机车转向架助推器设计【毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 Z S T U 科 毕 业 设 计 S 文题目： 机车转向架助推器设计 专业班级： 09 机械（四）班 姓名学号： 陈国纯 指导教师： 杜小强 递交日期： 2013 年 5 月 29 日 机车转向架助推器设计 浙 江 理 工 大 学 机械与自动控制学院 毕业设计诚信声明 我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 摘 要 大型工件、物品的搬运常采用助推器辅助搬运完成作业，主要有机械式、气动式、电动式、液压式等，其工作性能各有优劣，有特定的适用场合。铁路机车或车辆检修维护时的移动一直采用牵引机车或牵车机构牵引，而牵引机车一般为内燃机车，不适合在机车或车辆检修要求越来越高的库内牵引机车用，而牵车机构一般为链式传输机构，其安装空间需要利用轨道中间的部分空间，且建造成本高、运行不稳定、维护成本较高和驱动电机的防水防潮功能要求较高，使用效果一直不理想 。 本文拟在综合分析比较现有搬运助推器的工作原理、组成结构的基础上，通过分析机车转向架与助推器的受力作用情况， 运用 定了执行杆件的运作方式和受力作用情况，进一步校核各部件， 设计出一种用于搬运不同规格机车转向架、适合机车车间工作条件的低耗高效便携式助推器。结构简单，方便组装，方便工人操作的便携式机车牵车装置，为机车检修时方便进出检修库用。 关键词 ： 助推器；高效；便捷； 仿真 机车转向架助推器设计 to to is in in it or is a of is of in is a of of of is is on of By of of of So a of of of it is It is a of in or of is in 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 目 录 摘 要 1 章 绪论 . 1 . 9 . 9 轮助推器 . 9 升式助推器 . 3 功能助推器 . 4 . 5 . 6 第 2 章 撬棍式助推器研究思路和方案 . 7 . 7 种助推器的比较 . 7 棍式助推器方案 . 7 . 9 行机构位置分析 . 9 轮传动比确定 . 10 构受力分析 . 11 . 13 . 13 第 3 章 基于 建模和仿真 . 14 件介绍 . 14 件的概述 . 15 真步骤 . 15 行机构自由度分析 . 16 轮轮廓线的设计 . 17 立模型 . 17 真 . 18 机车转向架助推器设计 定轮廓曲线 . 18 行机构建模与仿真 . 19 立模型 . 19 加约束 . 20 真 . 21 真结果后处理 . 21 . 24 第 4 章 结构设计 . 26 体结构简图 . 26 . 26 轮设计与校核 . 26 传动设计 . 30 的结构设计和强度校核 . 31 承选择 . 35 第 5 章 总结 . 37 结 . 37 计的不足之处 . 37 人体会 . 37 参考文献 . 39 致 谢 . 40 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 机车转向架助推器设计 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 机车转向架助推器设计 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 第 1 章 绪论 向架助推器研究背景 进入 21 世纪，我国的城市轨道交通方兴未艾。作为世界上人口最多的国家为保证拥有一个有效，快速，便捷的交通。轨道交通作为主要的趋向已开始平凡地出现在我们的生活中。 而转向架（英文： 又称台车（来自日文），它是铁道车辆中结构最为复杂的部分，其基本功能是：引导车辆沿轨道行驶；缓和因轨道不平 顺而产生的振动；安装制动装置，使车辆能够及时减速并准确停车 1。因此转向架的设计也直接决定了车辆的稳定性和车辆乘坐的舒适性。 动车组转向架在维修成本中占到 40%以上（全生命周期），在高速动车组 5级修程中，转向架的检修工作量最大。而其中大量必要的检修和维护作业是利用动车组停车、入库的短暂时段内进行的，这就更加大了作业难度和保证质量的难度 2。 铁路机车或车辆检修维护时的移动一直采用牵引机车或牵车机构牵引，而牵引机车一般为内燃机车，不适合在机车或车辆检修要求越来越高的库内牵引机车用，而牵车机 构一般为链式传输机构，其安装空间需要利用轨道中间的部分空间，且建造成本高、运行不稳定、维护成本较高和驱动电机的防水防潮功能要求较高，使用效果一直不理想。在新建或改造的铁路机车检修基地，急需一种便携式的机车牵车装置，为机车检修时方便进出检修库用。 有助推器类型 轮助推器 这类助推器是利用驱动轮和机车转向架的摩擦，实现轮子的转动，从而推动转向架。动力源采用的是气动驱动，利用长输气管和压缩空气实现长距离驱动，机车转向架助推器设计 2 可以推动 10 吨到 50 吨的卷筒等圆柱类物件，如图 1示 。 气动能源式的装置动力清洁而且高效，方便工人操作。毫无疑问确实有一些优势的，包括：（ 1）它们便携而且尺寸小巧，但是可以形成极大的转矩；（ 2）其中互相作用使他们适合大多数重量大的转动负重，因为负重提供了驱动轮需要的向下的力。 但是同时因为气动的驱动方式也带来了局限。气动需要持续提供高度压缩 的空气 才能维持动力，这就大大制约了助推的距离，而且压缩空气的需要限制了装置的位置，而且如果输气管长度过长的，压力会慢慢下降，最终会影响助推的效率 2。 图 1气动摩擦轮式助推器 3 基于上述气动能源式助推器的一些不足之处， “ 利中提出了改进方案。 此专利将动力更换为一种可循环利用的清洁充电电池组，同时安装有充电装置，可以实现电池组的充放电控制，电力不足时储存能源的电容装置就会释放出多余能量，使助推的距离更远，更有效率。解决了气动的缺陷，同时又具有气动的大部分优点。其结构简图如图 1示。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 3 图 1动摩擦轮式助推器 4 升式助推器 如图 1示， 此类助推器通过液压机构与转向架底盘后半部分接触，向上抬升转向架一小段距离，使后轮受到的压力和摩擦力减小，再推动转向架。 由于内嵌发电机，而受结构尺寸的制约不能达到很大的功率，所以在类型选择上和传动方式上需要再改进，同时承重点的位置选择需要考虑到助推器的倾覆问题，总体结构并不是非常完善。 图 1压抬升式助推器 如图 1示， 由于考虑到液压系统的复杂性，还有液 压油泄漏可能造成一定的危险。一些助推器将抬升机构由液压系统置换成了气动方式， 再通过简单的铰链机构实现向上的运动。 这样结构更加简单，而且能源清洁高效。但是因为是直接抬升，限制了助推器的抬升重量，并不能推动较大重量的机车转向架。 机车转向架助推器设计 4 图 1动抬升式助推器 5 如图 1示， 此类助推器将液压系统置换成了简单的杠杆结构，实现了结构的简化，更方便简单。但同时也不能推动大重量机车转向架。 图 1杆抬升式助推器 5 功能助推器 通过助推器车 体和不同执行机构的组装，就可以不同方式推动不同类型的大型工件。如图 1示， 英国 司生产的助推器产品就是一个例子。 助推器车体内部通过电动和齿轮传动，可以提供较大的推力。而且方便操作，工作时间相对较长，安全、高效。值得一提的是，其中动力采用直流式电池，没有交流电的高压危险，而且一次充电后可以使用相当长一段时间，所以说更加实用。虽然体积比上面介绍的大一些，不过完全符合在车间工作的要求。底盘采用的高韧性钢板，负重最高也可以达到 100 吨。具有灵活可变的调节高度，适应不同的转向架。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 5 图 1升多功能助推器 6 从这种基本装置，改装后就可以推动不同类型的机车。如图 1示， 比如，推滚动体时，将前面的抬升部分变换成两个长条滚子，就可以实现推动大型滚轮。 图 1轮多功能助推器 6 拟样机技术 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上 20 世纪 80 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来一项计算机辅助工程 （ 术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的物理样机。运用虚拟样机 技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。因此，该技术一出现，立即受到了工业发达国家、有关机构和大学、公司的极大重视，许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效益。 目前对于虚拟样机的概念还没有一种通用精确的定义，针对不同的研究领域，有不同的定义方法。从计算机图形学的角度出发， 人将虚拟样机机车转向架助推器设计 6 定义为一种快速评价不同的物理产品设计的方法。 通过将虚拟现实技术（ 计算机仿真技术和 术相结合，建立起一个物理造型的数字原型。产品设计人员可以通过具有高度沉浸感的虚拟现实用户接口灵活的操纵、控制和修改该原型，并支持设计数据的重用和仿真分析 7。 从机械工程研究领域的角度出发， 人认为虚拟样机是一种针对测试的对象和物理原型进行的一个虚拟制造和仿真过程，基于虚拟样机技术建立的工程化制造开发模型可以使设计人员访问一个实际物理模型的所有关于机械，物理，外观和功能特性的有关信息。 人将虚拟样机定义为取代实际产品模型的一种数学模型，通过它可以对实际的物理产品进行几何、功能等方面的建模和分析。 人则认为虚拟样机是将目前 技术结合在一起的一种集成技术，虚拟样机技术贯穿于产品生命周期的全过程。他认为虚拟样机模型包含了分布式的产品数据信息，由于虚拟样机模型强调集成性，因此必须提供一个标准的信息建模和数据交换方法。 建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室（ 定义。 虚拟样机定义为对一个与物理原型具有 功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。美国国防部采办委员会将虚拟样机定义为一个系统，该系统在仿真进行过程中可以和其它虚拟环境间进行交互 8。 论文主要研究内容 比较三种机车转向架助推器的优点和缺点，综合分析车间内不同使用情况，设计助推器的执行机构、传动机构以及整体的布局和车体框架，使其满足大部分使用要求。 确定方案后，对机车转向架和助推器进 行具体的受力分析，也包括电机的选择，和不同规格相配合的助推器的受力分析。确保助推器可实际上运行起来，推动不同规格的机车转向架。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 7 对执行机构建立 型，进行仿真。验证和计算机构的受力情况，找到最大受力处和执行杆件的位移情况。 对主要部件和整体机构建立二维零件图和装配图，设计出满足生产要求的二维图纸。 第 2 章 杠杆式助推器研究思路和方案 究思路 种助推器的比较 摩擦滚轮式助推器，通过自身轮组跟转向架轮对的摩擦相互作用来推动转 向架，应用直流电机，能源清洁、效率高，实现高转矩、低功率，但是为保证摩擦轮之间的配合关系，结构略显复杂，而且只能推动带有轮对的物件。 抬升式助推器，通过直接抬升转向架后座推动转向架，可抬升较大重量的转向架，但是由于需要的电机功率较大，又受到整体结构尺寸的限制，电机不容易选择，而且车体有倾覆的危险。 多功能助推器，综合了上述两种助推器的优点，所以其中的结构是可以借鉴的。缺点是其整体尺寸偏大。 棍式助推器方案 现将助推器分成几个部分：驱动装置、传动装置、执行装置。 为了使助推器的执行 装置尽可能简单、安全、省力，决定采用撬棍杠杆类抬升助推装置，通过电机驱动带动凸轮转动，实现杆件的往复运动，推动机车转向架不断向前，其结构如图 2示。 机车转向架助推器设计 8 图 2棍式助推器执行装置示意图 相比传统液压抬升式助推方式的缺点，这种助推方式更灵活、省力。通过杆件和转向架后轮的相互作用推动转向架，所需要的功率也更小。而同摩擦轮式助推器一样，不仅可以推动大型滚轮类工件，也可以推动普通机车转向架助推器。同时，车体的整体尺寸并不需要过大。 传动装置决定采用一级齿轮减速装置和链传动装置相配合。因为齿轮 传动效率更高，更稳定，通过齿轮减速传动可以提供更大的扭矩和驱动力，扩大了电机的选择范围。齿轮传动传动比的确定，需要根据具体结构位置，分析前端执行杆件的位移和电机转速的关系，将在下一节“机构受力分析”中提到。链传动是因为大齿轮与驱动轮的直径尺寸不同，不能装配在同一根轴上。所以通过 1:1 的链传动把大齿轮轴受到的扭矩传给驱动轮轴。同时，为了实现同步推动转向架的轮对，需要通过链传动将电机的动力同步传输到同一中心线的两根轴上，实现传动转向机轮对同步推动。传动装置简图如图 2示。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 9 图 2棍式助推器传动装置 简图 因为传动部分包括一级齿轮减速传动，可以增大电机提供的扭矩和驱动力，所以电机可以选择转矩相对小一些的，功率也不需要特别大，所以驱动装置采用直流电机驱动，放置助推器车体内部。同时转速也不需要很高。因为采用蓄电池提供能源，效率更高、时间更持久，不会像气动驱动方式那样受到驱动距离的限制。 行机构受力分析 行机构位置分析 如图 2撬棍杆件前端抬升最高位置分析 ： 50,532,250,150,391,175 654321 机车转向架助推器设计 10 图 2杆 前端抬升最高位置 由矢量方程 4321 得到方程3342233221c o sc o 34333124232122 c o 0co ss 3 (其中 222423214331 ,2,2 ） 解得： 22232ta n 3 同理可得，在杆件运动的最高位置时， 1 23 杆件推动的距离为 c o s( c o s)32( 2265 轮传动比确定 设选择电机的转速为 n r 。假设转向架不动，在杆件运动半个周期或其奇数倍的时间中，助推器需要在相同的时间走过杆件推动的距离，即 初设小车轮半径 取23个周期，列方程： 文） 11 得齿轮传动比 5.6i 构受力分析 杆件和转向架后轮接触时，后轮受力指向圆心，与竖直方向呈 30 角。 设转向架重 10000N，与铁轨的滚动摩擦系数为 受力分析如图 2示。 图 2向架车轮受力分析 受力平衡得方程：30s 200920 设小车重 2000N，与地面的滚动摩擦系数为 则小车整体受力分析如图2示。 图 2推器整体受力分析图 机车转向架助推器设计 12 由 30s 0c o s( 如图 2杆件前端 31 处和后轮接触。分析推杆最低位置，即前端执行杆件最高位置处。猜想此时杆件受力最大，由下一章 真结果验证猜想。 图 2撬杆受力分析图 221222126225622512323212c i n30c (30c 0s i i n)(30s i i 2 如图 2推杆与滑槽摩擦系数为 杆轮与凸轮摩擦系数为 江理工大学本科毕业设计（论文） 13 图 2轮及推杆受力分析图 列方程组：21122112122121121252252750501502000)(2 联立方程组（ 2 2其中 M=N ,F ，由相互作用的大小相等， 得：4387261212 88113121 3944943232 681 机选择 通过受力分析，选择直流电机 120号，额定转矩为 15 ,转速为 60节其转矩至 M= 功率 06 。 驱动装置即电机选择，选择小功率、低转速，台湾精工电机公司生产的 120号 电机。同时需要提供的转矩并不大，只有 N 。这样电机的选择有很大余地，重量只有 克，横向尺寸只有 200右，结构小巧、便捷，不会对助推器车体整体结构有很大影响。 论 本章通过分析比较三种不同类型的助推器的优缺点和可以借鉴的地方，确定了撬棍式杠杆助推器的三部分结构，即执行机构、传动机构和驱动装置。 执行机构采用类似杠杆结构的省力形式，同时结合凸轮与推杆相互作用，将机车转向架助推器设计 14 电机的 转动转化为推杆的直线运动，再将其通过杆件的简单连接，转化为前端撬棍型杠杆的往复摆动，实现推动转向架的目的。 而传动机构采用了一级齿轮减速装置，来扩大直流小电机能提供的转矩，使电机尺寸不会过大，传递动力更加平稳。为了实现同步推动转向架的一组轮对，采用对称的两跟杠杆和轮对相互对应，通过两组 1： 1 的 链传动，实现两根凸轮轴的同步转动。而受到车体结构和大齿轮尺寸限制，另外采取一组链传动将大齿轮轴的动力传递到助推器小车后轮，实现后轮驱动。 通过对撬棍式杠杆的位置分析，确定了其摆动的时间和小车运动速度之间 的关系，分析出齿轮传动比需要 又通过理论分析，确定执行机构各杆件在撬棍式杠杆摆动最高位置时的受力情况，为电机选择和下一章验证仿真结果正确性提供了依据。 第 3 章 基于 建模和仿真 件介绍 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 15 件的概述 件，即机械系统动力学自动分析软件 是美国 司 (开发的虚拟样机分析软件。目前， 经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据 1999 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，件销售总额近 8 千万美元、占据了 51%的份额。 件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线 9。 件仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等 10。 件由众多分模块集成了强大的分析能力，其中核心模块包括 件，示意图如图 3 图 3心模块组件 11 真步骤 运用 件建模、仿 真、分析，一般遵循以下步骤，如图 3示。 件具有建模、施加运动约束等功能，简单的产品可以直接在建立三维几何模型，对于复杂的产品，其三维几何模型的建立、产品的预装配通常在 软件中完成，再通过格式转换导入到 仿真同时，还可以对感兴趣的速度、位移等图线进行数据分析，根据心组件 本环境 求解器 后处理 机车转向架助推器设计 16 需要对不同的参数进行优化，修正建立的模型。 图 312 行机构自由度分析 仿真主要针对助推器的执行机构，分析其在推动机车转向架的位移图线及受力情况，执行机构如图 3其中包括四个活动构件，四个转动副、一个移动副，和一个凸轮高副接触。根据公式 23 ( 1,5,4 ，得到 1F ，即执行机构的自由度为 1，需要添加一个驱动。 机械系统 建模 仿真 分析 仿真结 果分析 细化 机械系 统模型 机械 系统优化 化研究 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 17 图 3行 机构简图 轮轮廓线的设计 立模型 初始设定推程 0 ，为实现推杆周期性上下滑动。如图 3设定推杆长度 然后在推杆上添加与地面的移动副，并添加竖直方向的驱动，设定驱动函数 25*8d*即推动运动为周期 0 的正弦运动， 行程为 图 3杆驱动函数 如图 3时以推杆正下方 为转轴中心，建立任意长度杆，添加转动副和转动驱动力，设定转动驱动力函数为 18d * 期同样为 机车转向架助推器设计 18 图 3动驱动函数 真 设定仿真时间为 步数 500 步，点击运行仿真。模型如图 3 图 3轮廓线仿真 定轮廓曲线 点击工具栏 的 钮，选择两杆件，确定推杆端点相对于另一杆的运动轨迹，即凸轮的实际廓线。仿真结果如图 3示。 图中绿色圆盘就是凸轮的轮廓线，测量半径为 圆盘。这里初始设定凸轮转动周期为 推杆推程为 但当凸轮周期改变时，推杆的行程不变，所以不影响后续建模过程。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 19 图 3轮实际廓线 行机构建模与仿真 立模型 打开 件，网格宽度为 力单位为 N ,长度单位为 根据 凸轮廓线的确定方法，建立推杆和凸轮构件。推杆端点位于坐标)0,0,400( 处，长度为 凸轮转轴中心坐标为 )0,100,400( 。 创建连杆30,50,150( 处，长度 创建工作杆件5中 91,100,532265 建立模型如图 3示。 图 3行机构建模 机车转向架助推器设计 20 加约束 杆3杆和杆 2L 之间、连杆3 在凸轮旋转运动副处添加旋转运动，因为选择电机转速 0 ，所以转动速度函数设置为 360d * s/360 ， （ 1） 根据第 2 章对助推器整体机构的分析，需要电机提供的驱动力矩为所以在凸轮轴处旋转副添加驱动力矩，大小为 13900 。 （ 2） 而杆件6力大小为 ，所以在端点处与杆6为在执行杆件向上摆动推动转向架轮对时才受力，所以添加两个驱动力。 1 函数设置为 if(20,920,0),即当 使，驱动力为当 时，驱动力为 函数设置为 if(,920,920),即在 的时间内，此驱动力均为 在 的时间内驱动力为 通过这两个力结合可以模拟执行杆件的受力。得到最终模型如图 3示。 图 3行机构最终模型 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 21 真 点击仿真按钮，设置仿真时间为 即一个周期的时间，分 500 步。开始进行仿真计算。 真结果后处理 （ 1）选择杆件端点的 ，进行 算，得到 其在一个周期内水平和竖直方向的位移图线，如图 3图 3示。 图 36 图 36可以看出杆件水平方向最大位移为 ，前 面理论分析杆件水平位移为 两者相差 ，相差不大，仿真结果是机车转向架助推器设计 22 正确的。 果如图 3示。 图 36由撬棍杆件初始设定位置为摆动中心位置，所以通过图表分析，在两端的速度，即在 和 的时间时，大小接近于 0，即和转向架轮对接触、分离的两个瞬间，撬棍杆件相对于助推器小车的速度均为 0，即撬棍脱离转向架轮对时，转向架速度和助推器速度相等。 脱离后，转向架做减速运动，其加速度为 21 / 助推器小车做加速运动，其加速度为 22 /6/) 分离时，小车速度为 计算半个周期时间，即撬棍重新回到最低点的时间后，小车撬棍和转向架轮对间距离。 122 我们看出计算数值近似等于撬棍摆动最大水平位移，说明当撬棍摆动到最低点时，基本上是和转向架轮对重新接触的。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 23 （ 1）推杆上端转动副受力分析 对转动副实现 量计算，得到水平方向和竖直方向受力图线，如图3图 3示。 图 3杆转动副水平受力图 图 3推杆转动副竖直受力图 从图表中看出当推杆位于最低位置时，即在时间 的时候，受力是最大的，即 557,832 1212 ，与理论计算值相差不大。 （ 2）对连杆3机车转向架助推器设计 24 对连杆 转动副实现 量计算，得到水平方向和竖直方向受力图线，如图 3图 3示。 图 33 图 33从图表中看出，同样的在推杆最低，执行杆最高位置处，即 时受力最大，即 4 8 4,512 3232 。 论 本章主要对撬棍式助推器的执行机构进行建模和仿真。分析执行机构中撬棍式杠杆最前端和转向架轮对接触的作用点的水平方向的最大位移，及接触作用点的速度图线。可以看出速度图线属于正弦曲线，有最大点和最小点，而速度最小浙江理工大学本科毕业设计（论文） 25 值出现在撬棍式杠杆摆动的最高点即杠杆与转向架轮对将要分离的那一瞬间，相互接触的轮对和杠杆此时速度相同，均等于助推器小车的速度。由此，我们得出撬棍式助推器推动转向架轮对基本上是周期性循环过程。推动实现最大位移后，杠杆往回摆动，由最高位置到最低位置，同时助推器车体加速向前运行，转向架减速向前运动，通过齿轮传动比与凸轮轴转动