铁路散货自翻车设计计算说明书.docx

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铁路散货自翻车设计计算说明书

铁路散货自翻车设计计算说明书

姓名：

李受钊

学号：

20051424

班级：

05茅机

指导老师：

谢进

日期：

一．问题提出…………………………3

二．设计方案及选择…………………………4

三．机构尺寸设计……………………6

四．机构运动分析…………………………7

4.1机构运动分析…………………………7

4.2机构模型建立和模拟仿真……………12

五．机构静力，动力分析……………………13

5.1传动角的验证……………………13

5.2液压缸的受力分析………………13

5.3四杆机构的受力分析……………15

5.4ADMAS对杆件受力的验证…………16

5.5四杆机构材料型号选择…………17

六．设计总结………………………18

七．体会与收获…………………19

八．参考文献………………………20

九．致谢………………………21

一、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。

除了以上；本文还提出：

在四杆机构中的驱动机构前需要一个变速比很大的变速箱加以驱动，以达到与车厢翻转的同步。

图1－1

二、设计方案及选择

根据设计要求，我考虑以下几种方案；

因题目要求两侧侧翻，在一下方案的说明中为简化起见，只画出向一侧侧翻时的结构，另一侧采用相同的对称结构。

方案一：

液压缸连杆机构

图2－1

要向右侧翻时，左侧液压缸伸长，同时右侧液压缸配合伸长，通过连杆时车门相应的打开，其中AB,BC刚接在一起，向右到到极限位置时时BC杆刚好与伸开的车门在同一平面，在厢门关闭时，连杆BC起到支撑里面重物保证车门关闭的作用。

该方案结构简单，运动可靠，但是在设计上难道较大，要保证两液压缸配合工作同时要连杆与液压缸配合，另外，在承重时依靠AB与BC的刚接，受力不好。

放案二：

四杆机构开门机构

图2－2

此方案是由杆AB,BC,CD,构成的四杆机构组成，其中杆AB为原动件，由一个驱动装置驱动，并且要求驱动装置的转速很慢，在初始位置时，系统对驱动装置没有力的作用，机构处于死点位置，自锁，力全部由杆来承受。

当驱动装置转了180°时，系统停止转动，此时4杆又处于自锁状态，也就保证了外力对驱动装置的伤害很少了。

此方法设计简单，受力较好，但是不符合驱动，传动装置安装在车底的要求。

为解决这个问题，可以将四杆机构安装在车厢两端的端盖上，在杆CD上连出某种机构支撑车厢门。

然而这样随之出现新的问题，若只安装在一端上势必产生较大的力矩对四杆机构要求较高且车厢门受力不均，若两端都安装机会使机构繁琐成本加大，故舍弃该方案。

方案三：

受上一方案启发，我考虑了如何将四杆机构安装在车底下面，示意图如下所示。

图2-3未倾侧

以上分别为倾侧和未倾侧的示意图，在车未倾侧的时候，连杆ABCD处于死点位置，利用机构自锁支撑重物侧压在车厢门上的力，在车倾侧到一定角度后，连杆机构随之旋转，再次自锁，承受车厢门体的重力及货物卸载时压在厢门上的力。

为使在任何角度连杆CD都能紧贴并支撑厢门，在CD上连出辅助杆CE，在E点添加球铰，保证其上的支撑板可以贴紧厢门。

该方案结构简单易于实现，利用机构的自锁受力减少了对驱动机构的损害，且完全符合题目要求，故采用此方案。

图2-4倾侧后

三、机构的尺寸设计

将两极限位置合并到一张图中，为设计和计算的方便，我预先假定一些尺寸：

图3－1

假设两固定铰链点与水平线成45°倾侧后连杆ABC极限位置与水平线成30°。

假设LAE=LED=500mm.则LCD=lAD=

mm

则

可计算出

=412.5mm

=953.5mm

为简化计算和加工取LAB=410mmLBC=950mmLAD=LDC=

mm

另外取LCE=350mm为保证连杆在旋转时不与车厢底部发生干涉，在放置铰链点A时取A距离车厢底面距离为450mm

四、机构运动分析

4.1机构运动分析

目前,在机构学的研究中,对运动分析的方法有图解法,解析法,运用MATLAB中的SIMULINK的动态仿真和ADAMS虚拟样机技术等方法。

对机构的运动分析传统上通常采用图解法，但图解法在对机构的一个运动循环中各构件的运动情况进行分析，即使是一个非常简单的四杆机构，其工作量也非常大，且求解精度也难以保证；解析法是为利用计算机进行机构分析而提出的方法，如果单纯的运用数学知识进行解析法运动分析，计算量亦较大，而且容易出错；由于运用ADAMS虚拟样机技术不仅可以对运动进行分析,在虚拟样机中能直观的显示机构的运动过程,还可在运动的同时对机构进行动力分析，这样不仅机构中的任何一杆及每个运动副的所受力和所受的转矩可清楚的得到，而且人的运算量也大大减轻，只不过在分析完后要对仿真结果进行检验。

机构运动分析：

如下图建立坐标，

图4－1

由于液压缸的移动速度很慢，我们可以认为车箱是绕O点做匀速转动，设转动到最高点是用时间T=60（s），可以得出车厢绕O的角速度

则AB绕A点的角速度

。

初始位置的坐标分别为：

A（-500,0）B（-879，-151）C（0,207）D（0,-500）

设在运动过程中各点位移、速度、加速度分别为：

A：

B：

C：

D：

根据各点的位置以及杆长可以得出：

B点绕A点做匀速转动可以得出B的位移、速度、加速度如下：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

C到B以及D点的距离不变可以得出C的位移坐标：

（7）

（8）

（9）

（10）

（11）

（12）

由运动仿真模拟可以得到各杆件的坐标，速度，加速度图形：

AB、CD杆的质心位置与时间的关系如下图所示：

图4－2

AB、CD杆的质心速度与时间的关系如下图所示：

图4－3

比较AB、CD杆的速度曲线可以得出：

CD的速度大于AB的速度，这与实际要求相符，AB杆上安装有驱动装置速度慢保证运动的平稳性，CD速度大保证开门的快速、灵敏，使货物快速的从车厢上卸货。

BC、CD杆的质心加速度与时间的关系如下图所示：

图4―4

从上图可以看出AB、BC杆件的加速度变化比较激烈，这是由于货物的挤压比较严重。

波动也比较大，所以是两杆件的加速度变化比较大，不过这无法避免的，只要有货物的脉动挤压肯定会剧烈的变化。

BC、CD杆的质心角速度与时间的关系如下图所示：

图4－5

由上图看出BC、CD杆的角速度变化比较大可能导致BC、CD两杆的转动惯量会比较大，这使得对这两个杆件的强度要求较高。

BC、CD杆的质心角加速度与时间的关系如下图所示：

图4－6

上图可以看出杆件在各个折点的位置是比较危险，容易使杆件破坏、实效，对我们杆件的选取提供了重要的指导意义。

4.2机构模型的建立和模拟仿真

第一步：

启动ADAMS/View程序

1.启动ADAMS/View程序。

2.在欢迎对话框，选择

；重力设置选择

；单位设置选择

。

3.选择OK按钮。

第二步：

采用ADAMS的工具条，作出机构运动简图。

第三步：

加载各杆件之间的运动副。

第四步：

加载驱动电机（注：

本机构有2个主动件，并且2个主动件的转速要独立设置）。

第五步：

测量重要点的速度，加速度，位置，杆件的速度、加速度用质心的来代替，作出相应的分析。

第六步：

对各图形进行必要的解释以及说明。

第七步：

加外负载G，对各个铰链点进行测量，得出的图形与静力分析的结果相比较，得出结论。

四杆机构模型截图

仿真过程截图

五、机构静力分析

5.1传动角的验证

在静力分析之前首先要验证传动角是否满足要求

在液压缸的传动中，可以验证液压缸的传动角是由大变小的，在AUTOCAD是可以测量出最小传动角为

，

再对CD杆件的传动角进行分析可以得出变化规律是逐渐由大变小的，最初试的时候是90度，到倾侧后的极限位置由设计尺寸可以得出约为31度，虽然只略大于要求，但极限位置是静止位不传递动力，所以传动角总是大于30度，符合设计要求。

图5－1

5.2液压缸的受力分析

我认为机构在运行过程中，一直受到货物的重力作用，由于货物在车厢翻转的过程中，货物开始卸货，不过我假设货物一直在车厢里面，没有进行卸货。

即一直受到货物重力的作用。

假设车厢的最大载重量为60T，所以G＝600（KN）。

对于整个车厢翻转过程中的转矩是平衡的，而在水平位置的时候液压缸受力是最大的，可以忽略其他杆件的受力。

在车厢前后都有一个液压缸，所以液压缸的受力情况：

由车厢的合力矩为0，可以得出：

代入数据，得出：

液压缸选择推力

；由下表可以选择缸径为150mm的液压缸。

缸径

ΦAL

mm

活塞杆

直径

ΦMM

mm

活塞面积/cm2

推力KN

拉力KN

最大

行程

mm

无杆侧

有杆侧

14MPa

16MPa

14MPa

16MPa

40

22

12.57

8.77

17.60

20.11

12.28

14.03

1500

50

28

19.63

13.48

27.48

31.41

18.87

21.57

1500

63

35

31.17

21.55

43.64

49.87

30.17

34.48

2500

80

45

50.27

34.36

70.38

80.43

48.10

54.98

2500

100

55

78.54

54.78

109.96

125.66

76.69

87.65

6000

（110）

63

95.03

63.88

133.04

152.05

89.40

102.18

6000

125

70

122.72

84.23

171.82

196.35

117.92

134.77

8000

（140）

80

153.94

103.67

215.52

246.30

145.14

165.87

8000

150

85

176.71

119.97

247.39

282.74

167.96

191.95

8000

160

90

201.06

137.44

281.48

321.70

192.42

219.90

8000

（180）

100

254.47

175.93

356.26

407.15

246.30

281.49

8000

200

110

314.16

219.13

439.82

502.66

306.78

350.61

8000

（220）

125

380.13

257.41

532.18

608.21

360.37

411.86

8000

250

140

490.87

336.94

687.22

785.39

471.72

539.10

8000

320

180

804.25

549.78

1125.95

1286.80

769.69

879.65

8000

表5－1

5.3四杆机构的受力分析

从开始到结束，杆件始终承受重物的侧压力，我假设重物压在厢门上的力始终为最大值。

由力学分析可知，在CD处于水平位置时各杆件受力最大。

我们考虑杆所受的力，就必须考虑杆受的最大的力，只有保正杆在最大力的时候还能承受压力，不至于破坏杆才能保正机构的正常运行。

由于机构运动速度较小且均匀我将其简化为静力学问题求解

对A点的力矩为0以及水平，竖直位置上受力平衡可以读出

代入数据可以得出：

受力最大杆件为ABF=41.15KN二力构件，方向沿AB杆向外

5.4用ADMAS做运动动力分析

用ADMAS可以对各个铰链点的进行力模拟，可以得出下图：

图5－4

从图上可以看出每个铰链点的受力都不超过41.15KN,

并且小得比较多，可以得出由静力分析得出的力是正确的，而且很安全，这样也就可以对杆件的受力无需加一个安全系数了，也可以使得杆件有较长的寿命能够满足设计的要求。

5.5四杆机构杆件材料型号的选择

选择Q235钢为杆件的材料；

可以查得Q235钢材料的

有材料力学知识有下面的公式：

取安全系数

可以得出：

选择型号为10的热轧工字钢。

六、设计总结

本文的主要目的是结合工程背景，在限定机构的传动角以及运动的轨迹而设计出的四杆机构机构。

在设计过程中，采用了解析等多种方法，避开了传统的图解法，而运用能够应用现代计算机技术的解析法。

综合考虑受翻车机构在工作中所涉及的机械，液压传动和电力等方面的的关系，使之能较好的满足工程背景的要求。

本散货自翻车机构能在较短的时间内完成散货的卸载问题，而且能实现多个货车车厢的同时倾翻。

因此，节省了大量的人力、物力，提高了人力资源的利用率。

另外，此机构有足够的安全系数，保证了运动的平稳性以及机构的正常工作的寿命。

本机构可于散货的货车，以及一些侧翻载重的汽车等车辆。

但是本方案也存在很多不足之处，比如，连杆机构尺寸较大全部安装在车厢底部显得冗繁，对加工和安装都有不便之处。

七、体会与收获

经过一个学期的努力，保质保量的独立完成了设计任务。

在设计过程中，体会到了查阅资料的重要性。

在查阅资料的过程中，我从中弄清楚了散货自翻车的要点以及遇到了一些设计的难点，通过查阅资料解决了自己的设计中遇到的难点；还能学到一些有关机构设计新的方法。

设计的过程是一个使自己能将已有知识应用于实践的过程，使自己的知识面不断扩充的过程，使自己思维创新能力得到锻炼的过程，使自己分析问题和解决问题能力得到全面提高的过程。

借这个课程设计的机会，我初步了解了科研的一些基本的过程，学会了一些研究本学科所用的软件，诸如：

MATLAB，ADAMS等。

为以后的学习和工作奠定了一定的基础。

当然，由于个人的水平及时间有限，没有对机构进行优化设计，只是对一个机构进行了删选，没有把机构运动的各种参数进行优化。

在以后的设计中我会追求更加完美。

八、参考文献

1.谢进,万朝燕,杜立杰主编.机械原理.北京:

高等教育出版社,2004.1

2.谢泗淮编著.机械原理.北京:

中国铁道出版社,2001.8

3.郑凯,胡仁喜,陈鹿民等编著.ADAMS2005机械设计高级应用实例.北京:

机械工业出版社,2006.1

4.邹慧君主编.机械原理课程设计手册.北京:

高等教育出版社,1998.6

5.王淑仁,王丹主编.计算机辅助机构设计.沈阳:

东北大学出版社,2007.7

6.宋锦春,苏东海,张志伟编著.液压与气压传动.北京:

科学出版社,2006.9

7.李庆华主编.材料力学.成都:

西南交通大学出版社,2005.1

附：

表5－1来自无锡振华机械有限公司的数据.网站：

九、致谢

在我们机构设计的过程中，很多的同学提出了宝贵的意见和建议以及谢进老师的指导，在此，我对谢进老师表示衷心的感谢，他不仅在上学期的机械原理课程中给我打下较为扎实的基础，在这学期的课程设计中也给了很多指导和建议。

另外，还要感谢一些在设计中提出过意见和在软件使用中给与无私帮助的同学。