【JX18-25】钢轨波磨电动砂轮打磨机结构设计（二维+论文）
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JX18-25
【JX18-25】钢轨波磨电动砂轮打磨机结构设计二维+论文
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【JX18-25】钢轨波磨电动砂轮打磨机结构设计（二维+论文）,JX18-25,【JX18-25】钢轨波磨电动砂轮打磨机结构设计二维+论文
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毕业设计说明书（论文）中文摘要首先针对钢轨打磨机进行总体方案设计，进而确定钢轨打磨机的总体布局，随后，对主轴组件进行设计。介绍了主轴的工作原理及关键技术。然后，确定了合理的主轴总体结构，分别对主轴的各零部件作了设计，产生了装配图、零件图与设计说明书等设计文档。最后，对主轴的旋转轴和轴承进行了详细的分析和校核，计算表明，该主轴设计符合要求。关键词： 钢轨打磨机，主轴组件，主轴，轴承，带轮30毕业设计说明书（论文）外文摘要First， the overall design of rail grinding machine is designed， and then the overall layout of rail grinding machine is determined. Then， the spindle assembly is designed. The working principle and key technology of the spindle are introduced. Then， the rational main shaft structure is determined， and the components of the main shaft are designed respectively. The design documents of assembly drawings， part drawings and design instructions are produced. Finally， the rotation shaft and bearing of the spindle are analyzed and checked in detail. The calculation shows that the spindle design meets the requirements.Keywords: surface grinding machine， spindle assembly， spindle， bearing， pulley 目 录1 绪论11.1 设计背景及意义11.2 钢轨病害的产生及预测11.3 钢轨打磨的发展趋势31.3.1 钢轨打磨作业的智能化31.3.2 钢轨打磨信息的集成化31.3.3 钢轨打磨装备的柔性化32 钢轨打磨机的主要计算52.1 减速电机介绍52.2 钢轨打磨机电机的选取63 主轴组件要求与设计计算83.1 主轴的基本要求83.1.1 旋转精度83.1.2 刚度83.1.3 抗振性93.1.4 温升和热变形93.1.5 耐磨性103.2 主轴组件的布局103.3 主轴结构的初步拟定123.4 主轴的材料与热处理133.5 主轴的技术要求133.6 主轴直径的选择143.7 主轴前后轴承的选择153.8 轴承的选型及校核163.9 主轴前端悬伸量183.10 主轴支承跨距193.11 主轴结构图203.12 主轴组件的验算203.12.1 支承的简化203.12.2 主轴的挠度213.12.3 主轴倾角224 磨头机构相关部件234.1 主轴轴承的润滑234.2 主轴组件的密封234.2.1 主轴组件密封装置的类型234.2.2 主轴组件密封装置的选择234.3 轴肩挡圈244.4 挡圈244.5 圆螺母244.6 挠度、转角、锁紧力的计算及校核254.6.1 挠度的计算254.6.2 转角的计算264.6.3 压板处螺栓的选择及校核26结束语28致 谢29参考文献301 绪论1.1 设计背景及意义在铁路运输系统中，钢轨的使用寿命主要取决于磨损和滚动接触疲劳。为了延长钢轨的使用寿命，我们需要考虑两个方面：钢轨制造和维修。具体来说，就是生产高质量的钢轨，有效地润滑轮轨接口，科学地打磨钢轨断面。钢轨打磨是线路养护的重要手段。中国的钢轨打磨设备主要是进口的。1989、第一导轨磨设备引入中国。铁路养护设备水平和磨削技术在中国远远落后于发达国家。加拿大、美国、澳大利亚、瑞典和印度的铁路养护实践证明，采用磨削方法防止钢轨起皱、控制接触疲劳、裂纹扩展和磨削等都取得了良好的效果，并能取得很大的效益。主要表现如下：（1）打磨消除轨道不平顺，减少了车轮与轨道之间的振动，提高了轨道的稳定性，减少线路和机车维修成本。（2）打磨与钢轨涂层结合使用，可使钢轨使用寿命延长50%300%。（3）改善轮轨粘着，降低滚动阻力，提高行车安全性。（4）减少噪声和振动，提高乘客的舒适性。随着铁路运营速度的加快和交通量的增加，对铁路系统的要求也越来越高。高速重载线路投产后，钢轨表面磨损严重，如钢轨磨耗、钢轨表面磨损、钢轨表面剥离、钢轨侧面严重磨损、裂纹和轨头破碎等，其发展速度很快，影响了铁路运输能力和经济效益。为了延长钢轨的使用寿命，有必要定期维护钢轨，防止损坏和进一步恶化，以保证列车的安全和舒适。1.2 钢轨病害的产生及预测列车在轨道上运行时，钢轨与钢轨之间的摩擦力会引起钢轨表面材料沿纵向的塑性变形。另外，由于车轮踏面的一定锥度，受列车的动态特性和随机因素的影响，列车的左右移动同时发生，导致蛇行运动，导致钢轨表面材料沿横向方向发生变形和磨损。轮轨之间的循环接触会引起钢轨表面的疲劳层。当钢轨材料的塑性变形和疲劳累积到极限时，钢轨表面出现波浪磨损（简称波磨）、裂纹和侧边，甚至剥落。钢轨表面的典型病害及其成因如图1-1所示。图1-1 钢轨表面典型病害及产生原因除上述原因外，钢轨表面、运行环境、轨道曲线半径、轮轨润滑状态等因素都影响着钢轨的随机病害。如果钢轨表面的病无法阻止或删除时，轮轨关系的恶化会导致疾病继续加重和扩大，导致轮轨关系和轨道疾病之间的恶性循环，使列车运行噪声加剧，严重影响其运行的安全性、稳定性。钢轨打磨的主要目的是消除钢轨病害，修复钢轨纵断面，改善轮轨关系，恢复轮轨相互作用到轮轨接触初始状态。它是通过掌握轨道和其潜在的特性和随机疾病发生、发展的规律的疾病，解决上述问题的有效途径，对钢轨的萌生和扩展的循环周期，对钢轨打磨作业的规划和实施提供依据的原。基于钢轨磨损、疲劳和润滑的相互作用机理，以及钢轨磨损与钢轨打磨的关系，可以预测钢轨的接触疲劳和磨损。钢轨病害预测方法主要分为2类：一是通过钢轨滚动轮数研究钢轨疲劳裂纹的形成机理，预测钢轨顶部裂纹的萌生和扩展速度，分析钢轨的常见病害。该方法适用于高速铁路、直线等简易路面条件，可指导钢轨预防性打磨的实施；二是通过分析。列车运行在复杂线路上的轮轨力和轮轨接触，得到钢轨不对称磨耗与线路特性之间的关系。该方法适用于曲线段钢轨磨耗的研究，并可指导非对称磨削方式的制定。通过对接触疲劳和磨损的综合讨论，结合钢轨打磨和润滑，提高钢轨的使用寿命，制定合理的线路维修方案。现有的钢轨缺陷预测方法多用于预测规则性疾病，不能预测边缘和剥落等病害。在以上2种病害预测方法中，以改善轮轨关系、指导钢轨打磨为出发点。钢轨打磨在线路维护中的意义，应该弄清钢轨打磨、轮轨关系与疾病预测之间的联系，研究钢轨疾病预测模型与钢轨打磨的直接关系，重点分析随机疾病产生时钢轨打磨的措施，并对磨削方式、磨削策略、磨削方式、磨削周期等提出要求。钢轨打磨的过程和目的更明确，轮轨关系用于钢轨打磨的轨道轮廓。1.3 钢轨打磨的发展趋势1.3.1 钢轨打磨作业的智能化智能磨削是磨削方式的进一步发展。通过比较当前轮廓与钢轨目标轮廓之间的差异，自动生成磨削工具的布局和执行参数，使磨削后的钢轨截面最大限度地逼近目标轮廓，减少磨削次数。目前，在钢轨维修中，磨削方式的数量是固定的，磨削角和功率通常是通过磨削的角度和功率来实现的。单磨作业需要对钢轨进行25次打磨，以满足线路维护的需要，提高维修成本。智能磨削，借助轨形测量与处理系统，可实时采集磨削加工前后的钢轨轮廓，指导操作实施。其关键技术如下：（1）钢轨轮廓测量与数据处理技术，要求能够快速、准确地反映磨削后钢轨轮廓，定量分析电流廓线与目标轮廓之间的差异。其次，通过对磨矿机理的研究，建立了允许磨矿工艺参数库，保证了智能系统能够自动生成安全的磨矿执行参数库，防止事故和事故的发生。1.3.2 钢轨打磨信息的集成化磨矿管理数据库是磨矿作业信息输入输出的集中体现。磨矿管理是指钢轨修磨方案的制定、磨矿方案的实施和磨矿质量的反馈，磨矿数据库是协调磨矿周期、磨矿策略和磨矿质量的统一管理平台。根据生产线的特点，划分管理区域，以高效、低成本的原则作为磨削原理，建立起轨道作业与维修数据库，系统地指导粉磨作业的实施。磨矿管理数据库的输入要素分为常量和可变因素。通过对钢轨病害的检测和磨削过程的分析，不断丰富数据库的信息量，并将工程师的实际经验集成到数据库中。在一定程度上完善后，可通过信息输出的指导，选择磨削策略的选择和磨削方案的制定，以防止钢轨磨削的“过修”和“少修”，最大限度地发挥钢轨磨削的作用。1.3.3 钢轨打磨装备的柔性化随着钢轨磨削技术研究的深入，拓展磨削技术在轨道交通领域的应用范围是必然趋势。从效益角度看，粉磨设备的要求必须从“操作能力”改为“质量和质量”，而不同的线路和特殊的道路条件则改善了粉磨设备的一般要求。钢轨磨削理论研究的出发点是使磨削技术更好地为线路维修服务，研究成果可由磨削设备提出，磨削设备的灵活性能够满足轨道养护的新要求。2 钢轨打磨机的主要计算2.1 减速电机介绍减速电机是指减速机和电机的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮电机或齿轮电机。通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。减速电机广泛应用于钢铁行业、机械行业等。使减速电机的优点是简化设计、节省空间。减速机一般是通过把电动机.内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的。 图3-6 减速电机减速电机的特点1、减速电机结合国际技术要求制造，具有很高的科技含量。 2、节省空间，可靠耐用，承受过载能力高，功率可达95KW以上。 3、能耗低，性能优越，减速机效率高达95%以上。 4、振动小，噪音低，节能高，选用优质段钢材料，钢性铸铁箱体，齿轮表面经过高频热处理。 5、经过精密加工，确保定位精度，所有这些齿轮传动装配减速器电机配有各种型号的电机，形成机电一体化，完全保证了产品的质量特点。 6、产品才用了系列化、模块化的设计思想，有广泛的适应性，本系列产品有极其多的电机组合、安装位置和结构方案，可按实际需要选择任意转速和各种结构形式。 减速电机类型及参数减速电机的类型1、大功率齿轮减速电机 2、同轴式斜齿轮减速电机 3、平行轴斜齿轮减速电机 4、螺旋锥齿轮减速电机 5、YCJ系列齿轮减速电机 6、蜗轮蜗杆减速电机 减速电机的选型要确定一个减速电机的型号，需要确定下列几个参数： 1、确定机械的运转速度，根据这个速度计算齿轮减速电机的减速比（减速比=入力轴速度/出力轴速度=电机速度/机械要求速度）； 2、计算负载的力矩，根据这个力矩选择齿轮减速电机的出力（参考齿轮减速电机厂家提供的“输出扭矩表”），确定齿轮减速电机的型号； 3、确定减速电机的附加功能，比如说断电刹车、通电刹车、变频、缩框、外壳材质等，有些附加功能只有特定的工厂可以提供，比如城邦齿轮减速机，它提供了所有的附加功能，所以在选择的时候，与供应商的沟通是很重要的。 减速电机的应用减速电机的应用非常广泛，属于机械设备不可或缺的动力设备，特别是在包装机械、印刷机械、瓦楞机械、彩盒机械、输送机械、食品机械、立体停车场设备、自动仓储、立体仓库、化工、纺织、染整设备上。 2.2 钢轨打磨机电机的选取（1）粗略计算驱动电机的功率已知假设重量为m=250kgg=10N/kg总重力G1=mg=25010=250N查表2-1得摩擦系数为0.0351）驱动功率计算则工件受到的摩擦力为：则移行电机所需牵引力为：假设钢轨打磨机直径R=125mm假设钢轨打磨机转速na=61rpm 钢轨打磨机速度v=Rna=0.12561=24m/min 设功率安全系数为1.2，驱动装置的效率为0.8，则需要的驱动功率为：2）电动机至钢轨打磨机的总效率c联轴器效率，c=0.99b对滚动轴承效率，b=0.99vv带效率，v=0.94cy钢轨打磨机滚子效率，cy=0。96估算传动系统总效率=vbccy=0.940.990.990.96=0.883） 所需电动机的功率Pd（kw）Pd=Pw/=0.05/0.88=0.06kw为保证驱动电机有足够的功率余量，结合减速电机样本应选择功率为0.37kW的电机。根据要求选用sew减速电机型号为S37DT71D4/BMG/HR/TH/IS/M1/A/180/fb=1.55电动机额定功率为Pm=0.37kw电动机满载转速为nm=61r/min（3）基于电动机的以上特点，本文选用减速电机作为输送机床的驱动装置。查SEW减速电机的规格表，选用如下减速电机。表2.2 选用的电机的详细参数电机额定功率Pm/kW输出转速na/r/min输出扭矩Ma/Nm减速机速比i输出轴许用径向载荷FRa/N使用系数SEW-fB减速机型号电机型号重量/kg0.37564722.528701.55DT71D4SF3714此型号的电机在一定程度上保证了驱动功率有一定的盈余，因数在电机起动时，若输送机床上有工件，则此时的起动功率会比平时工作时的功率要大，且减速电机本身还有一定的使用系数。3 主轴组件要求与设计计算主轴总成是钢轨打磨机的执行机构。它的作用是支承和驱动砂轮的转动，完成曲面的成形运动。同时它还起传递运动和扭矩的作用，承受切削力和驱动力的作用。钢轨磨齿机的性能直接影响着钢轨打磨机的质量和生产率，是钢轨打磨机的关键部件。主轴的相同点和一般的传动轴是传递扭矩和运动，传动功率，所有这些保证传输和支持正常的加工条件，但主轴直接承受切削力，并带动工件或工具实现表面成形运动，所以对主轴的要求高。3.1 主轴的基本要求3.1.1 旋转精度主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空载时，主轴前端定位面的径向跳动r、端面跳动a和轴向窜动值o。如图2-1所示：图中实线表示理想的旋转轴线，虚线表示实际的旋转轴线。当主轴以工作转速旋转时，主轴回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。主轴组件的旋转精度取决于部件中各主要件（如主轴、轴承及支承座孔等）的制造精度和装配、调整精度；运动精度还取决于主轴的转速、轴承的性能和润滑以及主轴部件的动态特性。各类通用钢轨打磨机主轴部件的旋转精度已在钢轨打磨机精度标准中作了规定，专用钢轨打磨机主轴部件的旋转精度则根据工件精度要求确定。图2-1 主轴的旋转误差3.1.2 刚度主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力，如图2-2所示，即K=F/y（单位为N/m），刚度的倒数y/F称为柔度。主轴组件的刚度，是主轴、轴承和支承座的刚度的综合反映，它直接影响主轴组件的旋转精度。显然，主轴组件的刚度越高，主轴受力后的变形就越小，如若刚度不足，在加工精度方面，主轴前端弹性变形直接影响着工件的精度；在传动质量方面，主轴的弯曲变形将恶化传动齿轮的啮合状况，并使轴承产生侧边压力，从而使这些零件的磨损加剧，寿命缩短；在工件平稳性方面，将使主轴在变化的切削力和传动力等作用下，产生过大的受迫振动，并容易引起切削自激振动，降低了工件的平稳性。图2-2 主轴组件静刚度主轴组件的刚度是综合刚度，影响主轴组件刚度的因素很多，主要有：主轴的结构尺寸、轴承的类型及其配置型式、轴承的间隙大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造与装配质量等。3.1.3 抗振性主轴组件的抗振性是指承受强迫振动和自激振动时保持平稳运行的能力。在切削过程中，主轴组件不仅受静载荷的影响，而且受到冲击载荷和交变载荷的影响，使主轴振动。如果主轴的抗振性差，工作时容易产生振动，影响工件的表面质量，降低刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，也会产生噪声影响工作环境。随着钢轨打磨机的发展，对高精度、高效率的振动筛的要求越来越高。对主轴组件的振动抗力进行了评价，主要考虑了受迫振动和自激振动的大小。3.1.4 温升和热变形主轴组件通过摩擦和油在不同的相对运动中加热。温度上升使主轴部件的形状和位置变形，这称为热变形。热变形应在运行一定时间后，通过改变各部位的位置来测量。温升与主轴部件的热变形使钢轨打磨机破坏了零件之间的相对位置精度，影响工件的加工精度和高精度导轨磨床尤其严重；热变形引起的主轴弯曲，使传动齿轮和轴承的工作状态是恶化，和热变形也改变调整间隙、主轴和轴承之间的配合，轴承和支承座。如果轴承工作正常，过小的间隙会加速齿轮和轴承等零件的磨损，甚至轴承的轴夹持也会发生。影响温升与主轴热变形的主要因素是轴承的类型和布置，轴承的间隙和预紧力的大小，润滑方式和散热条件。3.1.5 耐磨性主轴组件的耐磨性是保持其原始精度的一个很长的时间，即精度。因此，主轴组件的每个滑动面，包括主轴端的定位面、锥孔、滑动轴承的轴颈表面以及活动轴套的外表面都必须具有非常高的硬度，以确保其耐磨性。为了提高主轴组件的耐磨性，应正确选择主轴材料和滑动轴承，采用热处理方法和润滑方法，合理调整轴承间隙，润滑和可靠密封良好。3.2 主轴组件的布局主轴组件的设计，必须保证满足上述的基本要求，从而从全局出发，考虑主轴组件的布局。磨轨机的主轴有前后两个支架，前、中、后三个支架。两种轴承主轴轴承的配置，包括主轴轴承的选择、组合和布局，主要是根据主轴部件在速度、承载能力、刚度和精度等方面的要求确定的，并考虑轴承的供给和经济性。在选择时，有以下要求：（1）适应刚度和承载能力的要求主轴轴承的选择应满足所要求的刚度和承载能力。当径向负荷较大时，可以选择滚动轴承，也可以在相对较小的时间内选择滚珠轴承。双列滚动轴承的径向刚度和承载能力比单列轴承大。同一轴承中多个轴承的轴承刚度和承载能力大于单轴承。一般来说，前支座的刚度要大于后支座的刚度。由于前支承刚度对主轴组件刚度的影响大于后支承的刚度。滚动轴承与滑动轴承的比较见表2-1。表2-1 滚动轴承和滑动轴承的比较基本要求滚动轴承滑动轴承动压轴承静压轴承旋转精度精度一般或较差。可在无隙或预加载荷下工作。精度也可以很高，但制造困难单油楔轴承一般，多油楔轴承较高可以很高刚度仅与轴承型号有关，与转速、载荷无关，预紧后可提高一些随转速和载荷升高而增大与节流形式有关，与载荷转速无关承载能力一般为恒定值，高速时受材料疲劳强度限制随转速增加而增加，高速时受温升限制与油腔相对压差有关，不计动压效应时与速度无关抗振性能不好，阻尼系数D=0.029较好，阻尼系数D=0.055很好，阻尼系数D=0.4速度性能高速受疲劳强度和离心力限制，低中速性能较好中高速性能较好。低速时形不成油漠，无承载能力适应于各种转速摩擦功耗一般较小，润滑调整不当时则较大f=0.0020.008较小f=0.0010.08本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.00050.001噪声较大无噪声本身无噪声，泵有噪声寿命受疲劳强度限制在不频繁启动时，寿命较长本身寿命无限，但供油系统的寿命有限（2）适应转速要求由于结构和制造的原因，不同类型和规格的轴承所允许的最大速度是不同的。轴承规格越大，精度水平越低，最大允许转速越低。圆柱滚子轴承在承受径向载荷时，最终速度比圆锥滚子轴承高。在轴承承受轴向载荷时，向心推力轴承的极限转速最高，推力球轴承次之，圆锥滚子轴承最低，但承载能力与上述顺序相反。因此，应综合考虑速度和承载能力两个方面来选择轴承类型。（3）适应精度的要求有三种方法来安排和停止轴承。前端定位-推力轴承设置在前支座；后端定位-集中布置在后支架中，两端分别位于前后支架上。在前端的定位是，主轴的热变形是向后延伸，但不影响轴向定位精度，但前面的支撑结构复杂，轴承间隙是不方便的，前支架更热，后端的定位是上述相反；当两端固定，轴承的轴向间隙变化较大，如果装有推力轴承径向轴承，主轴可以安排。因受热膨胀而弯曲。（4）适应结构的要求当要求主轴组件在性能上有较高的刚度和一定的承载能力，而在结构上径向尺寸要紧凑时，则可在一个支承（尤其是前支承）中配置两个或两个以上的轴承。对于轴间距很小的多主轴钢轨打磨机，由于结构限制，宜采用滚针轴承来承受径向载荷，用推力球轴承来承受轴向载荷，并使两轴承错开排列。（5）适应经济性要求确定主轴轴承配置型式，除应考虑满足性能和结构方面要求外，还应作经济性分析，使经济效果好。在中速和大载荷情况下，采用圆锥滚子轴承要比采用向心轴承和推力轴承组合配置型式成本低，因为前者节省了两个轴承，而且箱体工艺性较好。综合考虑以上因素，本设计的主轴采用前、后支承的两支承主轴，前支承采用双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合，D级精度；后支承采用圆柱滚子轴承，E级精度。其中前支承的双列圆柱滚子轴承，滚子直径小，数量多（5060个），具有较高的刚度；两列滚子交错布置，减少了刚度的变化量；外圈无挡边，加工方便；轴承内孔为锥孔，锥度为1：12，轴向移动内圈使之径向变形，调整径向间隙和预紧；黄铜实体保持架，利于轴承散热。前支承的总体特点是：主轴静刚度好，回转精度高，温升小，径向间隙可以调整，易保持主轴精度，但由于前支承结构比较复杂，前、后支承的温升不同，热变形较大，此外，装配、调整比较麻烦。3.3 主轴结构的初步拟定主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位的方法，同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性，一般在钢轨打磨机主轴上装有较多的零件，为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从前轴颈起向后依次递减。主轴是空心的或者是实心的，主要取决于钢轨打磨机的类型。此次设计的主轴，也设计成阶梯形，同时，在满足刚度要求的前提下，设计成空心轴，以便通过刀具拉杆。主轴端部系指主轴前端。它的形状决定于钢轨打磨机的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确，装卸方便和能传递一定的扭矩。3.4 主轴的材料与热处理主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择。主轴刚度与材料弹性模量e值有关，钢的E值较大。因此，首先要考虑钢材料在锭子材料中的应用。钢的弹性模量E与钢的类型和热处理方式无关，即无论是普通钢还是合金钢，其弹性模量e基本相同。因此，钢材的选择应是廉价中碳钢的首选，只有当载荷特别重且有较大冲击力时，或精密钢轨磨床的主轴必须减少热处理后的变形。或当轴向运动轴线需要确保其耐磨性时，考虑合金钢。当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（HRC4854）。有关45钢主轴热处理情况如下表2.2所列：表2-2 使用滚动轴承的45钢主轴热处理等参数工 作 条 件使 用 机 床材 料 牌 号热 处 理硬 度常 用代 用轻中负载车、钻、铣、磨床主轴4550调质HB220250轻中负载局部要求高硬度磨床的砂轮轴4550高频淬火HRC5258轻中负载PV40（Nm/cms）车、钻、铣、磨床的主轴4550淬火回火高频淬火HRC4250HRC5258此次设计的钢轨打磨机主轴，考虑到主轴材料的选择原则，选用价格便宜的中碳钢（45钢）。查表2-2中，因工作中承受轻、中负荷，且要求局部高硬度，故热处理采用高频淬火，HRC5258。3.5 主轴的技术要求主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度，零件接触表面形状愈准确、表面粗糙度愈低，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求。（1）轴颈 此次设计的主轴，应首先考虑轴颈。支承轴颈是主轴的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴工作时，以轴颈作为工作基面进行旋转运动；加工主轴时，为了保证锥孔中心和轴颈中心同轴，一般都以轴颈作为工艺基面来最后精磨锥孔；在检查主轴精度时，以轴颈作为测量基面来检查各部分的同轴度和垂直度。采用滚动轴承时，轴颈的精度必须与轴承的精度相适应。轴颈的表面粗糙度和硬度，将影响其与滚动轴承的配合质量。对于普通精度级钢轨打磨机的主轴，其支承轴颈的尺寸精度为IT5，轴颈的几何形状允差（圆度、圆柱度等）通常应小于直径公差的1/41/2。（2）内锥孔 内锥孔是安装刀具或顶尖的定位基面。在检验钢轨打磨机精度时，它是代表主轴中心线的基准，用来检查主轴与其他部件的相互位置精度，如主轴与导轨的平行度等。由于刀具和顶尖要经常装拆，故内锥孔必须耐磨。锥孔与轴承轴颈的同轴度，一般以锥孔端部及其相距100300毫米处对轴颈的径向跳动表示；其形状误差用标准检验锥着色检查的接触面积大小来检验，此乃综合指标；还要求一定的表面粗糙度和硬度等。3.6 主轴直径的选择主轴直径对主轴组件刚度的影响很大，直径越大，主轴本身的变形和轴承变形引起的主轴前端位移越小，即主轴组件的刚度越高。但主轴前端轴颈直径D1越大，与之相配的轴承等零件的尺寸越大，要达到相同的公差则制造越困难，重量也增加。同时，加大直径还受到轴承所允许的极限转速的限制，甚至为钢轨打磨机结构所不允许。通常，主轴前轴颈直径D1可根据传递功率，并参考现有同类钢轨打磨机的主轴轴颈尺寸确定。查金属切削钢轨打磨机设计第506页表5-12中，几种常见的通用钢轨打磨机钢质主轴前轴颈的直径D1，可供参考，如下表2-3所示：钢轨打磨机，查上表中对应项，初取D1= D2=30。表2-3 主轴前轴颈直径D1的选择机床机床功率 （千瓦）1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.7车床608070907010595130110145140165铣床5090609060957510090105100115外圆磨床5090557070807590751003.7 主轴前后轴承的选择根据前述关于轴承的选择原则，查金属切削设计简明手册第375页，选取主轴前支承的36206是旧型号，新型号是7206C，即接触角为15的角接触球轴承。图3-6 轴承结构参数及安装尺寸3.8 轴承的选型及校核滚动轴承的选择包括轴承类型选择、轴承精度等级选择和轴承尺寸选择。轴承类型选择适当与否，直接影响轴承寿命以至机器的工作性能。选择轴承类型时应当分析比较各类轴承的特性，并参照同类机器中的轴承使用经验。 在选择轴承类型时，首先要考虑载荷的大小、方向以及轴的转速。一般说来，球轴承便宜，在载荷较小时，宜优先选用。滚子轴承的承载能力比球轴承大，而且能承受冲击载荷，因此在重载荷或受有振动、冲击载荷时，应考虑选用滚子轴承。但要注意滚子轴承对角偏斜比较敏感。当主要承受径向载荷时，应选用向心轴承。当承受轴向载荷而转速不高时，可选用推力轴承；如转速较高，可选用角接触球轴承。当同时承受径向裁荷和轴向载荷时，若轴向载荷较小，可选用向心球轴承或接触角不大的角接触球轴承；若轴向载荷较大，而转速不高，可选用推力轴承和向心轴承的组合方式，分别承受轴向载荷和径向载荷；当轴向载荷较大，且转速较高时，则应选用接触角较大的角接触轴承。各类轴承适用的转速范围是不相同的，在机械设计手册中列出了各类轴承的极限转速。一般应使轴承在低于极限转速下运转。向心球轴承、角接触球轴承和短圆柱痞子轴承的极限转速较高。适用于较高转速场合。推力轴承的极限转速较低只能用于较低转速场合。其次，在选择轴承类型时还需考虑安装尺寸限制、装拆要求，以及轴承的调心件能和风度，一般球轴承外形尺寸较大，滚子轴承较小，滚针轴承的径向尺寸最小而轴向尺寸较大，此外，不同系列的轴承，其外形尺寸也不相同。选择轴承一般应根据机械的类型、工作条件、可靠性要求及轴承的工作转速n，预先确定一个适当的使用寿命Lb (用工作小时表示)，再进行额定动裁荷和额定静载荷的计算。对于转速较高的轴承(n10rmin)，可按基本额定动载荷计算值选择轴承，然后校核其额定静载荷是否满足要求。当轴承可靠性为90、轴承材料为常规材料并在常规条件下运转时，取500h作为额定寿命的基准，同时考虑温度、振动、冲击等变化，则轴承基本额定动载荷可按下式进行简化计算。C基本额定动载荷计算值，N；P当量动载荷，N；fh寿命因数；1fn速度因数；0.822fm力矩载荷因数，力矩载荷较小时取1.5，较大时取2；fd冲击载荷因数；1.5fT温度因数；1CT轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷，N；查文献3中的表6-2-8至6-2-12，得，fh=1；fn=0.822；fm=1.5；fd=1.5；fT=1。在本输送装置中，可以假设轴承只承受径向载荷，则当量动载荷为：P=XFr+YFa查文献3的表6-2-18，得，X=1，Y=0；所以，P=Fr=1128N。由以上可得：本输送机中的轴承承受的载荷多为径向载荷，所以选取深沟球轴承，查文献6的附表6-1，并考虑轴的外径，选取轴承6305-RZ，其具体参数为：内径d=25mm，外径D=62mm，基本额定载荷，基本额定静载荷，极限速度为10000r/min，质量为0.219kg。然后校核该轴承的额定静载荷。额定静载荷的计算公式为：式中：基本额定静载荷计算值，N; 当量静载荷，N；安全因数轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷，N。查文献3的表6-2-14知，对于深沟球轴承，其当量静载荷等于径向载荷。查文献3的表6-2-14知，安全系数则轴承的基本额定静载荷为：由上式可知，选取的轴承符合要求。3.9 主轴前端悬伸量主轴前端悬伸量a指的是主轴前支承支反力的作用点到主轴前端受力作用点之间的距离，它对主轴组件刚度的影响较大。悬伸量越小，主轴组件刚度越好。主轴前端悬伸量a取决于主轴端部的结构形状及尺寸，一般应按标准选取，有时为了提高主轴刚度或定心精度，也可不按标准取。另外，主轴前端悬伸量a还与前支承中轴承的类型及组合型式、工件或夹具的夹紧方式以及前支承的润滑与密封装置的结构尺寸等有关。因此，在满足结构要求的前提下，应尽可能减小悬伸量a，以利于提高主轴组件的刚度。初算时，可查金属切削钢轨打磨机设计第158页，如下表2-4所示：表2-4 主轴的悬伸量与直径之比类型机 床 和 主 轴 的 类 型a/ D1通用和精密车床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承支承，适用于高精度和普通精度要求0.61.5中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸量不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨，用滚动和滑动轴承支承，适用于绝大部分普通生产的要求1.252.5孔加工钢轨打磨机，专用加工细长深孔的钢轨打磨机，由加工技术决定需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，由于切削较重而不适用于有高精度要求的钢轨打磨机2.5根据上表所列，所设计的钢轨打磨机属于型，所以取a/ D1为1.252.5，即：a=（1.252.5）D1=（1.252.5）30=37.575初取a=45。3.10 主轴支承跨距主轴支承跨距L是指主轴前、后支承支承反力作用点之间的距离。合理确定主轴支承跨距可提高主轴部件静刚度。可以证明，支撑跨距越小，主轴刚度越大，弯曲变形越小，但主轴前端位移增大。由于支撑跨度引起的主轴位移较小，但主轴的弯曲变形会增大。可以看出，支撑跨距过大或过小，会降低主轴部件的刚度。有关资料对合理跨距选择的推荐值可作参考：（1） L=（45）D1（2） L=（35）a，用于悬伸长度较小时；（3） L=（12）a，用于悬伸长度较大时。根据此次设计的钢轨打磨机刚性主轴的悬伸量较大，取L2.5a为宜。即此次设计的主轴两支承的合理跨距L2.5a=2.5120=300初取L=280。3.11 主轴结构图根据以上的分析计算，可初步得出主轴的结构如图2-7所示：图2-7 主轴结构图3.12 主轴组件的验算主轴在工作中的受力情况严重，而允许的变形则很微小，决定主轴尺寸的基本因素是所允许的变形的大小，因此主轴的计算主要是刚度的验算，与一般轴着重于强度的情况不一样。通常能满足刚度要求的主轴也能满足强度的要求。刚度乃是载荷与弹性变形的比值。当载荷一定时，刚度与弹性变形成反比。因此，算出弹性变形量后，很容易得到静刚度。主轴组件的弹性变形计算包括：主轴端部挠度和主轴倾角的计算。3.12.1 支承的简化对于两支承主轴，若每个支承中仅有一个单列或双列滚动轴承，或者有两个单列球轴承，则可将主轴组件简化为简支梁，如下图2-8所示；若前支承有两个以上滚动轴承，可认为主轴在前支承处无弯曲变形，可简化为固定端梁，如图2-9所示：图2-8 主轴组件简化为简支梁图2-9 主轴组件简化为固定端梁此次设计的主轴，前支承选用了一个双列向心短圆柱滚子轴承和两个推力球轴承作为支承，即可认为主轴在前支承处无弯曲变形，可简化为上图2-9所示。3.12.2 主轴的挠度查材料力学I第188页的表6.1，对图2-9作更进一步的分析，如下图2-10所示：根据图2-10，可得此时的最大挠度=其中，F主轴前端受力。此处，F=F=1213.1NlA、B之间的距离。此处，l=a=12cm图2-10 固定端梁在载荷作用下的变形E主轴材料的弹性模量。45钢的E=2.110N/cmI主轴截面的平均惯性矩。当主轴平均直径为D，内孔直径为d时，I=。此处，D=35故可计算出，主轴端部的最大挠度：=-1.8710 mm3.12.3 主轴倾角主轴上安装主轴和安装传动齿轮处的倾角，称为主轴的倾角。此次设计的主轴主要考虑主轴前支承处的倾角。若安装轴承处的倾角太大，会破坏轴承的正常工作，缩短轴承的使用寿命。根据图2-10，可得此时的最大倾角=其中，F主轴前端受力。此处，F=Fz=1213.1NlA、B之间的距离。此处，l=a=12cmE主轴材料的弹性模量。45钢的E=2.110N/cmI主轴截面的平均惯性矩。当主轴平均直径为D，内孔直径为d时，I=。此处，D=133故可计算出，主轴倾角为：=-2.310 rad查钢轨打磨机设计第一册中机械部分的第670页，可知：当x0.0002L mm0.001 rad时，刚性主轴的刚度满足要求。此处的x，即为最大挠度和最大倾角，L为主轴支承跨距。将已知数据和代入，即可得：初步设计的主轴满足刚度要求。4 磨头机构相关部件4.1 主轴轴承的润滑润滑的作用是降低摩擦，减小温升，并与密封装置在一起，保护轴承不受外物的磨损和防止腐蚀。润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。如果选择得合适，可以降低轴承的工作温度和延长使用期限。滚动轴承可以用润滑油或润滑脂来润滑。试验证明，在速度较低时，用润滑脂比用润滑油温升低。所以，此次设计的主轴支承均采用润滑脂。同时，主轴是装在主轴套筒内的，为防止使用润滑油时泄漏，也应采用润滑脂润滑。4.2 主轴组件的密封密封对主轴组件的工作性能与润滑影响也较大。钢轨打磨机主轴密封不好，将使润滑剂外流，造成浪费，加速零件的磨损，还会严重地影响到工作环境及钢轨打磨机的外观。4.2.1 主轴组件密封装置的类型主轴组件密封装置的类型，主要有以下几种：具有弹性元件的接触式密封装置；皮碗（油封）式密封装置；具有金属和石墨元件的接触式密封装置；挡油圈式和螺旋沟式密封装置；圈形间隙式、油沟式和迷宫式密封装置；立式主轴的密封装置等。4.2.2 主轴组件密封装置的选择选用密封装置时，应考虑到主轴组件的下列具体工作条件：密封处主轴颈的线速度；所用润滑剂的种类及其物理化学性质；主轴组件的工作温度；周围介质的情况；主轴组件的结构特点；密封装置的主要用途等。综合考虑上述因素，主轴前支承处选用迷宫式密封，径向尺寸不超过0.3mm，中填润滑脂，轴向尺寸不超过1.5mm。查机械设计课程设计手册第87页表7-17，可得此次选用的迷宫式密封装置的结构参数如下图3-1所示：图3-1 迷宫式密封装置的结构参数4.3 轴肩挡圈前支承双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承之间所用的挡圈，可查机械设计课程设计手册第56页表5-1，可得此次选用的挡圈的结构参数如下图3-2所示：图3-2 轴肩挡圈的结构参数4.4 挡圈两推力球之间用的挡圈为非标准件，径向尺寸依主轴套筒尺寸而定，轴向尺寸可初取为6mm。4.5 圆螺母锁紧靠主轴后支承一边的推力球轴承以及锁紧两推力球轴承内的套筒，分别采用两个圆螺母，为了增加可靠性，再加一止动螺钉。圆螺母具体的参数可查机械设计课程设计手册第60页表5-6，结构如下图3-3所示：图3-3 圆螺母（GB812-88）4.6 挠度、转角、锁紧力的计算及校核 根据工件最大长度和最大旋转外径假设工件最大重量 Q=2760 顶尖支撑工件可简化为简支梁，因此支架负重Q/2=1380 支架套筒直径55钢的弹性模量 E 断面惯性矩 I=256104mm4顶尖伸出套筒长70根据公式 查表可知单位切削力 =3.6mm故切削力 =2489N机床加工如此重的工件时，支架主轴一般紧缩在支架体内，现在假设主轴伸出为支架主轴伸出支架体最大长度的1/2.4.6.1 挠度的计算 (4-2) =0.000002许用挠度， 在范围之内。4.6.2 转角的计算 (3-3)=0.0018 许用转角，在范围内。4.6.3 压板处螺栓的选择及校核在机床支架上通过一组两个相同的螺栓连接支架和导轨的，并用压板固定。压板的作用是连接支架和导轨，并通过连接螺栓的紧固或松开来确定支架在导轨上的位置。由于螺栓需支撑的强度比较大并且其长度大于160，而M16的螺栓的长度最高为160，因此我们选M20的螺栓，下面我们来确定连接螺栓的直径。选用螺栓的材料为35号钢，则许用抗拉强度=540Mpa，由作用力与反作用力定理可知支架的上部和下部之间的摩擦力等于通过顶尖作用在支架上的轴向力，即，根据金属切削原理与刀具切削时产生的轴向分力(0.10.6)，F=0.62489=1493。为了满足加工后的工件的精度要求，在工件重量较大和切削力较大的情况下机床不发生共振，取轴向力。，取摩擦系数为。由可知作用在下箱体上的压力从而可得转动凸轮轴端的方形部分所
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