摩擦試驗(yàn)機(jī)樣機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

I 摘 要 本論文分析 了摩擦試驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，詳細(xì)介紹了摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理以及在我國(guó)材料工程發(fā)展中的重要意義。 本次設(shè)計(jì)的摩擦試驗(yàn)機(jī)是模擬高速鐵路運(yùn)行時(shí)輪軌摩擦磨損的試驗(yàn)機(jī)。它是對(duì)環(huán)塊式摩擦試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)，主要有正壓力加載系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分組成。本文將著重介紹其中的傳動(dòng)系統(tǒng)和壓力加載系統(tǒng)。主機(jī)除了保留環(huán)塊摩擦試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)外，采用了更為穩(wěn)定可靠的液壓系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行正壓力的加載，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸上的車輪旋轉(zhuǎn)。壓力是由液壓系統(tǒng)通過(guò)液體工作介質(zhì)驅(qū)動(dòng)液壓缸對(duì)試樣加載壓力。 該試驗(yàn)機(jī)能夠在不同壓力，不同速度情況下對(duì)摩擦材料的摩擦磨損性能進(jìn)行試驗(yàn)。因此它將會(huì)是一些企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)對(duì)材料性能進(jìn)行測(cè)試、產(chǎn)品性能檢驗(yàn)的重要實(shí)驗(yàn)工具。 關(guān)鍵詞 ： 摩擦試驗(yàn)機(jī)； 液壓加載；加載系統(tǒng)；傳動(dòng)系統(tǒng) of in in of in of is a of It is an of of of on in to of of a on is by is to of it be an of by 錄 1 緒論 .題背景及意義 .擦試驗(yàn)機(jī)及其分類 .擦試驗(yàn)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 .論文主要研究?jī)?nèi)容 . 總體方案的設(shè)計(jì) .計(jì)要求 .要設(shè)計(jì)參數(shù) .擦試驗(yàn)機(jī)的總體方案的設(shè)計(jì) . 試驗(yàn)機(jī)主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .動(dòng)系統(tǒng)的確定 .載系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .載系統(tǒng)的確定 . 摩擦試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .動(dòng)系統(tǒng) . 工作壓力的計(jì)算 . 試驗(yàn)機(jī)電機(jī)選擇 . 主軸設(shè)計(jì)，校核以及聯(lián)軸器選擇 .壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 液壓缸的設(shè)計(jì) . 液壓泵 . 液壓控制元件 . 液壓輔助元件 . 液壓工作介質(zhì)的選擇 . 夾具 .結(jié) .謝 .考文獻(xiàn) .11 緒論 題背景及意義 世界第一條鐵路在英國(guó)開通，鐵路運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅猛，取得了較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，高速鐵路運(yùn)行過(guò)程中，車輪和軌道接觸伴隨著摩擦磨損，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高速列車不斷提速，類型不斷增多，軸重類型不一，鐵路運(yùn)輸對(duì)科學(xué)研究有了更高的要求，高速鐵路愈來(lái)愈注重其輪軌作為高速鐵路中重要的一部分，列車運(yùn)行伴隨著滾動(dòng)摩擦，由摩擦磨產(chǎn)生的安全問(wèn)題和成本效率問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重，會(huì)造成一系列經(jīng)濟(jì)損失，研究其摩擦磨損性能顯得尤為重要，所以需要摩擦試驗(yàn)機(jī)來(lái)模擬輪軌的運(yùn)行，研究其在不同速度和壓力下的運(yùn)行性能狀況，分析其材料的摩擦性能。不僅高速鐵路輪軌摩擦的研究，機(jī)械設(shè)備是生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，現(xiàn)階段機(jī)械產(chǎn)品正在向速度越快、精度越高、產(chǎn)量越大、自動(dòng)化程度越高的方向發(fā)展。物體通過(guò)接觸，并且相互運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生摩擦，在一起接觸的兩個(gè)物體或介質(zhì)之間會(huì)在外力的作用，會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中物體接觸表面上所產(chǎn)生的阻礙作用稱為摩擦力，這種阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力稱為摩擦力。摩擦力的方向就是物體接觸面的切線方向，力的方向和物體的運(yùn)動(dòng)方向正好相反 1。由摩擦引起的材料磨損以及對(duì)其潤(rùn)滑和能源浪費(fèi)，甚至還有安全問(wèn)題等很多摩擦學(xué)問(wèn)題廣泛存在，對(duì)社會(huì)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有比較大影響。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品和應(yīng)用中，按其摩擦副的形式有兩種，分為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦，由于摩擦力的存在，使得機(jī)械效率降低，造成資源浪費(fèi)，甚至有些機(jī)構(gòu)磨損嚴(yán)重而失效，直接造成經(jīng)濟(jì)損失。如不考慮摩擦、磨損，就不可能生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，產(chǎn)生材料上的浪費(fèi)，會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，甚至由于材料的摩擦性能不合格，出現(xiàn)重大的安全事故。因此在設(shè)計(jì)階段就要考慮其摩擦性能，為了了解摩擦、磨損的原理和摩擦、磨損的結(jié)果，尋找各種磨損類型不同情況下的復(fù)雜關(guān)系，需要對(duì)材料表面的磨損的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行分析和記錄，對(duì)材料的摩擦磨損性能進(jìn)行研究，所需的試驗(yàn)設(shè)備是摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，利用摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，選取合適的材料，這種試驗(yàn)機(jī)是最簡(jiǎn)單有效測(cè)試材料性能的方法。 擦試驗(yàn)機(jī)及其分類 摩擦試驗(yàn)機(jī)，又稱之為摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，可以用于評(píng)定材料的耐磨性能和材料的摩擦系數(shù)，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)主要用來(lái)試驗(yàn)材料在不相同速度、載荷壓力以及還有溫度條件下各種材料性能，還有在添加潤(rùn)滑之后對(duì)其摩擦的改變，也 2可以用于對(duì)其磨損形式和磨損形狀的研究。 摩擦試驗(yàn)機(jī)可以通過(guò)摩擦副運(yùn)動(dòng)形式劃分，其劃分形式有滑動(dòng)摩擦，滾動(dòng)摩擦，滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦都存在的，按其接觸形式分為點(diǎn)接觸形式，面接觸形式，線接觸形式。按其形態(tài)分為固體與固體之間的摩擦，固體與顆粒與固體之間的摩擦 2。很多摩擦試驗(yàn)機(jī)的試件都是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，也有的試件是來(lái)回循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的。 按完成不同試驗(yàn)的需求，試驗(yàn)機(jī)可以分為快速磨損試驗(yàn)機(jī)、潤(rùn)滑材料性能試驗(yàn)機(jī)、高低溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、高低速試驗(yàn)機(jī) 3。 比較常用的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦副的接觸形式在圖 1. 1 中列出，圖中 (a)所示的是四球試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)易的摩擦副接觸類型。圖中 (b)所示的是 驗(yàn)機(jī)的摩擦副接觸類型。 (c)圖所示的是往復(fù)式試驗(yàn)機(jī)的摩擦副接觸類型。圖中（ b）所示的是端面試驗(yàn)機(jī)的摩擦副接觸形式。圖中（ e）所示的是滾子式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)摩擦副接觸類型。 擦試驗(yàn)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)的摩擦試驗(yàn)機(jī)的研究制造較晚，濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠是較早從事摩擦試驗(yàn)機(jī)研制的廠家，該廠于在 965 年制作了第一臺(tái)摩擦試驗(yàn)機(jī) 四球摩擦試驗(yàn)機(jī) 3。該廠在國(guó)內(nèi)最先模仿制造了美國(guó) 典 國(guó) 司的試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對(duì)我國(guó)摩擦學(xué)研究中產(chǎn)生了重要的作用。在我國(guó)現(xiàn)在還有一些小規(guī)模的廠也生產(chǎn)摩擦試驗(yàn)機(jī)，因?yàn)槠渖a(chǎn)規(guī)模較小，摩擦試驗(yàn)機(jī)種類也相對(duì)比較少。 (1)銷一盤式磨損試驗(yàn)機(jī) : 此類試驗(yàn)機(jī)的機(jī)構(gòu)是由由一個(gè)固定的圓柱銷壓緊在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤上進(jìn)行摩擦運(yùn)動(dòng)，其中銷是被測(cè)試驗(yàn)件，銷的底部可以做成平面、半球形等形狀，我國(guó)生產(chǎn)的該類型的摩擦試驗(yàn)機(jī)主要是 。 (2)滾子式磨損試驗(yàn)機(jī) : 圖 擦副接觸及運(yùn)動(dòng)方式 3該試驗(yàn)機(jī)是由兩個(gè)母線相互接觸的圓盤相互摩擦，其中兩個(gè)圓盤的轉(zhuǎn)速是不一樣的，該類機(jī)型有純滑動(dòng)、純滾動(dòng)、滾動(dòng)和滑動(dòng)并存等運(yùn)動(dòng)形式。可對(duì)材科進(jìn)行摩擦及磨損性能試驗(yàn)，可用于做材料疲勞磨損的實(shí)驗(yàn)，我國(guó)生產(chǎn)該類型的摩擦試驗(yàn)機(jī)主要是 ，在國(guó)外生產(chǎn)該類型的主要是有阿姆斯勒(型。 (3)環(huán)一塊型試驗(yàn)機(jī) : 美國(guó) 制的 最早的環(huán)塊摩擦試驗(yàn)機(jī)。用被測(cè)材料制做成符合要求的方塊來(lái)充當(dāng)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，并且其試環(huán)的硬度很大，在與其它材料特別是塑料復(fù)合材料等做磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)，可認(rèn)為其材料不被磨損。所以可以直接測(cè)量試塊在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被磨掉的體積和形狀。據(jù)此判定磨損量的相對(duì)大小。該種摩擦試驗(yàn)機(jī)主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)用來(lái)快速選擇合適的材料，試驗(yàn)中可以通過(guò)測(cè)量摩擦力來(lái)計(jì)算摩擦系數(shù)。 (4)四球式試驗(yàn)機(jī) : 四球式摩擦試驗(yàn)機(jī)，顧名思義，其試驗(yàn)機(jī)中有四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的球，其中一個(gè)上試驗(yàn)球安裝在上面，并且是可以按不同速度要求下轉(zhuǎn)動(dòng)，在下面 3 個(gè)試驗(yàn)球固定，可從分別從上面或下面施加載荷，其作用是用來(lái)判定潤(rùn)滑劑承載能力，也可用于測(cè)定材料疲勞磨損壽命，我國(guó)生產(chǎn)此類機(jī)型主要是有 ，在國(guó)外生產(chǎn)機(jī)型主要是殼牌四球機(jī)。 (5)端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) : 端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)其摩擦副是面與面接觸的，在我國(guó)摩擦學(xué)研究所制作的 面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)摩擦形式是上邊試件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下邊試件固定不動(dòng)，可以分別在潤(rùn)滑和無(wú)潤(rùn)滑的情況下，檢測(cè)試樣的摩擦磨損性能，端面試驗(yàn)機(jī)主要特點(diǎn)是檢測(cè)潤(rùn)滑軸承材料、復(fù)合材料、固體潤(rùn)滑材料的摩擦磨損特性和其使用性能。端面摩擦試驗(yàn)機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中，可以進(jìn)行不同負(fù)載、速度、時(shí)間、溫度以及摩擦副材料、硬度等參數(shù)條件下的試驗(yàn)檢測(cè)，評(píng)定試驗(yàn)材料在不同因素作用下的摩擦磨損性能，對(duì)于在不同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)參數(shù)的變化和所得試樣表面的磨損狀況來(lái)了解在有無(wú)潤(rùn)滑情況下試樣材料的摩擦特性和使用性能。 論文主要研究?jī)?nèi)容 論文主要設(shè)計(jì)一種能夠模擬高速鐵路運(yùn)行時(shí)輪軌摩擦磨損的試驗(yàn)機(jī)，包括總體方案的設(shè)計(jì)，主傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)，加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并完成其機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。 42 總體方案的設(shè)計(jì) 計(jì)要求 本設(shè)計(jì)要求模擬高鐵輪軌轉(zhuǎn)動(dòng)磨損，通過(guò)軸帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，輪子對(duì)軌道的作用力是可以調(diào)節(jié)的。 要設(shè)計(jì)參數(shù) （ 1） 、輪子最高轉(zhuǎn)速 1882r/ 2） 、正壓力測(cè)試范圍： 1080N1420N （ 3） 、摩擦試樣的尺寸 長(zhǎng) 寬 高 =40 2020擦試樣 （ 4） 、輪子尺寸輪子尺寸直徑 D=60寬度 B=20孔直徑 d=40圖 擦車輪 擦試驗(yàn)機(jī)的總體方案的設(shè)計(jì) 摩擦試驗(yàn)機(jī)的組成主要由傳動(dòng)系統(tǒng)，加載系統(tǒng)，控制系統(tǒng)組成。 5（ 1）傳動(dòng)系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸上輪子轉(zhuǎn)動(dòng)模擬車輪轉(zhuǎn)速，選擇的電動(dòng)機(jī)需要調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，因此，選擇變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。 （ 2）加載系統(tǒng)：加載系統(tǒng)需要對(duì)試樣提供一定的壓力，使得夾在夾具上的摩擦試樣壓在輪子上，壓力的大小模擬車輪所承受的軸重。 （ 3）控制系統(tǒng)：用單片機(jī)對(duì)摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行控制，用單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，和控制液壓缸給其施加正壓力，以及壓力傳感器、速度傳感器來(lái)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 3 試驗(yàn)機(jī)主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)部分是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)部分帶動(dòng)摩擦主軸旋轉(zhuǎn)，控制摩擦主軸的轉(zhuǎn)速來(lái)控制試樣的端面滾動(dòng)摩擦速度，初步擬定如下方案： 方案一：電機(jī)輸出軸通過(guò)機(jī)械調(diào)速機(jī)構(gòu)（如普通 V 帶輪無(wú)級(jí)調(diào)速機(jī)構(gòu)）與摩擦主軸連接，工作過(guò)程中，通過(guò)手工調(diào)節(jié)無(wú)級(jí)調(diào)速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比進(jìn)而實(shí)現(xiàn)摩擦速度的變換。 方案二，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)摩擦主軸，傳動(dòng)性能穩(wěn)定，傳動(dòng)精確，不需要潤(rùn)滑的特點(diǎn)。由于現(xiàn)在電機(jī)系統(tǒng)有較高的性能 , 調(diào)速比可以達(dá)到較好的調(diào)節(jié)范圍。利用這種系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)其頻率而達(dá)到轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)控制。且可在摩擦軸上加裝轉(zhuǎn)速傳感器，將信號(hào)反饋到到變頻系統(tǒng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)摩擦軸轉(zhuǎn)速的控制，這樣子便可隨著試樣負(fù)荷的變換而實(shí)時(shí)調(diào)整，保證轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。 圖 體方案簡(jiǎn)圖 動(dòng)系統(tǒng)的確定 綜合考慮上述因素選擇方案二如下圖所示 圖 動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 載系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 加載系統(tǒng)需要對(duì)試樣提供一定的壓力，用來(lái)模擬車輪所承受的軸重，摩擦試驗(yàn)機(jī)加載方式可分為機(jī)械式、液壓式、電磁式三種，其中電磁式在摩擦試驗(yàn)機(jī)中運(yùn)用較少，他們有自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，以及不同的適應(yīng)范圍。 方案一；機(jī)械的加載方法有杠桿加載、彈簧加載和重物直接加載等，還有是它們的組合形式， ，杠桿加載和重物直接加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，操作起來(lái)比較便利，應(yīng)用最為廣泛，但是其運(yùn)作程度小，當(dāng)運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定時(shí)卻會(huì)引起沖擊和振動(dòng)，導(dǎo)致加載精度不高，并且其提供壓力的大小范圍較小。 方案二；液壓加載是通過(guò)液壓執(zhí)行元件提供壓力。液壓加載比較容易控制載荷，收集數(shù)據(jù)等比較容易，但其缺點(diǎn)是控制部分的成本比較大，彈簧加載和液壓加載時(shí)由振動(dòng)產(chǎn)生的影響甚微，但是彈簧壓縮量的控制上不夠精確從而影響調(diào)節(jié)載荷的精度，因此彈簧加載負(fù)荷的穩(wěn)定性較差。 液壓系統(tǒng)加載有如下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)液壓缸輸出力作用實(shí)現(xiàn)加載，液壓傳動(dòng)能在運(yùn)行中進(jìn)行無(wú)級(jí)變速。在同等功率的條件下，液壓傳動(dòng)裝置的所占體積相對(duì)小，而在同等體積的情況下，液壓系統(tǒng)比電氣裝置能夠產(chǎn)生更多的動(dòng)能，質(zhì)量較小、結(jié)構(gòu)能傳遞較大的力和力矩。 載系統(tǒng)的確定 綜合考慮以上各種因素，應(yīng)該考慮加載精度問(wèn)題，決定最終方案為采用液壓系統(tǒng)提供正壓力，由活塞桿的推動(dòng)實(shí)現(xiàn)加載，這樣的加載方式可以實(shí)現(xiàn)從輪子下方加載，滿足了試驗(yàn)要求。因此，在本試驗(yàn)機(jī)中使用液壓系統(tǒng)通過(guò)液壓缸 7的輸出力來(lái)提供正壓力的加栽。 液壓系統(tǒng)包括液壓執(zhí)行元件（液壓缸） ，液壓泵，液壓輔助元件，液壓閥。 （ 1）液壓缸 液壓缸是液壓系統(tǒng)的輸出部分，是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，必須滿足機(jī)器設(shè)備的運(yùn)動(dòng)性能，和安裝上的要求。液壓缸通過(guò)活塞桿輸出力推動(dòng)夾具，提供壓力，需計(jì)算其缸筒內(nèi)徑和壁厚，活塞桿直徑，及其工作行程。 （ 2）液壓輔助元件 液壓輔助元件包括蓄能器、過(guò)濾器、油箱、管路。 蓄能器主要是存儲(chǔ)油液的壓力能，能在短時(shí)間內(nèi)供應(yīng)大量壓力油液，能夠維持系統(tǒng)壓力。設(shè)計(jì)計(jì)算其有效工作容積。 （ 3）過(guò)濾器 過(guò)濾器用于濾除混在液壓油液中的雜質(zhì)，降低進(jìn)入系統(tǒng)中油液的污染度。過(guò)濾器按其過(guò)濾精度選擇。 （ 4）液壓泵 液壓泵是把驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能，設(shè)計(jì)計(jì)算其最大工作壓力和液壓泵的流量 (5)液壓閥 液壓閥可以調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中液體工作介質(zhì)的流動(dòng)方向并且能夠調(diào)節(jié)其壓力和流量。本液壓系統(tǒng)需要方向控制閥閥和和壓力控制閥。 (6)夾具 摩擦試驗(yàn)機(jī)中的夾具主要用來(lái)夾持摩擦試樣。根據(jù)試樣的尺寸確定其夾具結(jié)構(gòu)和大小 4 摩擦試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 動(dòng)系統(tǒng) 作壓力的計(jì)算 電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與主軸連接，帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，輪子轉(zhuǎn)速模擬車輪轉(zhuǎn)速，高速列車最高時(shí)速 300KM/h。并且可以不斷改變其速度，所以電動(dòng)機(jī)要選擇可以變頻調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。 加載系統(tǒng)模擬高鐵軸重，列車軸重最高 17t，可用赫茲模擬準(zhǔn)則模擬輪軌接觸應(yīng)力 3，查得其實(shí)驗(yàn)室載荷和現(xiàn)場(chǎng)軸重之間的關(guān)系公式為： 2（ 18（ 4-=12( 11+12+11+12)1） , 為車輪曲面的兩個(gè)曲率半徑， 1 2， 為輪軌曲面的兩個(gè)曲率半徑； 12圖 輪的曲率半徑 為實(shí)驗(yàn)室輪軌的當(dāng)量幾何半徑 為現(xiàn)場(chǎng)輪軌的當(dāng)量幾何半徑 高鐵車輪直徑為 860頂圓弧半徑為 600試驗(yàn)中輪子直徑為，車輪橫向圓弧半徑為 ， ， 1=802=1=2=A=12（ 1600+ 1430） =（ 130+ 1576） = 4-=()2 （ +1）2） K 為動(dòng)載系數(shù)，取 =（ 8500（ ） =142加載系統(tǒng)模擬正壓力大小為 1420N。 表 4車軸重與模擬實(shí)驗(yàn)載荷的關(guān)系 軸重 /t 載荷 /917 142 16 5 4 3 試驗(yàn)機(jī)電機(jī)選擇 (1) 選擇電機(jī) 功率 電機(jī)功率是由輪子輪子功率確定，而輪子所需功率 工作阻力和摩擦系數(shù)計(jì)算確定。由最大正壓力為 1420N；轉(zhuǎn)速為 1882r/輪的最大直徑： 60 故所需功率： （ ） 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩； 車輪轉(zhuǎn)速； 常見材料摩擦副的動(dòng)摩擦系數(shù) 在 間，取常用值 = 由古典摩擦公式： f = N （ 4 f = N =420 =568 N N車輪承受的正壓力； 摩擦系數(shù)； 則加載于電機(jī)上的扭矩 T 最大值為： = f R （ 4 = 568N輪所產(chǎn)生的摩擦力； R車輪半徑； 10(2)電機(jī)的輸出功率 則電機(jī)所需功率為： 3)確定電機(jī)的額定功率 聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率 取 電機(jī)額定功率 : （ 6） (4) 選擇電機(jī) 轉(zhuǎn)速 電動(dòng)機(jī)需要調(diào)速，一般情況下要求電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n 能夠滿足整個(gè)調(diào)速范圍，并且其最高工作轉(zhuǎn)速不超過(guò)電機(jī)允許的最大轉(zhuǎn)速，由此選取同步轉(zhuǎn)速為2920r/電機(jī)可滿足調(diào)速要求 , (5) 選擇電機(jī)型號(hào) 根據(jù)電機(jī)類型，結(jié)構(gòu)形式，功率和轉(zhuǎn)速，選取 流伺服電動(dòng)機(jī)。 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等特點(diǎn)，有良好的起動(dòng)和運(yùn)行性能，性能指標(biāo)高、體積小、噪音低。 表 4動(dòng)機(jī)參數(shù) 型號(hào) 標(biāo)稱功率 (功率因數(shù) 轉(zhuǎn)速 (r/額定電流 /A 額定轉(zhuǎn)矩 /000 軸設(shè)計(jì)，校核以及聯(lián)軸器選擇 (1) 主軸材料選擇 由于試驗(yàn)機(jī)的尺寸較小，軸材料選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得其材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表 4示： 表 4料的力學(xué)性能 抗拉強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度 彎曲疲勞極限1剪切疲勞極限1許用彎曲應(yīng)力 1材料牌號(hào) 熱處理 硬度/火 170217 590 295 255 140 回火 162217 570 285 245 135 55 45 調(diào)質(zhì) 217255 540 355 275 155 60 (2) 估算軸徑和選擇聯(lián)軸器 初步估算軸徑 由于材料為 45 鋼，則軸最小直徑為： （ 4 3由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得軸常用材料的 A 值如下表 4示； 表 4常用材料 A 值 軸的材料 0 0 45 40 149126 135112 126103 11297 其中 A 取值為 115 3n轉(zhuǎn)速； P電機(jī)的輸出功率； 因軸上有鍵槽和聯(lián)軸器相連，且徑向力較大，需要將軸徑增加 6%，則取 d = 12聯(lián)軸器的選擇 考慮到試驗(yàn)機(jī)啟動(dòng)時(shí)動(dòng)載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的過(guò)載情況，所以應(yīng)當(dāng)按軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，考慮到試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷中等，工況系數(shù) K 取值為 則其計(jì)算轉(zhuǎn)矩為： = k T （ 4 e= NT公稱轉(zhuǎn)矩， N作情況系數(shù) 由于主軸和電機(jī)是水平安裝，考慮其對(duì)中性，和轉(zhuǎn)矩，故在選取連軸器時(shí)應(yīng)考慮其上因素，選擇 緣聯(lián)軸器。凸緣聯(lián)軸器剛性比較好，并且傳遞轉(zhuǎn)矩較大，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，維護(hù)起來(lái)方便，結(jié)構(gòu)緊湊，裝配方便，用于兩軸對(duì)中精度良好的軸系轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)主軸轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)的尺寸選擇聯(lián)軸器型號(hào)為： 82438半聯(lián)軸器的孔徑 4第段軸徑 24軸配合長(zhǎng)度 38 4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 由選取的聯(lián)軸器可知與軸配合的長(zhǎng)度 8入軸直徑 4 初步選擇滾動(dòng)軸承 因軸承主要受到徑向力，故選角接觸軸承，根據(jù) 4軸承產(chǎn)品初步選擇角接觸軸承 7007C d D B=3524安裝軸承軸段 直徑 d2=5右端滾動(dòng)軸承采用軸肩軸向定位，查得 7007C 型軸承的定位軸肩高度 h=3此取軸承定位軸段直徑 1 取安裝輪子處的軸段直徑 0子與左軸承之間采用套筒定位，已知輪子寬度為 20了使套筒端面可靠的壓緊輪子，此軸段應(yīng)略短，故取 8子右端采用軸肩定位，軸肩高度 h=(2 3)R，由軸徑 d=40，得 R=取 h=5軸環(huán)處的直徑 0環(huán)寬度 b 0 軸承座的寬度為 20據(jù)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求，取軸承座的外端面與聯(lián)軸器后端面的距離 L=22取 4 13取輪子與右端軸承座之間距為 22肩寬度為 10 22輪子與左端軸承距離為 244+20+2=46 （ 5）軸的校核 計(jì)算輪子受力 輪子徑向力是液壓缸加載的最大正壓力為 1420N 2=（ 4 2=22=420=568輪子圓周力； 2摩擦系數(shù)； 最大正壓力； 2（ 4 T=22T= 轉(zhuǎn)矩； 圓周力； 2d車輪直徑； 計(jì)算支反力 （ 4 =22 =284水平面支反力； （ 4 =22 =710垂直面支反力； 彎矩 （ 4 =.=284 14水平面彎矩； L 軸的支承跨距； （ 4 =.=710垂直面彎矩； L 軸的支承跨距； （ 42+215） M= M（ 4）校核軸的強(qiáng)度 已知軸的彎矩和扭矩后，以彎矩合成強(qiáng)度校核計(jì)算。按第三強(qiáng)度理論計(jì)算應(yīng)力： （ 4 對(duì)于直徑為 曲應(yīng)力為 ,扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 ，考慮啟動(dòng)、停車等的影響，彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力可視為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù) 。則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為 : （ 42(432217） 15軸的計(jì)算應(yīng)力， 軸所受的彎矩， T軸所受的扭矩， W軸的抗彎截面系數(shù)， ； 3 軸的抗扭截面系數(shù)， ； T 3軸的許用彎曲應(yīng)力， 1所以軸滿足強(qiáng)度要求。 （ 6）鍵的選用 該試驗(yàn)機(jī)所用到的兩根鍵都為平鍵，為實(shí)現(xiàn)兩旋轉(zhuǎn)體之間的正常連接，鍵的尺寸通過(guò)它要連接的軸的軸徑來(lái)選擇，選用標(biāo)準(zhǔn)件，而鍵的長(zhǎng)度則由軸段長(zhǎng)度來(lái)確定，故輪子上鍵選用鍵 b h L=12 ，半聯(lián)軸器上的鍵選 814b h L= 8 。 7壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 壓缸的設(shè)計(jì) 此液壓缸采用 45 號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)處理是為了保證強(qiáng)度高，加工性能好 . 而液壓缸的型號(hào)采用法蘭式液壓缸。 壓缸簡(jiǎn)圖 （ 418） 式中： 無(wú)桿活塞桿有效作用面積（ ） ； 214/D 2m有桿活塞桿有效作用面積（ ） ； )(2液壓缸工作腔壓力 （ ； 1P 16背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據(jù)回路的具體情況而定，2表 4處選取背壓 0。 2p油缸內(nèi)徑（ ） ； 塞桿直徑（ ） 。 統(tǒng)背壓力 系統(tǒng)類型 背壓力 /單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng) 油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng) 補(bǔ)油泵的閉式回路 油路較復(fù)雜的工程機(jī)械 3 回油路較短，且直接回油箱 可忽略不計(jì) 由上式可推出無(wú)桿腔液壓缸內(nèi)徑 D 的計(jì)算公式如下 : （ 4 4按載荷選取工作壓力，考慮夾具質(zhì)量、自重、阻力的影響， F 取值偏大1500N 載荷壓力為 1500N，則工作壓力小于 1間，現(xiàn)選取工作壓力為 液壓缸的機(jī)械效率 為 （ 1）計(jì)算可得 D 取圓整得 63據(jù)常用液壓缸內(nèi)徑如下表D=63 4用液壓缸內(nèi)徑 D（ 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 （ 2）用桿徑比式 ，其比值可按下表選取： =d/工作壓力選取 d/D 工作壓力 /d/D 17根據(jù)桿徑比公式 ， 在 取 =d/圓整 36據(jù)常用活塞桿直徑如下表所示，63d=36 3）活塞寬度一般為 (1)D,B=38 表 4用活塞桿內(nèi)徑 d（ 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 （ 4）根據(jù)實(shí)際需要查液壓缸活塞行程系列，活塞行程 S=100 表 4壓缸行程參數(shù) S（ 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 （ 5）液壓缸的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 (420+220) H6）缸筒壁厚 (4 2D缸筒內(nèi)徑； 試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力 時(shí)，取 ； 16= 缸筒材料的許用應(yīng)力， = /n, 為材料抗拉強(qiáng)度， n 為安全系 數(shù)，一般取 n=5， 查表取缸筒材料的抗拉強(qiáng)度 。 =5003筒外徑 73 （ 7）活塞桿直徑的校核 (422) d8F液壓缸的最大推力； 活塞桿材料的許用應(yīng)力； = /4 因此選取的活塞桿直徑 36足要求。 （ 8）活塞桿的穩(wěn)定性校核 活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的軸向力 F 不能超過(guò)使它保持穩(wěn)定工作允許的臨界負(fù)載 的值，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。 的kF 面形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)?；钊麠U穩(wěn)定性的校核依下式（穩(wěn)定條件）進(jìn)行 F (4 安全系數(shù)，一般取 =。此處取 =4。 kn 其值查表 4得 =85 11表 4 、 的值 f材料 /f 1鑄鐵 560 11600 80 鍛鋼 250 19000 110 低碳鋼 340 17500 90 中碳鋼 490 15000 85 由液壓缸支撐方式?jīng)Q定的末端系數(shù) ，查表 4得 = 2241表 4端系數(shù) 的值 支撐說(shuō)明 一端自由一端 固定 兩端鉸接 一端鉸接一端 固定 兩端固定 末端系數(shù) 14 1 2 4 安裝長(zhǎng)度 ,由于活塞桿的行程為 100裝初取 =150mm l = （ 4 1924） =04活塞桿的橫截面積 A， A= =1017 2d262108m2610（ 4 d活塞桿直徑； 活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑 = = =90 （ 活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比為 = =1.7 5 =14所以 ，且 20 =20，所以 適用如公式 （ 47） 式中 有材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值，查表可 取 =f 810為系數(shù)，查表可得 = 501所以 = = =因?yàn)?F=以活塞桿桿滿足穩(wěn)定性要求。 4壓泵 （ 1）液壓泵工作壓力的確定 液壓泵的最大工作壓力 必須大于或等于液壓執(zhí)行元件最大工作壓力 和進(jìn)油路上總壓力損失 之和。 (4+對(duì)于管路簡(jiǎn)單，流速不大的 取值 取 1(4Q=24 =62/V活塞桿運(yùn)動(dòng)速度 A活塞面積 （ 2）液壓泵流量的確定 （ 4-30） 統(tǒng)泄露系數(shù)；一般取 處選取 此可選取壓力大小為 速為 960r/葉片泵。 壓控制元件 選定液壓控制閥時(shí)，要考慮的因素有壓力、流量、工作方式 、連接方式 、 穩(wěn)定性，但價(jià)格、壽命、維修性也要考慮。 G）溢流閥 6 該溢流閥是先導(dǎo)型溢流閥 . 額定流量； 200L/壓范圍； 7裝方式；管式 質(zhì)量； 4.5/2)換向閥 通徑： 15定流量： 80L/21額定壓力： 20許背壓： 液壓輔助元件 蓄能器的選擇 蓄能器在液壓系統(tǒng)中是用來(lái)保存、釋放能量的，其主要作用有 :可作為輔助液壓源較短時(shí)間內(nèi)提供一定數(shù)量的壓力油，滿足系統(tǒng)對(duì)速度，壓力的要求，可實(shí)現(xiàn)支路液壓缸的增速、保壓、緩沖、吸收、液壓沖擊。蓄能器選擇應(yīng)考慮工作壓力及耐壓。 蓄能器的種類主要有重錘式、充氣式和彈簧式三種類型。 重錘式蓄能器是利用重物的位置變化來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量的。這中蓄能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓力穩(wěn)定，但容量小、體積大、反應(yīng)不夠靈活、容易產(chǎn)生泄漏。 彈簧式蓄能器是利用彈簧的伸縮來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量的。一般用于低壓、小容量的系統(tǒng)，承壓較低。 沖氣式蓄能器是利用氣體的膨脹來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量的。常用的有活塞式和氣囊式良種。而活塞式蓄能器由于造價(jià)高、易泄漏、放映靈敏度差等缺陷不使用于本系統(tǒng)。 因此，在本系統(tǒng)中使用氣囊式蓄能器，它慣性好，反應(yīng)靈活，結(jié)構(gòu)尺寸小、重量安裝方便。 蓄能器有效工作容積 （ 4 V=03A液壓缸的有效作用面積； L液壓缸的工作行程； K油液泄露系數(shù)，一般取 K=管路的選擇 （ 4 d=4d=q通過(guò)管內(nèi)的流量 v管內(nèi)允許速度，推薦流速 間； m/s 確定油箱容量 按經(jīng)驗(yàn)公式確定油箱容量 22V= （ 4 V=18 103q液壓泵每分鐘排除壓力油的容積 a經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，低壓系統(tǒng)取值 2 到 4 之間，取值為 3 過(guò)濾器的選擇 過(guò)濾器主要是清除液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)中的固體雜質(zhì)，保持工作介質(zhì)清潔，延長(zhǎng)器件的使用壽命、保證液壓元件工作性能可靠。因此過(guò)濾器對(duì)液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不可或缺的輔件。因此選擇過(guò)濾器要考慮以下幾點(diǎn)： 1）根據(jù)選擇的過(guò)濾器類型來(lái)選擇安裝位置過(guò)濾器安裝形式。 2）過(guò)濾器應(yīng)滿足清潔度要求。 3）使用的過(guò)濾器的濾芯，應(yīng)滿足工作介質(zhì)的要求，并具有足夠的強(qiáng)度。 4）過(guò)濾器的強(qiáng)度和壓力損失是一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的因素選擇，安裝過(guò)濾系統(tǒng)會(huì)引起局部壓力下降或反壓后時(shí)需要考慮的。 5）該系統(tǒng)應(yīng)考慮選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾保護(hù)配件。 6）結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，緊湊，合理的安裝形式。 該液壓系統(tǒng)涉及液壓泵，液壓閥等，其過(guò)濾精度要求在 10 20 m 之間。 壓工作介質(zhì)的選擇 工作介質(zhì)有液壓油和液壓液兩類。在此選擇液壓油作為工作介質(zhì)。 對(duì)液壓油的主要要求有： （ 1） 、粘度合適，溫度對(duì)其影響較小。工作介質(zhì)的粘度是根據(jù)液壓系統(tǒng)中特別的液壓元件的油膜承載能力來(lái)選擇的的，因此應(yīng)保證承載能力的條件下，選擇合適的介質(zhì)粘度。 （ 2） 、潤(rùn)滑性能好。工作介質(zhì)對(duì)液壓系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)部件起潤(rùn)滑作用，以降低摩擦和減少磨損，能夠保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的正常工作。 （ 3） 、抗氧化。工作介質(zhì)和氧氣接觸會(huì)產(chǎn)生氧化作用，高溫、高壓和某些物質(zhì)會(huì)加速氧化過(guò)程。 （ 5） 、防銹和不腐蝕金屬。液壓系統(tǒng)中許多金屬零件長(zhǎng)期和工作介質(zhì)接觸，其表面在溶解于介質(zhì)中的水分和空氣的作用下會(huì)產(chǎn)生腐蝕，使精度和表面質(zhì)量受到破壞。 （ 6） 、同密封材料相容。工作介質(zhì)要和元件上的密封材料相容，不會(huì)發(fā)生 23溶漲、軟化或硬化，否則，密封將會(huì)失去效果，產(chǎn)生泄漏，造成系統(tǒng)壓力損失，工作不能正常運(yùn)行。 除此之外，液壓油還應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、低溫流動(dòng)性、抗燃性、以及對(duì)人沒(méi)有毒害性，在工作條件下具有充分的穩(wěn)定性 因此，根據(jù)上述條件選擇 液壓油。 具 夾具的設(shè)計(jì)要根據(jù)六點(diǎn)定位原理，是指工件在