3480火车轮对盘位差检测系统机构设计xWord文档下载推荐.docx
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1.1 问题的提出 1
1.2.1国内现状分析 1
1.2.2国外现状分析 3
1.3设计任务的主要内容与要求 5
2总体方案设计 6
2.1激光位移传感器测量方法 6
2.2总体方案的确定 8
3滚珠丝杠的设计计算与选用 9
3.1滚珠丝杠介绍 9
3.2滚珠丝杠的选型与计算 11
3.2.1水平方向滚珠丝杠选型与计算 11
3.2.2垂直方向滚珠丝杠的选型与计算 13
4液压缸的设计计算 15
4.1液压系统的结构形式和工作原理 15
4.2油缸的选取 15
4.3液压缸工作压力的确定 15
4.4油缸各部分材料的确定 17
4.5液压缸壁厚和外径的计算 17
4.6液压缸活塞行程 18
4.7油缸的缸径、活塞杆直径的计算 19
5旋转机构 20
5.1摩擦轮传动 20
5.2减速电机介绍：
21
5.3电动机的选择计算 21
5.4轴承校核 23
6双顶尖定位机构设计 26
6.1回转顶尖结构 26
6.2轴承的受力计算 27
6.3顶尖心轴的设计与计算 29
总 结 30
参考文献 31
致 谢 32
32
1绪论
1.1问题的提出
机车车辆的检修是铁路运输过程中的一个重要环节,车轮作为机车车辆走行部的重要部件,直接关系到行车安全,因此,轮对几何参数的测量在机车车辆的检修过程中尤为重要。
铁路系统中，作为车辆走行部主要部件的轮对是影响安全运行的一个重要环节。
轮对不仅承受着列车的全部重量和自身的重量，而且还要传递列车与钢轨间的驱动力和制动力。
另外轮对需要承受很大的静载荷和动作用力、组装应力、闸瓦制动时产生的热应力以及曲线通过时的构架力、导向力、轮对本身旋转的离心力等。
所以要求轮对必须保持良好的技术状态，否则会严重影响行车安全。
目前国内的车轮外形检测主要是人工手动接触测量，测量工具原始粗糙，精度低，自动化程度和工作效率不高，并且受人为因素影响很大。
尤其是对车轮踏面部分的外形尺寸的测量，因为是空间的复杂尺寸，并且没有有效且精确的测量工具，因此很难达到理想的效果。
这样的工作方式不仅使企业的生产成本居高不下，还严重影响着生产效率的提高和进一步发展，因此尺寸检测的自动化对于提高生产效率，降低成本，以及企业竞争力的提高都具有重要的意义。
国外生产的轮对自动检测机，虽然性能先进，功能齐全，但是价格高，操作维护困难。
况且，国外产品的一些技术参数，操作界面和语言也不能很高的适应我们的工艺现状和技术标准，维修和售后服务也跟不上。
综上所述，我们有必要自主研制和开发具有国际先进水平的、性价比较高的并能代替进口产品的轮对尺寸自动检测机，以提高火车轮对的装配质量和精度。
1.2现状分析
1.2.1国内现状分析
国内开展轮对外形尺寸检测研究工作相对较晚，从90年代开始，经过十多年的努力，提出了一些新思路和新方法，研制出了不同类型的检测装置，但是没有形成广泛适用的自动化检测产品，没有改变我国轮对尺寸定期进行人工检测的落后状态。
目前，柳州铁路局车辆研究所和北京铁路局车辆研究所在进行这一项目的开发研制，西南交大也正在进行铁道部的车载在线测量的项目申请。
我们与石家庄铁龙电子计量有限公司合作开发的项目——火车车轮外形尺寸自动检测仪，实现了计算机自动测量火车车轮的多项
外形尺寸。
检测仪采用CCD探测头作为测量的传感器对火车车轮进行综合测量，利用计算机处理采集数据和图像、提取边沿、检测数据，实现了高速、连续的自动测量，人为因素的影响也降至最低，从而提高了工厂的自动化程度和工人的劳动效率，这套方案的研制成功对于实际的工厂检测是一个创新，它取代了现有的测量工具，具有很大的实际应用价值和广泛的应用前景。
归纳起来，现阶段使用的火车车轮外形尺寸自动检测仪具有以下特点：
1）计算机控制自动测量；
2）测量范围大、精度高，可以测量空间二维复杂尺寸；
3）每次测量尺寸达到20多个，由计算机软件控制自动对8片线阵CCD和16个面阵CCD探测头进行切换，实现逐一测量的顺序化；
4）可随时进行软件标定，从而避免长期使用造成的精度降低；
5）因为采用非接触光电测量方式，对被测工件没有影响，对于光电探头也不存在磨损的问题，不必要定期更换检测探头，只要定期为光电探头除尘即可。
在国内早期，无锡市中国船舶科学研究中心陈建平等人研制出一套乘用车制动盘转向节部件的检测设备，用来测量滚动轴承拖滞扭矩和制动盘的跳动量[1]。
该设备由气动系统控制，
依次完成工件的初定位、精确定位、加载销的插入。
利用花键传递载荷的方式，借助步进电机提供的扭矩，来解决花键轴与花键孔插入时齿形不配的问题，并实现了制动盘的旋转，测量制动盘的跳动量。
该套设备的工件定位属于制动盘轮毂组件与轮毂轴承上下压紧形式中的一种。
在整个系统中关于加载、工件定位、花键轴轴向定位三个方面所做的工作，均值得借鉴与学习研究。
2011年，湖北省机电研究院为东风日产乘用车公司研制了“一种基于高精度激光位移传感器的汽车制动盘面振在线检测系统”[2]。
该套系统与本课题所研究的设备的主要区别在于
其检测工件不同，该项目对应工件是制动盘与轮毂总成，方案设计的基础是建立在固定轮毂来检测制动盘端面跳动，而本课题所测量的工件是制动盘转向节总成，在制动盘与轮毂装配完成后，再压入转向节内，最后再测量制动盘的端面跳动。
但该套系统依然具有一定的参考价值，具体为：
1）在该套系统中，测量时制动盘旋转转速为每分钟10~12转，一个测量周期内制动盘的转角为1.2~2转。
2）对不同车型的制动盘，设置不同的检测探头，探头的安装位置设计成可以沿制动盘径
向水平方向调整。
3）该设备在夹紧工件时，采用上部压紧的结构方式。
安装时，工件朝下，通过气缸、减压阀、导杆及弹簧，压紧制动盘，压紧力可调。
2012年7月，在中国专利网上公布了昆山佳铭自动化科技有限公司研制的“一种制动盘跳动度检测装置”的发明专利。
该发明检测对象是单个汽车制动盘，制动盘定位在托指上部，托指与心轴连成一体，心轴通过齿轮与减速电机联接，传递动力。
2012年底，在中国专利网上公布了青特集团有限公司研制的“一种制动盘总成跳动检具”
的实用新型专利[3]。
虽然该专利权利书中述说的功能，指的是对制动盘总成的圆跳动和全跳
动的测量，但说明书附图及其具体实施方式的说明中却是描述关于轮毂与制动鼓合件的跳动测量，并没有能使读者了解其关于测量制动盘跳动的结构。
此外，该专利所使用的轮毂与乘用车上轮毂的结构形式有差别，所述设备测量元件采用传统的千分表，驱动工件旋转采用人手转动方式，总体而言具有较大局限性，并不适合总装车间在线检测。
1.2.2国外现状分析
国外从事轮对自动检测方面的研究已经进行了很多年，在轮对的外形尺寸检测方面进行了深入的研究，拥有了较成熟的检测技术，开发出了适用于不同场合的动态静态自动检测产品。
（1）超声遥测检测装置俄罗斯联邦铁路于90年代中期研制成功轮对参数自动化检测装置。
它采用超声遥测的非接触方法,当铁路车辆以不大于5km/h的速度行时,遥测传感器组可测出距车轮各特征表面的距离,经分析处理后可得出车轮直径、轮缘厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等参数。
测量误差分别为轮径误差不大于lmm轮缘厚度误差不大于0.5mm踏面磨耗误差不大于
0.3mm。
整套测量装置由传感器组地面测量单元、数据传输线路操纵控制单元和外部设备等组成。
此检测装置结构复杂安装调试困难。
（2）加速度峰值评法
日本20世纪90年代中期研制了“车轮踏面损伤检测装置”如图所示。
2个相同的加速度传感器安装在钢轨座处,相距半轮周长S2/测量前后1/4周长的震动。
装置除检测踏面损伤外还能测量车辆通过测点的速度。
该测量系统的主要问题是因车轮踏面伤引起的冲击波形和钢轨的共振波形重登因而加速度峰值无法原原本本地反映出车轮踏面的损伤程度。
1列车检测器 2加速度传感器 3车轮检测器图1-1 车轮踏面损伤检测装置传感器分布
（3）基于图像的自动检测方法
在国外,如日本、德国、美国等国都已研制出了一些基于图像处理方法的自动检测设备。
近年来,我国也已经开展了基于图像的自动检测系统的研究,并取得了很大的成果:
如高速列车轮对自动检测系统的原理及实施方案和基于图像的轮对在线动态检测应用研究闭等,下面简要介绍几种国内外基于图像检测的方法和装置。
（1）日本于20世纪90年代末研制的车轮踏面形状自动测定装置川。
如图3,测量装置有细激光束、CCD、车轮检测器、同步检测传感器及遮光板组成。
激光是在一个车轮通过的时候照射,用光电传感器捕捉通过的车轮轮缘,用高速随机光栅摄影。
对所摄影的像,经滤波和细化处理,抽出激光图像的中心线,算出车轮各部位的尺寸。
测量误差分别为:
车轮直径误差不大于 0.5mm,轮缘高度误差不大于0.5mm,轮缘厚度误差不大于0.lmm,轮对内距误差不大于0.lmm。
（2）德国铁路于80年代末期研制成功轮对自动诊断装置。
这套装置的工作原理是将缝隙光光带以规定角度透射到车轮上形成可辨认的轮廓,同时用摄像机在对应角度捕捉反射的光束。
车轮图像是通过布置在每根钢轨上的4半导体摄像机拍摄的,经过分析处理后便可计算出轮缘厚度、踏面磨耗和车轮内距等参数。
（3）美国
Loram公司于90年代中期研制成功了2种形式的车轮自动检测系统,低速检测型和高速检测型。
低速检测型可在列车运行速度不超过5km/h的情况下输出图像、图标和统计数据;
高速检测型可在列车运行速度不超过72km/h的情况下打印出测量数据和报告。
（4）国内基于图像的轮对
在线动态检测应用研究时的检测装置由CCD和激光线光源为核心的基本检测单元安装在机车
轮对检测线上,当机车接近检测区域时,传感器启动现场检测器件,摄像机捕捉车轮的轮廓图像,对图像进行处理计算。
测量精度可达0.4mm。
基于图像的自动检测方法,采样率高、机构简单、
测量精度高,但是造价相对昂贵。
另外,光源相对摄像机位置的微小变化将会增大检测误差。
图1-2 车轮踏面形状测定装置原理图
1.3设计任务的主要内容与要求
1.3.1主要技术参数：
（1）轴的俩侧轴肩距离为1798+0.4mm；
（2）盘位差509±
0.5mm,939±
0.5mm,
509±
0.5
mm；
（3）3个制动盘两侧端面跳动0.3mm；
（4）3个制动盘盘厚80mm。
1.3.2主要要求
（1）A0装配图、零件图3张（当量图纸3张A0），机械结构三维建模，手绘1张A1图纸；
（2）开题报告一份，字数不少于3000字；
（3）设计说明书一份（按学院相关文件要求），字数1.5万字左右；
（4）提交外文专业资料复印件及中文译文打印件各一份，外文原文不少于3000单词，并有明确的文献出处；
（5）参考资料8篇以上，其中外文资料2篇以上；
所有设计资料电子版（光盘）一份。
2总体方案设计
2.1激光位移传感器的选用
图2-1 德国米铱激光位移传感器
激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。
按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。
三角测量法原理：
图2-2 三角测量法原理图
激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。
根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。
同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。
如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。
另外，模拟量与开关量输出可独立设置检测窗口。
根据需要，选用德国IDL-1700-20LL激光位移传感器
2.2总体方案的确定
图2-3 整体检测装置
1-立柱；
2-顶尖；
3-液压缸；
4-激光位移传感器；
6-滚轮；
7-测量装置；
8-底座根据需要，整体尺寸总长为3040mm,总宽1960mm,总高2300mm。
检测时，先用塔吊将轮对组合放在送料小车上的V型块上，然后液压缸将小车推到指定位置，托起机构将待测轮对组合顶起，两侧的顶尖将轮对组合固定：
测量装置铝合金方管上固定的两个激光位移传感器
测量轴肩距离；
中间两个传感器设计成相对固定，可以通过丝杠左右和上下移动，可以测量制动盘盘位差、端面跳动和盘厚。
整个测量采用相对测量法，先用顶尖定位一个标准件，标记激光位移传感器检测标准件的位置点和检测到的数据，检测时，通过比较同一位置点传感器数据的变化来达到检测目的。
3滚珠丝杠的设计计算与选用
3.1滚珠丝杠介绍
滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。
滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。
它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。
由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
1）与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。
与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。
在省电方面很有帮助。
2）高精度的保证
滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·
湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
3）微进给可能
滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。
4）无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。
5）高速进给可能
滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）。
滚珠丝杠副特性：
1）传动效率高
滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%，为传统的滑动丝杠系统的2～4倍，如图1.1.1
所示，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。
2）运动平稳
滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。
3）高精度
滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。
4）高耐用性
钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。
5）同步性好
由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。
6）高可靠性
与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。
在特殊场合可在无润滑状态下工作。
7）无背隙与高刚性
滚珠丝杠传动系统采用歌德式（Gothicarch）沟槽形状（见图2.1.2—2.1.3）、使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。
若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性，减
8）少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。
现代制造技术的发展突飞猛进，一批又一批的高速数控机床应运而生。
它不仅要求有性能卓越的高速主轴，而且也对进给系统提出了很高的要求：
最大进给速度应达到40m/min或更高；
加速度要高，达到1g以上；
动态性能要好，达到较高的定位精度。
3.2滚珠丝杠的选型与计算
图3-1 检测装置
3.2.1水平方向滚珠丝杠选型与计算
（1）直线滚动导轨副的计算与选型
1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取
工件载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。
滑块所受最大垂直方向载荷计算公
式为：
Fmax
=G1+F
2 f
（3-1）
其中G1为垂直方向丝杠的重量和铝合金方管的重量再加上两个激光传感器的重量，考虑安
全系数，取G1=400N，外加载荷Ff=200N，那么Fmax=400N
初选直线滚动导轨副型号为RGH20HA型号
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