机械原理课程设计说明书-散货自翻车.doc

机械原理课程设计说明书机械原理课程设计说明书 -散货自翻车设计者：学号：指导老师： 2011年12月2日目录1设计题目21.1设计题目简介21.2有关数据21.3设计要求21.4设计任务22背景资料33 solidworks建模（车体结构）84执行机构的设计94.1 倾斜结构设计方案及选择94.2 admas简化动态仿真105倾翻机构设计115.1倾翻机构设计方案及选择11 5.2 admas简化动态仿真126、三维造型和运动仿真分析集成127、运动学分析与设计168、动态静力分析181设计题目：铁路散货自翻车机构综合1.1设计题目简介是运输矿石、煤碳、钢渣、建筑材料等比重较大的散粒货物的一种特殊车辆。该车具有可倾翻的车箱及下开的侧门，采用滚动轴承或滑动轴承。在车的两侧设有倾翻风缸，当车箱倾翻至45时，侧门与地板构成一延续面，将货物卸至远离线路一侧。该车具有倾翻平稳、卸货迅速、操作简便、运输效率高、使用安全可靠的特点.试设计其自翻，自动开、关门机构。1.2有关数据载重60t自重33.2 t容积27m3商业运营速度80km/h通过最小曲线半径80m车辆长度13234mm车辆换长1.2傾翻缸工作压力5kg/cm2傾翻缸数47507501.3设计要求自翻车工作状态及原始参数如图所示，设计要求如下：1.车厢向一侧翻至给定角度时，该侧厢门联动打开成为车厢底面的平行延伸面。2.车厢向一侧翻时，另一侧厢门不得向内挤压。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，不超过车厢侧面。5.采用液压驱动，平面连杆机构传动（不使用高副机构），各传动角不得小于30。6.不得发生杆件干涉现象。不得涉及高副机构，受力合理。1.4设计任务1、总体方案设计，将能够实现的方案尽可能列出来，并进行方案比选2、结合设计要求，比较各方案的优缺点，选定合理的机械运动方案；3、按给定的传动要求和执行机构运动参数，拟定机械传动方案；4、画出机械运动方案简图；5.用软件（vb、matlab、adams或solidworks等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。6. 图纸上绘出最终方案的机构运动简图（可以是计算机图）并编写说明书。 2背景资料在货物运输中，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。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。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-606033.5271963中国哈厂大批量kf-10010049441967中国哈厂批量kf-707034291972中国哈厂一辆kf-656533291978中国哈厂一辆2bc-959553.644.5前苏联bc-10010049.544.6前苏联2bc-10510548.548.51972前苏联souther pacific903038美国difcos10046美国10549捷克1014848德国1815996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 15,446c) kf-60、kf60a（n）型自翻车性能参数：自重/t 34载重/t 60容积/m3 27轴重/t 25t构造速度/kmh-180通过最小曲线半径/m 80车体内长内宽/mm 11.232.82车体倾翻角度/ 45车体侧门全开角度/ 45倾翻缸工作压力/mpa 0.49 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2900 mm。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-601963中国哈厂kf-651978中国哈厂kf-701972中国哈厂kf-1001967中国哈厂2bc-1051972前苏联bc-851972前苏联3bc-501955前苏联difco1974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2300 mm 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 图2：倾翻缸底部距轨面最小距离车倾翻缸底部距轨面最小距离(见表2) , 选取300 mm 360 mm 为宜。 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、图 形式较好。3 solidworks建模（车体结构）根据题目要求，散货自翻车能进行两侧倾翻，我在此申明，为了设计操作起来简便，我只设计出一侧的执行机构，只需加在对称侧一相同机构即可实现两侧倾翻。此外，我未在solidworks中创建执行机构的模型，是因为将车体导入admas后创建更加简便。车轮 车箱体底座 上翻板连杆 装配体（初态）（末态）4执行机构的设计4.1 倾斜结构设计方案及选择方案一（如图7所示）图7 设计方案1示意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：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，方案二（如图8所示） 图8 设计方案2示意厢门机构厢盖机构：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。最终选择方案：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1。4.2 adams简化动态仿真 在adams软件中新建目录，创建连杆、移动副、转动副，添加力，设置力的step函数等，最终进行动态仿真。 测试上翻板和下翻板的角速度5倾翻机构设计5.1倾翻机构设计方案及选择方案一优点：机构简单紧凑，便于拆装，维护，举升平稳，且易于实现。缺点：举升杆承受力大。方案二优点：结构简单，容易实现，通过调节角速度，能很好地控制举升过程。缺点：尺寸占用空间大，易与车体其他部分形成重叠。最终选择：通过比对方案一和二，方案一机构简单紧凑，便于拆装，维护，举升平稳，且易于实现，故最终选择方案一。5.2 adams简化动态仿真 图 16箱体速度加速度曲线合成图 图17admas中的实体模型在adams中创建连杆，车体，进行运动仿真，测出箱体速度，加速度。6、三维造型和运动仿真分析集成课程设计要求所有的零部件的造型都在solidworks中完成，然后将造型好的零部件存为adams能够识别的文件格式（例如parasolid格式），通过adams软件模型导入的功能将其导入。将导入的模型及装配体在adams中进行相应的机构设置及仿真设置，然后对设置好的机构进行运动学及动力学求解，并分析求解结果。下面以一个简单的实例来说明整个导入过程：第一步：将solidworks中建好的模型存为.x_t格式（或其他adams兼容的文件格式）。图18 零件显示界面图19 零件另存界面第二步：在adams中导入solidworks中导出的模型，并重新创建执行机构。图20为adams的导入界面，图21为导入文件选择及导入设置界面，图22为导入后的模型在adams中的显示，图23为admas中重新创建联动机构与仿真机构后的效果，图24为机构运动显示界面。图20 adams导入界面图21 导入文件选择及设置界面图22 导入admas效果图图23 在admas中重新创建联动机构与仿真机构图24 机构运动显示界面7、运动学分析与设计主要分析构件的位移、速度、加速度，分别对倾斜机构，厢门机构，厢盖机构进行分析。本项目主要以厢盖机构为例。1）机构简图（如图25所示） 图25 厢盖机构的运动简图2）相应运动方程以点g为坐标原点，j点坐标为（0，700）。位移方程： 速度方程：加速度方程：图26及图27描述了在机构运动过程中构件位移、速度、加速度动态变化的情况。 图26 构件运动参数动态变化图（一） 图27 构件运动参数动态变化图（二）8、动态静力分析以散货自翻车的厢盖机构为例，进行机构的动态静力分析：（1）杆ji受力分析：（如图28所示）图28 杆ji受力分析受力方程式：（2）杆ih受力分析：（如图29所示）图29 杆ih受力分