毕业设计（论文）-轴承疲劳寿命试验机设计

摘要

铁路轴箱轴承的疲劳寿命是指在特定工作条件下，轴承在长期使用中由于受到循环载荷和其他因素的影响，最终发生疲劳破坏之前的寿命期限。通过对轴承进行疲劳寿命试验，可以评估轴承的耐久性和可靠性。可以获取关于轴承性能和寿命的实验数据。这些数据可用于指导轴承设计的改进与优化，提高其承载能力和耐久性，从而延长轴承的使用寿命，有着十分重要的意义。文中阐述了铁路轴箱轴承疲劳寿命试验机的布置结构和工作原理，在确定了设计方案的基础上完成了试验台传动机构的设计，并对设计的结构进行了布置合理性分析和主要零部件设计，包括主轴系统设计，轴向和径向加载机构设计，试验机能同时进行2套轴箱轴承的试验，可以进行轴向和径向加载，载荷大小根据载荷谱进行计算，试验机能够测试轴承温度和振动，利用绘图软件绘制了试验台中整体装配图和传动机构的各部分零件图。关键词：轴箱轴承；试验台；传动机构；结构设计；ABSTRACTThefatiguelifeofrailwayaxleboxbearingsreferstothelifespanbeforefatiguefailureoccursduetotheinfluenceofcyclicloadsandotherfactorsduringlong-termuseunderspecificworkingconditions.Byconductingfatiguelifetestsonbearings,thedurabilityandreliabilityofbearingscanbeevaluated.Experimentaldataonbearingperformanceandlifespancanbeobtained.Thesedatacanbeusedtoguidetheimprovementandoptimizationofbearingdesign,enhanceitsload-bearingcapacityanddurability,andthusextendtheservicelifeofbearings,whichisofgreatsignificance.Thearticleelaboratesonthelayoutstructureandworkingprincipleofthefatiguelifetestingmachineforrailwayaxleboxbearings.Basedonthedeterminationofthedesignscheme,thedesignofthetransmissionmechanismofthetestbenchwascompleted,andtherationalityofthelayoutandmaincomponentdesignofthedesignedstructurewereanalyzed,includingthedesignofthespindlesystem,axialandradialloadingmechanisms.Thetestingfunctioncansimultaneouslyconducttestsontwosetsofaxleboxbearings,whichcanbeloadedaxiallyandradially.Theloadsizeiscalculatedaccordingtotheloadspectrum.Thetestingmachinecantestthetemperatureandvibrationofthebearings.Theoverallassemblydiagramofthetestbenchandthepartsdiagramofthetransmissionmechanismweredrawnusingdrawingsoftware.KeyWords:Axleboxbearings;Testbench;Transmissionmechanism;Structuraldesign目录24927摘要 图2.2铁路轴箱轴承疲劳寿命试验机传动系统布置示意图2.4驱动电机的选择2.4.1工作条件此次被试验的轴承型号为552732，轴承转速维持在600r/min，轴重35T。2.4.2选择电动机的类型试验台总传动效率等于各传动件传动效率的乘积，查阅相关手册得带轮传动的效率为0.98、滚动轴承的传动效率为0.99、联轴器的传动效率为0.99。则试验台总传动效率η=0.98×0.99×0.99×0.99×0.99=0.94。此试验台在工作过程中损失的功率由电机提供，取电机的最大转速2400r/min，则所选电机功率为：Pw=8.5KW。由测试轴承转速为600r/min，传动比为4，查《机械设计手册》后，选用驱动电机型号为Y118S-5。其参数为：额定功率10.5KW；满载转速2400r/min；转矩2.5N·m；最大转矩3.5N·m。

第3章传动系统设计3.1带传动设计由驱动电机的参数可见，电机最大转速为3500r/min，需要降速器。降速器由单级圆柱带轮副构成，主要功能是在电动机带动变速器旋转过程中降低到规定的输出轴的转速，提高扭矩，模拟铁路机车运行速度。选择带传动作为减速器。带传动通过齿形带来传递动力，因此传动过程中没有滑动，能够实现精准的速度传递，不会产生滑动误差。高效率：由于带传动的传动过程中没有滑动损耗，因此其传动效率相对较高，能够更有效地传递功率。高扭矩传递能力：带传动通常采用齿形设计，能够有效地传递高扭矩，适用于需要高扭矩传递的应用场景。低噪音：带传动传动过程中因为没有滑动，摩擦产生的噪音较小，相比于其他传动方式具有较低的噪音水平。无需润滑：带传动不需要润滑剂来减少摩擦，因为齿与齿之间的啮合不产生摩擦，这也降低了维护成本和对环境的污染减速器设计包括带轮、主轴设计以及计算，轴承的选择与校核，油封的选择等，该套机构的传动比取为4。图3.1带传动已知主轴转速度为，可以算出主动带轮最高转速电机输出转矩为2.5Nm,因此对应的输出功率为，取0.63kw因此带传动的设计功率为根据带的设计功率和带轮的最高转速查的，节距取小带轮齿数59，则小带轮节圆直径转速，在带极限速度范围内。同理，大带轮齿数为，节圆直径初选中心距，圆整后取981mm。则带的节线长取标准节线长因此实际中心距校核带和小带轮啮合齿数啮合齿数比10大，满足要求。计算基准额定功率其中，为带宽许用工作拉力，；m为带宽单位长度的质量，m=0.086kg/mv为带传动速度，v=3.6m/s确定实际带传动的宽度其中：为选定型号的基准宽度，为小带轮啮合齿数系数，，取25.4mm.计算带传动额定功率P精确值因此满足设计要求。3.2轴的强度校核轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。在本设计中轴的直径是按强度公式计算进行选择，因此并不是要对带轮箱内所有的轴都进行校核，只是对那些承受弯、扭矩相对交较大的轴进行强度校核。计算主轴上的转矩T在工作时，主轴上所承受的功率P=1.116kw（不计带轮的啮合损耗和轴承损耗的功率）。则N·mm计算作用在带轮上的力NN轴的受力分析在水平面内NN在垂直平面内NN在水平面内，剖面左侧MaH=Ftl1=379×54=20466N·mm剖面右侧M’aH=FH2l2=162×126=20412N·mm在垂直平面内，剖面左侧MaV=Frl1=138×54=7452N·mm剖面右侧M’aV=FV2l2=59×126=7434N·mm合成弯矩，剖面左侧N·mm剖面右侧N·mm图3.2轴的弯矩、扭矩图截面左右的合成弯矩右侧相对左侧大些，扭矩为T，则判断左侧为危险截面，只要右侧满足强度要求即可。轴的弯扭合成强度校核通过查阅机械设计手册，查得[σ]=[σ-1]=60Mpa,剖面左侧mm3轴的疲劳强度安全系数校核通过查阅机械设计手册，查得，，，，截面左侧通过查阅机械设计手册，查得，；通过查阅机械设计手册，查得绝对尺寸系数，；通过查阅机械设计手册，得表面质量系数。则弯曲应力，应力幅平均应力切应力安全系数通过查阅机械设计手册，得许用安全系数，，则剖面安全，即主轴的强度满足要求。3.3键的选择与校核根据轴上载荷沿键的长度方向是均匀分布的情况，可以按照平键连接的挤压强度条件来校核键的强度。在平键连接中，键的主要作用是承受轴向的挤压载荷，键将轴和轴套固定在一起，使它们能够共同转动，并且能够传递由于转动而产生的扭矩。这使得轴和轴套之间能够有效地传递动力。键能够防止轴相对于轴套在轴向方向上的滑动。这种固定作用保证了传动的可靠性和稳定性。键也可以用于定位轴和轴套的相对位置，确保它们在正确的位置上对齐。这对于确保传动元件的正确安装和工作非常重要，因此挤压强度是评估键的强度的关键因素之一。平键连接的挤压强度条件为：式中——被连接零件所传递的转矩，N·mm；——轴径，mm；——键的高度，mm；——键的工作长度，mm，A型键=L-b，B型键=L，C型键=L-0.5×b并且L≤（1.6～1.8）d，以免因键过长而增大压力沿键长分布的不均匀性。[]——为键连接中最弱材料的许用挤压应力。在进行强度校核时，需要确保计算出的挤压强度不超过键材料的抗压强度，以确保键在受载时不会发生挤压破坏。键的选择与校核根据轴径d=217mm，轴段长度为300mm，转矩Tmax=256N·m，选择键的型号为（mm）：键10×96GB1096-79[平头普通平（A型）、b=30、h=14、L=96则25.4MPa许用挤压应力[]=75～130MPa，由于＜[]，因此键的强度足够，合格。

第4章轴承的设计校核4.1轴承型号的选择与校核1.轴承类型的选择根据设计要求，被测试轴承型号为552732，属于双列圆柱滚子轴承。2.轴承校核由已知条件，与轴承配合处的轴径，转速nmax=600r/min；轴重35T，可知轴承所受垂向载荷Fr=175000N，轴向载荷Fa=87500N，工作温度正常，预期寿命=50000h。查有关轴承的手册，552732QTK型轴承Cr=1200kN，C0r=930kN，则Fa/C0r=87500/930×103=0.094根据当量动载荷公式式中——载荷系数，查手册得=1.5；X、Y——径向载荷系数和轴向载荷系数。由于Fa/Fr=87500/175000=0.5＞e，查手册得X=0.62Y=2.21则N由基本额定动载荷公式得式中——温度系数，查手册得=1；——轴承的预期寿命，取=50000h；——寿命指数，对球轴承=10/3。552732型轴承的具体尺寸如下表所示表552732型轴承尺寸轴承型号基本尺寸/mm基本额定动载荷Cr基本额定静载荷C0r极限转速r/mindDBrsmin脂润滑油润滑55273280290160121200KN930KN1200015000图4.1双列圆柱滚子轴承4.2轴承的润滑与密封1.润滑方式的选择润滑脂润滑：润滑脂是一种半固态的润滑剂，通常由基础油和添加剂组成。润滑脂适用于需要长时间润滑、密封性要求高或者在高温、高速、高负荷条件下工作的轴承。润滑油润滑：润滑油是润滑轴承最常见的方式之一。润滑油具有较低的粘度，能够在轴承部件之间形成薄膜，减少摩擦和磨损。润滑油适用于高速轴承和需要灵活性的应用。此次轴承选择脂润滑形式。2.密封装置的选择轴承的密封是为了防止外部杂质（如灰尘、水、化学物质等）进入轴承内部，同时防止轴承内部的润滑剂外泄。密封的设计可以根据不同的应用需求和工作环境来选择，主要有以下几种类型：金属盖密封（MetalShieldedSeal）：金属盖密封通常由金属片制成，覆盖在轴承的外圈上。这种密封方式提供了较好的防护，防止大部分杂质进入轴承内部，同时又能保持一定的轴承运转效率。但它不是完全密封的，不能完全阻止润滑剂的外泄。橡胶密封（RubberSealedSeal）：橡胶密封通常由橡胶或者合成橡胶制成，覆盖在轴承的外圈上。这种密封方式提供了较好的密封性能，可以有效防止灰尘、水等杂质进入轴承内部，同时也能有效防止润滑剂的外泄。橡胶密封通常有多种设计，如接触式密封和非接触式密封等。4.3轴向固定方式的确定在机器中，轴（和轴上零件）的位置是靠轴承来固定的。工作时，轴和轴承对机座不允许有径向移动，轴向移动也应限制在一定限度之内，并还要考虑轴在工作中有热伸长量能够得到补偿。限制轴的轴向移动有三种方式。1.两端固定在轴两端安装轴承，以支撑轴的运动，并将轴固定在机器结构的两侧。这种方式通常用于需要支撑较大径向和轴向载荷的应用。2.一端固定、一端游动将轴设计成一端固定、一端游动是一种常见的机械设计方案，适用于一些特定的工程需求和应用场景。以下是一些常见的实现方式：支承端固定：轴的一端安装在机器结构上，通常采用轴承支撑以支持轴的旋转运动，并确保该端的稳定性和精度。支承端通常负责承受较大的径向和轴向载荷。自由端游动：轴的另一端设计为自由端，不直接固定在机器结构上，而是允许在轴向上产生一定程度的移动。自由端的移动可以是径向、轴向或者复合运动，具体取决于设计的要求。限位装置：为了控制自由端的运动范围，通常需要设计合适的限位装置。限位装置可以是机械限位销、位置传感器、软件控制等形式，确保自由端的移动范围在设计要求内。应用场景：这种一端固定、一端游动的设计方案适用于需要控制轴在某一方向上的运动范围，同时又需要保持另一端的稳定性和精度的应用场景。例如，传输机构、夹持装置、悬架系统等。3.两端游动两端游动是为了某种特殊需要而采用的支承固定形式。人字带轮啮合时一带轮轴需定位，而另一带轮轴应两端游动，以便自动定位。若小带轮轴的轴向位置也固定，将会发生干涉以至卡死现象。通过比较三种不同的轴向固定方式，工作温度正常，并且无特殊要求，最终选择两端固定方式。

第5章液压缸加载器设计5.1液压缸内外径确定内外径的确定需要考虑到所需的工作压力和要承受的力量。较大的内径可以提供更大的推力，但会增加液压系统的功率需求和成本。较大的内径可以提供更大的速度和行程，但同时也可能增加系统的惯性和能量消耗。设计液压系统时，需要考虑液压缸安装的空间限制。较大的外径可能会导致安装困难或者无法满足空间要求，取液压缸机械效率=0.9，工作压力取35Mpa，回油背压压力值取0.5Mpa。由于横向载荷比垂向载荷低，因此以垂向载荷为例进行设计。表5.1液压元件回油背压压力值液压系统类型回油背压的压力/简单调速液压系统0.2-0.6带调速阀液压系统0.4-0.7带背压阀液压系统0.5-1.8带补油泵液压系统0.9-1.9液压缸的无杆腔的有效面积通常由其活塞直径（内径）来确定。液压缸内径和活塞杆比值：如表5.2所示取标准值D=9cm，再根据工作压力35Mpa选择缸径比，得到0.3-0.55之间，表按工作压力选d/D。表5.2液压缸工作压力/内径和活塞杆比值工作压力/5-7d/D0.3-0.550.6-0.700.7根据内径和活塞杆比值得到液压缸杆直径大于63。按GB/T2348-2006.选取液压缸杆直径，得到64mm。液压缸的最薄处通常就是液压缸的筒壁，特别是在液压缸的内径处。液压缸的内径是由液压活塞的直径决定的，而液压活塞与液压缸筒壁之间需要有足够的间隙以确保液压缸的运动顺畅，这就导致了液压缸筒壁处最薄。设计液压缸时，需要确保液压缸的筒壁厚度足够，以承受所需的工作压力和力量，同时也要考虑到材料的强度和耐用性。如果筒壁过薄，可能会导致液压缸在工作过程中产生应力集中，增加失效的风险。因此，在设计液压缸时，工程师需要进行适当的厚度计算和强度分析，以确保液压缸的安全可靠运行，其计算公式：式中：——筒壁厚度尺寸（mm）;D——缸内部直径（mm）；——设计承载压力取工作压力的2～3倍（Mpa）。——液压缸筒壁许用应力。45#材质值为：=80Mpa。取厚度为40mm。因此液压缸的外径尺寸为图5.1液压缸5.2缸盖厚度的确定平缸盖表面无孔情况，在这种情况下，平缸盖表面通常是完全封闭的，没有任何孔或开口。这有助于确保液压系统的密封性能，并且可以减少外部环境对液压缸的影响：(4.5)平缸盖表面有孔情况，孔可以用于安装传感器，以监测液压缸的位置、压力或其他参数。这些传感器可以帮助实时监测系统状态，从而实现自动化控制和故障诊断。液压管路连接孔：孔可以用于连接液压管路，将液压缸与液压系统的其他部件连接起来，从而实现液压力传递和控制：式中：t——缸盖有效厚度（mm）；D——缸筒内径（mm）；d——缸盖孔的直径（mm）。5.3液压缸工作行程的确定液压缸的工作行程是指液压缸活塞在工作过程中能够移动的最大距离。工作行程的确切值取决于液压系统的设计和特定应用的需求，根据已知条件工作行程，同时参照液压缸杆GB2349-80尺寸选取，L=300mm。5.4活塞宽度确定液压缸活塞的宽度通常指的是活塞直径，即液压缸的内径。活塞直径是液压缸设计中一个重要的参数，决定了液压缸的推力和工作性能，活塞的直径会影响到液压缸的工作性能，包括承受的最大压力、产生的推力以及速度。较大的活塞直径通常能够提供更大的推力，但也需要更多的液压油和更强大的液压系统来支持，液压缸的活塞宽度满足（0.2~5）D，得到。根据结构尺寸取活塞宽度为30mm。

第6章传感器型号的选择在进行轴承性能试验时，需要一个装置能够温度和振动传感器，用于检测轴承运行过程中的温度和振动载荷数据。由于市面上传感器的型号很多，只需根据需要选择一个能够满足要求的传感器即可。轴箱轴承温度检测传感器是用于监测轴承温度的一种传感器设备，通常用于铁路车辆、列车、工业机械等领域，以确保轴承的正常运行和安全性。选择温度传感器的型号取决于多个因素，包括应用环境、测量范围、精度要求、输出信号类型以及成本等。半导体温度传感器基于半导体材料的温度特性进行测量，常见的有贴片式温度传感器，例如LM35、DS18B20等。这种传感器具有较小的尺寸、快速的响应速度和较低的成本。轴承振动传感器是一种用于监测机械轴承振动情况的设备。它们通常被用于工业领域，特别是在机械设备运行中。这些传感器能够检测到轴承的振动频率、振幅以及其他相关参数，从而帮助监测轴承的健康状态和运行情况。轴承振动传感器的工作原理通常基于振动传感技术。当轴承受到振动时，传感器会感知到振动并将其转换成电信号。这些电信号经过处理和分析后，可以提供有关轴承运行状况的信息，包括是否存在异常振动、轴承是否磨损、润滑是否充足等。图6.1温度传感器SKFCMSS2200系列振动传感器：由瑞典SKF公司生产，适用于工业领域的轴承监测和故障诊断。SKFCMSS2200具有高精度的振动测量能力，能够准确地监测轴承的振动情况，包括振动频率、振幅等参数。宽频率范围：传感器具有广泛的频率响应范围，可以监测不同频率范围内的振动信号，从而适应不同类型的轴承和工作条件。耐用性：SKFCMSS2200采用高品质的材料制造，具有良好的耐用性和可靠性，适用于各种工业环境和应用场景。环境适应性：传感器设计考虑到了工业环境中可能存在的恶劣条件，具有良好的防尘、防水和耐腐蚀性能。安装简便：传感器结构紧凑，安装简便，可与现有的轴承系统集成，不会对设备的正常运行造成影响。图6.2振动传感器

结论研究轴承的疲劳寿命可以帮助铁路运营者优化维护计划，减少因突发故障而导致的停车维修时间，提高列车的运行可靠性和效率，从而节约维护成本和提升经济效益。通过对轴承疲劳寿命的研究，可以深入了解轴承在实际运行条件下的工作状态和受力情况，为轴承材料和设计的优化提供重要参考。完成试验机主机设计和主要零部件设计，包括主轴系统设计，轴向和径向加载机构设计；试验机能同时进行2套轴箱轴承的试验，轴箱距离与实际相同，可以进行轴向和径向加载，载荷大小根据载荷谱进行计算；试验机能够测试轴承温度和振动。总之，通过毕业设计,深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。

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