，取
由
得
其中
=0.95
所以
按國際GB2348-80標準將直徑就近圓整為
D=120mm d=80mm
故
式中 ——無桿腔面積；
——有桿腔面積。
當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向長度H，如圖3.10所示。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一最小導向長度。
圖3.10 液壓缸的導向長度
其最小導向長度應滿足：
式中 L——液壓缸最大工作行程；
D——缸筒內徑。
3.8.4 液壓缸強度校核與結構計算
1. 活塞桿直徑d的校核
由于材料為45鋼
即
所以
F=50000N
也即
所以活塞桿直徑強度校核合格。
2. 計算缸筒壁厚
上式中n為安全系數(shù)，取
所以
即
所以為薄壁缸筒，選無縫鋼管。
對其進行校核：
mm
所以缸筒壁厚校核合格。
3.8.5 缸底厚度的計算
3.8.6 液壓缸蓋固定螺栓直徑校核
式中F=50000N為液壓缸負載；Z=5為固定螺栓個數(shù)；k取1.2為螺紋擰緊系數(shù), 。
3.8.7 穩(wěn)定性計算
當活塞桿受軸向壓縮負載時，其直徑d一般不小于長度L的1/15，所以
因此不須校核穩(wěn)定。
經(jīng)過反復計算后，確定了這個最后方案，但在設計液壓缸時，還應注意以下幾點：
1．盡量使液壓缸的活塞桿在受拉狀態(tài)下承受最大負載，或在受壓狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性
2．考慮液壓缸行程終了處的制動問題和液壓缸的排氣問題。缸內若無緩沖裝置和排氣裝置，系統(tǒng)中需有相應的措施，但是并非所有的液壓缸都要考慮這些問題。
3．正確確定液壓缸的安裝、固定方式。如承受彎曲的活塞桿不能用螺紋連接，要用止口連接。液壓缸不能在兩端用鍵或銷定位。只能在一端定位，為的是不致阻礙它在受熱時的膨脹。如沖擊載荷使活塞桿壓縮。定位件須設置在活塞桿端，如為拉伸則設置在缸蓋端。
4．液壓缸各部分的結構需根據(jù)推薦的結構形式和設計標準進行設計，盡可能做到結構簡單、緊湊、加工、裝配和維修等的方便。
5. 在保證能滿足運動行程和負載力的前提下，應盡可能地縮小液壓缸的輪廓尺寸。
6．要保證密封可靠，防塵良好。液壓缸可靠的密封是其正常工作的重要因素。如果泄漏嚴重，則不僅會降低液壓缸的工作效率，甚至會使其不能正常工作(如滿足不了負載力和運動速度要求等)。良好的防塵措施，有助于提高液壓缸的工作壽命。
3.9 彈簧的設計和校核
3.9.1 基本參數(shù)
已知撥車機自重