参考2.docx
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参考2
机械原理课程设计
----散货自翻车
——西南交通大学机械工程学院
[推荐理由]
机械原理课程设计是机械类学生在完成了机械原理课程的学习之后或在课程学习之中进行的课程设计。
按照教育部机械基础课程教学指导分委员会制定的教学基本要求，课程设计学时应保证1—1.5周。
西南交通大学的机械原理课程设计是一种综合性的实践教学环节。
它融合了机械原理、工程制图、设计方法、数学和力学等基础知识等，通过采用项目运作的方式，培养学生的批判和创新思维能力、提出和解决问题的能力、团队协作精神、有效交流和沟通的技能，体现了CDIO（构思、设计、实施、运作）新的工程教育理念。
[案例详细说明]
1、概述
机械原理课程设计的课内计划周学时为2，共16周。
教学的组织方式采用一般的项目运作方式。
要求学生以小组（或称为团队）为单位，完成一项具有实际工程应用背景的机构设计任务，包括市场调查和分析、机械的主要功能和性能设计要求的确定、机构的选型、机构的运动分析和设计、机构的动力分析和设计等。
设计题目的来源有三种方式：
（1）选择本校自编的《机械原理课程指导书》中的题目；
（2）在教师指定的机械领域范围内选题；（3）自由选题。
要求各个团队分阶段完成设计规划报告、进展报告和设计总结报告，并向指导教师和全体同学进行口头报告（包括演示文档PPT的制作，陈述时间的限定等），接受大家的评价和建议。
2、教学目标和能力要求
教学目标和能力培养：
通过课程设计，提高学生的工程设计能力和专业知识的综合应用能力。
包括：
1）项目规划、组织、执行的初步能力。
了解一个项目从规划到完成的主要阶段和各个阶段要解决的主要问题；
2）相关文献和资料的收集和分析的能力；
3）工程交流能力；包括技术文件的整理、撰写规范的技术文件的能力以及准备和应对口头答辩的基本能力；
4）综合应用数学、力学、机械原理等课程知识的能力；通过经历从产品构思到机构仿真的全过程，使学生了解和掌握工程问题的定义（功能和性能）的过程和方法；提高他们将工程设计问题转化为数学、力学分析模型的能力以及按照设计要求进行机构设计的能力；
5）计算机三维建模及与运动仿真软件和技术的集成、应用的能力；
6）实验或虚拟样机实验的方案制定、实验数据分析和解释的能力。
重点是确定实验目的和实验方法确定、实验数据整理和分析的能力。
7）团队合作协调的能力。
重点是团队组建、成员分工、沟通和协调的能力。
学生的能力要求：
学生学习和掌握机械原理、工程制图、高等数学、理论力学、计算机应用与算法等课程基本知识。
机械原理课程教学的教学计划如表1所示。
表1西南交通大学机械原理课程设计教学计划
教学目标
周次
教师工作
学生工作
第一阶段
培养能力：
工程问题的定义（功能和性能）能力；
团队组织、分工；
项目规划
1
课程概述，机械功能和性能分析示例、相关资料的收集和分析方法（文献分析：
原始、性能差别、当前水平；文献粗读、精读及典型文献和作者；网络搜索（中国专利网）、电子图书馆、专利、文献资料）
组成团队，收集和分析资料
2
项目规划报告撰写要点（项目背景意义、研究内容、关键问题、预期成果、研究设计计划）
撰写项目规划
3
对各团队和个人表现进行考察和记录、文献综述报告（包括参考文献原始文档；5号，A4，5页以上）
各团队口头报告项目规划，提交文献综述
第二阶段
培养能力：
将工程问题转化为数学、力学模型；
机构运动和动力分析软件的应用
团队协作；
监督检查；
4
机械功能设计的基本方法归纳
提出并确定机构运动方案
5
机械性能设计的基本方法归纳
建立机构综合的数学模型
6
编制和调试机构综合程序
7
进展阶段报告撰写的要点（5号，A4，5页以上）
编制和调试机构综合程序
8
撰写进展阶段报告
9
对各个团队和个人表现进行考察和记录、讲评
各团队口头报告进展情况，提交书面报告
10
对各个团队和个人表现进行考察和记录、讲评
各团队口头报告进展情况，提交书面报告
第三阶段
培养能力：
实验或虚拟样机实验的设计、数据分析、整理和解释；
机构运动和动力分析软件的应用；
团队协作；监督检查；
11
机构运动分析方法的归纳
各团队进行实验和虚拟样机实验的规划
12
机构动力分析方法的归纳
进行实验和虚拟样机实验
13
实验结果的分析和解释的基本要点
进行实验和虚拟样机实验
14
进行实验和虚拟样机实验
第四阶段
培养能力：
工程设计文件的规范撰写、项目的总结、团队协作
15
设计计算说明书的撰写要点
撰写设计计算说明书、刻盘（三个报告、模型、结果、参考文献）
16
组织各个团队作品的讲评或评比、学期总结
提交设计计算说明书（团队人均15页以上）
17
给出各团队和个人的得分
设计报告内容基本要求
1、封面：
封面：
设计题目，班级，学号，姓名，指导教师，年月
2、目录
3、正文主要内容
i.问题的提出：
产品市场调查及分析，产品的功能和性能等设计要求的确定；
ii.设计方案的选择：
有哪些方案，最后选择的方案，选择的主要考虑。
iii.机构尺寸设计的方法：
试凑法，图解法（作图原理和结果），解析法（设计方程的建立和求解）；机构尺度综合的主要结论。
（附机构运动简图，图纸规格：
3号）
iv.机构运动和动力分析：
分析的方法（方法的原理，点或构件运动、力分析的公式）；计算机程序框图；机构运动和力分析的主要结论，线图的分析（附机构的运动线图）。
v.机构动力设计：
速度波动及其调节方法，惯性力的平衡；设计的主要结论（飞轮安装在哪一根轴上，速度调节的结果）（附机构的动力分析线图）
vi.结束语（收获和体会，致谢）
vii.参考文献：
（采用标准格式）
期刊：
作者.文章题目[J].刊名.年份，卷（期），页码（---）
书和专著：
作者.书名[M].译者.版次.出版地：
出版者，年份
学位论文：
作者.文章题目[D]：
[学位论文].保存地点：
保存单位，授予时间
论文集：
作者.篇名[C].见：
论文集编者，论文集名称，出版地：
出版者，年份：
页码
4、附件
[设计题目的产生和设计报告范例]
一、设计题目的产生
问题提出:
散货卸载自翻车
在货物运输中，有大量的散货（如煤、沙等）是由汽车、火车等运输工具运送，在卸载时，不需要担心货物的破损，但是，却需要大量的人力，而且，由于作业现场会出现大量的粉尘，工人的工作条件极其恶劣。
另据铁道部相关人士透露：
2007年,全国铁路完成煤炭运输15.4亿吨,占总发送量的49.3%。
随着我国基础建设日益发达，对于煤炭需求量也会日益增加。
这不仅要求煤炭资源的开采效率要高，更重要的是要求煤炭运输的效率要高。
煤炭的卸货是关系到煤炭铁路运输效率的一个非常关键的因素。
由此，设计一种高效率的散货卸车车厢十分有必要。
西南交通大学是以轨道交通为特色的学校，并考虑到铁路行业在当今中国的重要位置。
我们小组决定选择散货自翻车为设计题目。
铁路散货自翻车（以下简称自翻车）是一种将卸货设备和车辆结构结合在一起的专用车辆。
适用于备有机械化装车设备的工厂、矿山、大型建筑工地等部门,用以运输矿石、剥离岩石、砂砾、煤炭、建筑材料等不同比重的粒（块）状货物全车由车体、底架、倾翻装置、制动装置、车钩缓冲装置、转向架等组成，车体为全钢铆焊结构，其特点是装有可倾翻车箱及下开式侧门，车箱在倾翻风缸作用下，可向任一侧倾翻，同时随之打开并作为地板面的延续面，将货物卸至远离轨道的一侧。
基于此，本次课程设计的具体内容如下。
设计题目：
铁路散货自翻车
提交成果：
1）市场调研文献综述
2）国内外现状文献综述
3）产品设计模型和运动、受力分析结果
a）最终方案的机构运动简图
b）三维设计模型
c）机构运动分析和力分析结果
4）设计计算说明书，
设备要求及条件
1）多媒体教室
2）文献库
3）三维设计软件
4）运动学和动力学仿真软件
二、设计报告范例
设计作名名称：
散装自翻车
1、小组成员确定、分工与项目管理
一个优秀的设计团队需要具备较强的沟通能力进行市场调研、具备较强的软件应用能力进行产品的三维建模和运动仿真分析者、较好掌握机构原理和产品设计适应进行工程设计。
按照这样的要求，确定小组成员由三人构成，并根据各个成员的特长进行分工：
贾旭负责市场调研和项目管理、刘昕铭负责产品建模和运动仿真、张宪文负责工程设计。
总负责人为贾旭。
设计过程中各个成员均应服从负责人的安排，相互配合。
为了更好的执行本次设计，经过小组成员讨论，确定项目管理计划，见附件10.1。
2、产品设计背景描述
2.1问题提出
目前,我国散装货物运输,主要靠通用敞车来完成。
卸车作业在一些大型厂、矿和港口采用翻车机、链斗卸车机具等进行卸货。
但很大一部分中小型厂、矿、站场的卸车作业,还没有比较合适的机械,同时翻车机设备庞大复杂、有一定局限性,且对车辆的损坏严重,链斗卸车机效率低,不能满足成列车卸货的要求。
由此，设计一种高效率的散货卸车车厢十分有必要。
对于如何进一步提高散装货物装卸机械化的程度,主要应从两方面考虑:
1）从卸车机具考虑,研制装卸车机械化的设备;
2）采取设备与车辆合一的方法,使它们能更好地满足不同散装货物的高效卸车要求,这就要求大力发展专用车辆的数量和品种。
从世界各国铁路货车总的发展趋势看,专用货车发展的速度很快,我国目前粒（块）状货物运输量约占散装货物总运输量的40%以上,而与之相适应的运输车辆则较少,特别是自翻车则更少。
因此,大力发展专用车辆,特别是自翻车,既可以最大限度地简化卸货场地和地面设施,又能更好地适应大、中、小型工厂企业及站场的使用。
2.2市场调研与文献综述
实地调研对象：
成都市车辆段、成都东站。
通过实地调研铁路散货自翻车的设计数据和机构形式，并向工作人员进行了咨询。
对所设计的产品有了直观认识和第一手的设计数据，包括实地测量获得自翻车尺寸、现行铁轨宽度。
文献调研：
网络、图书馆文献资料、图书馆电子资源。
首先通过网络使用关键词，如自翻车、散货进行搜索，在对网络资料消化理解基础上，进一步利用铁路散货自翻车、自翻车机构等关键词进行组合搜索，获得第一手的资料。
然后通过图书馆文献资料和电子资源查询到新型KF60（A）型自翻车、KF60H型自翻车新型倾翻机构设计等文献。
在市场调研和文献资料消化后，整理资料如下：
国外使用自翻车较早，品种较多，如前苏联、美国、捷克、德国都生产过大量的不同品种的自翻车。
国内外自翻车生产情况见表1。
从表1可以看出,国外自翻车发展比较快,而我国在70年代新产品较多,而进入80年代到90年代几乎没有什么新产品,但构想方案仍有一些。
不论国内还是国外,总的发展趋势是朝着大容积、大吨位的方向发展,并已形成系列。
表1：
国内外自翻车生产情况统计表
车型
载重/t
自重/t
容积/m3
制造年份
制造厂
生产情况
KF-60
60
33.5
27
1963
中国哈厂
大批量
KF-100
100
49
44
1967
中国哈厂
批量
KF-70
70
34
29
1972
中国哈厂
一辆
KF-65
65
33
29
1978
中国哈厂
一辆
2BC-95
95
53.6
44.5
前苏联
BC-100
100
49.5
44.6
前苏联
2BC-105
105
48.5
48.5
1972
前苏联
Southerpacific
90
30
38
美国
DIFCO’S
100
46
美国
105
49
捷克
101
48
48
德国
181
59
96
德国
市场上常见的散货自翻车车类型：
常见的自翻车有中国北车集团太原机车车辆厂设计、生产的KF60AK型自翻车；北车集团哈尔滨车辆厂设计、生产的KF-100型液压自翻车、KF-100A型气压自翻车；南车集团株洲车辆厂设计、生产的KF-60型自翻车、KF60A（N）型自翻车。
自翻车所实现的功能及其技术要求：
KF60AK型自翻车是卸车设备与车辆结构结合在一起的专用车辆，适用于标准轨距铁路上运输矿石、剥离岩石、砂砾、煤块、建筑材料等散粒货物。
KF-100型液压自翻车、KF-100A型气压自翻车，适用于矿山、工厂及大型施工工地，用于矿石、岩石、煤及其块粒状货物的运输。
该车具有可倾翻的车箱，装有电控液压倾翻系统，或压缩空气倾翻系统，可使车箱向左右任一侧倾斜，此时该侧的侧门能自动向下开起，当车箱倾翻至26°时，侧门与车箱地板构成一延续面，将货物卸至线路的外侧。
该车由车箱、底架、转向架、制动装置、连结缓冲装置、液压装置或气压装置、电气装置和倾翻机构等部件组成。
其主要承载构件采用低合金钢制造，采用滚动轴承或滑动轴承该车具有以下特点：
倾斜平稳，卸货迅速。
操作简便，运输效率高，使用安全可靠。
KF-60、KF60A（N）型自翻车适用于备有机械化装车设备的工厂、矿山等部门，用来运输矿石、煤块、建筑材料等散粒货物。
全车由车体、底架、倾翻装置、制动装置、车钩缓冲装置、转向架等组成，车体为全钢铆焊结构，其中KF60A（N）车体为耐侯钢结构。
采用13号上作用车钩、ST型缓冲器和2E轴的焊接构架或铸钢转向架。
其特点是装有可倾翻车箱及下开式侧门，车箱在倾翻风缸作用下，可向任一侧倾翻45°，同时随之打开并作为地板面的延续面，将货物卸至远离轨道的一侧。
自翻车实例及其相关参数：
a）KF60AK型自翻车
性能参数：
载重（t） 60
自重（t） 约33.8
容积（m3） 29
商业运营速度（km/h） 120
通过最小曲线半径（m） 145
轨距（mm） 1435
车辆长度（mm） 13652
车箱倾翻角度 45°
倾翻缸工作压力（MPa） 0.49
转向架 K6型转向架
制动装置 120型
车钩缓冲装置 C级钢13A型上作用车钩／MT-2型缓冲器
限界 符合GB146.1-83《标准轨距铁路机车车辆限界》
b）KF5-100自翻车
性能参数：
载重t 100
自重t 49.7
构造速度km/h 100
容积m3 44
通过最小曲线半径m 80
车厢内长m
上部13,958
下部 13,730
车箱内高mm 1,144
车箱内宽mm
上部 2,930
下部 2,770
车箱倾翻最大角度 45°
车辆长度mm 15,446
c）KF-60、KF60A（N）型自翻车
性能参数：
自重/t34
载重/t60
容积/m327
轴重/t25t
构造速度/km•h-180
通过最小曲线半径/m80
车体内长×内宽/mm11.23×2.82
车体倾翻角度/°45
车体侧门全开角度/°45
倾翻缸工作压力/Mpa0.49
根据铁路运输的实际情况，初步调研确定如下准则：
车厢应该能向两侧自动倾翻，为了保证散货能准确运动到目的地，车厢向一侧倾翻时，该侧的车厢门应该自动打开作为车厢底的延展面。
而在运输过程中为了保障散货不遗漏，两侧车厢门在未倾翻时应该严密闭合。
车厢倾翻的动力采用液压传动。
此设计称为自翻车，自翻车设计成功可极大节省人力，减轻劳动强度，提高铁路运输的效率。
1）车箱最大高度
车箱最大高度的选取主要应根据车辆通过平洞溜井时给矿口的位置以及司机瞭望方便等因素来定,一般应小或等于2900mm。
2）车箱最大倾翻角
所谓车箱倾翻角,是指车箱倾翻时,车箱地板面与水平面的夹角
（图1）。
取值主要依据粒状货物的动安息角来定,因为卸货过程系重力克服粒间的磨擦力而滑移的运动过程,因此α选值应按动安息角考虑,并参照国内外部分自翻车的最大倾角（见表2），取
=45°～50°。
图1：
车辆最大倾翻角
与最小卸货距离
示意图
表2：
国内外部分自翻车最大倾翻角
、最小卸货距离
、倾翻缸底部距轨面最小距离
车型
制造年份
制造厂
KF-60
1963
中国哈厂
KF-65
1978
中国哈厂
KF-70
1972
中国哈厂
KF-100
1967
中国哈厂
2BC-105
1972
前苏联
BC-85
1972
前苏联
3BC-50
1955
前苏联
DIFCO
1974
美国
3）最小卸货距离
（图2）的选取应根据道床结构,使其卸出的散粒货物卸到道床边缘外侧。
根据以往设计经验并参照国内外部分自翻车最小卸货距离（见表2）,
n大于或等于2300mm为宜。
4）倾翻缸底部距轨面最小距离
（图2）值的选取应根据矿山移动线路等
级、钢轨型号、轨枕间距、车辆底梁下挠、
弹簧压缩、轮缘磨耗、脱轨后缸底与轨面应
有一定间隙等因素,并参照国内外部分自翻
车倾翻缸底部距轨面最小距离（见表2）,
选取300mm～360mm为宜。
图2：
倾翻缸底部距轨面最小距离
倾翻机构设计参考：
1）对倾翻机构的要求
自翻车在倾翻卸货过程中,车箱侧门的开闭,要有一套控制机构,这个机构就是一般所说的倾翻机构。
倾翻机构的设计应满足以下要求:
（1）正位时,两侧门自锁；
（2）倾翻时,非倾翻侧的侧门自锁,倾翻侧的侧门开启速度应满足倾翻稳定的要求；（3）复位时,非倾翻侧的侧门自锁,倾翻侧的侧门应自然复位；（4）具有提前开门和提前卸货功能；（5）安全可靠。
2）倾翻机构发展趋势
国内外自翻车倾翻机构发展趋势大致可分为以下几个阶段:
20年代到50年代,采用端部控制机构（图3）和大折页机构（图4）。
图3 端部控制机构示意图图4大折页机构示意图
1.支撑杆一2.支撑杆二3.杠杆。
1.折页2.抑制肘3.抑制肘弹簧4.环头丝杆
60年代以后,采用端部控制机构和四连杆机构（图5）。
图5 四连杆机构示意图
1.吊板2.长支承杆3.短支承杆
从以上几种情况看,对载重和容积均较小的自翻车倾翻机构选用图5形式,对于大吨位自翻车选用图３、图５形式较好。
通过上述调研，确定产品的设计要求和性能数据：
1）车厢向一侧倾翻至给定角度时，该侧厢门联动打开，成为车厢低面的延伸面或平行延伸面。
2）车厢向一侧倾翻时，另一侧厢门不得向内摆动挤压。
3）车厢未倾翻时及恢复水平状态时，两侧厢门联动关闭，厢门不得在散货压迫下自行开启。
4）驱动和传动系统在车厢下面，不超出车厢侧面。
5）采用液压驱动，各传动角不得小于30°。
6）不得发生杆件干涉现象。
受力合理。
图6自翻车工作状态及原始参数
预期车厢的主要参数：
车辆最大宽度3324mm
车辆最大高度2464mm
底架宽度2240mm
地板面距轨面高1585mm
车钩中心线距轨面高880mm
转向架固定轴距1800mm
整车落成后弹性旁承间隙“s”9±1mm
车轮直径880mm
车箱内长
上边11230mm
下边11020mm
上边2820mm
下边2626mm
车箱内高（车箱顶部距地板）889mm
车箱倾翻角度45°
车箱侧门全开角度45°
倾翻缸工作压力（kpa）500
载重：
60t
自重：
≤34t
自重系数：
0.57
容积：
27m
设计用途：
该车在标准轨距铁路上运行，适用于备有机械化装车设备的工厂、矿山等部门，用于运输矿石、剥离岩石、砂砾、煤块、建筑材料等散粒货物。
成本核算：
该车车厢主要材料为45＃钢，液压装置一套，涂料若干
2.3方案设计和设计参数的确定
2.3.1方案一（如图7所示）
图7设计方案1示意
倾斜机构：
优点：
采用单作用式液压缸该机构的优点是简单紧凑。
采用单缸时，容易实现三面倾斜。
另外，若油缸垂直下置时，油缸的推力可全部作为车厢的举升力，因而所需的油缸功率较小。
缺点：
其缺点为该机构横向强度差，而且由于其油缸行程较大
联动机构采用液压缸同时驱动厢门机构和厢盖机构。
厢门机构厢盖机构：
采用最简单的四杆机构，其结构简单紧凑，易于实现，且成本低。
联动机构：
采用液压缸直接驱动。
优点：
机构简单紧凑。
缺点：
首先驱动厢门机构和厢盖机构所需的功率小，无须采用液压缸驱动，增加机构的成本，其次由于厢门机构和厢盖机构开启有一定的先后的顺序，而此种方案的联动机构是采用同时驱动，不能满足题目中的一些要求，综上所述仍需进一步的改进。
2.3.2方案二（如图8所示）
图8设计方案2示意
倾斜机构：
同方案1雷同亦采用液压缸直接驱动，其优缺点也一样。
厢门机构厢盖机构：
同方案1雷同。
联动机构：
方案2与1不同之处是没有装置联动机构，采用液压缸分别驱动厢门机构和厢盖机构，能够实现题目中所有的要求。
优点：
机构简单，控制方便。
缺点：
结构不如方案1紧凑，成本高。
2.3.3方案三（如图9所示）
图9设计方案3示意
倾斜机构：
同方案1雷同亦采用液压缸直接驱动，其优缺点也一样。
厢门机构厢盖机构：
同方案1雷同。
联动机构：
方案3的联动机构采用可以实现间歇运动的槽轮机构，并予以相应的电机驱动。
优点：
机构简单，自锁能力强，控制方便，成本低。
缺点：
槽轮机构存在一定的磨损，磨损会影响机构的精度，所以要采用相应的润滑措施以减少磨损。
2.3.4最终选型
根据以上各种方案的优劣点，经过从功能、复杂性、成本综合分析后，决定在采用方案3。
将举升机构做成对称形式，液压缸在BB’的中点上。
3、机构尺度综合
分别对倾斜机构，厢门机构，厢盖机构进行分析。
本项目以槽轮机构为例进行尺度综合：
根据设计要求槽轮机构要实现机构的间歇运动，是机构的联动装置，其设计结构和起始、终止位置如下于图：
起始位置：
（如图10所示）
图10槽轮机构起始位置
终止位置：
（如图11所示）
图11槽轮机构终止位置
当轮4顺时针开始转动时带动轮槽5转动从而带动厢盖运动，此时轮槽6被锁死，当4转过90度时轮槽5被锁死，而轮槽6开始转动，从而带动厢门开启，实现间歇运动。
该机构主要的难点是确定槽轮的角速度，题中设轮4的角速度为w1，则轮5的角速度为w2由下式确定。
当0时，
解得
当
时，
解得
槽轮6的运动分析与5相似这里就不再阐述。
4、构件三维造型
三维造型所使用的软件为Pro_E，散货自翻车的主要零部件的建模造型如下所示：
车体的造型如图12
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