轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)計(jì)算書a

1、機(jī)電與車輛工程學(xué)院計(jì)算書學(xué)生姓名 專 業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 北京建筑大學(xué)二O一四年月日地鐵轉(zhuǎn)向架3M轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)計(jì)算所用到的主要技術(shù)參數(shù):1、 地鐵車輛軸重：15T2、 運(yùn)行速度4KM/h；軌距1435mm；轉(zhuǎn)向架軸距2300mm3、 轉(zhuǎn)盤直徑3000mm；回轉(zhuǎn)速度4、 外形尺寸：3000mm5、 載重8t；6、 工作能力：一個(gè)工藝轉(zhuǎn)向架/每次；7、 定位/鎖定裝置：0°、90°、180°270°四組；8、 鋼軌間隙：<=5mm9、 軌道高差：<=2mm10、 軌距偏差：<=2mm11、 轉(zhuǎn)盤外圓周

2、與地坪內(nèi)圓周徑向間隙<=15mm12、 操作方式：電動(dòng)/手動(dòng)回轉(zhuǎn)支承的計(jì)算與選擇根據(jù)轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)的工作特性，當(dāng)轉(zhuǎn)向架或者輪對(duì)通過軌道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生傾覆力矩，而傾覆力矩最終由回轉(zhuǎn)支承來承受。當(dāng)轉(zhuǎn)向架或者輪對(duì)停在轉(zhuǎn)盤中央時(shí)，則由回轉(zhuǎn)支承來承受該軸向力。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪接觸會(huì)產(chǎn)生徑向力。已知設(shè)計(jì)要求相關(guān)參數(shù)外形尺寸：直徑3000mm地鐵車輛軸重：17T載重：8T回轉(zhuǎn)支承的計(jì)算選取及校核回轉(zhuǎn)支承所承受的作用力包括：軸向力、徑向力、傾覆力矩。擬采用單排四點(diǎn)解除球式回轉(zhuǎn)支承(01系列)設(shè)計(jì)通過地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸重為15T，設(shè)計(jì)載重為8T，轉(zhuǎn)盤蓋板及回轉(zhuǎn)支承軸承的自重約為5T?？偣卜譃槿N情況計(jì)算：情況1：

3、轉(zhuǎn)向架前輪剛運(yùn)行至轉(zhuǎn)盤上時(shí)(受力分析如圖1)軸向力：Fa=15T×10Nkg2+5T×10Nkg=1.25×105N傾覆力矩：M=15T×10Nkg2×1318mm=9.56×104Nm徑向力：Fr=0情況2：轉(zhuǎn)向架后輪剛運(yùn)行至轉(zhuǎn)盤上時(shí)(受力分析如圖2)軸向力：Fa=15T×10Nkg+5T×10Nkg=2.0×105N傾覆力矩：M=15T×10Nkg2×168mm=1.26×104 Nm徑向力：Fr=0情況3：轉(zhuǎn)向架整體位于轉(zhuǎn)盤上并且電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸向力：Fa=8T

4、5;10Nkg+5T×10Nkg=1.3×105N傾覆力矩：M=8T×10Nkg2×168mm=6.72×103 Nm徑向力：Fr=m2r=8 T×0.052×168mm=33.13 N注：因?yàn)榛剞D(zhuǎn)平臺(tái)的回轉(zhuǎn)速度很慢,對(duì)徑向載荷可以忽略不計(jì),只要按靜載荷選擇回轉(zhuǎn)支承角速度=1.5r×260s=0.05 rads圖1圖2以上情況中均存在因載荷的瞬息變化所造成的沖擊現(xiàn)象，故所需的載荷，傾覆力矩和徑向力應(yīng)比計(jì)算的大。通過取動(dòng)載荷系數(shù)的方法來考慮此沖擊現(xiàn)象。取K=1.2?；剞D(zhuǎn)支承在靜態(tài)工況下的安全系數(shù)為K=1.1回轉(zhuǎn)支承在

5、動(dòng)態(tài)工況下的安全系數(shù)為K=1.36上述三種情況中，情況1、情況2為靜態(tài)工況，情況3為動(dòng)態(tài)工況。按靜態(tài)工況選型取回轉(zhuǎn)支承接觸角為45°計(jì)算情況1：Fa=1.225Fa+2.676Fr×fs=1.225×1.25×105N+0×1.1=1.68×105N M=1.225Mfs=1.225×9.56×104Nm×1.1=1.29×105Nm情況2：Fa=1.225Fa+2.676Fr×fs=1.225×2×105N+0×1.1=2.695×105N M

6、=1.225Mfs=1.225×1.26×104Nm×1.1=1.70×104Nm式中 Fa回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量中心軸向力，104N； M回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量傾覆力矩，104Nm； fs回轉(zhuǎn)支承靜態(tài)工況下的安全系數(shù)，見表查取因轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤屬于輪式起重機(jī)、堆取料機(jī)及各種工作臺(tái)機(jī)械類，故查表得回轉(zhuǎn)支承安全系數(shù)fs取為1.1，fd取為1.36。選擇的回轉(zhuǎn)支承須同時(shí)滿足以上兩種情況。根據(jù)查取機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)01系列回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖，編號(hào)5能滿足以上情況要求，同時(shí)能滿足占用空間。圖編號(hào)5所對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)支承為011,30,800按動(dòng)態(tài)工況校核壽命：取回轉(zhuǎn)支承接觸角為45°計(jì)

7、算情況3：Fa=1.225Fa+2.676Fr×fd=1.225×1.25×105N+2.676×33.13×1.1=1.685×105NM=1.225Mfd=1.225×6.72×103Nm×1.36=1.11×104Nm經(jīng)校核，情況3下載荷小于編號(hào)5中的動(dòng)態(tài)承載能力曲線。故回轉(zhuǎn)支承的壽命校核符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，按照編號(hào)5圖中所示，可得螺栓材料應(yīng)選擇10.9級(jí)螺栓材料。選用回轉(zhuǎn)支承型號(hào)為：01,30,800其尺寸及參數(shù)如下表所示承載圖線圖編號(hào)基本型號(hào)外形尺寸mm安裝尺寸mm結(jié)構(gòu)尺寸mm外齒式D

8、dHD1D2nn1D3d 1H1h59226781008787223022（M20）68017989010齒輪參數(shù)mm外齒參數(shù)mm內(nèi)齒參數(shù)mm齒輪圓周力/104N參考質(zhì)量/KgbxmDezDez正火Z調(diào)質(zhì)T80+0.58966.4118635.2808.011.1220驅(qū)動(dòng)裝置的計(jì)算及選擇電機(jī)的選取電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)主要用于在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)期間用于克服回轉(zhuǎn)支承的摩擦阻力距，啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩，轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤采用電動(dòng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，其主要安裝在轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)部位，電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)齒輪，齒輪與轉(zhuǎn)盤連接的回轉(zhuǎn)支承外齒輪嚙合，以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)；或者經(jīng)減速電機(jī)帶動(dòng)小齒輪與回轉(zhuǎn)支承外齒嚙合實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)支承的摩擦阻力距計(jì)算根據(jù)轉(zhuǎn)盤的工

9、作情況，作用于回轉(zhuǎn)支承上的載荷主要有軸向載荷G、傾覆力矩M以及徑向載荷H。設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈與底部平臺(tái)固接，外圈與轉(zhuǎn)盤底架支撐梁以及鋼結(jié)構(gòu)固接，剛度足夠大。相對(duì)局部變形可近似忽略不計(jì)?；剞D(zhuǎn)支承中滾動(dòng)體幾何尺寸相等。受力情況相同?；剞D(zhuǎn)支承滾道加工符合理想要求。滾動(dòng)體在各載荷共同沖擊下，對(duì)滾道圓周上產(chǎn)生的壓力是連續(xù)分布的。小注：根據(jù)何西冷發(fā)表于中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)的著作論文回轉(zhuǎn)支承裝置的摩擦阻力距一文，此處宜采用方法為：由壓力疊加法推導(dǎo)出公式，計(jì)算出當(dāng)量壓力，然后由此計(jì)算出回轉(zhuǎn)支承的摩擦阻力距。因回轉(zhuǎn)支承裝置中滾動(dòng)體的形狀不同，對(duì)摩擦阻力矩會(huì)產(chǎn)生一些影響。此處加入滾動(dòng)體形狀系數(shù)K。滾柱取K=1，滾球取K

10、=0.95滾動(dòng)軸承的摩擦主要有：滾動(dòng)體與滾道之間的滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦；保持架與滾動(dòng)體及套圈引導(dǎo)面之間的滑動(dòng)摩擦；滾子端面與套圈擋邊面之間的滑動(dòng)摩擦；潤滑劑的黏性阻力；密封裝置的滑動(dòng)摩擦等。其大小取決于軸承的類型、尺寸、載荷、轉(zhuǎn)速、潤滑、密封等因素。軸承的摩擦力一般按下式計(jì)算M=Fd2=0.02×1.3×1052+33.132×0.6782=881.4Nm H=F2=9192N式中 M軸承摩擦力矩，Nmm； 軸承摩擦系數(shù)； F軸承載荷，N，F(xiàn)=Fa2+Fb2； d軸承內(nèi)徑，mm。因回轉(zhuǎn)支承屬于主要受軸向力作用的向心軸承，滾動(dòng)軸承的摩擦因數(shù)取較大值取為0.02，回轉(zhuǎn)支

11、承的接觸角取為45°。電機(jī)的凈功率電機(jī)的運(yùn)行需克服回轉(zhuǎn)支承的摩擦阻力距，以及承載傳動(dòng)機(jī)的功率損失等。折算到電動(dòng)機(jī)軸的靜阻負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl=Tm1i，i=nDnm式中 Tl折算到電動(dòng)機(jī)軸上的靜阻負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m； Tm機(jī)械軸上的靜阻轉(zhuǎn)矩（包括摩擦阻轉(zhuǎn)矩），N·m； i傳動(dòng)比； 傳動(dòng)效率傳動(dòng)機(jī)構(gòu)整體的傳動(dòng)效率，預(yù)計(jì)為取0.9。設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速為 rmin。預(yù)取1 rminTl=Tm1i=882×10.9×=N·m 轉(zhuǎn)矩計(jì)算為 T=F=0.02×13t×10Nkg=2600Nm電機(jī)的實(shí)際功率當(dāng)轉(zhuǎn)盤啟動(dòng)時(shí)，存在加速度（即慣性力）的

12、影響，同時(shí)靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)。所以實(shí)際選擇的電機(jī)需要的功率需大于計(jì)算的凈功率情況。綜合考慮下,選擇SEW減速電機(jī)KA87BDT90S6/BMG，此減速電機(jī)減速比為i=174.19。電機(jī)功率為0.75KW。當(dāng)電機(jī)頻率為50Hz時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速為5.3r/min。（注：在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，會(huì)對(duì)電機(jī)頻率有些許調(diào)整要求，實(shí)際需要的頻率以后續(xù)章節(jié)計(jì)算為準(zhǔn)）T=9550 Pn N·m T軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；P軸所傳遞的功率，Kw；n軸的工作轉(zhuǎn)速，r/min P=T×n9550=2600+882×15009550=547W=0.55KW齒輪的計(jì)算與選用小齒輪安裝在主

13、動(dòng)軸上，本章主要確定小齒輪的齒形系數(shù)。之前的計(jì)算中已經(jīng)確定了：回轉(zhuǎn)支承的型號(hào)：三合一減速機(jī)型號(hào)：SEW減速電機(jī)KA87BDT90S6/BMG，此減速機(jī)減速比為i=174.19，電機(jī)功率0.75KW，輸出轉(zhuǎn)矩為5.3r/min。設(shè)計(jì)要求的的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為，因此主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的裝配的減速比應(yīng)在5.3左右，使得轉(zhuǎn)盤在不被其他因素影響的情況下轉(zhuǎn)速為1r/min。查閱回轉(zhuǎn)支承上，外齒齒輪的齒數(shù)為z=118從動(dòng)輪齒數(shù)為z'=22齒輪直徑d=mz'=22×8176mm實(shí)際減速比i'之間模數(shù)為m=8考慮到加工上的問題，對(duì)進(jìn)行取整。取齒數(shù)為25個(gè)。此時(shí)，i=4.72。（此情況下不會(huì)

14、發(fā)生跟切）此時(shí)，若輸出轉(zhuǎn)速為5.3，則轉(zhuǎn)盤運(yùn)行速度將為1.123r/min。符合設(shè)計(jì)要求。校核部分：(參考機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算)按齒面接觸強(qiáng)度校核：軸承與軸的配合公差標(biāo)準(zhǔn)軸承內(nèi)徑公差帶的位置和大小與一般基準(zhǔn)孔不同，（G與E）或（0與6）滾動(dòng)軸承的內(nèi)徑是有特殊公差帶位置的基準(zhǔn)孔,各精度等級(jí)軸承內(nèi)徑的公差帶從零線起向下布置,上偏差為零,下偏差為負(fù)值.軸承外徑公差帶位置與基軸制類似,從零線起向下布置。當(dāng)軸承內(nèi)徑公差帶與軸公差帶構(gòu)成配合時(shí)，在一般基孔制中原屬過渡配合的公差代號(hào)將變?yōu)檫^贏配合，如k5、k6、m5、m6、n6等，但過贏量不大；當(dāng)軸承內(nèi)徑公差代與h5、h6、g5、g6等構(gòu)成配合時(shí)，不在是間隙而成為過

15、贏配合。軸承外徑公差帶由于公差值不同于一般基準(zhǔn)軸，也是一種特殊公差帶，大多情況下，外圈安裝在外殼孔中是固定的，有些軸承部件結(jié)構(gòu)要求又需要調(diào)整，其配合不宜太緊，常與H6、H7、J6、J7、Js6、Js7等配合。選用與滾動(dòng)軸承的精度有關(guān)，與G（0）級(jí)軸承配合的軸，其公差等級(jí)一般為IT6，外殼孔為IT7；與E（6）、D（5）級(jí)軸承配合，軸一般為IT5，外殼孔為IT6。要看具體使用條件，如果對(duì)軸是旋轉(zhuǎn)負(fù)荷，轉(zhuǎn)速較高，負(fù)荷較大，則要求緊一些；如是靜止負(fù)荷，則可松些；也要看安裝方式，如果內(nèi)外圈同時(shí)安裝，為裝配方便計(jì)，也應(yīng)松些。一般情況下，軸一般標(biāo)00.005 如果是不常拆的話，就是0.0050.01的過盈

16、配合就可以了，如果要常常的拆裝就是過渡配合就可以了。我們還要考慮到軸材料本身在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候的熱脹，所以軸承越大的話，最好是0.0050的間隙配合，最大也不要超過0.01的間隙配合。本次設(shè)計(jì)當(dāng)中用到軸承的地方包括有小輪支承部分和電機(jī)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)部分，涉及到的具型號(hào)為代號(hào)GB/T276-1994的深溝球軸承6012、6211和6421。深溝球軸承結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，是應(yīng)用范圍最廣的一類軸承。它主要用以承受徑向載荷，也可承受一定的軸向載荷。當(dāng)軸承的徑向游隙加大時(shí)，具有角接觸球軸承的功能，可承受教大的軸向載荷。 與尺寸相同的其他類軸承比較，此類軸承摩擦因數(shù)小，極限轉(zhuǎn)速高。在轉(zhuǎn)速較高不宜采用推力球軸承的情況下可

17、用該類軸承承受軸向載荷。關(guān)于主動(dòng)軸軸徑的估算：因?yàn)橹鲃?dòng)軸主要受扭，此處只給出按扭矩設(shè)計(jì)的過程。 d39.55×1060.2T3pn軸的材料選45鋼，則d至少為53mm，若開鍵槽，至少為55mm。參考機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)軸的彎矩，疲勞強(qiáng)度，靜強(qiáng)度，剛度進(jìn)行校核計(jì)算，設(shè)計(jì)軸的尺寸如下圖中所示。軸承基本尺寸：6012軸承 6211軸承 6421軸承內(nèi)徑d： 60mm 55mm 60mm外徑D： 95mm 100mm 150mm厚度B： 18mm 21mm 35mm驅(qū)動(dòng)部分的軸如圖其中，配合公差選擇k6小車部分的軸如圖：兩端配合為k6，與軸承配合。中間為f7，與小輪配合。此外，齒輪孔公差為M7.與驅(qū)

18、動(dòng)軸直徑為95mm的部分配合。轉(zhuǎn)盤鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算本裝置設(shè)計(jì)采用軌下直接鋪設(shè)支撐梁在轉(zhuǎn)盤承載時(shí)，主要考慮在工作中各個(gè)部分所面對(duì)的該部分承載最大的時(shí)候能夠滿足強(qiáng)度和剛度上的要求。在不同情況下，每個(gè)點(diǎn)所受的載荷發(fā)生變化，下面給出不同情況下，需要對(duì)強(qiáng)度和剛度做出的設(shè)計(jì)。情況一:當(dāng)轉(zhuǎn)向架剛運(yùn)行至轉(zhuǎn)盤上時(shí)，轉(zhuǎn)盤支撐梁所承受負(fù)載為Pk=7.5+2.5×103×10=105N此時(shí)單側(cè)支撐梁在轉(zhuǎn)盤支承支點(diǎn)處的彎矩為M=F×l=5×104×0.6=3.0×104Nm情況二：當(dāng)轉(zhuǎn)向架剛剛整體運(yùn)行至轉(zhuǎn)盤上時(shí)，轉(zhuǎn)盤支撐梁所承受的負(fù)載為集中力Pk=7.5+2.5×103×10=105N綜上兩種情況，對(duì)支撐梁而言，只要承載截面的設(shè)計(jì)能滿足情況二的需求，那這種截面的鋼結(jié)構(gòu)就可用于x方向（y放向的鐵軌正下方部分）承受載荷的需要。此時(shí)最大彎矩為Mmax=F×l=3.0×104Nm設(shè)計(jì)的最大撓度為2mmfmax=Pk×l3E×I=2mm求得截面的