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内容简介：

单轨吊单轨吊是一种矿山井下的运输机械，沿空中悬挂式单轨运行，用双向绞接连接轴将司机车、驱动车、紧急制动车、电源车、承载车连成运行整体，穿挂在“工”字形单轨轨道上，其特征是：由电源车4个减震装置下方用4个圆销吊挂着的可更换的防爆特殊型蓄电池电源装置提供动力（直流电流），通过可分体隔爆插销、电缆和公知的直流电机调速换向控制器输入驱动车上安装的直流电机，带动单轨吊整体运行。主要用于井下辅助运输人员、长大或松散物料。特别适用于通风不良、有易燃爆气体、粉尘，运距变化，多弯道巷道内完成各种运输工作。单轨小车分手推单轨小车和手拉单轨小车两种，手拉单轨小车以手链驱动，手推单轨小车以手推吊重物驱动能自如地行走于工字钢轨的下翼缘上，而且车轮轮缘间距可以按工字钢轨道宽度要求调整，将手动葫芦悬挂在行车下方，可组成手动起重运输小车应用于各种起重机械设备行业。山东立业机械装备有限公司是新矿集团下属民营企业，主要经营液压支架制造、维修、租赁、综采工作面安装撤除工程、工作面生产及采矿研究；单轨运输机车（简称单轨吊）、矿山机械设备、矿山通讯设备、电子设备、支护用品、矿灯、通用零部件的制造销售；液压支架销售、工矿工程、机电维修.KXP-A型单轨牵引机车，是山东立业机械装备有限公司自主研发、设计制造的一种行驶于悬挂单轨系统的电牵引机车，主要为煤矿井下辅助运输服务。它不仅可进行材料、人员和设备的运送，还可以完成井下设备的简单提升、吊装等任务。是一种多功能、高效率、多用途的井下辅助运输设备。该牵引机车在平路或上坡时，靠蓄电池供给能量来完成牵引工作；机车在下坡时，重力势能转变成电能，向蓄电池充电，实现能量回馈制动。当单轨吊车处于紧急停车、禁止牵引或超速保护时，制动夹紧缸失压，制动器靠机构弹簧的作用夹紧导轨，靠导轨与制动器产生摩擦，实现制动。机车主要分前、后司机室、控制梁架、蓄电池组装置、起吊梁、驱动部电控，液压系统等组成。Ferrit有限公司1993年注册为专业销售公司，营销与捷克传统矿业相关的机械，业务广泛，员工经验丰富。1996年Ferrit有限公司对俄罗斯销售了第一部机车，1997年公司承担了捷克矿井机车的检修。1998年所建立的机车原型为自主设计，随后扩大了矿山机械的制造范围，同时开始向波兰销售机车。随着需求增大，公司扩大了生产。与此同时，公司采用现代处理技术和焊接技术完成了制造过程。现在公司经营活动转向新型、现代化制造和储存车厢的设计。公司主要从事矿用机械设备和仪器的设计和生产，这些设备尤其适用于具有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井。公司的产品、零部件和整套运输设备皆由高质原材料制造而成，生产经验丰富，技术先进。公司的销售计划充分满足了矿山企业用户的需要。公司产品符合标准和规程，各种产品已通过相关认证。2005年初，公司通过了ISO9001质量管理体系认证。2005年底，公司又通过了ISO14001环境管理体系认证。作为运行在I115悬吊式断面单轨道上的运输动牵引设备，ferrit公司的DLZ110F型矿用柴油动力单轨吊机车可稳定运行于水平或不大于25倾斜角的轨道上。其最大载荷为25吨。机车主体由两个驾驶室和发动机零件部分组成，其中后者包括双驱动单元和至多三个附属驱动单元。发动机为四冲程涡轮增压型。该机车依据矿井条件设计，装有抽气管和排气管，能够有效防止瓦斯爆炸的发生。废气经专门的排气箱冷却直到外部环境的温度低于70。液压启动装置启动发动机。机车的工作状态、速度、运行时间、柴油机液压和湿度值全部由电子调节和安全系统控制。如果超过额定值，发动机就会停止运转，机车即会制动停止。驱动单元构成了最终牵引元件，它把瞬时扭矩传送到具有聚亚安酯摩擦层的驱动轮上以驱动机车。驱动单元由两个低速液压发动机和一个带有紧急制动功能的延迟固定刹车系统组成。如果超过了额定速度，这套刹车系统将自动运行导致机车制动停止。Ferrit公司的SK人员运输车厢组设计用来沿I155支撑断面的吊轨或其他合适类型的轨道线（最小断面为8和最大倾角为30）上运送人员。车厢组连同其阻力矿车和牵引设备只能在最大许可倾角内使用。该车厢组可在具有瓦斯和煤尘爆炸危险的环境中使用。该车厢组由适当类型的柴油动力单轨机车牵引，由下列部分组成：运送矿车、车厢、运送平盘、连接杆（ST0.3，ST1.25，ST1.74）、信号系统。运送矿车沿吊轨支撑断面轮缘底部运行。运送矿车与连接杆通过套管和加保护锁的螺母相互连接在一起。车厢是一组全焊接的结构，它由上下两部分结构（之间由套管相互连接）组成。车厢前端是可移动的，这样当车厢中的亚麻座位被移除时可以放置担架。防护链可放置所运送的人员从车厢中跌出。运送平盘是一全焊接结构，它吊挂再两运送矿车之间，由ST 0.3型连接杆连接。它设计用来运送精密原材料。连接杆用来连接运送矿车。仅连接车厢组时选用ST 1.74 (1.74 m)。连接一车厢和一阻力矿车时选用ST 1.25 (1.25 m)。连接一运送平盘时选用ST 0.3 (0.3 m)。信号系统可考虑在车厢组所有座位上和最后一节车厢位置安装信号指示。信号系统常为五车厢组提供，如果客户需要也可提供。BTs载重吊轨制动矿车是ferrit公司生产的制动设备，用来限制位于I155支撑断面吊轨上倾斜部分的运送设备的自然运行。这里所指的运送设备可由柴油动力或电动机车牵引或由单绳或环绳绞盘牵引。该制动矿车可在具有瓦斯和煤尘爆炸危险的环境中使用。该制动矿车可自动运行或由人员独立操作。它配有速度限制校准器，当运行速度超过最大容许速度时，矿车上的离心机械装置就会发出制动命令。制动矿车必须与每个独立运送工具或设备连接，它通常位于吊轨向下倾斜的方向。油动力单轨机车牵引运送时，矿车务必安装在设备末端。制动矿车可与两到三部独立矿车组成成套设备。异常情况下的运送可以把三部制动矿车组合在一起，此时严禁运人。Ferrit公司生产的MPD24F型吊轨，设计用来在最小断面为8和最大倾角为30的矿用杆状物上运送材料和人员。该吊轨可安置在自重原岩上或者采用混凝土支柱上、成形的砖上、托盘或锚杆上，但通常它被安装在人造钢筋支架上。MPD24型吊轨可用来通过自驱动牵引设备或采用纹盘上的单绳或环形绳牵引运输成套设备。驱动机械务必为许可型号。手动运输其倾角最大可达35mm/m。所有运行在MPD24F吊轨上的设备参数必须满足吊轨许可要求。吊轨可在具有瓦斯和煤尘爆炸危险的环境中使用。与独立结构单元不同，吊轨以标准组件的形式装配在一起：a) 轨道笔直部分、可变可增加部分、上升部分、下降部分和水平部分；b) 制动闸手动型、风动型、紧急制动型、电动型、末端手柄制动闸；c) 开关手动型、紧急制动型、电动型开关；d) 吊挂或支撑形式锚杆吊、吊轨、棒式支撑、链式吊挂e) 连接杆f) 承载支架g) 链锁载体卸货h) 负荷运输装置 中期进展情况检查表学生姓名 班级 指导教师 设计（论文）题目单轨吊中承载小车的设计目前已完成的任务实习报告；单轨吊承载小车的开题报告；单轨吊承载小车的中英文材料；单轨吊承载小车的功能及整体结构的分析；单轨吊承载小车各结构方案的设定、比较与选择；根据单轨吊承载小车各部件的功用及内在联系进行估算分析；单轨吊承载小车中吊具的选材、形状设计及强度校核；单轨吊承载小车轴的选材、受力分析及强度校核；单轨吊承载小车的轴承的分析与选择。是否符合任务书要求进度符合尚须完成的任务单轨吊承载小车轮的材料选择、形状设计等；单轨吊承载小车前后连接螺栓的选材、强度计算与校核；单轨吊承载小车止动卡的选材及形状设计等；单轨吊承载小车壳体的材料选择、形状设计、加工方式的选择；单轨吊承载小车螺母等各标准件的选择；整体设计满足单轨吊整车安装及运行要求；经济技术性及可行性分析；装配图及各零件图的绘制；设计说明书的撰写。能否按期完成设计（论文）能存在的问题和解决办法存在的问题由于单轨吊承载小车所受载荷力及额定推力较大，在进行吊具、轴、轴承、轮子、螺栓、车壳等各部件的材料选择时不同于一般部件的材料选择，故在使各部件即达到设计所要求的强度等条件的同时满足选材的经济性、可靠性、加工方式等方面的要求有所困难。拟采取的办法通过对多册参考资料的查阅，进行多种材料的选择，再经各部件及整体的分析计算从而确定最优方案。同时，争取指导老师及其他同学的建议。指导教师意见检查日期：20 年 月 日 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承结构和轴承零件的制造误差。通过改进轴承内部结构、改进保持器的设计、提高钢球制造精度、降低滚道的波纹度以及改善润滑条件可有效地降低轴承的振动和噪声。（7）调心性能轴承的调心性能是指轴嶙挠曲，两轴承孔不同轴或其他原因使轴与轴承座孔轴线相对倾斜时轴承内外圈之间能自动调心，保持正常工作的能力。在容许调心的范围内，轴承中不会产生额外附加应力，对寿命没有明显影响，但噪声略有增大。调心能力主要取决于轴承的结构。调心球轴承和调心滚子轴承外圈滚道为球面，故具有良好的调心性能。带座外球面球轴承中，轴承球面外径与轴承座孔的凹球面相配合，调心范围更大。而圆柱滚子轴承，圆锥滚子轴承和滚针轴承几乎不具有调心性能。各类轴承的调心范围可参考表4.2。表4.2 轴承容许的调心范围轴承类型调心范围带座外球面球轴承25调心球轴承1.53调心滚子轴承12.5推力调心滚子轴承232深沟球轴承210圆柱滚子轴承34圆锥滚子轴承3滚针轴承极小4.2.2滚动轴承的类型选择选择滚动轴承的类型应考虑其工作条件，安装性能和经济性。（1）工作条件载荷情况载荷大小：滚子轴承元件间为线接触，承载能力大；而球轴承为点接触，承载能力相对较小。载荷方向：向心轴承主要承受径向载荷，推力轴承只能承受轴向载荷。在径向和轴向载荷的综合作用下可选用角接触轴承，随名义接触角的增大，角接触轴承轴向承载能力提高。载荷性质：受冲击载荷时宜选用滚子轴承。高速性能球轴承比滚子轴承具有较高的极限转速。圆锥滚子轴承和推力球轴承由于结构原因不宜用于高速。调心性能轴变形大或两轴承孔同轴度不好等情况下要求轴承有较好的调心性能，应选用调心球轴承、调心滚子轴承或带座外球面球轴承。（2）安装性能便于装拆，也是在选择轴承类型时应考虑的一个因素。整体轴承座或频繁装拆条件下，考虑安装方便应选用内外圈可分离的轴承（如圆锥滚子轴承、内圈或外圈分离的圆柱滚子轴承等）以及具有锥孔或带紧定套的轴承。（3）经济性在使用条件差不多的情况下选价格便宜的轴承。此外，轴承类型的选择还应考虑轴承装置整体设计的要求，如轴承的配置使用要求、游动要求等。由于承载小车所承受的径向载荷较大，又需承受一定的轴向载荷，并使其在工作过程中滚动体不能从滚道中滑出，综合考虑选用调心滚子轴承。根据轮轴的直径D=35，选择选取21307CC型调心滚子轴承，其尺寸为dDB=35mm80mm21mm，本额定载荷,。4.2.3滚动轴承的精度选择（1）滚动轴承的公差等级选择滚动轴承公差等级由低至高分为普通级、6级、（6级）、5级、4级及2级几种。普通级应用最广泛，只有高精度机械中才选用公差等级较高的轴承。（2）滚动轴承的游隙选用与调整轴承的游隙是指在无载荷的情况下，轴承内外环间所能移动的最大距离，作径向移动者称为径向游隙，作轴向移动者称为轴向游隙。轴承的径向游隙又分为原始游隙、安装游隙和工作游隙。通常，轴承的原始径向游隙大于轴承工作时的游隙，轴承的径向游隙对轴承的寿命、温升、噪声等都有很大的影响。严格的说，轴承的额定动载荷是随游隙的大小而变化的，产品样本中所列的额定载荷（C和）是工作游隙为零时的载荷数值。决定轴承径向游隙时，必须考虑如下几点：过盈配合安装时，内圈的膨胀和外圈的收缩导致游隙的减小。在运转温度下，轴承内外圈的温度差及其相关件的热膨胀导致游隙的变化。在工作时，球轴承通常在运转温度下，游隙应接近于零。对于滚子轴承，在正常工作条件下，通常应留有一定的径向游隙。在正常的工作条件下，如果轴承的内外圈配合等级在范围内，应优先采用0组游隙。按0组游隙制造的轴承在轴承代号中不标注游隙组代号。对于大冲击、重载荷、过盈量大的配合，内圈环境温度高，外圈环境温度低等情况的轴承应选用游隙较大的轴承；对于内、外圈有松动的配合、有震动及对音响有要求、对运转精度有要求、从外壳传入热量及组装后游隙可调整的轴承选用游隙较小的轴承。一般非调整式轴承（如深沟球轴承、圆柱滚子轴承等）的内部游隙均有轴承制造厂选配，在使用过程中不再进行游隙的调整，用户只选择合适的游隙等级和配合，就能保证轴承的正常运转。一般圆柱滚子轴承的径向游隙比深沟球轴承大，因为滚子轴承的刚性比球轴承大，当出现温差时，易出现径向夹紧。角接触球轴承和圆锥滚子轴承等调整式轴承，安装时必须根据使用情况对轴向游隙进行适当调整。有些支承因结构需要和温度变化须有一定径向和轴向游隙，而另一些支承则需使其达到游隙为零，甚至应稍带预过盈。4.3滚动轴承的尺寸选择和性能计算针对工作性能要求滚动轴承有三个基本性能参数：满足一定疲劳寿命要求的基本额定动载荷C、满足一定静强度要求的基本额定静载荷C和控制轴承磨损的极限转速N。选择轴承尺寸时要进行与之相应的性能计算。4.3.1滚动轴承的寿命计算一般工作条件下的滚动轴承往往因疲劳点蚀而失效，滚动轴承尺寸主要取决于疲劳寿命。（1）滚动轴承寿命计算公式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表3.4查得。若已知轴承的当量动载荷P和额定寿命，可按下式选择轴承的C值。C（2）基本额定动载荷的计算对于转速较高的轴承（n10r/min），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粗略计算。C=（fhfmfdfnfT）PCr（或Ca）式中 基本额定动载荷计算值，N；当量动载荷，按P=XFr+YFa计算，N；寿命因数速度因数力矩载荷因数，力矩载荷较小时=1.5，力矩载荷较大=2；冲击载荷因数；温度因数；径向基本额定动荷，N；轴向基本额定动荷，N。（3）当量动载荷滚动轴承若同时承受径向和轴向载荷，需将实际工作载荷转化为当量动载荷进行寿命计算。在当量动载荷P的作用下，轴承寿命与实际受载下轴承的寿命相同。当量动载荷的计算公式是P=式中 径向载荷（N）；轴向载荷（N）；X径向系数；Y轴向系数；冲击载荷系数。（4）寿命计算的修正修正额定寿命对于非常规材料、特殊运转条件或可靠度不是90%的滚动轴承，其寿命的修正公式如下：式中是失效率n%可靠度（100-n）%时的轴承寿命。可靠度的寿命修正系数可查表得到。（机械设计师手册下册，吴宗泽主编.北京：机械工业出版社，2002.1，表22-20可靠度寿命修正系数）为材料的寿命修正系数。一般有轴承厂给出，常规轴承钢=1，夹杂物含量特低或经特别分析处理的钢材料1，由于特殊热处理造成材料硬度降低时取1。为运转条件寿命修正系数。一般条件下=1，如果润滑条件差（工作温度下润滑剂运动粘度对于球轴承小于13/s，对于滚子轴承小于20/s）或转速特别低（mmr/min，为轴承滚动体中部轴线所在圆的直径）时应取1，若润滑条件优越，滚动轴承元件接触表面形成弹性流体动压润滑油膜时，可取1。基本额定动载荷的修正GB/T6391-1994规定，滚动轴承基本额定动载荷的计算按优质淬硬的真空脱气钢，良好的加工方法，工作温度不超过120考虑，若不符合上述条件，对轴承动载荷承载能力有影响，需对基本额定动载荷C值进行修正。材质的影响 轴承钢因冶炼方法不同，材料中含夹杂物大小、分布和含量不一样，对轴承承载能力有一定影响。目前轴承目录中所列C值是针对真空脱气轴承钢而确定的。如果采用普通电炉轴承钢，轴承的承载能力将下降。而采用真空重熔、电渣重熔等方法冶炼的轴承钢，轴承的承载能力将会得到不同程度的提高。温度的影响 一般轴承承受的工作温度可达120（外圈测量温度约为100）。若在更高温的下工作，轴承材料组织发生变化，导致承载能力降低。应按下式修正式中 经过温度修正的额定动载荷；温度系数。硬度的影响 轴承元件的表面硬度一般为6165HRC，若硬度降低至58HRC以下，将明显导致轴承承载能力下降，其修正关系式为式中 经材料硬度修正的额定动载荷；硬度系数。4.3.2滚动轴承的静载荷计算对于工作于极低转速或缓慢摆动的轴承，主要是限制滚动轴承在静载荷下产生过大的接触应力和永久变形，此时，应按静载荷计算选择轴承尺寸。对于一般回转工作轴承，也应进行静载荷验算。（1）基本额定静载荷基本额定静载荷是反映轴承静载荷承受能力的基本参数，有轴承目录中给出。在的作用下，轴承受载最大的滚动体与滚道接触中心处引起的接触应力分别为：调心球轴承 4600MPa其他各类球轴承 4200MPa各类滚子轴承 4000MPa该应力在受载最大滚动体与套圈滚道接触中心处造成相当于滚动体直径万分之一的总永久变形。经验表明，在一般情况下，这样的永久变形对轴承的正常运转无有害影响。（2）当量静载荷同时受径向载荷和轴向载荷的轴承，可按当量静载荷进行计算。在当量静载荷作用下，轴承最大载荷滚动体与滚道接触中心处引起的接触应力与实际载荷作用时相同。轴承的当量静载荷按下列公式计算：=0的向心轴承（圆柱滚子轴承、滚针轴承等）0的向心轴承（深沟球轴承、角接触轴承、调心轴承等）取两式中之大值式中 径向静载荷系数；轴向静载荷系数；=90（推力球轴承、推力滚子轴承等）90（推力调心滚子轴承）当0.55时（3）静载荷计算按额定静载荷选择轴承的公式为式中 基本额定静载荷（N）；当量静载荷；安全系数，参考机械设计师手册表22-23安全系数选取。4.3.3极限转速滚动轴承转速过高时会使摩擦面间产生高温，破坏润滑油膜，导致元件回火或胶合失效。滚动轴承的极限转速是指轴承在一定工作条件下，达到所能承受最高热平衡温度时的转速值。为保证正常工作，应限制轴承的工作转速低于其极限转速。滚动轴承性能表中列出油润滑和脂润滑条件下的极限转速值，它适用于润滑冷却条件正常，轴承当量动载荷P0.1C，向心轴承受径向载荷，推力轴承承受轴向载荷的0级公差轴承。 当滚动轴承载荷P0.1C时接触应力将增大；轴承同时承受径向和轴向载荷时，受载滚动体增加，这都会使摩擦润滑状态变坏，此时，极限转速值应修正如下式N=式中 实际许用转速（r/min）；轴承的极限转速（r/min）；载荷系数；载荷分布系数。若轴承的许用转速不能满足使用要求，可采取某些改进措施，如改变润滑方法（采用喷油或油雾润滑）、改善冷却条件、提高轴承精度、适当增大轴承游隙，采用铜、尼龙等实体保持架等都能有效地提高轴承的极限转速。综合采取上述措施，轴承能在高于极限转速一倍以上的转速下正常运转。4.4滚动轴承装置的设计滚动轴承装置是指轴承与轴、支座形成的系统。为保持系统的正常工作，除正确选择轴承类型和确定型号外，还应考虑轴承的配置、固定、配合、调整、预紧、润滑、密封等一系列相关问题。4.4.1轴承的配置与固定一般轴上有两个支点，支点上配置轴承或轴承组。合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正确的位置，能正常传力且不发生窜动，轴受热膨胀后不致卡死等因素。轴承配置与固定的形式主要有以下三种，前两种应用较广泛。（1）两固定端配置普通工作温度下的短轴（跨距小于400mm）支点通常采用两固定端配置的方式，每端单向固定，轴承各承受一个方向的轴向力。为允许轴工作时有少量热膨胀，轴承安装时应留有0.250.4mm的轴向间隙，间隙量用垫片或调整螺钉调节。两固定端配置常选用一对深沟球轴承。有较大轴向载荷时，则选用一对角接触球轴承或一对圆锥滚子轴承。一般角接触轴承常采用面对面安装，装拆调整方便。而对载荷位于支点外的轴承，则有时采用背对背安装的方式，以提高轴系的刚性。（2）固定-游动配置当轴较长或工作温度较高时，轴的热膨胀伸缩量大，宜采用一端双向固定，一端游动的支承结构。固定端由单个轴承或轴承组承受双向轴向力，而游动端轴承沿轴向可自由游动，充分保证轴正常的热胀冷缩。在固定-游动配置方式下固定端要承受径向力和双向轴向力，视轴向力的大小可采用一个深沟球轴承，一对角接触轴承面对面或背对背安装或深沟球轴承与双向推力轴承的组合；而游动端一般采用深沟球轴承或圆柱滚子轴承。圆柱滚子轴承靠内外圈之间的相对位移来实现轴端游动，各套圈两侧均需轴向固定。（3）两端游动配置某些情况下要求轴在预定的范围内作有限的双向轴向位移，轴的两端均应采用游动支承。设计时应使轴承允许的游动量略大于轴所需的最大游动量。游动量较小时，可选圆柱滚子轴承，较大时选深沟球轴承，当游动轴跨度大或两轴承座同轴度差时应选调心轴承。轮轴上的轴承采用两端游动配置。4.4.2滚动轴承的轴向固定为防止滚动轴承在轴向载荷下移动，轴承内圈与轴、轴承外圈与外壳孔之间必须有轴向固定。常用的轴向固定见表4.3和表4.4。表4.3轴承内圈固定结构序号固定元件说明1圆螺母用于转速较高，承受较大轴向力处2轴用弹性挡圈装卸方便，占位小制造简单，用于较小轴向载荷、较低转速处3轴端挡圈只适用于轴端，用于较大轴向力、较高转速处4紧定套适用于转速不高、承受平稳载荷的调心轴承、承受不大的轴向力表4.4轴承外圈固定结构序号固定元件说明1端盖适用于转速高、轴向载荷大的各种轴承2孔用弹性挡圈用于转速较低、轴向载荷较小处3止动环外壳结构限制，不便设止动挡边或部件时，以带有止动环的深沟球轴承用止动环定位固定。仅用于剖分式结构4螺纹环用于转速高、轴向载荷较大处。可用螺纹环调整轴承外圈位置以控制游隙轮轴上的轴承靠近车轮一端用轮轴和承载轮的凸台固定，另一端采用孔用弹性挡圈和隔套固定。4.4.3轴承的配合滚动轴承的周向固定和径向游隙的大小是通过轴承与轴和轴承座的配合达到的，配合的合理选择不仅关系到轴承的运转精度，同时影响它的寿命。（1）滚动轴承公差滚动轴承尺寸是标准的，与相关零件配合时其内圈内孔与外圈外圆分别是基准孔和基准轴，但具有特殊的标准公差（上偏差为0，下偏差为负值），选定了轴颈和座孔的公差后，即可得到相应配合。0级公差滚动轴承常用配合及轴、轴承座的公差带如下图4.1所示。图4.1 滚动轴承（0级公差）的配合（2）滚动轴承的配合选择选择滚动轴承的配合要考虑载荷的类型、大小和其他性能要求，一般来说尺寸大、载荷大、振动大、转速高或工作温度高等情况下应选紧一些的配合，经常拆卸的轴承采用较松配合，而与轴承孔相对游动的套圈则应选用间隙配合。轴承承载的轻重一般以当量动载荷P与额度动载荷C的比值大小确定为轻载、正常载荷或重载荷。滚动轴承的载荷分类参考表4.5。表4.5 滚动轴承的载荷分类球轴承滚子轴承（圆锥轴承除外）圆锥滚子轴承轻载荷0.070.080.13正常载荷0.070.150.080.180.130.26重载荷0.150.180.264.4.4轴承的预紧为了提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴的振动，延长轴承寿命，常采用预紧的滚动轴承。例如机床的主轴轴承，常用预紧来提高其旋转精度与轴向刚度。所谓预紧，就是在安装时用某种方法在轴承中产生并保持一轴向力，以消除轴承中的轴向游隙，并在滚动体和内、外圈接触处产生初变形。预紧后的轴承受到工作载荷时，其内、外圈的径向及轴向相对移动量要比未预紧的轴承大大地减少。常用的预紧装置有： 夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧； 用弹簧预紧，可以得到稳定的预紧力； 在一对轴承中间装入长度不等的套筒而预紧，预紧力可由两套筒的长度差控制，这种装置刚性较大； 加紧一对磨窄了的外圈而预紧；反装时可磨窄内圈并夹紧。（1）轴向预紧与径向预紧 按预负荷的方向可分为轴向预紧和径向预紧。 径向预紧的目的是增加承载区的拱动体属，提高支承刚度。圆锥形内孔的轴承，用锁紧螺母调整内圈与紧定套的相对位置，减小轴承的径向游隙。即可实现径向预紧。 角接触球轴承通过轴向预紧，可明显提高轴向刚度，单个角接触球轴承的载荷-变形曲线，其弹性变形量与轴向外载荷的关系为。没有预紧时。在的作用下，轴承的轴向变形量为；而在具有预紧载荷条件下，同样作用轴向载荷，轴承轴向变形增量为，显然，轴承的轴向刚度有所提高。（2）定位预紧和定压预紧定位预紧 定位预紧是指轴承的轴向位置在使用过程中保持不变的轴向预紧方式。一对角接触轴承对安装时可采用加金属垫片，磨窄套圈和加内外隔套的方法得到一定的预紧变形量。两个相同型号角接触球轴承成对安装时，其轴向载荷与变形曲线如图4.2所示，两条曲线的交点表示在预紧载荷作用下，两个轴承的变形量皆为。在外轴向力作用下，轴将沿防线作较小移动，此时轴承增加变形，而轴承减小变形。由图上看出，受力较大的轴承所承担的只是工作载荷的一部分，与单个轴承预紧后受载相比，变形增量更有所降低，其工作刚度进一步提高。圆锥滚子轴承弹性变形与外载荷的关系式为，接近线性关系。单个轴承预紧刚度提高不甚明显，而成对安装于今后轴承受载的变形增量约为补预紧轴承的1/2，其刚度可提高一倍（图4.3）。图4.2 一对角接触球轴承的载荷-变形曲线图4.3 一对圆锥滚子轴承的载荷-变形曲线定压预紧定压预紧是轴承的预紧载荷在使用中保持不变的轴向预紧方式。例如可以通过调整弹簧的压缩量使轴承获得一定的预紧量。定压预紧对支承系统轴向刚度的增加并不明显，但运行中轴承的预紧载荷不受温差引起的轴长变化的影响而保持不变，适用于要求运转精度高的高速工作场合。4.4.5轴承的润滑滚动轴承运转时，应通过润滑避免元件表面金属直接接触。润滑除降低摩擦和减轻磨损外，也有吸震、冷却、防锈和密封等作用，合理润滑对提高轴承性能、延长轴承使用寿命有重要意义 。滚动轴承通常采用脂润滑，高速重载或高温时需用油润滑，某些特殊情况如高温，恶劣环境或真空条件下可采用固体润滑。一般情况下滚动轴承润滑方式可根据速度因数dn值资料选取。（1）脂润滑 润滑脂选用润滑脂是用基础油、稠化剂及添加剂支承的半固体状润滑剂。按稠化剂不同科分为钙基、钠基、铝基、锂基等种类，常用润滑剂的性质和用途可查资料选取。选用润滑剂时首先要注意其滴点抗水性和锥入度等性能，一般低速，低温时选用钙基脂，较高工作温度时选钠基脂或钙钠基脂，高速或载荷工况复杂时选锂基脂。潮湿环境采用铝基脂或钡基脂而不宜选用与水分解的钠基脂，在承受中载荷、冲击载荷条件下，应使用含极压添加剂的润滑脂，一般工作和密封条件下的轴承常选锥入度295265的2号脂，高温或要求泵送性能好的情况下则选锥入度大的润滑脂。 润滑脂的使用润滑脂的填充量一般应以轴承和轴承空壳体空间的1/31/2为宜，若加脂过多，由于搅拌发热，会使脂变质，高速时填充至1/3或更少。在工作过程中，遇有剪切作用和老化，润滑脂的润滑性能逐渐降低，必须间隔一定时间进行补充或更换。润滑脂的补充周期和轴承结构、尺寸、转速、温度和环境条件有关。一般可根据轴承内径和转速，查出润滑脂更换的大致时间。若工作温度超过70，每上升15，补充周期应减半。（2）油润滑滚动轴承一般采用矿物油润滑。特殊情况下加入极压、防老化等添加剂以提高润滑性能。在极高极低转速或温度下可选用合成油。 润滑油在工作温度下必须保持一定粘度以维持滚动原件间有足够的润滑油膜，因此粘度是选择合适润滑油的重要依据。在轴承的工作温度下，润滑油粘度对球轴承不应该低于，滚子轴承不低于，而推力调心滚子轴承不低于。载荷大，工作温度高时选用高粘度油，容易形成油膜；而值大或喷雾润滑时选用的低粘度油，搅油损失小、冷却效果好。轴承运转时润滑油所需的动力粘度可根据其平均直径和工作转速可查资料选取。考虑到润滑动粘度随温度的变化。如果已知运行温度，可通过机械设计师手册（下册）图22-22的关系线由工作粘度查找国际标准参考温度40时润滑油粘性的对应值，以便准确的选择润滑油牌号。（3）固体润滑轴承用的固体润滑剂有二硫化钼、石墨、氟化硼、聚四氟乙烯等，使用方法有以下几种：把固体润滑剂加入润滑脂中。如在润滑脂中加入3%5%的二氧化硫，润滑效果会有较大的提高。用电镀、高频溅射、离子镀层等技术使固体润滑剂在轴承后原件摩擦面上形成一层均匀致密的薄膜，或用粘接剂将固体润滑剂粘接在滚动轴承后原件上形成固体滑膜。综合承载小车的结构特征和工作情况、环境考虑，对承载轮轴上安装的轴承采用油润滑，在轮轴的中心设计一通油孔，根据经验取d=8mm,在轴端安装M8的油杯，并确定其内螺纹的深度为10mm；对于安装在导向轮轴上的轴承采用脂润滑方式。4.4.6 滚动轴承的密封为保持良好的润好条件和正常的工作环境，滚动轴承需要设置密封设置以防止润滑剂的泄漏和灰尘、水等污物侵入轴承密封装置按其原理分为接触式密封和非接触式密封接触式密封其密封件与配合间直接接触，工作中摩擦发热大，只适用于线速度较低的场合，为增加密封件的寿命并减小轴的磨损，轴接触部分的硬度应在40HRC以上，表面粗糙度小于0.8。常用的接触式密封有毡圈油封、唇形密封圈、密封环等。非接触式密封中密封装置与运动零件不接触，不受速度的限制，适用于高速、高温场合。非接触密封间隙应尽可能小，考虑到制造装配误差和轴的变形，一般取径向间隙0.11.0mm，轴向间隙15mm，直径大时取较大值。常用的非接触式密封有隙缝密封、甩油密封、曲路密封等。在恶劣的环境下或不允许润滑及泄漏的场合，往往采用多种密封形式组合的综合式密封。作为标准产品提供的防尘盖或密封圈的轴承，装配时已填入润滑油，无需维护或再加密封装置，结构简单，使用方便，应用日趋广泛。5 对承载小车各主要部件的设计、计算及校核材料丧失正常工作能力时的最小应力，称为极限应力或危险应力，用表示。对于塑性材料，当构件的应力达到材料的屈服极限时，构件将因塑性变形而不能正常工作，故；对于脆性材料，当构件的应力达到强度极限时，构件将因断裂而丧失工作能力，故。为了保证构件安全可靠地工作，仅仅使其工作应力不超过材料的极限应力是远远不够的，还必须使构件留有适当的强度储备，即把极限应力除以大于1的系数n后，作为构件工作时允许达到的最大应力值，这个应力值称为许用应力，以表示，即，式中n称为安全系数。安全系数的选择取决于载荷估计的准确程度、应力计算的精确程度、材料的均匀程度以及构件的重要程度等因素。正确的选取安全系数，是解决构件的安全与经济这一对矛盾的关键。若安全系数过大，则不仅浪费材料，而且使构件变得笨重；反之，若安全系数过小，则不能保证构件安全工作，甚至会造成事故。各种不同工作条件下安全系数不同。对于塑性材料，一般来说，取n=1.52.0;对于脆性材料，取n=2.03.5。为了保证构件安全可靠地工作，必须使构件的最大工作应力不超过材料的许用应力，即称为拉（压）杆的强度条件，运用这一强度条件可解决3类强度计算问题。强度校核 断面设计 确定许可载荷 假定剪切面上的切应力是均匀分布的，则剪切面上任一点切应力为，式中A为剪切面的面积。为保证剪切构件工作时安全可靠，要求剪切面上的工作应力不超过材料的许用切应力，即剪切强度条件为工程中常用材料的许用切应力可按下列近似关系确定：塑性材料 =(0.60.8)脆性材料 =(0.60.8)式中为同种材料的许用拉应力。5.1承载轮的结构、尺寸设计根据I140E型工字钢的总高度为155（-1/+2）mm，上下边缘厚为16mm，又承载小车承载轮的最大直径不超过120mm，可求得承载轮的最大轮厚d=（154-162-80）/2=21mm。此时，承载轮的外径=D+2d=80+221=122mm120mm。在设计中，为了装拆方便，使承载轮的下边缘与工字钢紧密接触，上边缘与工字钢留有5mm左右的间隙(取间隙=4mm)，故取承载轮的最大轮厚为=19mm,此时，承载轮的最大直径为符合设计任务要求。承载轮与工字钢的位置关系如图5.1所示。初步设计承载轮的外形如图5.2所示：图5.1 承载轮与工字钢的位置关系图图5.2 承载轮的初步外形图在车轮内圈做出一凸台用以固定轴承的外圈，凸台的高度一般为内、外圈厚度的，这里取凸台的高度为。根据经验，取承载轮腹部厚度h=8mm由于车轮需要承受一定的摩擦，预选承载轮的材料为LZQT600-3,其抗拉强度600MPa、延伸率，具有较高的强度和耐磨性。对其进行强度校核：车轮宽度H=41mm,由工字钢的斜度为16可求得承载轮最小厚度值B=14.8mm，故车轮受压缩截面面积A=HB=4114.8。对于脆性材料，当构件的应力达到强度极限时，构件将因断裂而丧失工作能力，故。所以，LZQT600-3的许用应力=MPa=300MPa其抗拉强度校核=28.8MPa符合条件。5.2吊销的结构、尺寸设计承载小车通过吊销与下方的横梁连接，并使用横销将吊销与横梁连接固定。材料Q345，综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，用作中、低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山设备、电站、桥梁等承受动荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用于40以下寒冷地区的各种结构。故选择吊销的材料为Q345。根据承载小车的整体结构和尺寸要求，初步设计吊销的结构尺寸，如图5.3所示：图5.3 吊销的结构尺寸图中的圆孔为横销穿过的圆孔。对吊销抗拉强度校核吊销材料选择为Q345，其许用应力=MPa=162.5MPa其抗拉强度校核=97.2MPa符合条件。对吊销与托板接触处进行抗剪强度校核吊销受力危险截面面积A=3.146610=2.072其材料Q345的许用应力=MPa=162.5MPa其许用切应力=0.6=0.6162.5MPa=97.5MPa=33.78MPa对横销30抗剪切强度校核横销受力F=其强度校核横销材料选择为Q345，其许用应力=MPa=162.5MPa其许用切应力=0.6=0.6162.5MPa=97.5MPa=49.54故安全可靠。5.3衬套的结构、尺寸设计为了减小吊销和托板之间的摩擦，在其接触面处放置一个具有较高耐磨性能材料的衬套，由机械设计手册.单行本.常用工程材料查得合金牌号为ZCuAl8Mn13Fe3，合金名称为8-13-3的铝青铜，具有很高的强度和硬度，良好的耐磨性能和铸造性能，合金致密性高，耐蚀性好，作为耐磨件工作温度不大于，可以焊接，不易钎焊。 适用于制造重型机械用轴套，以及要求强度高、耐磨、耐压零件，如衬套、法兰、阀体、泵体等。所以选用此种材料来铸造衬套。设计衬套的结构尺寸如图5.4所示:图5.4 衬套的结构尺寸5.4托板的结构、尺寸设计托板材料选用Q345，设计托板的结构尺寸如图5.5所示：图5.5 托板的结构尺寸对其进行强度校核吊销受力托板的受力简图如图5.6所示： 图5.6 托板的受力简图 经受力分析得 =图中A处受力最大，截面较小，故为危险界面，对其进行强度校核取托板厚度H=22mm危险截面面积A=8.36材料选用Q345，则其许用应力=MPa=162.5MPa其许用切应力=0.6=0.6162.5MPa=97.5MPa=83.73MPa5.5承载小车板筋和肋板的结构、尺寸设计根据承载小车的整体尺寸要求和受力情况，经过初步估算和验证，选择Q345为材料，并依据经验设计承载小车壳体的上边板筋、侧面板筋、两边肋板和横向肋板的结构、尺寸分别如图5.75.10图，使其达到加强壳体强度的作用。图5.7 承载小车壳体的上边板筋的结构尺寸图5.8 承载小车壳体的侧面板筋的结构尺寸图5.9 承载小车壳体肋板的结构尺寸图5.10 承载小车壳体横向肋板的结构尺寸5.6隔套的结构、尺寸设计为了固定承载轮轴上轴承的内圈，考虑使用轴用挡圈的强度不充分，现设计一隔套对其固定(材料选择Q345)。根据轴段的长度和直径以及轴上其他零件的安装尺寸等，设计隔套的结构、尺寸如图5.11所示：图5.11 隔套的结构尺寸图中35为轴的直径，45为隔套与轴承的接触处，同承载轮轮轴的凸台一样（凸台的高度一般为内、外圈厚度的），这里取凸台的高度为5mm，58是由隔套与孔用弹性挡圈的位置关系，为使隔套不至于将轴承卡死，而确定的尺寸值。5.7壳体和定位板的结构、尺寸设计由于拟定承载小车在装配时是先将承载轮、承载轮轴、轴承、装配成为组件，再将其作为一个整体分别从壳体（尺寸、结构设计如下图5.12所示）两侧沿做成的导向孔中装入（图中箭头方向），为了防止轴沿导向孔移动，现设计一定位板将其固定，定位板的27的孔与的轴段配合，另一端选用M8的六角头全螺纹螺栓全螺纹(GB/T5783-2000)将其固定在壳体上。材料选择Q345。承载小车壳体、定位板的结构、尺寸设计如下图5.13所示图5.12 壳体的结构尺寸图5.13 定位板的结构尺寸5.8导向轮轮轴、导向轮的结构、尺寸设计将导向轮轮轴和导向轮装配成组件，如图5.14所示：图5.14 导向轮的组件图根据承载小车整体尺寸的限定等要求，设计导向轮轮轴、导向轮的尺寸、结构如图5.15和图5.16所示。图5.15 导向轮轴的结构尺寸图5.16 导向轮的结构尺寸导向轮轮轴的材料选择45号钢，调质处理。依据尺寸要求和经验，设计轴径为20，在轴的中部作出一直径26mm（凸台的高度一般为内、外圈厚度的，这里取凸台的高度为3mm，所以确定处的轴段直径为45mm）,长度为4mm的凸台，以固定两轴承的内圈。根据轴径及导向轮的尺寸，选择一对深沟球轴承，其基本尺寸为dDB=20mm42mm12mm，其基本额定载荷,。轴承采用脂润滑。导向轮的材料选择ZG200-400，在导向轮内部做两个沟槽，以便安装孔用弹性挡圈，固定轴承。导向轮轴与轴承的配合采用基孔制，为过盈配合，由互换性与测量技术基础表7-8查得导向轮轴的公差带为k6。为了实现导向轮的导向作用，在安装导向轮时在导向轮轴与壳体的接触面间插入一厚度为2mm左右的垫片，通过插入和拆卸垫片来实现导向轮位置的调整。然后选用M825的内六角锥端紧定螺钉（GB/T78-2000）将导向轮和导向轮轴固定在壳体上面。6 弹簧的计算6.1弹簧的分类弹簧按结构特征、工作原理或性能特点划分为螺旋弹簧、蜗卷弹簧、蝶形弹簧、板弹簧、橡胶弹簧、流体介质弹簧、扭杆弹簧和其他弹簧；在小类中又按结构、原理和用途分为不同系列，其分类如下：在每一个系列中，依主要尺寸、参数、精度、材料或部分结构形状的不同区分品种。6.2弹簧的材料弹簧材料要求具有较高的抗拉强度、屈服强度、弹性模量、疲劳强度和冲击韧度，并应具有良好的工艺性能。高温环境下工作的弹簧材料要求一定的热稳定性。仪器、仪表弹簧要求恒弹性等性能。6.3圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算已知弹簧中径130mm,线径25mm，弹簧材料取65Mn，其切变模量G=78MPa。该弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧，采用RY1型热卷压缩弹簧。弹簧刚度P=108.35N/mm弹簧刚度的极限偏差为；弹簧变形产生的力为F=P200=108.35200=21.7KN弹簧的材料切应力=式中 K为曲度系数，机械设计师手册P2103图27-3中查得K=1.32。已知弹簧变形量l=200mm，则弹簧变形能U=；弹簧的试验载荷式中 为试验切应力，该弹簧受静载荷以及变载荷作用次数在1以下的类载荷在机械设计师手册P2105表27-12中查得=570MPa.弹簧在实验载荷下的变形量在最大载荷作用下，弹簧各圈之间仍需保留一定的间距=0.1d=2.5mm弹簧采用两个端面圈均与邻圈并紧并且磨平的RY1型热卷压缩弹簧，磨平部分等于圆周长的，端头厚度一般不小于（取3.5mm）,端面粗糙度应低于12.5。弹簧内径弹簧外径弹簧节距p=0.3D=39mm弹簧两端固定，弹簧受载荷后，中径增大值弹簧的自由高度=700mm弹簧的旋绕比C=所以取C=6；弹簧有效圈数为16圈，总圈数为=16+2=18即总圈数为18圈；总圈数的极限偏差为圈；垂直度极限偏差为，即弹簧的压并载荷式中为压并变形量，因为该弹簧端面磨削圈所以轴向间距=p-d=39-25=14mm展开长度螺旋升角 （右旋）质量压缩弹簧的长细比5.36.4圆柱螺旋压缩弹簧的校核计算需要进行弹簧稳定性计算 （机械设计第399页，查图16-11得）=0.52108.35700=39.44KN=21.7KN所以弹簧具有稳定性。综上，该热卷圆柱螺旋压缩弹簧的标记为YA25130700-2 GB/T2089 65Mn,其中Y为圆柱螺旋压缩弹簧代号，A为型式代号，25130700为尺寸（mm）,2为精度代号，GB/T2089为标准号，65Mn为材料牌号，弹簧为右旋不表示。7 液压缸的设计7.1液压缸概述液压缸的分类如下：液压缸的类型根据主机和执行机构的动作要求选择液压缸的类型，选择单活塞杆双作用液压缸。7.2液压缸的设计计算7.2.1液压缸的尺寸计算液压缸的最大负载力为弹簧变形产生的最大弹力，为21.7KN。弹簧中径130mm,弹簧线径25mm,机械设计P399表16-7中查得导杆与弹簧间的间隙，在D120150mm时，取c=7mm，液压缸的最大尺寸为130-25-7=98mm，机械设计师手册P2360表30-114中查得液压缸内径为80mm,外径为92mm,壁厚为6.0mm.活塞杆直径d=16mm，活塞杆材料选用45优质碳素钢。根据液压缸的行程确定液压缸的缸筒长度312mm,根据液压缸的D,d确定液压缸的油口为272（机械设计师手册P2364表30-120中查得）。取缸筒材料为45优质碳素结构钢的无缝钢管。缸桶壁厚与内径之比0.08按薄壁筒公式校核其强度：已知液压缸的额定压力为3MPa，其最高允许压力为式中，查得=500MPa,安全系数S=5因此，缸筒壁厚非常合适。缸筒底部为平面，其厚度按四周嵌住的圆盘强度公式近似计算取=0.1mm.液压缸支撑点和活塞杆端点的最大长度10d，需考虑活塞杆弯曲稳定性，因活塞杆所受压力通过其轴线，按下式校核：式中 液压缸采用两端铰接，两端用销分别于制动杆铰接。K=1,E=200GPa,I=3.14=1.29安全系数=3.5所以活塞杆所受压力即为液压缸的拉力所以活塞杆具有足够的强度和稳定性，同时液压缸产生的压力足以提供压缩弹簧的力。活塞杆为实心杆，表面采用硬化处理，表面应镀硬铬，厚度为20.导向环安装在活塞的外圆沟槽内，采用低摩擦系数的聚四氟乙烯制成，采用浮动型，侧向保持有间隙。7.2.2液压缸的结构设计在液压缸有杆侧的端盖内，装有导向结构和密封装置。在密封装置外侧，常装有防尘圈以防止灰尘和杂物进入液压缸。导向结构采用端盖式。在液压缸的最高部位装排气阀，将液压缸内部聚积的空气排出，使液压缸工作平稳。液压缸采用环形间隙式缓冲装置。不带衬套的耳环尺寸：机械设计师手册表30-121中查得。缸筒通过普通圆柱销与制动杆铰接，活塞杆通过球铰头用弹性圆柱销与制动杆相铰接。缸筒和活塞杆的两头与弹簧靠近的地方，分别用挡板将弹簧挡住，挡板与缸筒、活塞杆采用焊接方式。挡板由45号刚制作，其厚度为5mm。8 制动杆的设计8.1制动杆的强度校核刹车片选用石棉橡胶，其对磨材料是钢，摩擦系数=0.40.45，取=0.43（煤矿机械传动设计下册中查得）。则制动杆对工字钢的正压力为：弹簧产生的最大变形力为21.7KN，所以弹簧足以提供刹车力。刹车片的厚度通常取为2.55mm(干摩擦)，取=3mm（煤矿机械传动设计下册）。取制动块的厚度为22mm,直径为100mm,制动杆的直径为50mm挤压强度条件为取，材料为45钢。=2.5700MPa=1750MPa所以制动块和制动杆都有足够的强度。8.2制动杆的尺寸计算图8.1 刹车装置的结构图刹车装置刹车的原理是：承载小车在正常行驶时，弹簧在液压缸的作用下压缩，产生的力使L2杆带动L1杆和制动块离开工字钢，使承载小车顺利行驶；刹车时，压力缸不产生作用，弹簧在自身变形产生的力的作用下，让L2杆推动L1杆、制动块抱住工字钢制动。该装置的具体结构如图8.1所示。图8.2 刹车状态时制动杆的结构简图根据杠杆原理，杆越长，对刹车制动就越有利。从承载小车装配图上先定L3杆底座中心的位置，取L3杆的底座中心距离L1杆中心的距离X为79mm,根据经验，确定杆的长度为100mm，在刹车状态时，制动杆的结构简图如图8.2所示，根据勾股定理，可以算得L=61.3mm根据余弦定理=0.79所以=、是同一根杆，由=，可以确定该弯杆的角度为。L3杆的长度在此状态下可以确定。弹簧原长为700mm,加上挡板的厚度为5mm、不带衬套的耳环长度，减去底座的高度以及底座距离工字钢中心的距离，可以得到L3杆的长度为：L3=350+5+31.5-64-50=272.5mm。在弹簧处于压缩状态时，制动装置的结构如图8.3所示，根据设计要求，承载小车在正常行驶时，摩擦片离开工字钢的距离要大于20mm。计算时假设摩擦片离开工字钢的距离为22mm,L的距离变为=L-22=61.3-22=39.3mm由勾股定理得=92mm则=-79=13mm 所以L3杆摆动之后，其水平距离减小的距离为272.5-=0.3mm则摩擦片离开工字钢的实际距离为22-0.3=21.7mm,符合设计要求，可以求出L1杆的长度为：L1=386.5-21.7-3-22-39.3=300.5mm 在此状态下变为：=则=已知y=100mm,所以可以求得的长度为=400mm图8.3 正常行驶时制动杆的结构简图综上可以得出制动装置的结构尺寸为：摩擦片厚度为3mm；制动块厚度为22mm；杆L1的长度为300.5mm,杆L2为弯杆，弯度为，其中杆的长度为100mm,杆的长度为400mm；杆L3的长度为272.5mm。各杆用销与其余部件进行铰接，除与液压缸相铰接的L2杆是用30mm的普通圆柱销外，其余的销均选用14mm的弹性圆柱销。刹车装置的设计结构如图8.4所示。 图8.4 刹车装置的结构尺寸图9 技术经济分析产品在生产制造过程中在保证加工质量的前提下还应考虑它的技术经济性。在单轨吊承载小车的设计过程中，要对主要构件的制造质量提出合理的技术要求，并合理的控制影响因素，必须针对具体情况具体考虑，不适当的、过高的技术要求是不经济的；而过低的技术要求则会导致承载能力和使用寿命的降低同样也是不合算的。在我国煤矿，由于各种工况条件的不同，运输设备的技术原理、结构特点、性能指标等均存在很大的差异。因而造成了矿用单轨吊的规格、产品的技术水平和技术性能差异很大。该方案在原方案的基础上加以改进，使其相对于普通的承载小车在技术上和经济上具有很多优点，如体积小重量轻；应用更为普遍使用的材料；效率高；工作平稳、噪音小；结构紧凑、刚性好、安装移动方便；操作灵活、制动可靠等特点。这种承载小车的主要特点在于结构更为简单，实现了很多零件的标准化、系列化，使制造使用更为简便。单轨吊承载小车的成本将远远低于其他运输设备的承载小车，并且还提高了生产效率，增加了安全保障。承载小车的各项参数符合国家技术规模，完全可用于生产制造，市场前景广阔。参考文献1 濮良贵、纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，2006，5.6293,307342,360383,387402.2孙桓,陈作模.机械原理.北京：高等教育出版社，2001.935.3 朱冬梅、胥北澜.画法几何及机械制图.北京：高等教育出版社，2000，12.198207，225278.4 成大先.机械设计手册.单行本.常用工程材料.北京：化学工业出版社，2004，1.3-113-40,3-743-77,3-1813-187.5 王伯平.互换性与测量技术基础.北京：机械工业出版社，2004，4.642,69122,136148,177207.6 张建中.机械设计基础课程设计.徐州：中国矿业大学出版社，2006，9.147162.7 戴葆青.材料力学教程.北京：北京航空航天大学出版社，2004，9.1172,112159.8 吴宗泽.机械设计实用手册.北京：化学工业出版社，2003，6.698711.9 吴宗泽.机械设计师手册.北京：机械工业出版社，2002，1.14971662，20972126，23502366.10 王章忠.机械工程材料.北京：机械工业出版社，2001，5.93128.11 焦作矿业学院，淮南煤矿学院，山西矿业学院.煤矿机械传动设计.北京：煤矿工业出版社，1979，2.181185.12Avallone E A. Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers. 9th ed. New York: Mc Graw-Hill,1987. 13Green R E, Oberg E, et al. Machinerys Handbook. 24th ed. New York：Industrial press,1992. 致 谢设计是整个教学过程中最后阶段重要的综合性设计，它是完成中级技术人员基本训练的重要手段。通过设计可以对前面所学理论知识进行一次系统的总结和综合运用，分析解决生产技术问题，理论联系实际，巩固和扩展所学知识，锻炼实际工作能力，进一步掌握一些常用机械的选型方法和程序，加强计算、绘图和编写技术文件等基本内容。设计为我们搭建了走向工作岗位的桥梁，通过系统性的锻炼，我在各个方面均得到了极大的锻炼和提高。特别是独立思考问题、实践与动手能力以及小组协作意识的培养。在崔老师的监督和指导下，大家严格按计划进行，每周作一次工作汇总和交流，及时讨论论证设计过程中不太成熟的方案、意见。设计中，我们查阅了大量有关承载小车的文献资料，总体把握了承载小车的工作状况，为使我们设计的承载小车便于制造、使用、安装、拆卸和维修并使其具有良好的性价比，我们通过反复的思考、变通，对各个设计方案进行全面的比较，并征求了老师和同学们的建议，最终确定了设计方案。我们的设计过程较为完整，依据可靠，我们认真总结和取优，把个人的设计理念进行科学表达，并把设计中需要的插图、公式和图表，都进行了计算机绘制、输入，统一了图号、表示符，在这方面作了大量的工作和较为严密的审核，虽然其中不免会遇到各种无法预料的疑难问题，我们也都尽己所能认真去解决。真心希望我们的设计能与更多的人一起分享，能够为社会创造效益！在本次设计中，崔教授给予了我们耐心的指导，同学们也为我们提供了莫大的帮助，为我们设计的顺利进行打下了坚实的基础。老师们良好的敬业精神、无私的奉献精神与严谨的治学态度深深感染了我们。我们不仅从中学到了知识，更重要的是培养了乐观向上的态度，更好的懂得了做人的道理，深刻体会到治学的严谨及团结协作的精神，我想这对我们每一个人来讲，无疑是极大的鞭策与促进！一直以来，机电学院的各位领导、辅导员老师和设计指导教师崔希海教授给了我们诸多的指鼓励和支持，他们是我们人生之旅的航灯，为我们指明了前进的方向，这些都足以使我们终生难忘。在设计即将完成之际，我的心情非常激动，因为我将要结束学生生活开始走向社会，走向工作岗位，这是我人生的一个转折点，也意味着把在学校学到的知识将要用于实际工作中，达到真正的学以致用。在即将完成学业时，请允许我向学院、系领导和各位老师表示忠心的感谢，感谢这几年来对我们的培养和教育。请领导和老师们放心，我会以最优秀的表现回报母校！最后，祝愿领导、老师、同学们在以后的工作和学习中，身体健康、万事如意。祝愿我们母校的明天更加美好！附 录英文文献译文CONVEYOR SYSTEMSConveyors are used when material must be moved in relatively large quantities between specific locations over affixed path. The fixed path is implemented by a track system, which may be in-the-floor, above-the-floor, or overhead. Conveyors divide into two basic categories: (1) powered and (2) non-powered. In powered conveyors, the power mechanism is contained in the fixed path, using chains, belts, rotating rolls, or other devices to propel loads along the path. Powered conveyors are commonly used in automated material transport systems in manufacturing plants, warehouses, and distribution centers. In non-powered conveyors, materials are moved either manually by human workers who push the loads along the fixed path or by gravity from one elevation to a lower elevation. Types of Conveyors A variety of conveyor equipment is commercially available. In the following paragraphs, we describe the major types of powered conveyors, organized according to the type of mechanical power provided in the fixed path. Roller and Skate Wheel Conveyors. These conveyors have rolls or wheels on which the loads ride. Loads must possess a flat bottom surface of sufficient area to span several adjacent rollers. Pallets, tote pans, or cartons serve this purpose well.In roller conveyors, the pathway consists of a series of tubes (rollers) that are perpendicular to the direction of travel. The rollers are contained in a fixed frame that elevates the pathway above floor level from several inches to several feet. Flat pallets or tote pans carrying unit loads are moved forward as the rollers rotate. Roller conveyors can either be powered or non-powered. Powered roller conveyor are driven be belts or chains. Non-powered roller conveyors are often driven by gravity so than the pathway has a downward slope sufficient to overcome rolling friction. Roller conveyors are used in a wide variety of applications, including manufacturing, assembly, packaging, sortation and distribution. Skate-wheel conveyors are similar in operation to roller conveyors. Instead of rollers, they use skate wheels rotating on shafts connected to a frame to roll pallets or tote pans or other containers along the pathway. This provides the skate wheel conveyor with a lighter weight construction than the roller conveyor. Applications of skate-wheel conveyors are similar to those of roller conveyors, except that the loads must generally be lighter since the contacts between the loads and the conveyor are must more concentrated. Because of their light weight, skate wheel conveyors are sometimes built as portable equipment that can be used for loading and unloading truck trailers at shipping and receiving docks at factories and warehouses. Belt Conveyors. Belt conveyors consist of a continuous loop: Half its length is used for delivering materials, and the other half is the return run. The belt is made of reinforced elastomer (rubber), so that it possesses high flexibility but low extensibility. At one end of the conveyor is a drive roll that powers the belt. The flexible belt is supported by a frame that has rollers or support sliders along its forward loop. Belt conveyors are available in two common forms: (1) flat belts for pallets, individual parts, or even certain types of bulk materials; and (2) troughed belts for bulk materials. Materials placed on the belt surface travel along the moving pathway. In the case of troughed belt conveyors, the rollers and supports give the flexible belt a V-shape on the forward (delivery) loop to contain bulk materials such as coal, gravel, grain, or similar particulate materials. Conveyors Driven by Chains and Cables. The conveyors in this group are driven by a powered chain or cable that forms an endless loop. In some cases, the loop forms a straight line, with a pulley at each end. This is usually in an over-and-under configuration. In other conveyors, the loop has a more-complex path, with more than two pulleys needed to define the shape of the path. We discuss the following conveyors in this category: (1) chain, (2) slat, (3) in floor towline, (4) overhead trolley, and (5)power-and-free over-head trolley. Chain conveyors consist of chain loops in an over-and-under configuration around powered sprockets at the ends of the pathway. One or more chains operating in parallel may be used to form the conveyor. The chains travel along channels in the floor that provide support for the flexible chain sections. Either the chains slide along the channel or they ride on rollers in the channel. The loads are generally dragged along the pathway using bars that project up from the moving chain. The slat conveyor sues individual platforms, called slats, connected to a continuously moving chain. Although the drive mechanism is a powered chain, it operates much like a belt conveyor. Loads are placed on the slats and are transported along with them. Straight line flows are common in slat conveyors systems. However, because of the chain drive and the capability to alter the chain direction using sprockets, the conveyor pathway can have turns in its continuous loop. Another variation of the chain conveyor is the in-floor towline conveyor. These conveyors make use of four-wheel carts powered by moving chains or cables located in trenches in the floor. The chain or cable is called a towline; hence, the name of the conveyor. Pathways for the conveyor system are defined by the trench and cable, and the cable is driven as a powered pulley system. Switching between powered pathways is possible in a towline system to achieve flexibility in routing. The carts use steel pins that project below floor level into the trench to engage the chain for towing. (Gripper devices are substituted for pins when cable is used as the pulley system, similar to the San Francisco trolley.) The pin can be pulled out of the chain (or the gripper releases the cable ) to disengage the cart for loading, unloading, switching, accumulation of parts, and manually pushing a cart the main pathway. Towline conveyors systems are used in manufacturing plants and warehouses. All of the preceding chain and cable drive conveyors operate at floor level or slightly above. Chain-driven conveyors can also be designed to operate overhead, suspended from the ceiling of the facility so as not to consume floorspace. The most common types are overhead trolley conveyors. These are available either as constant speed (synchronous) or as power-and-free (asynchronous) systems. A trolley in material handling is a wheeled carriage running on an overhead rail from which loads can be suspended. An overhead trolley conveyor, consists of multiple trolleys, usually equally spaced along a fixed track. The trolleys are connected together and moved along the track by means of a chain or cable that forms a complete loop. Suspended from the trolleys are hooks, baskets, or other receptacles to carry loads. The chain (or cable) is attached to a drive wheel that supplies power to move the chain at a constant velocity. The conveyor path is determined by the configuration of the track system, which has turns and possible changes in elevation. Overhead trolley conveyors are often used in factories to move parts and assemblies between major production departments. They can be used for both delivery and storage. A power-and-free overhead trolley conveyor is similar to the overhead trolley conveyor, except that the trolleys are capable of being disconnected from the drive chain, providing this conveyor with an asynchronous capability. This is usually accomplished by using two tracks, one just above the other. The upper track contains the continuously moving endless chain, and the trolleys that carry loads ride on the lower track. Each trolley includes a mechanism by which it can be connected to the drive chain and disconnected from it. When connected, the trolley is pulled along its track by the moving chain in the upper track. When disconnected, the trolley is idle.Other Conveyor Types. Other powered conveyors include cart-on-track, screw, vibration-based systems, and vertical lift conveyors. Cart-on-track conveyors consist of individual carts riding on a track a few feet above floor level. The carts are driven by means of a rotating shaft, as illustrated in Figure 10.10. A drive wheel, attached to the bottom of the cart and set at an angle to the rotating tube, rests against it and drives the cart forward. The cart speed is controlled by regulating the angle of contact between the drive wheel and the spinning tube. When the axis of the drive wheel is 45, the cart is propelled forward. When the axis of the drive wheel is parallel to the tube, the cart does not move. Thus, control of the drive wheel angle on the cart allows power-and-free operation of the conveyor. One of the advantages of cart-on-track systems relative to many other conveyors is that the carts can be positioned with high accuracy. This permits their use for positioning work during production. Applications of cart-on-track systems include robotic spot welding lines in automobile body plants and mechanical assembly systems. Screw conveyors are based on the Archimedes screw, the water-raising device devised in ancient times (circa 236 B.C.), consisting of a large screw inside a cylinder, turned by hand to pump water up-hill for irrigation purposes. Vibration-based conveyors use a flat track connected to an electromagnet that imparts an angular vibratory motion to the track to propel items in the desired direction. This same principle is used in vibratory bowl feeders to deliver components in automated assembly systems. Vertical lift conveyors include a variety of mechanical elevators designed to provide vertical motion, such as between floors or to link floor-based conveyors with overhead conveyors. Other conveyor types include non powered chutes, ramps, and tubes, which are driven by gravity. Conveyor Operations and Features As indicated by our preceding discussion, conveyor equipment covers a wide variety of operations and features. Let us restrict our discussion here to powered conveyors, excluding non powered types. Conveyor systems divide into two basic types in terms of the characteristic motion of the materials moved by the system: (1) continuous and (2) asynchronous. Continuous motion conveyors move at a constant velocity vc along the path. They include belt, roller, skate-wheel, overhead trolley, and slat conveyors. Asynchronous conveyors operate with a stop-and-go motion in which loads, usually contained in carriers (e.g., hooks, baskets, carts), move between stations and then stop and remain at the station until released. Asynchronous handling allows independent movement of each carrier in the system. Examples of this type include overhead power-and-free trolley, in-floor towline, and cart-on-track conveyors. Some roller and skate-wheel conveyors can also be operated asynchronously. Reasons for using asynchronous conveyors include: (1) to accumulate loads, (2) temporary storage, (3) to allow for differences in production rates between adjacent processing areas, (4)to smooth production when cycle times vary at stations along the conveyor, and (5) to accommodate different conveyor speeds along the pathway. Conveyors can also be classified as: (1) single direction, (2) continuous loop, and (3) recirculating. In the following paragraphs, we describe the operating features of these categories. We resent equations and techniques with which to analyze these conveyor systems. Single direction conveyors are used to transport loads one way from origination point to destination point. These systems are appropriate when there is no need to move loads in both directions or to return containers or carriers from the unloading stations back to the loading stations. Single direction powered conveyors include roller, skate wheel, belt, and chain-in-floor types. In addition, all gravity conveyors operate in one direction. Continuous loop conveyors form a complete circuit. An overhead trolley conveyor is an example of this conveyor type. However, any conveyor type can be configured as a loop, even those previously defined as single direction conveyors, simply by connecting several single direction conveyor sections into a closed loop. A continuous loop system slows materials to be moved between any two sta