单轨吊中承载小车的设计

摘 要本设计的课题来源于生产实践，主要任务是设计可以在矿山井下、露天、粉尘、潮湿、空气质量不好的比较恶劣的环境中工作的，并要求具有安全的可操作空间的单轨吊承载小车。本文在概述单轨吊的基本结构、功能的基础上，对单轨吊的承载小车的结构进行了设计，并对各个结构部分进行了设计计算。重点是单轨吊承载小车的正常行驶机构、以及刹车系统的设计及校核。在设计过程中，我们分析了承载小车的安装结构，主要对承载小车的轮轴、承载轮、壳体、肋板等进行了设计，实现承载小车的安装使用；在承载小车上安装了导向轮，可以实现承载小车的安全转弯；在承载小车上安装的刹车系统，实现了小车的安全刹车。在设计中，我们完成了对承载轮及其轮轴、导向轮及其轮轴等部分的设计计算以及校核并绘制了装配图、零件图，完成了对于单轨吊承载小车的设计。关键词：单轨吊承载小车；轮轴；滚动轴承；刹车系统AbstractThe task of the graduation design comes from practice. The main task is to design the carrying vehicles of the suspended locomotive that can be used in the bad circumstances like under the mine, in the open, dusty, humid, poor air quality and etc, and also with the operational safety of space.In the base of summarizing the basis structure and function of the suspended locomotive, the main structure of the carrying vehicles of the suspended locomotive is designed, and the designing calculations of every segment are carried on. Especially, the designing and proofreading of moving mechanical and breaking system of the carrying vehicles of the suspended locomotive are carried on. In the course of designing, we analyze the installation structure of the carrying vehicles, and mainly design the axle, carrying wheel, hull and ribbing to implement the installation and employ of the carrying vehicles; we build in guide pulley on the carrying vehicles to implement the safe swerve; we build in breaking system on the carrying vehicles to implement the safe breaking. In the course of designing, carrying wheels and axle, guide pulley and axle and etc, are designed and calculated. After calculation and checking, we draw assembly drawing and part drawing. In the end, we complete the design of the carrying vehicles of the suspended locomotive. Keywords: carrying vehicles of the suspended locomotive；wheels and axles; rolling bearing; the breaking system目 录摘 要IAbstractII1 绪 论12 轴的概述22.1轴的用途及分类22.2轴设计的主要内容32.3选用轴材料应考虑的因素42.4轴的毛坯52.5轴的处理52.6轴的结构设计53 承载轮轮轴的设计93.1轴的尺寸、强度计算93.2按安全系数校核计算183.3轴的刚度计算213.4验算轴承寿命243.5根据计算结果修改设计254 滚动轴承254.1滚动轴承的类型和代号264.2滚动轴承的选择304.3滚动轴承的尺寸选择和性能计算364.4滚动轴承装置的设计425 对承载小车各主要部件的设计、计算及校核515.1承载轮的结构、尺寸设计535.2吊销的结构、尺寸设计555.3衬套的结构、尺寸设计575.4托板的结构、尺寸设计585.5承载小车板筋和肋板的结构、尺寸设计605.6隔套的结构、尺寸设计615.7壳体和定位板的结构、尺寸设计625.8导向轮轮轴、导向轮的结构、尺寸设计636 弹簧的计算666.1弹簧的分类666.2弹簧的材料676.3圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算676.4圆柱螺旋压缩弹簧的校核计算707 液压缸的设计707.1液压缸概述707.2液压缸的设计计算718 制动杆的设计748.1制动杆的强度校核748.2制动杆的尺寸计算759 技术经济分析78参考文献80致 谢81附 录83931 绪 论防爆蓄电池牵引单轨吊车，是一种多功能、高效率、多用途的煤矿运输设备，它不仅可运送设备、人员、材料还能完成井下提升、吊装等任务。该机车行驶于悬吊单轨系统中，不受底板条件限制。机车具有良好的通过能力。通过调节轨道悬吊链可调整导轨高度，因此轨道维护非常方便。机车由承载小车；1#、2#司机室；控制梁架；驱动部；蓄电池组装置；悬挂装置等组成。控制梁架是电牵引单轨吊机车的主要核心组件，它的构成主要由两大部分组成（1）防爆电控箱（2）液压站系统。它不仅为机车提供电源动力和液压动力，而且是整个机车的检测、控制执行的核心部分。防爆电控箱由：两台专用逆变器；一套控制中心；直流接触器；本安电源；开头电源、数字状态显示盘和控制按钮等组成，用来完成牵引驱动电机、液压站油泵电机的驱动、整机信号的连锁、检测、控制以及输出执行等工作任务。液压站系统的任务实为起梁架提供液压动力、完成驱动轮与导轨夹紧等任务。单轨吊特别适用于通风不良、有易燃易爆气体、粉尘，运距变化，多弯道巷道内完成各种运输工作。与常见的井下运输机械相比，具有安全系数高、适应范围广等特点，是当前亟待开发的大型井下运输设备。在矿山运输机械的研究开发方面，早在50、60年代，世界一些主要采煤国家就开始着手解决本国煤矿井下辅助运输机械化问题。至70、80年代已相继建立了具有自已特色的煤矿辅助运输系统及装备，并产生了巨大的经济效益。我国煤矿辅助运输机械化起步较晚，直至70年代后期才开始这方面的研制工作。到目前已研制并定型生产的产品有柴油机单轨吊、绳牵引卡轨车、柴油机胶套轮齿轨卡轨车和无轨胶轮车等。这些产品的研制成功并定型生产，改变了我国煤矿无国产辅助运输设备可选的状况。有些设备如CK-66和JCP-8/600(900)柴油机胶套轮齿轨卡轨车，在我国许多煤矿生产实践中已经达到了推广应用，并产生了巨大的经济和社会效益。与小绞车等传统的辅助运输设备相比，能大量减少人员、节约时间，而且事故大大减少，工人劳动强度大大降低。我国一些煤矿如神华公司大柳塔煤矿引进的无轨胶轮车运输系统，也在生产中发挥了巨大的作用，取得了可喜的成绩。目前国内还没有自主产权的单轨吊设备，绝大部分均依赖进口，价格比较高，维护保养费用昂贵；国产单轨吊如果能在设计上再完善一点，选材上再可靠一点，制造上再精细一点，并注意维护和保养，在工程施工中同样也会发挥很好的作用，以高性价比的优势与进口设备抗衡，并完全有可能取代进口设备。该说明书简要地介绍了单轨吊承载小车的设计的全过程，如有介绍不够完善或表达尚不够完善的地方，望读者批评指正，我一定竭尽全力使该设计做到最好。望各位读者不吝赐教。2 轴的概述2.1轴的用途及分类轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件（例如齿轮、蜗轮等），都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。根据轴和轴线的形状和功用的不同，轴可以分为直轴、曲轴和软轴三种类型。直轴按受载情况不同又分为：（1）转轴 同时受弯矩及转矩；有时还受较大的轴向力的作用，如蜗杆轴等。在机械中最为常用。（2）心轴 只受弯矩、不受转矩或转矩很小；心轴又分为固定心轴（轴不转动）和转动心轴（轴转动）两种。如支承滑轮的轴。（3）传动轴 主要受转矩，不受弯矩或弯矩很小，如汽车中的传动轴等。直轴根据外形的不同还可以分为光轴和阶梯轴两种。光轴形状简单，加工容易，应力集中源少，但轴上的零件不易装配、定位和固定；阶梯轴则正好相反。因此光轴主要用于心轴和传动轴，阶梯轴则常用于转轴。经分析，承载小车的轮轴为一固定心轴。直轴一般都制成实心的，在那些由于机器的要求需要在轴中装设其他零件或者减小轴的质量具有特别重大作用的场合，则将轴制成空心的。空心轴内径与外径的比值通常为，以保证轴的刚度及扭转稳定性。曲轴用以作直线运动与转动的相互转换，轴上受弯矩及转矩，其剖面上应力较为复杂。常用于活塞式内燃机、压缩机，以及冲、剪、压榨机床。软轴的曲线可以自由弯曲，工作时可随时改变轴线形状和工作机的位置，并能缓和冲击和振动；但只能传递转矩或运动，且从动端转速一般不均匀。常用于某些木工机械、混凝土振捣器、风镐、铸件清理及仪器的操纵系统等。2.2轴设计的主要内容轴的设计也和其他零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的轴（如车床主轴）和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。2.3选用轴材料应考虑的因素轴的材料应满足强度、刚度、耐磨性、耐腐蚀性等方面的要求。设计轴时应按照经济、合理、适用的原则，根据具体情况选用轴的材料。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中45号优质碳素钢最常用。不重要或受力较小的轴可以采用Q235A等普通碳素钢。对于要求强度高、尺寸与质量小或者有其他特殊要求的轴，可以采用合金钢。对于耐磨性要求较高的轴，可以选用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，轴颈部分进行渗碳淬火处理，对于在高温、高速和重载条件下工作的轴，可选用38CrMoAlA、40CrNi等合金钢。对于有耐腐蚀要求的轴，可选用2Cr13、3Cr13等。采用合金钢作为轴的材料时必须注意到：合金钢对应力集中的敏感性高，因此轴的结构设计应格外注意减少应力集中的根源，轴的表面粗糙度也应适当降低；仅从提高轴的刚度考虑，不应采用合金钢。必须指出:在一般工作温度下（低于200），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度与耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意，在既定条件下，有时也可选择强度较低的钢材，而适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂的形状，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性低等优点，可用于制造外形复杂的轴，但应注意铸造轴品质不易控制、可靠性较差。根据承载小车所承受的载荷大小及工作环境等综合考虑选承载小车轮轴的材料为40Cr，调质处理。2.4轴的毛坯毛坯形式的选择与材料选择密切相关。轴的坯料有以下几种：（1）轧制圆钢 毛坯直径小于150mm，轴段直径相差不大，不太重要的轴选用。（2）锻件 用于材质要求高，重要的或直径变化大的阶梯形状的轴。形状复杂的曲轴也常用锻造毛坯。批量大时用模锻、精锻。（3）焊接件 大型、毛坯各段尺寸差异大、要求空心、件数较少时采用。（4）铸件 大型、形状复杂时采用。主要是球墨铸铁和合金铸铁。2.5轴的处理为提高轴的强度和耐磨性，用优质碳素钢或合金钢制造的轴需进行各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化）、化学处理及表面强化处理（如喷丸、滚压等）。特别是合金钢，只有进行热处理后才能充分发挥其优越性。2.6轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴连接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。轴的结构设计中需要解决的主要问题有：2.6.1拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。拟定装配方案时，一般应考虑几个方案进行分析比较与选择。2.6.2轴上零件的定位为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。（1）零件的轴向定位轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证的。（2）零件的周向定位周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处。2.6.3各轴段直径和长度的确定零件在轴上的定位和装拆方案确定后，轴的形状便大体确定。各轴段所需的直径与轴上的载荷大小有关。初步确定轴的直径时，通常还不知道支反力的作用点，不能决定弯矩的大小与分布情况，因而还不能按轴所受的具体载荷及其引起的应力来确定轴的直径。但在进行轴的结构设计前，通常已能求得轴所受的扭矩。因此，可按轴所受的扭矩初步估算轴所需的直径。将初步求出的直径作为承受扭矩的轴段的最小直径,然后再按轴上零件的装配方案和定位要求，从处起逐一确定各轴段的直径。在实际设计中，轴的直径亦可凭设计者的经验取定，或参考同类机器用类比的方法确定。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）部位的轴颈，应取为相应的标准值及所选配合的公差。为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。为了使与轴做过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥度；或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短23mm。2.6.4轴上零件的装拆及调整为了使轴上零件的装拆方便，并能进行位置及间隙的调整，常把轴制成阶梯轴，为了装拆方便而设置的轴肩高度h可取为（0.53）mm。安装滚动轴承处的轴肩高度应符合安装尺寸，以便于拆卸轴承，轴承的游隙的调整，常用调整装置来实现。2.6.5提高轴的疲劳强度的措施轴和轴上零件的结构、工艺以及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的影响，所以应在这些方面进行充分的考虑，以利提高轴的承载能力，减小轴的尺寸和机器的质量，降低制造成本。提高轴的疲劳强度的措施主要有：(1)合理布置轴上零件以减小轴的载荷；(2)改进轴上零件的结构以减小轴的载荷；(3)改进轴的结构以减少应力集中的影响；其主要措施有：尽量避免形状的突然变化，宜采用较大的过渡圆角。如果增大圆角半径有困难，可用卸载槽、肩环、凹切圆角等的结构，轴上螺纹应加退刀圆角；键槽底部加圆角，用圆盘铣刀加工的键槽比用端铣刀加工的键槽应力集中系数小；渐开线花键处引起的应力集中比矩形花键小。轴上有花键时应加花键退刀槽，且退刀槽的直径等于花键的内径或是花键的内径d1大于轴径d推荐取d1=（1.1 1.3）d；轴上必须开横孔时，尽量开成通孔，通孔的孔端应倒角或滚珠碾压，并合理降低孔的表面粗糙度值；过盈配合的轴，可在轴上或轮毂上开减载槽。(4)改善轴的表面品质以提高轴的疲劳强度合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。并采用表面强化，如碾压、喷丸、渗碳、氰化、氮化、高频或火焰表面淬火等方法，可以显著提高承载能力。2.6.6轴的结构工艺性轴的结构还应考虑到轴的加工、装配、测量和维修等因素。(1)轴的形状在满足轴系装拆、定位等要求的前提下，应力求简单，便于加工；(2)合理确定轴与零件的配合性质、加工精度和表面粗糙度；(3)考虑加工工艺所必须的结构要素（如中心孔、螺尾退刀槽、砂轮越程槽等）； (4)为了减少加工刀具种类，轴上的倒角、圆角、键槽等应尽可能取相同尺寸，多个键槽应分布在同一加工直线上；(5)轴的配合直径应按GB2822-81圆整为标准值；(6)确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时要保证零件所需的滑动距离、装配或调整所需空间，与轮毂配装的轴段长度，一般应略小于轮毂宽度23mm，以保证轴向固定可靠；(7)为了便于轴上零件的装配，轴端应加工成45（或30、60）倒角；轴上过盈配合部分的装入端常加工出锥角为1020的导向锥面；(8)在装滚动轴承的轴肩处必须留有放置拆卸工具的位置。装有螺母联轴器等轴段，也应注意留有足够的装卸空间。3 承载轮轮轴的设计3.1轴的尺寸、强度计算（1）根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布局和装配方案；考虑整体布局，拟定不同的装配方案进行分析对比，最终拟定如图3.1的装配方案：图3.1 轴上零件的布局和装配说明：已知承载小车在工作过程中的最大拐弯半径为4m,承载轮的最大直径不得超过120mm,其拐弯时刻的示意图如图3.2所示：图3.2 承载小车拐弯时刻示意图即，已知R=4000mm,D=120mm,临界状态下DR则，L=4001.8mm所以，=LR=4001.840000=1.8mm经过上述计算得知承载轮在拐弯过程中的最大偏移量约为2mm,故承载轮与工字钢之间最少需间隔2mm才能保证承载小车在拐弯过程中不至于被卡死，为了安全起见设计承载轮与工字钢的间距为5.5mm。在轴上设置油孔对轴承进行润滑，初步确定油孔直径为d=610mm。（2）选择轴的材料该轴承受载荷较大，选用40Cr，调质处理，根据机械设计师手册（下册）表21-1查得其力学性能，（3）轴的受力分析及强度校核作出轴的计算简图，如图3.3所示：图3.3 轴的计算简图求支反力为方便计算，分别在水平面内和垂直面内进行计算。由 可得 可得 ，故，方向向下则其载荷分布如图3.4所示：图3.4 轴的载荷分布图做出轴的受力图，如图3.5所示：图3.5 轴的受力图按弯扭合成强度条件计算通常把轴当作置于铰链支座上的梁。轴上零件传来的力，通常当作集中力来考虑，其作用点取为零件轮缘宽度的中点，轴上转矩则从轮毂宽度的中点算起。轴上支承反力的作用点，根据轴承的类型和组合取轴承的中心点为支承反力的作用点（由机械设计第八版图15-23查得）。如果作用在轴上的各载荷不在同一平面内，则可分解到两个相互垂直的平面，然后分别求这两个平面内的弯矩，再按矢量法求得合成弯矩。已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某危险截面（即弯矩和扭矩大而轴径可能不足的截面）做弯扭合成强度校核计算。按第三强度理论，计算应力通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称循环变应力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数，则计算应力为式中的弯曲应力为对称循环变应力。当扭转切应力为静应力时，取=0.3；当扭转切应力为脉动循环变应力时，取=0.6；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，取1。对于直径为D的圆轴，弯曲应力为,扭转切应力为,将和代入，则轴的弯扭合成强度条件为式中 轴计算截面上的工作应力（Mpa）；轴计算截面上的合成弯矩（Nmm）；轴计算截面上的转矩（Nmm）；轴的抗弯截面系数（），对于空心圆截面（1-），其中，D为轴计算截面上的外径（mm），为轴计算截面上的内径（mm）；对称循环变应力时轴的许用弯曲应力。由于承载小车的轮轴只受弯矩，故其强度条件为按弯扭合成强度条件计算由得，故，其中，已知每个小车的额定载荷为5吨,所以小车每根轮轴承受的载荷为在实际工作中，会出现一些附加载荷，如冲击力、不平衡作用力、惯性力以及轴挠曲或轴承座变形产生的附加力等等。为了计及这些影响，可对载荷乘上一个根据经验而定的载荷系数，其值参见表3.1。表3.1 载荷系数载荷性质举例无冲击或平稳运转或轻微冲击1.01.2电动机、汽轮机、通风机、水泵等中等冲击或中等惯性冲击1.21.8车辆、动力机械、起重机、造纸机、冶金机械、选矿机、卷扬机、机床等强大冲击1.83.0破碎机、轧钢机、钻探机、振动筛等 考虑承载小车在运行过程中会受到中等冲击或中等惯性冲击，取载荷系数为1.4，则小车承受的载荷=1.45kg10N/kg=7N，故每个轮轴承受载荷为=1.75N在装配草图中估算作用力集中点到危险截面的距离则，轮轴所受弯矩M=轴在水平平面的弯矩图，如图3.6所示图3.6 轴在水平平面的弯矩图选择计算弯矩较大，危险截面处的轴剖面校核计算，确定轴与壳体接触处为危险截面。40Cr的许用弯曲应力，对于固定心轴，考虑启动、停车等的影响，弯矩在截面上所引起的应力可视为脉动循环变应力，所以在进行轴的强度校核时，固定心轴的许用应力应为（为脉动循环变应力时的许用弯曲应力），所以40Cr的许用弯曲应力=1.770MPa=119MPa对于直径为D的轴，其弯曲应力，其中，（1-），D为轴计算截面上的外径（mm），为轴计算截面上的内径（mm）。由于值很小，故将进行计算，得=33.46mm所以，取此轴段的直径D为35mm。取d=8mm，校核轴的强度=104.28设计符合要求。（4）零部件的选择和轴的结构设计选择滚动轴承根据轴的受力情况，选取21307CC型调心滚子轴承，为了便于轴承的装配，取装轴承处的直径d=35mm。其尺寸为dDB=35mm80mm21mm。其基本额定载荷,。根据承载小车的整体尺寸要求确定轴的各段直径和长度，如图3.7所示：图3.7 轴的各段直径和长度与轴承配合处的轴段=28+3=31mm（=3mm为做出的凸台以便足以固定轴承一边的内圈），由计算得此轴段直径为35mm，由于所选轴承内圈厚度为8.05mm，又凸台的高度一般为内、外圈厚度的，这里取凸台的高度为5mm，所以确定处的轴段直径为45mm；轴段由右往左依次安装宽度B=21的轴承、孔用弹性挡圈（固定轴承的外圈）、隔套（固定轴承的内圈）,设计=28mm；为轴与壳体的配合处，为了使紧固力充分作用，将隔套跨出轴段2mm，又根据经验取壳体厚度h=12mm,故=14mm，由于非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置，其高度没有严格的规定一般取为12mm，故取这段轴径为31mm；同理，确定的轴径为27mm,处的轴段安装以定位板（根据经验初步选择为610mm），由于轴径为27，所以需安装公称直径为27的普通螺母（公差带代号为6g,采用中等旋合长度），并且需要放置一弹簧垫圈对螺母进行机械防松，初步设计轴段的长度为43mm，同时确定外螺纹的深度为31mm，并在此轴段上做出退刀槽，方便螺纹的加工。由于设置在轴心做出油孔来实现对轴承的润滑，所以，还需在27轴段内部加工出内螺纹孔，以便在轴端安装油杯。 确定轴上零件的周向定位滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制,内圈与轴采用过盈配合，由互换性与测量技术基础表7-8查得轴的公差带为k6，外圈与承载轮的配合采用基轴制，外圈与承载轮的配合也采用过盈配合，由互换性与测量技术基础表7-9查得承载轮的公差带为P7。壳体孔与轴采用间隙配合，采用基孔制，由互换性与测量技术基础表2-6查得轴的公差带为d7。确定轴上圆角和倒角尺寸，轴和壳体孔的形位公差。参考CG6403.486取轴各处的圆角和倒角45度。由互换性与测量技术基础表7-12可以查得轴和壳体孔的形位公差。3.2按安全系数校核计算按安全系数的校核计算有两种情况，一种是根据材料疲劳极限计算轴危险截面处的疲劳强度安全系数，载荷按轴上长期作用的最大变载荷进行计算；另一种是根据材料屈服强度计算轴危险截面处的静强度安全系数。载荷是根据轴的短时最大载荷（包括冲击载荷）来计算的。危险截面的位置应是弯矩等较大及截面面积较小处，当按疲劳强度计算时，还应考虑应力集中较严重处，也就是实际应力较大的截面。当在同一截面处有几个应力集中源时，取各源所引起的应力集中的最大值。3.2.1按疲劳强度的安全系数计算根据轴的结构尺寸及弯矩图，截面D处弯矩最大，是轴的危险截面，故确定对此截面进行疲劳强度的安全系数计算,对于塑性材料按疲劳强度校核时的强度条件是仅有法向应力时，应满足式中 危险截面疲劳强度的计算安全系数；只考虑弯矩作用时的疲劳强度安全系数；只考虑转矩作用时的疲劳强度安全系数；按疲劳强度计算的许用安全系数；对称循环应力下材料试件的弯曲疲劳极限，MPa；弯曲时正应力的有效应力集中系数，滚动轴承与轴配合按H7r6配合选择，由机械设计师手册图21-10查得K=2.5平均应力折合为应力幅的等效系数，它表示材料对循环不对称性的敏感程度。其值应为 (对于碳钢，对合金钢)。（脉动循环应力下材料试件的弯曲疲劳极限，MPa）弯曲应力的应力幅，MPa；弯曲应力的平均应力，MPa；（对一般传递动力的轴，可取、=0；当轴不转动或轴上外力随轴一起转动时，取=）=2.53 (取=1.5)由下表3.2可知，D截面是安全的。3.2.2按静强度的安全系数计算取最大瞬时静载荷为额定载荷的两倍。仍以D截面为危险截面进行计算。静强度校核时的强度条件是只考虑弯矩时，应满足式中 危险截面静强度的计算安全系数；只考虑弯矩作用时的静强度安全系数；只考虑弯矩作用时的静强度安全系数；按静强度计算的许用安全系数；材料试件的拉伸屈服点，MPa；轴危险截面的最大弯矩，Nmm； 轴危险截面的抗弯截面系数，mm ；作用在轴上的最大轴向载荷；N；轴危险截面的截面积；= （由表3.3静强度计算安全系数可知，对于40Cr,所以取=1.41.8）所以，轴的静强度是安全的。表3.2 疲劳强度计算许用安全系数计算精确程度载荷可以精确计算，材料性能确有把握时1.31.5计算不够精确，材质不够均匀时1.51.8计算的精确性很差，材质均匀性很差时1.82.5表3.3 静强度计算许用安全系数计算精确程度当最大载荷作用时间极少，其数值可精确求得时高塑性材料（0.6）的钢轴1.21.4中等塑性（=0.60.8）的钢轴1.41.8低塑性的钢轴1.82.0铸造以及脆性材料的轴2.03.0当最大载荷很难准确计算时3.04.0注：当轴的损坏要引起严重事故时，表3.2和表3.3中安全系数还应适当加大30%50%。3.3轴的刚度计算以固定端为原点，取坐标系如图3.8所示：图3.8 轴的受力图(1) 求支座反力，列弯矩方程在固定端处有支座反力和反力偶矩，由平衡方程可得, 在距原点x处取截面，可列出弯矩方程为 (1) (2) 列挠曲线近似微分方程并进行积分 将弯矩方程式(1)代入公式得 (2)积分一次，得 (3)再积分一次，得 (4)(3)确定积分常数 悬臂梁在固定端处的挠度和转角均为零，即在x=0处: (5) (6)将式（6）代入式（4），将式（5）代入式（3），得D=0 C=0(4)确定转角方程和挠度方程 将所求得的积分常数C和D代入式（3）和式（4），得梁的转角方程和挠度方程为 (7) (8)(5) 求最大转角和最大挠度 利用式（7）和式（8）可求得任一截面的转角和挠度。由上图可以看出，B截面的挠度和转角绝对值为最大。以x=代入式（7）和式（8），可得， 即=， =所得的转角为正值，说明截面B作逆时针方向转动；为正值，说明B截面的挠度向上。3.4验算轴承寿命计算滚动轴承基本额定寿命的公式是L=式中 L失效率10%（可靠度90%）的基本额定寿命（r）；C基本额定动载荷（N）；P当量动载荷（N）；寿命指数，对于球轴承=3，对于滚子轴承=10/3。若轴承工作转速为n（r/min），以小时数为单位的基本额定寿命公式为=设计中应保证式中为滚动轴承的额定寿命。根据不同机器的工作要求，额定寿命的数值可参考表3.4。这里选取轴承的预期计算寿命为30008000h。查机械设计师手册d=35的调心滚子轴承其额定动载荷=63.5KN又已知承载小车的线速度V=1.6m/s=96m/m故其转速rad/min所以，=h符合使用要求。表3.4 轴承预期计算寿命机器类型预期计算寿命/h不经常使用的仪器或设备，如闸门开闭装置等3003000短期或间断使用的机械，中断使用不致引起严重后果，如手动机械等30008000间断使用的机械，中断使用后果严重，如发动机辅助设备、流水作业线自动传送装置、升降机、车间吊车、不常使用的机床等800012000每日8h工作的机械（利用率不高），如一般的齿轮传动、某些固定电动机等1200020000每日8h工作的机械（利用率较高），如金属切削机床、连续使用的起重机、木材加工机械、印刷机械等200003000024h连续工作的机械，如矿山升降机、纺织机械、泵、电机等400006000024h连续工作的机械，中断使用后果严重，如纤维生产或造纸设备、发电站主电机、矿井水泵、船舶螺旋桨轴等1000002000003.5根据计算结果修改设计轴及轴上零部件在强度、刚度、寿命的计算中如有过于富裕或不够时，都应对轴的结构及几何尺寸以及轴上零件的布置进行修改，直到取得满意的结果。4 滚动轴承滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它在承受载荷并有相对回转运动的零部件间工作，是机械中主要的基础件。滚动轴承一般由带滚道的套圈、成组的滚动体和隔离引导滚动体的保持架组成，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。具有承载、定位、减摩等功能以及功率消耗少，起动容易等优点。4.1滚动轴承的类型和代号4.1.1滚动轴承的类型滚动轴承是标准件，在机械设计中主要是选用。滚动轴承的滚动体有球和滚子（圆柱滚子、滚针、圆锥滚子等）两类，按所承受载荷方向和公称接触角的不同又分为向心轴承和推力轴承两类（公称接触角指轴承中套圈与滚动体接触处的法线和垂直于轴承轴线平面间的夹角）。向心轴承公称接触角从0到45，主要承受径向载荷；推力轴承公称接触角从45到90，主要承受轴向载荷。滚动轴承结构类型分类系统如下：常用滚动轴承的类型、主要性能和特点见表4.1。表4.1 常用滚动轴承的类型、主要性能和特点类型代号类型名称结构代号轴向承载能力性能和特点1调心球轴承10000少量因外圈滚道表面是以轴承中点为中心的球面，故能自动调心，允许内圈（轴）相对外圈（外壳）轴线偏斜量23。一般不宜承受纯轴向载荷2调心滚子轴承20000少量性能、特点与调心球轴承相同，但具有较大的径向承载能力，允许内圈对外圈轴线偏斜量1.52.5推力调心滚子轴承29000很大用于承受以轴向载荷为主的轴向、径向联合载荷，但径向载荷不得超过轴向载荷的55%。运转中滚动体受离心力矩作用，滚动体与滚道间产生滑动，并导致轴圈与座圈分离。为保证正常工作，需施加一定轴向预载荷。允许轴圈对座圈轴线偏斜量1.52.53圆锥滚子轴承=101830000较大可以同时承受径向载荷及轴向载荷（30000型以径向载荷为主，30000B型以轴向载荷为主）。外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。一般成对使用大锥角圆锥滚子轴承=101830000B很大5推力球轴承51000只能承受单向的轴向载荷只能承受轴向载荷。高速时离心力大，钢球与保持架磨损，发热严重，寿命降低，故极限转速很低。为了防止钢球与滚道之间的滑动，工作时必须加有一定的轴向载荷。轴线必须与轴承座底面垂直，载荷必须与轴线重合，以保证钢球载荷的均匀分配双向推力球轴承52000能承受双向的轴向载荷6深沟球轴承60000少量主要承受径向载荷，也可同时承受小的轴向载荷。当量摩擦系数最小。在高转速时，可用来承受纯轴向载荷。工作中允许内、外圈轴线偏斜量816，大量生产，价格最低7角接触球轴承70000C（=15）一般可以同时承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷。能在较高转速下正常工作。由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因此，一般成对使用。承受轴向载荷的能力与接触角有关。接触角大的，承受轴向载荷的能力也高70000AC（=25）较大70000B（=40）更大N外圈无挡边的圆柱滚子轴承N0000无有较大的径向承载能力。外圈（或内圈）可以分离，故不能承受轴向载荷，滚子由内圈（或外圈）的挡边轴向定位，工作时允许内、外圈有少量的轴向错动。内外圈轴线的允许偏斜量很小（24）。此类轴承还可以不带外圈或内圈内圈无挡边的圆柱滚子轴承NU0000内圈有挡边的圆柱滚子轴承NJ0000少量NA滚针轴承NA0000无在同样内径条件下，与其他类型轴承相比，其外径最小，内圈或外圈可以分离，工作时允许内、外圈有少量的轴向错动。有较大的径向承载能力。一般不带保持架。摩擦系数较大UC带顶丝外球面球轴承UC000少量内部结构与深沟球轴承相同，但外圈具有球形外表面，与带有凹球面的轴承座相配能自动调心。常用紧定螺钉、偏心套或紧定套将轴承内圈固定在轴上。轴心线允许偏斜5。 按结构还有带偏心套轴承（UEL型、UE型）、带紧定套轴承（UK型、UK+H型）、两端平头轴承（UD型）等4.1.2滚动轴承的代号滚动轴承代号是用字母加数字表示其结构、尺寸、公差等级、技术性能等特征的产品符号。滚动轴承代号的基础是基本代号，表示轴承的类型、结构和尺寸；为表达其他技术要求，添加前置代号和后置代号作为补充。（1）基本代号基本代号由轴承类型代号、尺寸系列代号和内径代号依次排列组成。轴承类型代号用阿拉伯数字或大写拉丁字母表示。尺寸系列代号由轴承的宽（高）度系列代号和直径系列代号组合而成，表示轴承的外形尺寸。直径系列指对应同样轴承内径变化的外径尺寸系列。宽度系列指同样轴承外径变化的宽度尺寸系列。滚动轴承的内径代号表示其公称内径的大小。（2）前置代号前置代号用字母表示。（3）后置代号后置代号用字母（或加数字）表示。4.1.3基本概念及术语（1）寿命 指一套滚动轴承，其中一个套圈（或垫圈）或滚动体的材料出现第一个疲劳扩展迹象之前，一个套圈（或垫圈）相对于另一个套圈（或垫圈）的转数。（2）可靠度（即轴承寿命的可靠度） 指一组在同一条件下运转的、近于相同的滚动轴承所期望达到或超过规定寿命的百分率。单个滚动轴承的可靠度为该轴承达到或超过规定寿命的概率。（3）静载荷 当轴承套圈或垫圈的相对旋转速度为零时（向心或推力轴承）或当滚道元件在滚动方向无运动时（直线轴承），作用在轴承上的载荷。（4）动载荷 当轴承套圈或垫圈相对旋转时（向心或推力轴承）或当滚道元件在滚动方向运动时（直线轴承），作用在轴承上的载荷。（5）额定寿命 以径向基本额定动载荷或轴向基本额定动载荷为基础的寿命的预测值。（6）基本额定寿命 与90%可靠性关联的额定寿命。（7）径向基本额定动载荷 指一套滚动轴承假想能承受的恒定径向载荷，在这一载荷作用下的基本额定寿命为一百万转。对于单列角接触轴承，该载荷是指引起轴承套圈相互间产生纯径向位移的载荷的径向分量。（8）轴向基本额定动载荷 指假想作用于滚动轴承的恒定的中心轴向载荷，在该载荷作用下滚动轴承的基本额定寿命为一百万转。（9）径向（或轴向）当量动载荷 指一恒定的径向载荷（或中心轴向载荷），在该载荷作用下，滚动轴承具有与实际载荷作用下相同的寿命。（10）径向（或轴向）基本额定静载荷 指与滚动体及滚道的总永久变形量相对应的径向静载荷（或中心轴向静载荷）。如果在零载荷下，滚子与滚道（滚子轴承）为或假定为正常母线（全线接触）时，在最大接触应力下，滚动体与滚道接触处产生的总永久变形量为滚动体直径的1/1000。对单列角接触轴承，径向额定载荷为引起轴承套圈彼此相对纯径向位移的载荷的径向分量。（11）径向（或轴向）当量静载荷 该径向静载荷（或中心轴向静载荷）会使受最大应力的滚动体和滚道接触处产生的总永久变形量与实际载荷条件下的总永久变形量相同。4.2滚动轴承的选择4.2.1滚动轴承的使用性能（1）承载能力滚动轴承以额定静载荷C和基本额定动载荷C表示承载能力。额定静载荷是指轴承承受载荷最大的滚动体与滚道接触中心处引起最大接触应力值为标准规定的允许值时，轴承所能承受的静载荷，反映其静承载能力；而基本额定动载荷是基本额定寿命为106r时轴承承受的恒定载荷，反映其一定寿命下的动承载能力。（2）寿命与可靠性（见基本概念及术语）（3）速度特性滚动轴承的极限转速是指一定载荷、润滑条件下轴承允许的最高转速。常用dn值表示轴承一定圆周线速度下的运转性能（d，n分别为轴承内径mm和转速r/min）。一般dn810mmr/min为高速轴承，dn1.816mmr/min称为超高速轴承。（4）摩擦力矩轴承的摩擦力矩引起温度升高和功率损耗，在精密仪表中还影响系统的精度和可靠性。摩擦力矩与轴承类型、结构、尺寸、制造精度等因素有关，也受载荷、转速、润滑等工作条件的影响。轴承载荷约为0.1C，润滑良好，工作状态正常时，其摩擦力矩可按下式计算：M=0.5Pd式中 摩擦系数；P轴承载荷（N），对向心轴承是径向载荷，对推力轴承是轴承的轴向载荷；d轴承内径（mm）。（5）运转精度滚动轴承的精度按公差等级分级，公差中包括尺寸公差和旋转精度的允许偏差。一般轴承公差等级有0、6、5、4、2五个等级，而圆锥滚子轴承分为0、6X、5、4四个等级。精度依次由低到高，0级为普通级，应用最广。滚动轴承游隙大小对运转精度和承载能力都有影响。滚动轴承具有径向游隙和轴向游隙，径向游隙又分为原始游隙、安装游隙和工作游隙。轴承编号中所标柱的1、2、0、3、4、5六组游隙，数值由小到大，表示其径向原始游隙（制造出厂时未安装前的游隙）。正常配合安装的轴承，在一般使用条件下运行时，选用0组游隙即能满足使用要求。过盈配合较大，内外圈温差较大，需降低摩擦力矩或改善调心性能的轴承，宜采用大游隙组；而要求震动噪声低、回转精度较高或严格限制轴向位移等场合，则采用小游隙组。角接触球轴承、圆锥滚子轴承和内圈带锥孔的轴承，其工作游隙可在安装或使用过程中调整。（6）振动和噪声振动和噪声造成环境污染，且直接影响主机性能，是滚动轴承重要的性能指标。轴承振动为轴承运转过程中轴承零件偏离理论位置的运动，用振动速度（m/s）或加速度（m/s）衡量。而轴承噪声以离运转轴承一定距离处的声压级（dB）作为衡量指标。轴承产生振动和噪声的主要原因是轴