自翻车综合设计

课程名称机械设计设计题目自翻车综合设计院系机械工程系专业机械制造工艺与设备年级2008级姓名指导教师西南交通大学峨眉校区2011年5月25日摘要我国铁路货物运输中散装货物所占比重较大，约占货运量的60，但其装卸特别是卸货机械化程度较低。自翻车是一种将卸货设备和车辆结构结合在一起的专用车辆，大力发展自翻车可以有效提高我国货运能力。适用于在标准轨距上运输矿石、剥离岩石、沙砾、煤块、建筑材料等散装货物。具有两侧自翻，自动开、关门的功能，（以下简称为自翻车），可节省人力，减轻劳动强度。该车能通过机车或地面供压力实现向任何一边卸料,即能同时满足单、双边卸料的要求,对货物的粒度没有限制,可装运大块矿石,且兼具卸货速度快、不埋道、周转快、经济效益好、节约人力等优点,越来越受到大型厂、矿的青睐。本文主要做了以下方面的设计1、介绍自翻车的相关背景。2、分析自翻车的工作原理及组成。3、设计自翻车的原理图，根据相关强度大小计算零件的尺寸。4、用PROE三维软件建造自翻车的模型关键词自翻车、机构、建模、强度校核尺寸大小、设计、PROE三维造型目录1绪论311选题背景及意义3111自翻车相关背景3112本设计课题的意义412本文主要研究的内容52自翻车原理及分析521问题的提出522卸货时的情况623、倾翻设计方案及原理73自翻车构件长度及传动角831自翻车的自由度计算832自翻车构件的相关长度数据计算933传动角104自翻车构件的尺寸参数及对它们进行选材1141已知数据1142液压缸相关参数计算11421液压缸所受负载11422液压缸的直径和其相关参数12423活塞杆弯曲稳定性的校核1643耳环参数1744液压缸活塞销钉参数1845车厢和底架的参数185自翻车三维建模2251PROE软件介绍2252自翻车模型236参考文献231绪论11选题背景及意义111自翻车相关背景我国铁路承担着繁重的运输任务，其中货物运输尤甚。而货物运输中散装货物所占的比重较大，约占货物运输的60，但其装卸特别是卸货的机械化程度较低。因此提高对这类货物装卸的机械化、自动化水平迫在眉睫。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、链斗卸车机卸货。但很大一部分中小型厂、矿及站厂的卸车作业，还没有比较合适的机械。同时翻车机设备庞大复杂，有一定的局限性，且易破坏车辆链斗卸车机效率低，边角部位不易清除，很难满足粒块状货物的卸货要求。对如何进一步提高散装货物卸车机械化的程度，应从两方面考虑其一，从卸车机具考虑，研制装卸机械化的设备其二，采取设备与车辆合二为一的方法，使它们能更好地满足不同散装货物的高效卸车要求。后者是提高卸车措施的有效途径，这就要求大力发展专用车辆的数量和品种。从世界各国铁路货车的发展趋势看，专用货车发展的速度很快，我国目前粒块状货物运输约占散状货物总运输量的40，而与之相适应的运输车辆则较少，特别是自动倾翻车更少。因此大力发展自动倾翻车势在必行。自翻车是一种卸车设备与车辆结构结合在一起的专用车辆，适用于在标准轨距上运输矿石、剥离岩石、沙砾、煤块、建筑材料等散装货物。具有两侧自翻，自动开、关门的功能，（以下简称为自翻车），可节省人力，减轻劳动强度。该车利用机车提供的风源自动倾斜货物。用它既可以最大限度地简化卸货场地设施，又能更好地适应大中小型厂、矿及站厂的使用。国外的自翻车起步时间早，品种多样化。与国外相比，我国自翻车发展较晚，无论品种和数量都难以适应当代货运快速发展的需要。我国制造的第一台自翻车是上世纪三十年代由当时大连工矿车辆厂现大连重型机器厂，仿造美国60T自动倾翻车制造的，后在1959年转由哈尔滨车辆厂生产。哈尔滨车辆厂又经过一系列改进，于1963年定型为KF60型。该型车是我国生产领域使用自动倾翻车时间最长、数量最多的主要产品。之后哈尔滨车辆厂又先后研制了载重100吨的KF100型液压自翻车、载重70吨的KF70型风动自翻车、载重65吨的KF65型“L动自翻车，一共四种形式。我国自动倾翻车与国外相比还有很大差距，主要存在以下问题1自重大国内平均自重系数为051，国外为049。这和自翻车本身的工作性质有关，装货条件恶劣要求有足够的强度保证倾翻稳定，又要求车箱和底架有足够的刚度，所以自重系数均较通用车要高。2最高运行速度低KF一100型自翻车是三轴一体构架式转向架，适应曲线能力较差，对线路要求较高，最高运行速度为80KM/H，但实际运用速度低于40KM/H。KF60型自翻车的最高运行速度也是80KM/H，后来哈尔滨车辆厂为哈尔滨铁路局制造了一批最高运行速度90KM/H的KF60型自翻车，株洲车辆厂为郑州铝厂制造了一批最高运行速度为1OOKM/H的KF60型自翻车，均未正式定型，同时也和我国目前货车最高运行速度12OKM/H的要求有很大差距。3品种少目前在我国矿山及其它部门使用的自翻车，仅有KF60型和KF100型两种。其中KF60型较多，估计全国范围内有至少3000台，而且形式较杂，有用滑动轴承的，有用滚动轴承的，有焊接构架式转向架，有三大件式转向架的，但上体基本上是KF60原型原样。KF100型自翻车全国只有攀枝花矿业公司应用，共60辆，到目前为止仅由哈尔滨车辆厂制造。4关键技术缺乏基础研究自翻车不同于其它专用车辆，有其独特的要求，涉及的方面较多。中可看出我国自翻车，在上世纪六七十年代是发展高峰，但之后多停留在局部钢结构的加强和走行部的改进上，在整体框架和一些影响倾翻性能的关键技术上未做新的尝试，基本处于停滞阶段。例如对倾翻机构缺乏更多的研究，目前自翻车的倾翻机构主要有三种，一是端部控制机构，前苏联的自翻车多采用该种结构二是大折页机构，KF一60型自翻车应用此种结构三是四连杆机构，KF一100型自翻车采用该结构。除此之外，还没有推出更新的机构，来实现减轻车辆自重，简化车辆结构，增加车辆倾翻稳定性。112本设计课题的意义我国60至70年代自动倾翻车的发展较快，品种相对较多，而进入80年代到90年代几乎没有什么新产品，但构想方案仍有一些。从满足铁路货运发展的角度看，应大力研制相同吨位、不同容积、适应不同运行线路的低自重、构造速度高的多品种自翻车，以适应冶金、煤炭等行业的发展。本文以载重80T自翻车为研究对象，首先通过对其原理、结构、进行分析，了解自翻车的结构特点特性，为自翻车的结构设计及分析提供一定参考建议。然后通过理论分析并设计方案，同时计算各个构件的相长度，同时根据相关强度来尺寸大小来设计自翻车。然后通过PROE进行三维建模。12本文主要研究的内容载重80T气动自翻车车体包括车箱、底架两部分。车箱由车箱底架、侧墙、端墙等三大部件组成，其主要承载件由板材Q450和型钢Q345组焊而成。车体底架结构主要用材为Q450NQRI高强度耐大气腐蚀钢。整个结构由中梁、枕梁及端梁等组成箱型焊接结构。本文以载重80T气动自翻车车箱、底架为研究对象，主要研究内容如下1根据设计要求，设计出相应的方案，计算自翻车相关构件的参数，和尺寸大小，用CAD软件绘出确定方案的二维图草图。2再利用三维软件PRO/E建立自翻车三维实体模型。2自翻车原理及分析21问题的提出一种铁路运输散装货物的车辆，具有两侧自翻，自动开、关门的功能（以下简称为自翻车），可节省人力，减轻劳动强度。试设计其自翻，自动开、关门机构。设计要求和有关数据1车厢向一侧倾翻至给定角度时，该侧厢门联动打开，成为车厢低面的延伸面或平行延伸面。2）车厢向一侧倾翻时，另一侧厢门不得向内摆动挤压。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，不超出车厢侧面。5采用液压驱动，各传动角不得小于30。6）不得发生杆件干涉现象。受力合理。22卸货时的情况1、以下两幅图片是自翻车卸货时的情景2、自翻车机构运动原理图图如下所示23、倾翻设计方案及原理1、倾翻机构组成该运动机构由液压缸与相应的连杆和侧门组成。2、机构简图用CAD绘制的自翻车机构原理草图如下图所示自翻车草图当自翻车向右倾斜卸货时，左边的液压缸EF缓慢向上顶，车厢绕G点顺时针旋转（基本上趋近于匀速转动），旋转至时的虚线位置，由于左边的连45杆与侧门垂直，并且连杆不会发生逆时针转动，所以左侧侧门不会自动打开，也不会向里挤压。右侧侧门在在K点的带动下相对于J点顺时针旋转，最后旋转到与车厢底面平行，货物被卸下。由于该机构是对称的，所以自翻车向左倾斜卸货的工作原理与向右倾斜卸货的工作原理相同，符合要求。3自翻车构件长度及传动角31自翻车的自由度计算当自翻车向右倾翻卸货时自由度，所以有确定的运动，17253F由于该机构是对称的，所以自翻车向左倾翻卸货时与自翻车向右倾翻卸货时的自由度相等，也具有确定的运动。32自翻车构件的相关长度数据计算根据给定的原始参数可以求出各连杆的长度和相关机构的角度参数计算过程结果AM已知参数MAM286MAM286BK已知参数BKBKFG已知参数FG10FG10RS已知参数RSRSKM已知参数44AB已知参数MABMABJG由已知条件得MRSKJG634210286）（J63SK同理可得34SK4FC同理可得FCFCBR同理可得BBR63JK由已知条件得J48135294MJ8GS同理可得MSGS4RF同理可得RFFBC同理可得BCBCJI初始位置状态时，在中，GSJK48GKJRT由勾股定理可得M3766322当GK旋转到与GJ重合时，KJ的长度最短，可以根据几何关系可以求得此时的长度为JMJ14376此时JI的长度应该小于JG的长度，即JI在初始位置长度加上JK与JG重合时JK从滑块右端向左端滑出的部分为的和应该小于JG的长度，即；MJIJIKJI634705328可以推出32所以取M50JI50CD与求JI的方法相同，其结果也与JI相同可得CD1MCD10QGQG的长度应该小于FG的一半，即，MQGF801622所以取M60QG6PF与求QG的方法相同，其结果也与QG相同MPF60可得MPF60GH根据自翻车机构运动图上给定的数据可以求出液压缸的原始长度，MGH528013取5MGH50FE与求QG的方法相同，其结果也与QG相同可得FE0FE在自翻车倾斜到虚线位置时，此时液压缸的长度可以根据几何关系图求得，简化图如右图所示由于,GF45所以567在中RTMRF3121067COS又由于所以所以6462在中E57922COSEFFE210150614264MF7所以取E1745VW放在转向架上的钢梁结构的宽度MKJIAMVW781563942802862RS160所以取VW033传动角当自翻车在初始位置时，传动角都为，当自翻车90向右倾斜卸货后开始返回时为传动件，输出构KGS件为,传动角为传动件MI对输出构件的作用力和传动构件的转动中心连线间所夹的锐角，如简化图所示在中，KGSRT7056348TAN所以2此传动角为最小传动角，满足传动角的设计要求。4自翻车构件的尺寸参数及对它们进行选材41已知数据由车辆工程可知载重80T气动自翻车主要由车体底架、车箱、2个ZF轴转向架及底架附属件、空气制动装置、车钩缓冲装置、倾翻装置等部分组成。其中车体主要由底架、车箱组成。其主要技术参数如下所示载重80T自重387T容积354M3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12车厢重（T）16轴重T30车辆定距MM8786车辆最大宽度MM3300车钩中心线高MM880倾翻角度（）45最高运行速度KM/H120固定轴距MM180042液压缸相关参数计算421液压缸所受负载由于自翻车载重80吨，即货物的质量为80000KG，车厢质量约重16吨，即16000KG，取，所以可以得出车厢加上货物的重力为98/，本自翻车车厢每侧采（8000016000）989408009408用3个液压缸。自翻车液压缸受力图当自翻车向右侧倾翻卸货时，由于液压缸的运动非常缓慢，可以视为匀速运动，故车厢将绕着G点作匀速旋转。自翻车的车厢在水平位置时左侧液压缸的受力最大，由上图可以得车厢出左侧2个液压缸的每个液压缸的受力大小。忽略其他杆件的受力情况，由静力平衡得，又312，所以得到1600即为液压缸把车厢顶起来的最少推力。1568422液压缸的直径和其相关参数本车选用三级同步伸缩液压缸，因为该液压缸的推力和速度始终保持恒定，此时该缸的各级活塞设面积关系为122,223,324即，2142224,2242234,234224化简后得122,223,32三级同步伸缩液压缸草图液压缸结构尺寸的具体计算参数计算过程结果活塞杆直径D由输出推力得424，4由于各类起重运输机械液压缸的压力范围为,25100所以可以取，取3509故415681033510609796根据活塞杆强度公式得24，4取活塞杆的材料为45号碳钢，查机械设计手册（软件版2008），其，35580可知，取得3，2553118。415681031181064111015所以液压缸的活塞杆稳定性要进行校核。C活塞杆的截面转动惯量464D活塞杆截面的面积24E活塞杆断面的回转半径4011400275F活塞杆细长比由于液压缸的两端采用铰接，所以末端条件系数1H又45号钢为中碳钢，故根据液压传动设计指南（北京2009）的柔性系数表查得杆的柔性系数85I所以85185J总上所述,2352安全系数，一般取，本验算中取）。244O由此看出符合液压缸的稳定性条件。43耳环参数根据液压缸活塞杆采用的是销轴，所以与液压缸连接的耳环一般采用双耳环。如下图所示双耳环草图尺寸计算过程结果耳环宽度EW由公式得，156810300515010621（其中，而对于45102025号钢其，600）025600150故取9090耳孔CX一般取104故104505252MS一般取1542故154264040L一般取14故14507070C一般取335015015044液压缸活塞销钉参数销轴草图销轴直径0由图可知销轴是双面受剪，为此其直径应按0以下式子计算。0064对于45号钢其。70故0064156810370106378根据液压缸活塞杆端部耳环CD直径取050050销轴一端的长度L其长度一般为。0125故501258015015045车厢和底架的参数载重80T自翻车车箱由车箱底板、侧墙、端墙等三大部件组成，考虑到车厢里装的散装颗粒，所以其强度和刚度都要求比较好，因为Q345的综合力学性能好，焊接性、冷、热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性，Q450强度高，在正火，正火加回火或淬火加回火状态有很高的综合力学性能，全部用铝补充脱氧，质量等级为C、D、E级，可保证钢的良好韧性，故其主要承载件选取材料为板材Q450和型钢Q345组焊而成。车厢底板初步取钢地板厚度为12MM的钢板同时采用41根型号为10的角钢作为小横梁，中梁采用型号为I32A的工字钢，2根的方钢作为100100侧梁。端墙厚度初步选取12MM，同时采用5根的方钢作为立柱。2根5050的方钢作为端梁。端墙与地板焊接成一体，如以下的三维图所100100示侧墙厚度初步选取12MM的钢板同时也采用41根的方钢作为立5050柱，与侧墙相连接的滑杆初步选取4根的方钢杆作为折页，2根5050的方钢作为上下侧梁，如以下三维图所示100100滚轮是连接折页和开启杆的重要零件。与滚轮相连接的横杆初步选取的方杆；滚轮初步选取内直径为52MM、外直径为70MM，止挡部5050分直径为80MM，长为90MM，如以下三维图所示车体底架结构选择材料为Q45ONQRI高强度耐大气腐蚀钢，其相对整体性能好，整个结构是由中梁、枕梁、端梁及气缸支架等组成的焊接结构。横梁和中梁初步做成鱼腹型结构枕梁为上下盖板、腹板组焊成的箱形结构，如以下三维图所示（6）转向架由于载重80吨的自翻车加上本身的自重就在100吨左右，所以需采用轴重为30吨的转向架，全车采用2组新研制的铸钢三大件式2F轴货车转向架。该转向架主要由轮对、轴承装置、摇枕、侧架、弹簧减振装置及基础制动装置等组成，悬挂系统采用带变摩擦减振装置的中央枕簧悬挂系统，摇枕弹簧为二级刚度，采用直径为440MM的下心盘和间隙旁承，装用符合AAR标准的F级滚动轴承装置。如以下三维图所示5自翻车三维建模51PROE软件介绍PROE是美国PTC公司旗下的产品PRO/ENGINEER软件的简称。PRO/E（PRO/ENGINEER操作软件）是美国参数技术公司（PARAMETRICTECHNOLOGYCORPORATION，简称PTC）的重要产品。是一款CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三