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便携式 铁路 钢轨 钻孔机 设计

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便携式铁路钢轨钻孔机的设计学 生：柳鸣盛指导老师：莫亚武(湖南农业大学东方科技学院 长沙410128) 摘 要：本文分析了中国国内外铁路钢轨钻孔机的现状，设计出一种新型的小型便携式铁路钢轨钻孔机。该钻孔机是由机架、夹轨机构、齿轮齿条传动和小型的电钻组成。采用了仿形定位，有效提高了钻孔的位置精度，夹轨机构采用快速夹紧机构，有效地减少了工作时间，夹紧所用的力也少。便携式铁路钢轨钻孔机的加工优点主要体现在降低了铁工的劳动强度，提高了工作效率。 关键词：钢轨钻孔机；死点锁死；四杆机构The Design of Portable Drilling Machine for The Railway Rails Student: Liu Mingsheng Tutor: Mo Yawu(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract:This text analyzed the present condition of Chinese domestic and international railroad steel rail borer machine and designed a kind of new model of small scaled then the hold type railroad steel rail borer machine.The borer machine from bay, clip track mrvhsnidm, gear rack drive and small scaled electric drill composition.Adopted to imitate a shape clamping, effectively raised the location accuracy of drilling, clipped track mrvhsnidm the adoption quickly clip tight mrvhsnidm and availably reduced a hours of labour and clipped tight the force used is also little.Then the transform merit of the hold type railroad steel rail borer machine mainly embodiment lowered the labour intensity of blacksmith, raised a working efficiency. Key words:Steel rail borer machine;The dead point cotter dies;Four-bar linkage1 前言 随着我国铁路的高速发展和铁路运能及运量的不断增大,钢轨磨损带来的更换工作日趋增多,钢轨钻孔机的作用显得更为突出。目前现有的钢轨钻孔机在结构等方面存在着不同程度的缺陷,给现场封锁施工打眼工作带来了一定的难度。 便携式铁路钢轨钻孔机在铁路的铺筑中起着关键性作用，它广泛用于各种铁路工程中铁轨钻孔的作业，也可用于其它零部件的钻孔作业。便携式铁路钢轨钻孔机技术的发展，将有助于提高我国高等铁路工程的施工质量，从而带动国民经济的发展。它直接影响着铁路工程施工进度等，从而影响铁轨质量和使用寿命。然而，从我国便携式铁路钢轨钻孔机的现状来看，一方面，我国企业现在应用的是上世纪从国外引进的已落后的钻孔制造技术，技术含量较低且缺乏自主知识产权的核心技术；另一方面，由于企业在引进时没有吃透其关键技术，致使我国便携式铁路钢轨钻孔机在性能和技术水平等方面尚存在着一定的差距，已不能满足当前及今后我国铁路建设的需求。本项目通过研究便携式铁路钢轨钻孔机的核心技术，从而显著提升我国便携式铁路钢轨钻孔机的使用性能和技术水平，改善钻孔作业质量，使其技术水平达到国际同行业先进水平。这不但对提高铁路路施工质量和速度有着重要的实用价值，而且对生产企业有良好的经济和社会效益。当前我国铁路建设投资仍然保持着很大规模，用户不但对便携式铁路钢轨钻孔机的需求量与日俱增，而且对使用要求也越来越高。因此，在吸收传统技便携式铁路钢轨钻孔机术优点的基础上，开发新一代拥有自主知识产权的高作业质量的便携式铁路钢轨钻孔机，是加强我国便携式铁路钢轨钻孔机技术水平，发挥后发优势，实现我国便携式铁路钢轨钻孔机跨越式发展的必由之路，这也为解决我国目前铁路施工质量所急需。铁路工务部门在进行线路大、中修和工程施工时所进行的铺轨、配轨等工作,都需要进行大量的钢轨钻孔作业。目前国内采用的钢轨钻孔机大都是单钻与手动进给。钻孔的精度和质量受操作工人的技术素质、责任心的影响很大。而自动进退钢轨钻孔机则消除了人为因素的影响,自动进给均匀,保证钻孔质量和精度,一次装夹,自动定位,连续钻孔,快速进、退刀,延长钻头使用寿命,减少划线、对正重 复装夹时间,减轻工人劳动强度,提高工作效率,是工务部门较理想的钢轨钻孔机。 锦州市铁翔工务器材配件厂,是集设计,开发,生产和销售铁路机械设备为一体的专业化企业。本厂拥有先进的生产设备和铁路机械检测设备。产品质量优良,检测手段完善.注重新产品开发和技术改造,产品不断向多元化,高技术领域发展,市场占有率逐年上升。多年来,本厂一直致力于铁路机械产品的研制与开发,积累了丰富的专业经验,以其先进的性能,该厂生产的产品销售全国，该厂从最早开发生产液压钻孔机，后根据市场的需求迅速陈列出电动系列的钢轨钻孔机，随着时 间的推进也由先前的单孔到三孔、从以前的专用铁路钢轨钻孔到通用的铁路钢轨钻孔机，该厂生产的铁路钢轨钻孔机的特点； （1）采连轮的传动方法，与通用钻头最大限度的发挥切削功率。转速快.效率高，噪音低。 （2）设计先进，结构合理，维修方便，易保养，体积小，重量轻。 （3）卡轨部分采用两套四连杆装卡机构，装卸灵活，卡紧牢固可靠，工作平稳。 （4）采用仿型块定位，对各种型号钢轨可更换相对应的仿型定位块（定位块本机附件），因此定位准确。 （5）左侧设有两套装置，外侧装置为定孔装置，内侧为定轨装置，内侧装置上设有一个大圆柱和一个小圆柱，在50kg钢轨上钻孔时将大圆柱靠紧轨端既可钻第一个孔，钻孔后将外侧定位销插入第一个孔卡具卡紧既可钻第二个孔依次钻三孔。在60kg钢轨上钻孔时将小圆柱靠紧轨端钻孔方法同上，如钻孔不在轨端可将内侧定位销按下，以随机配定位块定位1。 美国“Racine”系列小型铁路养护机械。主要产品有：锯轨机、切轨机、钢轨钻孔机、磨轨机、螺栓扳手、电动仿形磨轨机、道岔磨轨机、仿形磨轨机、全自动智能化枕木垫片铺设机、多功能拉轨机、液压起拔道器等。 美国“Racine Trak Kut”铁路施工系列产品，拥有30多年的制造历史。已经成为铁路施工、维修维护行业的主流设备，在世界上成千上万的工作班组中应用。 美国Racine铁路专用设备在铁路工具、机械、设备在美国本土市场拥有率75%，在世界市场60%。中国市场还属于市场推动阶段，发展潜力很大。2 总体方案的拟定2.1 构造与工作原理分析 该机主要由电机、联轴器、钻头、齿轮齿条传动、机架、夹轨装置、水平及高低对中模块、滑道装置等部件组成，其工作过程为将圆柱销紧靠钢轨端面，仿形定位块紧靠钢轨侧面水平位置，用夹紧机构把该机卡紧在钢轨上，启动电机带动钻头，扳动齿轮轴，利用齿轮齿条传动实现电机上钻头的进给运动，人手推动滑道，钻孔工作机构随滑道在导轨上相互水平移动，至各个定位孔位置连续钻三个孔2。 设计的要求是为了提高钻孔效率，减少钻孔时间，免画中心线，快速定位与夹紧，使用方便提高运转的平稳性，降低耗电量。2.2 设计内容 它是在已有的夹具体一端直接与钻孔工作机构连接的单孔钻中，增加一滑动、定位及锁紧机构，使夹具体下端与具有定位孔及槽道的导轨的上端连接，导轨下端的一侧连接轨端定位块及水平定位板，另一侧与滑道滑动连接，滑道的另一侧与定位销，弹簧、锁紧销、锁紧机构及支杆连接，支杆的另一端与钻孔机构连接，人手推动滑道，钻孔工作机构随滑道在导轨上相互水平移动，至各个定位孔位置连续钻三个孔。 （1）本设计针对50kg钢轨上钻孔，孔的直径为23mm； （2）铁路钢轨的材料为高锰钢，钻头选用高速钢； （3）50kg/m钢轨端至第一螺栓空中心距为66mm；钢轨上钻螺栓孔上夹板时，第一孔至第二孔中心距为150mm3。2.3 方案选择 为了实现预定的功用，有两套方案可以实现：方案一（1）采用单机传动减速机构，结构简单、紧凑； （2）采用丝杆丝母传动进给； （3）采螺旋夹紧机构。方案二（1）采用直接用联轴器连接电机与钻头工作； （2）采用齿轮齿条传动进给； （3）采用四杆机构夹紧。 方案一采用单机传动减速机构，整机结构紧凑，但是机器重量增加，传动效率降低，方案二采用直接用联轴器连接电机与钻头工作，结构简单，重量轻，检修方便；方案一采用螺旋夹紧机构，耗费时间长，方案二采用四杆机构夹紧，准确定位、快速装卸、自锁夹紧，使加工物可以快速装卸，降低加工工时成本，提高工作效率；方案一采用丝杆丝母传动进给，磨损快、寿命短，低速时有爬行现象（滑移），摩擦损耗大，传动效率低，丝杆加工困难，比较贵，更换成本较高，安装结构大。方案二采用齿轮齿条传动，承载大，定位精度不高，价格便宜，容易制造。通过比较两个方案的优缺点，最终选择方案二为本次设计的方案4。3 便携式铁路钢轨钻孔机结构设计 经过多次对现有钻孔机的分析, 其优点有：动力源来自发电机, 同锯轨机配套使用, 采用了非标电机, 减轻了钻孔机的自身重量;整体结构紧凑, 操作方便。其缺点有: 对中性不强, 孔的前后位置需由人工画线确定, 易出现水平误差, 高低位置一般在原有的孔上确定, 运输过程中, 螺丝松动后位置变化, 易出现高低误差, 造成孔的位置不对, 无法顺利连接钢轨, 影响线路开通; 钢轨第一个孔只能在钢轨的一侧打, 给现场施工带来了一定的难度; 施工中, 孔的位置上遇有枕木扣件、 螺栓等, 用压机打起钢轨进行作业, 在扣件紧固的情况下, 易抬高枕木, 造成钢轨高低不良; 对 43 kg/m, 50 kg/m, 60 kg/m各种型号的钢轨打眼, 都需松开螺栓, 调整高低位置, 不仅工序多, 也易造成孔的高低误差。根据以上分析, 我们决定在设计中, 继承原有设计中的一些优点, 将另外的设计缺陷利用成熟的技术加以改进。3.1 电动机的选择 （1）选用原则 选择电动机的基本原则是：首先应考虑电动机的主要性能（包括起动、过载及调速等性能）、额定功率的大小、额定转速及结构型式等方面满足生产机械的要求；其次是在这个条件下优先选用结构简单、运行可靠、维护方便的电动机。 （2）选用步骤选择电动机的方法和主要步骤如下：根据钻削刀具和工件材料，确定钻削力和选取钻削用量。根据供电电源的情况，选择电动机的额定电压。根据钻削所需要的功率和工作方式，确定电动机的额定功率及型号。 （3）电动机的功率的确定 钻削力的计算 查机床夹具设计手册表36，得钻削力计算公式： （1） 式中：F钻削力 进给量 D钻头直径 HB布氏硬度 查表金属材料手册得出钢轨硬度为 ， 根据设计参数里的刀具材料和工件材料及刀具直径查金属切削手册得出进给量，切削速度。算出。 由下式机床主轴转速： （2） 即 钻孔所需功率、转矩T （3） （4） 即 查机械设计课程设计手册书中表1- 7得各传动部件的效率分别为5： 钻孔所要电机输出功率 （5） 即 （4）电动机的选择 根据上面所算得的原动机的功率与转速范围，本设计选择的电动机的型号及参数见表1。表1 电动机的型号及参数Table 1 The model number and parameter of motor型号额定功率/kW额定转速/(r/min)最大转矩/Nm质量/kg轴的直径/mmJ1ZSD0523A1300406.35243.2 齿轮轴的设计 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、蜗杆等），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。根据承受载荷的不同轴可分为转轴、心轴和传动轴。轴的设计跟其他零件的设计相似，包括结构设计和工作能计算两方面的内容6。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7。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，以防止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8。 （1）齿轮轴上齿轮与齿条传动的计算 考虑到装配问题，齿轮不能取太大，考虑到齿轮寿命也不能取太小，选取齿轮的模数，齿数，行程。 选定齿轮类型、精度等级、材料、齿宽系数。 按图所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮齿条传动。 该传动为一般传递运动，速度低，故选用7级精度（GB1009588）。 材料选择。由表101选择小齿轮材料为45钢（调质），硬度为280HBS，齿条材料为40钢（调质），硬度为240HBS。 由表107选取齿轮齿条宽度系数为 齿轮齿条的主要参数计算 强度校核 由于该传动为手动输入，传递的动力小，速度低，根据所选的材料不需强度校核。 由于是齿轮齿条传动，要设计限位元件，如图19。图 1 限位元件Fig 1 Limit potential component 结构设计及绘制齿条零件图见图。 （2）齿轮轴轴的最小直径 选轴的材料为45钢（调质），根据参考文献选取。 由电钻和联轴器的重量估算，齿条带动的重量 齿轮传递的转矩 根据公式 （6） 即 ，取整得： 齿轮受力计算,根据公式 （7） （8） 即 （3）轴的结构设计 拟定轴上各零件的装配方案，见图2图 2 轴的结构Fig 2 The structure of the shaft 根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 a、左端滚动轴承采用轴肩定位,。由于框架的宽度不能太宽，这里取轴的长度为80mm。 b、初选轴承，因轴承主要受到径向力，故选用深沟球轴承。参照工作要求并根据轴承段的直径，由轴承产品目录中初步选取，其尺寸为，由手册查得该轴承的定位轴肩高度为。 （4）轴的校核（用机械设计手册V3.0设计的）10 轴的总体设计信息如下： 轴的编号：001 轴的名称：圆形截面阶梯轴 轴的转向方式：双向旋转 轴的工作情况：淡水,无应力集中 轴的转速：2.92r/min 功率:0.0011kW 转矩：3600Nmm 所设计的轴是实心轴 材料牌号：45调质 硬度(HB)：230 抗拉强度：650MPa 屈服点：360MPa 弯曲疲劳极限：270MPa 扭转疲劳极限：155MPa 许用静应力：260MPa 许用疲劳应力：180MPa 确定轴的最小直径如下： 所设计的轴是实心轴 A值为：110 许用剪应力范围：3040MPa最小直径的理论计算值：7.94mm 满足设计的最小轴径：10mm轴的总长度：60mm 轴的段数：6 轴的结构造型见表2： 表2 轴的结构Table 2 The structure of the shaft 长度 直径 7mm 12mm 5mm 18mm 20mm 40mm 5mm 18mm 7mm 12mm 16mm 10mm 轴段的载荷信息见表3： 表3 轴段载荷Table 3 Axle load 直径 距左端距离 垂直面剪力 垂直面弯矩 水平面剪力 水平面弯矩 轴向扭矩40mm 22mm 43.68N 0Nmm 180N 0Nmm 0Nmm10mm 52mm 0N 0Nmm 0N 3600Nmm 0Nmm 轴所受支撑的信息如表4所示 表4 轴支承Table 4 The shaft accepts 直径 距左端距离 12mm 12mm 3mm 40.5mm 支反力计算 距左端距离 水平支反力Rh1 垂直支反力Rv1 3.5mm -187.28N -21.82N 距左端距离 水平支反力Rh2 垂直支反力Rv2 40.5mm 7.31N -21.82N 内力如表5所示表5 内力Table 5 Internal forces x/mm d/mm m1/Nmm m2/Nmm 3.5 12 0 0 22 40 3488.09 3488.08 40.5 12 3599.32 3599.31 52 10 3598.96 1.6 弯曲应力校核如下： 危险截面的x坐标：22mm 直径：40mm 危险截面的弯矩M：3488.09Nmm 扭矩T：0Nmm 截面的计算工作应力：0.55MPa 许用疲劳应力：180MPa 22mm处弯曲应力校核通过 结论：弯曲应力校核通过 安全系数校核如下： 安全系数校核通过 扭转刚度校核如下： 圆轴的扭转角：0() 许用扭转变形：0.65/m 扭转刚度校核通过 弯曲刚度校核如下： 挠度计算见表6： 许用挠度系数：0.0035 最大挠度：0.003907mm 弯曲刚度校核通过 临界转速计算如下： 当量直径dv：23.85mm 轴截面的惯性距I：15882.65mm4表6 挠度Table 6 Deflection序号 x/mm i/mm 1 0.875 3.6E-5 2 1.75 2.4E-5 3 2.625 1.2E-5 4 3.5 0 5 12.75 -1.2E-5 6 22 -1.7E-5 7 31.25 -1.1E-5 8 40.5 0 9 45.375 0.00043110 50.25 0.00173311 55.125 0.003907 支承距离与L的比值：0.62 轴所受的重力：350N 支座形式系数1：12.15 轴的一阶临界转速ncr1：75613.89r/min轴的受力情况见图3图 3 轴受力图Fig 3 The axle is subjected to force diagram其中，F1,F2表示支持力，F3表示外力，F4表示应力。3.3 联轴器的选择联轴器可分为刚性联轴器、挠性联轴器、安全联轴器、非机械式联轴器等。常用的联轴器已标准化。（1）刚性联轴器刚性联轴器的结构简单，价格也最为便宜，故应用很广。但由于它所联接的两轴间的相对位移偏差没有补偿能力，所以被联接的两部件在安装时调整困难。由于相对位移偏差是不可避免的，因而被联接的两轴上会产生或大或小的安装弯距，影响机器的运转质量及轴、轴承等工件的工作寿命。因此这类联轴器只用于转速低，无冲击且两部件的基板（或基础）固联的场合。常用的刚性联轴器有套筒式、凸缘式、夹壳式等。（2）挠性联轴器这类联轴器可以补偿径向，轴向和角度位移的安装偏差。因为承载元件都由刚性材料制造，并无缓冲减振能力，由于补偿相对位置偏差，因而联轴器中不可避免地要有相对滑动的接触面，因此应对联轴器进行润滑，以降低摩擦和磨损，提高联轴器的传动效率。（3）滑块联轴器滑块联轴器又叫挠性爪型联轴器，是十字滑块联轴器的另一种形式。滑块联轴器主要是由两个半联轴器和中间方形滑块组成，半联轴器端面加宽凹槽，方形滑块嵌在两个半联轴器的槽内，半联轴器分别用键与两轴联接并传递转矩，滑块在凹槽内滑动，以补偿被联接两轴线的相对径向位移，也可补偿一定的相对角位移。 本设计选用的联轴器是连接电机与钻头，由于该机器用于传递小转矩、高转速、启动频繁的作业中，为了隔离振动与冲击，选用弹性套柱销联轴器11。 下面确定联轴器的型号和主要尺寸：公称转矩根据公式（4）计算得： 根据式 （9）由参考文献表14-1查得，故由式（9）得计算转矩为 从GB 432384中查得LT4型弹性套柱销联轴器的许用转矩为，许用最大转速为，质量2.84，轴径为2028mm之间选择，故合用。3.4 键的选择及校核 （1）键的类型 键是一种标准件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键连接的主要类型有平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。 平键连接 键的两侧面是工作面，工作时，靠键同键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面和轮毂的键槽底面间则留有间隙。平键连接具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，因而得到广泛应用。这种键连接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定的作用。常用的平键连接有普通平键（圆头、平头及单圆头）、薄型平键、导向平键和滑键。 半圆键连接 轴上键槽用尺寸与半圆键相同的半圆键槽铣刀铣出，因而键在槽中能绕其几何中心摆到以适应轮毂中键槽的斜度。半圆键工作时，靠其侧面来传递转矩。这种键连接的优点是工艺性较好，装配方便，尤其适用于锥形轴端与轮毂的连接。缺点是轴上键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般只用于轻载静连接中。 楔键连接 键的上下两面是工作面，键的上表面和与它相配合的轮毂键槽底面均具有1：100的斜度。装配后，键即楔紧在轴和轮毂的键槽里。工作时，靠键的楔紧作用来传递转矩，同时还可以承受单向的轴向载荷，对轮毂起到单向的轴向固定作用，楔键的侧面与键槽侧面间有很少的间隙，当转矩过载而导致轴与轮毂发生相对转动时，键的侧面能像平键那样参加工作。因此，楔键连载在传递有冲击和振动的较大转矩时，仍能保证连接的可靠。楔键连接的缺点是键楔紧后，轴和轮廓的配合产生偏心和偏斜。因此主要用于毂类零件的定心精度要求不高和低转速的场合，常用的楔键有普通楔键（圆头、平头及单圆头）、钩头楔键。 切向键连接切向键是由一对斜度为1：100的楔键组成。切向键的工作面是由一对楔键沿斜面拼合后相互平行的两个窄面，被连接的轴和轮毂上都制有相应的键槽。工作时，靠工作面上的挤压力和轴与轮毂间的摩擦力来传递转矩。用一个切向键时，只能传递单向转矩；当要传递双向转矩时，必须用两个切向键，两者间的夹角为120130。由于切向键的键槽对轴的削弱较大，因此常用于直径大于100mm的轴上。键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸（一般以键宽b键高h表示）与长度L。键的截面尺寸bh按轴的直径d来标准选定。键的长度L一般可按轮毂的长度而定。一般轮毂的长度可取为，这里的d为轴的直径。所选定的键长亦应符合标准的长度系列12。 （2） 联轴器上键的选择联轴器上键的选择，选择A型普通平键，电机伸出的轴直径d=24mm，查机械设计课程设计手册书中表4 1可选择合适的键，键的截面尺寸为：bh=87，轮毂宽度，取由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长L=32mm。为防止轴向转动，降低效率和摩擦，采用较紧的键连接，公差尺寸：键的材料选取钢，载荷性质为静载荷，查机械设计表62，取联轴器主动端上键的校核(用机械设计手册V3.0设计的) 平键连接（静连接）校核计算结果 传递的转矩 T =40000 Nmm 轴的直径 d =24 mm 键的类型sType =A型 键的截面尺寸bh =8x7 mm 键的长度L =32 mm 键的有效长度L0 =24.000 mm 接触高度k =2.800 mm 最弱的材料Met =钢 载荷类型PType =静载荷 许用应力p =135 MPa 计算应力p =49.603 MPa校核计算结果： 满足 （3）齿轮轴上键的选择 选择A型普通平键，齿轮轴直径d=10mm，查机械设计课程设计手册表41可选择合适的键，键的截面尺寸为：bh=33，轮毂宽度，取由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长L=12mm。键的材料选取钢，载荷性质为静载荷，查机械设计表62，取联轴器主动端上键的校核(用机械设计手册V3.0设计的) 平键连接（静连接）校核计算结果 传递的转矩 T =3600 Nmm 轴的直径 d =10 mm 键的类型sType =A型 键的截面尺寸bh =3x3 mm 键的长度L =12 mm 键的有效长度L0 =9.000 mm 接触高度k =1.200 mm 最弱的材料Met =钢 载荷类型PType =静载荷 许用应力p =135 MPa 计算应力p =66.667 MPa 校核计算结果： 满足 3.5 弹簧的设计 弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷的作用下产生较大的弹性变形。弹簧在各类机械中应用十分广泛，主要用于： 控制机构的运动，如制动器、离合器中的控制弹簧，内燃机汽缸的阀门弹簧等。 减振和缓冲，如汽车、火车车厢的减振弹簧，以及各种缓冲器用的弹簧等。 储存及输出能量，如钟表弹簧、枪闩弹簧等。 测量力的大小，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。 按照所受的载荷不同，弹簧可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等；按照弹簧形状不同，又可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、板簧和平面涡卷弹簧等。 螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造简便，所以应用最广。在一般的机械中，最为常用的是圆柱螺旋弹簧。根据设计要求是该弹簧受到压缩，故选该设计选用圆柱螺旋压缩弹簧13。 设定该弹簧在一般载荷条件下工作，要求中径，。当安装载荷；此时预压变形量；拉力。此时压缩变形量 （1）根据工作条件选择材料并确定许用应力因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按第类弹簧来考虑。现选用碳素弹簧钢丝C级。并根据，估取弹簧钢丝直径为3mm。由表163暂选，则根据表162可知。 （2）根据强度条件计算弹簧钢丝直径 现选取旋绕比C=6,则由式 （10） 即 根据式 （11） 即 上值与原估取值相近，取弹簧钢丝标准直径d=3mm。此时D=18mm,为标准值，则 所得尺寸与所设的限制条件相符，合适。（3）根据刚度条件，计算弹簧圈数n 由弹簧刚度公式： （12） 即得出 由弹簧圈数n公式： （13） 由机械设计中取G=8200MPa，则弹簧圈数n为 取n=9圈。此时弹簧的刚度为 （4）求出弹簧尺寸 节距p （14） 取 即 自由高度或长度 （15） 即 （5）验算稳定性 对于压缩弹簧，如其长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了便于制造及避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的长细比按下列情况选取：当两端固定时，取b5.3；当一端固定。另一端自由转动时，取b3.7；当两端自由转动时，取b2.6。 压缩弹簧长细比b （16） 即 由于b大于上述数值，所以要进行稳定性计算，并满足 （17） 式中：稳定时的临界载荷； 不稳定系数； 弹簧的最大工作载荷。 弹簧不稳定，设计弹簧加装导杆如图所示。导杆与弹簧间的间隙c值（直径差）按机械设计的规定选取。取 （6）疲劳强度验算 根据式 （18） （19） 即可得弹簧材料内部所产生的最大和最小循环切应力为 疲劳强度安全系数计算值及强度条件按下式计算 （20） 根据机械设计中查取，取；是弹簧疲劳强度的设计安全系数，取。 （7）振动验算 承受变载荷的圆柱螺旋弹簧常是在加载频率很高的情况下工作（如内燃机汽缸阀门弹簧）。为了避免引起弹簧的谐振而导致弹簧的破环，需对弹簧进行振动验算。本设计加载频率不高，所以不需要振动验算。 （8）其它尺寸的计算 内经 外径螺旋角总圈数圈（9）绘制弹簧工作图 见零件图4 夹轨机构的设计 夹轨机构采用快速夹具，即采用机械四连杆机构死点原理的一种快速夹持、打开机构，具有“准确定位、快速装卸、自锁夹紧”功能15。以新颖的夹钳来取代古老的固定方式，协助工业各界使加工物可以快速装卸，降低加工工时成本，提高工作效率的最高目的。广泛用于机械零部件加工治具，金属型材焊装治具，电子零部件加工治具，各种机械设备制造，多行业多种设备配件，各行业模具夹具，各种检具，槽,桶,箱,柜,盖的锁定，涉及工业各界16。4.1 定位基准的选择 钻孔机在钻孔的时候要保证孔位置的精确，同时要找准孔的位置，根据钢轨的外形，本设计选用两个仿形块定位和圆柱销。两个定位块限制5个自由度，圆柱销限制一个自由度。孔高度位置靠定位块保证；孔水平位置靠圆柱销保证。4.2 定位元件的设计 本设计中定位元件有两种：定位块和圆柱销。 （1）定位块的设计 本设计定位是仿形定位块定位的，用钢轨的横截面一侧的形状来制造定位块，如图317图 4 定位块Fig 4 Clamping mass （2）圆柱销的定位 对圆柱销的设计，见图418：图 5 圆柱销Fig 5 The cylinder sells4.3 夹紧力的计算 根据国家对50kg/m钢轨规定知：50kg/m钢轨上占螺栓孔上夹板时，轨端距第一孔中心距66mm，50kg/m钢轨第一螺栓孔到第二螺栓孔中心距为150mm。可以设计两个四杆夹轨机构之间的距离为368mm，设计整个滑道的总长度为。钢轨的受力情况见图5其中、表示要加工孔的位置，F表示钻削力，、表示夹紧力，。由受力图可知，钻削力在、位置时所需夹紧力最大，其大小为：图 6 钢轨受力图Fig 6 The steel rail is subjected to force diagram列弯矩方程 （）得出当在夹紧钢轨设计此时的夹轨机构处于零件图上的位置，各段的尺寸见零件图，本夹具设计是采用四杆机构的死点位置来实现的，当四杆机构处于死点位置（也就是零件图上的位置），杠杆2与杠杆1处于一条直线上，夹紧后作用力F等于0，杠杆受力远大于本身的重量，此时忽略不计，此时连杆2也就是个二力构件杠，作用力的方向就是沿EG两点的连线方向19，即各杆的受力情况如下： 杆3的受力情况见图6：27图 7 杆3受力图Fig 7 Stem 3 be subjected to force diagram 列弯矩方程： 即 算出杠杆2的受力图见图7杠杆3是由杠杆2给它力的，那垂直方向的分力就是 手柄受力图见图8图 8 杆2受力图Fig 8 Stem 2 be subjected to force diagram 图 9 手柄受力图Fig 9 The handle is subjected to force diagram 列弯矩方程 算出 连杆的尺寸的确定，有图可知，最长的连杆受到的弯矩最大，即可根据次连杆的强度校核来确定连杆的横截面积尺寸，设计连杆选定45钢，查表得屈服强度大于355MPa。 求出弯矩图见图9图 10 弯矩图Fig 10 Bending moment diagram 根据公式： （21） 取b=18mm，得出h=25mm。 总体结构尺寸装配图。经估算整机重量不超过18kg。5 润滑与密封 因运动副间存在摩擦，摩擦是一种不可逆的过程，其结果必会存在能量的损耗和摩擦表面物质的丧失和迁移，为了更好的控制摩擦、磨损，减少能量的损失，降低材料的消耗，这里采用润滑，下面是各运动副的润滑方式。5.1 滚动轴承的润滑齿轮轴是靠人手动传力的，转速低，传递的转矩也低，且也不好设计油沟，在此，采用脂润滑，查机械设计课程设计手册表72，选用钙基润滑脂代号为1号选用脂润滑。且此轴承安装在闭式齿轮传动装置中，因此选用油环润滑为合适，查机械设计课程设计手册中表71，选用全损耗系统用油代号为，适用于小型机床齿轮箱、传动装置轴承，中小型电机，风动工具等。主轴上的轴承由于转速都不太高。5.2 直齿齿轮的润滑为了改善齿轮的工作状况，确保运转正常及预期的寿命，且齿轮副为开式齿轮，通常用人工周期性加润滑油，选用全损耗系统用油，牌号选用。6 结论通过本次毕业设计认识到，此次设计是综合运用机械设计课程以及其它相关课程的知识，分析和解决机械设计问题，并进一步巩固、加深和拓宽所学知识的过程。通过设计实践，逐步树立了正确的设计思想，增强了创新意识和竞争意识，熟悉掌握了机械设计的一般规律，培养了分析和解决问题的能力。通过设计计算、绘图以及运用技术标准、规范、设计手册等有关设计资料，使自身得到了全面的机械设计基本技能的训练。另外，通过本次设计，领悟出了机械设计的一般进程为：设计准备、传动装置总体设计、传动零件设计计算、装配图设计、零件工作图设计以及编写设计说明书等。如果随意打乱这个过程则在设计过程中肯定会多走弯路。在独立完成设计过程的同时，时刻与指导老师沟通交流，掌握设计进度，认真设计；各阶段完成后认真检查，有错误进行认真修改，精益求精。毕业设计的各个阶段是相互联系的，在设计时，零、部件的结构尺寸不是完全由计算确定的，还要考虑结构、工艺性、经济性、装配以及标准化、系列化等要求。由于影响零、部件尺寸的因素很多，随着设计的进展，考虑的问题要更全面和合理，故后阶段设计要对前阶段设计中的不合理的尺寸结构进行必要的修改。所以，设计要边计算、边绘图、反复修改，设计计算和绘图交替进行，在设计中要贯彻标准化、系列化与通用化，可以保证互换性、减低成本、缩短设计周期，是机械设计应遵循的原则之一，也是设计质量的一项评价指标。在设计过程中应熟悉和正确采用各种有关技术标准与规格，尽量采用标准件，并应注意一些尺寸需圆整为标准尺寸。同时设计中应减少材料的品种和标准件的规格。另外，通过本次设计，使自身运用各种机械绘图软件的技能得到了很大的提高，也正是运用了先进绘图软件，才使整个设计过程大大得以简化了，设计速度也得到了很大的提高。同时从这次设计也看出了一些问题：1）心态：应该保持认真的态度，坚持冷静独立的解决问题；2）基础：认真学好基础知识，扎实自己的基础知识，使面对问题时不会遇到很多挫折，从而打击自己的信心，结果使自己很浮躁，越来越不想搞这设计，应该好好学习基础知识，一步一步的来，不要急功近利！在以后的工作中也应该不断的去学习，充实自己；3）树立自己的良好形象，乐观的面对生活，坚持自己的想法和意识，积极的面对工作和生活的问题。毕业设计是每一位大学生的必修课，它要求学生独立的思考问题，并将在大学期间所学的知识进行归类和深化；能够多方面的提高学生的能力，为进入社会做足准备。同时，也发现了自身很多不足的地方，还有很多以前没有掌握牢固的知识和未从涉及的领域。希望在以后的时间里，能不断的学习新知识，提升自己的能力。不能说这次设计是非常圆满的完成的，因为还有一些考虑欠妥的地方，希望老师批评指教，但至少可视为一个进步，以后还能因此有更大的进步！经过几个月的努力，我相信此次毕业设计一定能成为四年的大学生活划上一个圆满的句号。参考文献1 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