机车试验激振台及控制系统设计【5张CAD图纸和毕业论文】
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5 机车试验激振台及控制系统设计 机车车辆动态模拟研究(一)国内外研究现状与发展趋势随着轨道交通发展的日益成熟,越来越多的机车将被投入使用,期间不仅对机车的制造生产有较高的质量要求,还包括对生产完毕,投入使用之前的机车的运行测试。由于轨道资源的有限,无法将新的机车投入轨道线路进行测试,所以机车的测试平台成为了必不可少的一个检测工具。随着科学技术的发展, 传统交通机车产业在经历了一段竞争力下降的时期后,正一前所未有的发展速度,与航空、汽车等运输方式,展开了激烈的竞争。这其中高速列车的成功运营,大大提高了铁路的竞争力。它正以其安全、舒服、正点、低耗能、污染小等诸多优点,成为了世界各国发展交通运输产业的投资热点。 高速铁路以现代高新技术如:现代通信技高速铁路以现代高新技术术、自动控制技术、计算机技术、检测技术及其告诉机车车辆技术为基础,实现了铁路运输的现代化。而与其同时期发展的铁路机车车辆试验技术,也受到研究人员的普遍重视。任何一种新型机车车辆在正式投入运营之前,为了对机车车辆的中综合性能和机车车辆的动力学性能(如:走行安全界限、装载安全性)等进行全面测试,一般可以进行二种试验:一种是线路运行试验;另一种是定置试验。但是线路运行试验在实际路线上进行的,受气候等因素影响,且不符合我的实践性。而定置试验不受上述因素影响,也越来越受到发达国家的重视。机车车辆试验台作为定制试验装置,具有以下特征:(1)能减少机车车辆的开发成本和时间进行线路运行试验,需花费大量的经费、人力、物力和时间。而采用试验台试验,可以大幅度节省大量的新型机车车辆的开发成本和时间;(2)可进行各种极端条件下的试验在试验台极限运行范围内,可以进行各种极端条件下的试验。如:最高时速的极限。钢轨不平顺的极限,车体、转向架实现轻型化的极限,以及蛇形失稳、脱轨试验等;(3)可方便地进行各种检测信号的测试在线路运行试验中,除了会遇到实施方法,测量方法等各方面的困难外。还会出现一些意料之外的无法确定的干扰。而试验台试验由于测试装备安置安装,因此检测方便,有有效排除运行试验中各种不定因素的告饶,并且可检测到一些在线路实验中无法检测到的信号。由于上述特点,使得机车车辆室内动态模拟试验台日益受到各国铁路研究人员的重视。可以说。机车车辆动态模拟试验台对于铁路现代化技术发展的作用是功不可没的。这点可以从德国慕尼黑试验台自78年建成开始到1996年所作的近40次试验和我国牵引力国家实验室自建成到目前为止所完成的近10成就大型试验中得到充分的证实。模各铁路发达国家,从60年代开始,分别建立了机车动态模拟实验台。拟单元从单轴模拟,逐渐发展到整车四轴模拟。滚轮(或称轨道轮)也从简单的用偏心滚轮实现正旋波单维激振,发展到用液压伺服激振系统实现任意波形的多维激振。功能日趋完善的机车车辆动态模拟试验台,为新型机车车辆的研制,提供了全参数的室内动态模拟环境,是惊醒各种机车车辆试验必要的研究工具。在世界各铁路发达国家,如:德国、日本。法国、没过、英国、原苏联等都根据不同的目的和不同的应用范围,建造了机车车辆定置试验台。其中。位于德国慕尼黑的机车车辆动态模拟试验台,是目前作为钢轨模拟装置,除了滚动速度以外,还可以模拟钢轨的上下、左右、倾斜、旋转4个方向的不平顺,并且各个方向上的运动均由液压伺服激振系统独立控制,能够专区恶魔你线路状态,实现了整车运行的动态模拟。我国从80年代开始,就分别在大连内燃机研究所和四方车辆研究所建造了机车牵引试验台和转向架滚动试验台;在九十年代初期,又在四方车辆研究所建造了激振试验台,与滚动试验台配套。由于它采用了滚动太(RTU)和激振台(VTU)相分离的方式,无法模拟机车车辆的真是运行环境,特别是对于高速运行的模拟。同时,由于它们专业性太强,试验的功能范围较窄,无法满足我国高速机车车辆综合性能和动力学性能试验研究发展的需要。为此,在1989年由国家计委立项,利用世行贷款,以牵引动力国家重点实验室的建设为契机,研制和制造了滚动和振动相结合的,可实现左右滚轮独立横向、垂直随机激振的机车车辆动态模拟试验台,其基本功能与德国慕尼黑试验台相似。除了进行各种模拟试验以外,还可以利用它进行轮轨关系等基础性的理论研究。从1994年底试验台安装调试完毕到目前为止,以进行了近十个大型试验。并且,牵引动力国家重点实验室也于1995年底,通过国家验收,正式对外开放。(二) 机车车辆动态模拟方法所以顾名思义,仿真就是真实地对研究对象的活动行为进行模拟,从中获得研究对象的动态特性和活动性能。所以,机车车辆动态模拟就是模拟机车车辆的运行过程,从而得到机车车辆运动过程中各检测点的动态状况,以研究机车车辆及其相互系统的动力学特性和机车车辆运行品质。随着计算机的发展,模拟技术可以分成三种类型:1) 计算机模拟,通过对研究对象的数学模型进行仿真计算,在理论上获得研究对象的性能。2)实物模拟,直接对实物对象进行仿真试验,获得实物对象的性能。3)半实物、半虚拟的混合模拟,也就是研究对象部分是实物,部分是理论模型,用虚实模型构成一个完整的研究对象,进行仿真研究。在铁路机车车辆的验证过程中,模拟研究得到广泛采用,贯穿全过程。 (三) 机车车辆运行模拟试验台设计的基本要求 机车车辆整车动力学试验台的发展,具有从简单到复杂的过程。随着列车车速的提高,机械工业和电子工业的发展,研制的试验台日趋完善。准确模拟机车车辆运行状况,是试验台发展的必然趋势。建造机车车辆试验台的主要目的是提供一个机车车辆运行环境。试验台应全部或部分模拟车辆运行工况: 模拟车辆前进运动。 模拟线路不平顺扰动。 模拟在荷载条件下的牵引制动过程。如何实现轨道不平顺模拟,首先回顾一下轨道不平顺的概念,所谓轨道不平顺就是左右钢轨的误差。习惯上把轨道不平顺分为:轨距不平顺、水平不平顺、方向不平顺和垂向不平顺。严格地说,还存在钢轨型面误差。这几种轨道不平顺实际上是由左右钢轨的垂向、横向误差(zL,YL,zR,yR)所决定轨距不平顺时 Yg YL-YR方向不平顺时 Y = L+yR)2水平不平顺时 Ze=ZL-2R 式中 L-轮对滚动圆横向间距之半垂向不平顺时 Zp (zL+ZR)理想的试验台不仅能模拟轨道的不平顺和模拟直线, 同时还能模拟曲线。遗憾的是,由于机械结构的复杂性,目前世界上还没有一个这样理想的试验台。(四) 机车车辆整车滚动振动试验台由西南交通大学牵引动力国家重点实验室研制的机车车辆整车滚动振动试验台,是当今世界上世界规模最大、功能最多、唯一可以模拟曲线的机车车辆整车模拟运行试验台。试验台1989年开始研制,1994年建成四轴滚动振动试验台,1995年正式承接试验任务,经过5年的成功运行,于2000年开始进行改扩建,2002年底新的6轴滚动振动试验台落成并投入运行。利用该试验台先后完成50个整车或转向架的台架试验,获国家科技进步一等奖。机车车辆整车滚动振动试验台主要由滚轮单元、驱动机械单元、液压激振系统驱动电气系统、数据采集处理系统、监视系统和动力系统组成。其中,滚轮单元和驱动机械单元为组成完整的试验单元,被试车的每一个轮对对应有一个试验单元。滚动振动试验台系统框图,铁路专用电25kV50 Hz,主要用于机车或其他动力车受流, 同时也可以用于驱动系统的供电,市电380 V50 Hz,主要用于激振系统和驱动系统及其他辅助系统供电。图1 SS9电力机车在六轴滚动振动试验台上的实体照片试验台的主要技术指标如表2所示。本试验台能满足米轨、准轨和宽轨,六轴以下所有机车车辆的动力学性能和牵引制动功能试验要求。利用该试验台,具体可开展的试验研究工作包括基础研究和应用研 lJ: 轮轨接触蠕滑理论验证和蠕滑系数研究。 脱轨机理研究及脱轨准则确定。 机车车辆蛇行稳定性试验研究。 机车车辆运行平稳性及乘坐舒适性试验研究。 机车车辆系统、零部件振动模态及动强度试验研究。 运行安全性及物品装载安全性试验研究。 牵引制动功率试验及操作方法优化的研究。 轮轨粘着利用、控制及踏面磨损的研究。 轮轨相互作用力及机车车辆运行受力分析。 噪声源分析及降噪。(五) 滚动振动试验台运行动态模拟试验的可行性分析纵观世界各国机车车辆试验台,它们在各国的铁路发展中均发挥了重要作用,特别是功能相对齐全的试验台,都得到了很好的应用。例如, 日本国铁研究所的滚动振动试验台,在防止货车脱轮、电力再生制动和无摇枕转向架等很多研究开发项目中起到了重要作用;德国慕尼黑的滚动振动试验台在德国ICE 高速列车的研制过程中发挥重要作用I训,最忙的时候,年试验项目达到10项;牵引动力国家重点实验室的滚动振动试验台在我国的提速和高速机车车辆研制过程中同样也起到不可替代的作用。机车车辆台架试验用滚轮代替钢轨,其试验方法是否合理,试验结果是否可信,一直是广大试验用户和学术界关注的问题。下面就机车车辆动力学稳定性、平稳性和曲线通过性能台架试验作一些说明。1) 运动稳定性试验机车车辆运动稳定性试验是台架试验最主要的试验项目,这也是线路试验无法替代的项目。先介绍运动稳定性试验方法和临界速度定义。机车车辆稳定性试验就是测定临界速度,往往通过对被试验机车车辆在试验台上的蛇行运动极限环图进行分析,得到各种含义的临界速度。典型的蛇形运动极限环图如图2所示。当机车车辆在理想平直轨道上运行时,也就是试验台滚轮作无扰动的纯滚动, 当试验运行速度达到vc0时,机车车辆系统出现稳定的周期运动,即蛇行运动,蛇行运动的振幅随速度的提高而增大,vc0称之为线性临界速度;当速度大于vcl时,周期运动发生跳跃,振动加剧,出现撞击轮缘现象的蛇行运动,这时为无条件失稳,vc1称之为非线性失稳速度。图2中虚线为不稳定周期运动极限环振幅值。当速度大于vc2而小于vc1时,当初始扰动幅值大于图2中虚线时,同样也可出现极限环振幅较大的蛇行运动,这时称为有条件失稳,失稳速度vc应位于vc2和vcl之间;当速度小于vc2时系统则稳定,所以vc2被称之为非线性稳定速度。机车车辆台架试验和线路运行的差别有两点,一是在台架上时的轮轮接触蠕滑系数比线路轮轨接触蠕滑系数小(接触斑不同所致),二是当轮对有冲角 时,轮轮接触时的重力角刚度 是一个绝对值较轮轨接触时大的负值。从上面的分析可以看到,机车车辆在试验台试验确有误差,但是可以预知的,而且台架试验的结果偏向安全。应该说,用滚动振动试验台进行机车车辆稳定性试验是可行的。2) 运行平稳性试验运行平稳性试验是通过滚振相结合的试验方法来模拟被试机车车辆在线路不平顺激扰下的运行状态,测定车体振动响应的平稳性。试验时,首先确定试验台第一轴的激振信号,后面的26轴的激振信号通过第一轴的激振信号延时得到。样以206WP转向架的准高速客车为例,计算得到的车体横向加速度的频谱图。显然在低频段,在台架上的车体振动加速度在低频段略比在线路上大,和理论分析结果一致。从比较结果看,机车车辆台架试验与线路运行相比,其加速度响应误差较小,说明用台架试验进行机车车辆平稳性测定是可行的。3) 曲线通过试验在试验台上进行机车车辆曲线通过试验是一件异常困难的事,至今还没有一个试验台可以完全模拟曲线通过,要模拟机车车辆曲线通过性能,试验台必须具有以下能力。(1)根据曲线半径,把滚轮设置在曲线切线方向,模拟被试车在相应曲线上。(2)根据曲线半径,调整左右滚轮的速差,模拟曲线上内外轨的长度差。(3)根据运行速度和超高,设置同一轴滚轮对的未平衡超高。(4)根据运行速度和曲线半径,在车体和转向架上设置过曲线时的回转力矩(过缓和曲线时)。为了模拟曲线,实现内外轨的速差,牵引动力国家重点实验室的滚动振动试验台在扩建时,增加了左右滚轮的差速功能。差速是通过复杂机械系统实现的,滚动振动试验台的差速机构框图,锥齿轮箱用于运动方向的改变,真正的差速是通过差速齿轮箱实现的,差速的速度用一台调速电机来驱动控制。在模拟曲线时,对于对超高的模拟是模拟过超高或欠超高,即模拟超(欠)高角为式中 v机车的速度R,h,2 曲线半径、超高以及轨距以试验车SY97846为算例,用SIMPACK软件为计算工具,线路条件为R=300 m、h=90 mm,不考虑轨道不平顺,在不同速度下试验台工况和线路工况脱轨系数、轮重减载率的比较情况。可以看到,在试验台上得到相应值都偏小,但误差较小,仅10左右。这足以说明用台架试验进行机车车辆曲线通过试验是可行的。 (六)结论 机车车辆6轴滚动振动试验台的建成,标志着我国铁道机车车辆试验研究跨上了一个新台阶,加速了我国机车车辆的研究步伐。该试验台自1995年正式运行以来,已完成几乎所有新研制的提速或高速机车车辆动力学性能测定及优化试验,完成的机车车辆试验项目超过5O次,为我国铁路的提速和高速机车车辆的研制发挥了重要作用。随着我国高速客运专线的建设和高速动车组的技术引进消化吸收与再创新工作的开展,机车车辆滚动振动试验台将发挥更重要的作用。随着我国铁路跨越式发展,建立以设计平台和试验平台为一体的机车车辆研究开发平台十分迫切, 以形成“设计一分析一试验”为闭环关系的研究体系,满足我国机车车辆研发需要。 参考文献1张卫华铁路机车车辆运行动态模拟研究D成都:西南交通大学,19962HOSHIYA Shunji.机车车辆滚动测试以一个450公里的速度/ 小时的研究J铁路工程报,1987,102:。12-15。3宫本Masayuki.JR机车车辆厂的能力测试在速度测试的500公里/小时研究J。资历名册的RTRI,1991,32(4):211- 2124JASCHINSKI A,CHOLLET H,IWNICKJ S,应用辊钻机在铁路车辆动力学研究J。车辆动态系统注射,1999,3:345- 3925詹斐生机车动力学M北京:中国铁道出版社,19906张卫华车辆运动稳定性试验台试验及与线路试验间误差分析J铁道学报,1997,19(1):32-367鲜荣滚动振动试验台曲线通过试验方法研究D成都:西南交通大学,2004 7上海电机学院毕业设计(论文)开题报告课题名称 _机车试验激振台及控制系统设计 学 院 机械学院 专 业 机械电子工程 班 级 BJ075 学 号 27 姓 名 朱赟 指导教师 韩雄飞 定稿日期: 2011 年 2月28日 目录背景及意义 3文献综述 3研究内容 4研究方案 5进度计划 6参考文献 6 机车试验激振台及控制系统设计一 选题背景及其意义 随着轨道交通发展的日益成熟,越来越多的机车将被投入使用,期间不仅对机车的制造生产有较高的质量要求,还包括对生产完毕,投入使用之前的机车的运行测试。由于轨道资源的有限,无法将新的机车投入轨道线路进行测试,所以机车的测试平台成为了必不可少的一个检测工具。二 文献综述(国内外研究现状与发展趋势)随着科学技术的发展, 传统交通机车产业在经历了一段竞争力下降的时期后,正以前所未有的发展速度,与航空、汽车等运输方式,展开了激烈的竞争。这其中高速列车的成功运营,大大提高了铁路的竞争力。它正以其安全、舒服、正点、低耗能、污染小等诸多优点,成为了世界各国发展交通运输产业的投资热点。 高速铁路以现代高新技术,如:现代通信技术、自动控制技术、计算机技术、检测技术及其告诉机车车辆技术为基础,实现了铁路运输的现代化。而与其同时期发展的铁路机车车辆试验技术,也受到研究人员的普遍重视。任何一种新型机车车辆在正式投入运营之前,为了对机车车辆的中综合性能和机车车辆的动力学性能(如:走行安全界限、装载安全性)等进行全面测试,一般可以进行二种试验:一种是线路运行试验;另一种是定置试验。但是线路运行试验在实际路线上进行的,受气候等因素影响,且不符合我的实践性。而定置试验不受上述因素影响,也越来越受到发达国家的重视。机车车辆试验台作为定制试验装置,具有以下特征:(1)能减少机车车辆的开发成本和时间进行线路运行试验,需花费大量的经费、人力、物力和时间。而采用试验台试验。可以大幅度节省大量的新型机车车辆的开发成本和时间;(2)可进行各种极端条件下的试验在试验台极限运行范围内,可以进行各种极端条件下的试验。如:最高时速的极限。钢轨不平顺的极限,车体、转向架实现轻型化的极限,以及蛇形失稳、脱轨试验等;(3)可方便地进行各种检测信号的测试在线路运行试验中,除了会遇到实施方法,测量方法等各方面的困难外。还会出现一些意料之外的无法确定的干扰。而试验台试验由于测试装备安置安装,因此检测方便,有有效排除运行试验中各种不定因素的告饶,并且可检测到一些在线路实验中无法检测到的信号。由于上述特点,使得机车车辆室内动态模拟试验台日益受到各国铁路研究人员的重视。可以说。机车车辆动态模拟试验台对于铁路现代化技术发展的作用是功不可没的。这点可以从德国慕尼黑试验台自78年建成开始到1996年所作的近40次试验和我国牵引力国家实验室自建成到目前为止所完成的近10成就大型试验中得到充分的证实。各铁路发达国家,从60年代开始,分别建立了机车动态模拟实验台。模拟单元从单轴模拟,逐渐发展到整车四轴模拟。滚轮(或称轨道轮)也从简单的用偏心滚轮实现正旋波单维激振,发展到用液压伺服激振系统实现任意波形的多维激振。功能日趋完善的机车车辆 动态模拟试验台,为新型机车车辆的研制,提供了全参数的室内动态模拟环境,是惊醒各种机车车辆试验必要的研究工具。在世界各铁路发达国家,如:德国、日本。法国、没过、英国、原苏联等都根据不同的目的和不同的应用范围,建造了机车车辆定置试验台。其中。位于德国慕尼黑的机车车辆动态模拟试验台,是目前作为钢轨模拟装置,除了滚动速度以外,还可以模拟钢轨的上下、左右、倾斜、旋转4个方向的不平顺,并且各个方向上的运动均由液压伺服激振系统独立控制,能够专区恶魔你线路状态,实现了整车运行的动态模拟。我国从80年代开始,就分别在大连内燃机研究所和四方车辆研究所建造了机车牵引试验台和转向架滚动试验台;在九十年代初期,又在四方车辆研究所建造了激振试验台,与滚动试验台配套。由于它采用了滚动太(RTU)和激振台(VTU)相分离的方式,无法模拟机车车辆的真是运行环境,特别是对于高速运行的模拟。同时,由于它们专业性太强,试验的功能范围较窄,无法满足我国高速机车车辆综合性能和动力学性能试验研究发展的需要。为此,在1989年由国家计委立项,利用世行贷款,以牵引动力国家重点实验室的建设为契机,研制和制造了滚动和振动相结合的,可实现左右滚轮独立横向、垂直随机激振的机车车辆动态模拟试验台,其基本功能与德国慕尼黑试验台相似。除了进行各种模拟试验以外,还可以利用它进行轮轨关系等基础性的理论研究。从1994年底试验台安装调试完毕到目前为止,以进行了近十个大型试验。并且,牵引动力国家重点实验室也于1995年底,通过国家验收,正式对外开放。三 研究内容1液压系统的基本原理:利用不可压缩的流体,将作用于某一点的力传递到另一点,这种流体通常是某种油。传递过程中,原来的力通常会成数倍增大。液压源:液压源为液压设备提供所需能量。液压源由油箱、电动机、液压泵、安全阀、过滤器和冷却器等组成,但液压源上也可安装其它液压元件(如压力表和换向阀等)。2电液伺服阀:电液伺服阀是电液伺服控制中的关键元件,它是一种接受模拟电信号后,相应输出调制的流量和压力的液压控制阀。电液伺服阀具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点,已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电液伺服控制系统中。3激振器:附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置,是利用机械振动的重要部件。激振器能使被激物件获得一定形式和大小的振动量,从而对物体进行振动和强度试验,或对振动测试仪器和传感器进行校准。激振器还可作为激励部件组成振动机械,用以实现物料或物件的输送、筛分、密实、成型和土壤砂石的捣固等工作。按激励型式的不同,激振器分为惯性式电动式、电磁式、电液式、气动式和液压式等型式。激振器可产生单向的或多向的,简谐的或非简谐的激励力。4 齿轮联轴器:连接两个滚动轮的连接器. 5 万向联轴器:一种特殊的球面铰链四杆机构,其中除机架外,每一个构件上两转动副 轴线间的夹角均为90.6轴承: 用于确定旋转轴与其他零件相对运动位置,起支承或导向作用的零部件。四 研究方案1 计算机控制的液压私服激振器系统包括:主控制计算机、实时过程控制器、数字式私服控制器、液压源和激振器2 试验台满足以下基本要求:(1)4轴整车试验;(2)整车试验(3)机车牵引制动试验;(4)直线运行的模拟。被试车通过纵向拉杆固定在实验台上,车轮与试验台的滚轮正对放置。为了方便起见 试验台的机械部分坐落在抗震基础之上,试验台供电方式有2种:一种是三相交流380V/50HZ;另一种是铁路专用电(单相交流25KV/50HZ)3确定滚轮自由度 : (1)左右滚轮绕Y轴方向转动 模拟车辆的向前、向后运动. (2)左右滚轮沿Z轴方向分别移动,模拟上下垂直运动 (3)左右滚轮沿X轴转动 模拟左右运动。在上面的滚轮运动自由度中,沿Y、Z轴方向的移动和转动可以实时控制,绕X轴、Z轴的方向的移动需要2台电液伺服液压激振器实现动态控制。4 中间轮齿联轴器的设计由于左右滚轮要实现独立的前后左右上下运动,为此左右滚轮相对错动和窜动5 轴承的确定1 根据轴承工作条件(包括载荷方向及载荷类型、转速、润滑方式、同轴度要求、定位或非定位、安装和维修环境、环境温度等),选择轴承基本类型、公差等级和游隙;2 根据轴承的工作条件和受力情况和寿命要求,通过计算确定轴承型号,或根据使用要求,选定轴承型号,再验算寿命.3 验算所选轴承的额定载荷和极限转速。选择轴承的主要考虑因素是极限转速、要求的确良寿命和载荷能力,其它的因素则有助于确定轴承类型、结构、尺寸及公差等级和游隙工求的最终方案。各类滚动轴承具有不同的特性,适用于各种机械的不同使用情况。选择轴承类型时通常应考虑下列因素。一般情况下:对承受推力载荷时选用推力轴承、角接触轴承,对高速应用场合通常使用球轴承,承受重的径向载荷时,则选用滚子轴承。总之,选用人员应从不同生产厂家、众多的轴承产品中,选用合适的类型。轴承所占机械的空间和位置 在机械设计中,一般先确定轴的尺寸,然后,根据轴的尺寸选择滚动轴承。通常是小轴选用球轴承,大轴选用滚子轴承。但是,当轴承在机器的直径方向受到限制时,则选用滚针轴承、特轻和超轻系列的球或滚子轴承;当轴承在机器的轴向位置受到限制时,可选用窄的或特窄系列的球或滚子轴承。轴承所受载荷的大小、方向和性质 载荷是选用轴承的最主要 因素。滚子轴承用于承受较重的载荷,球轴承用于承受较轻的或中等载荷,渗碳钢制造或贝氏体淬火的轴承,可承受冲击与振动载荷。在载荷的作用方向方面,承受纯径向载荷时,可选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。承受较小的纯轴向载荷时,可选用推力球轴承;承受较大的纯轴向载荷时,可选用推力滚子轴承。当轴承承受径向和轴向联合载荷时,一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。对于悬臂支撑结构,常采用圆锥滚子轴承或角接触球轴承。五 进度计划2010.11-2010.12 收集资料、调研、翻译外文技术资料,完成开题报告2010.12-2011.1 研读资料,拟定设计方案。2011.1-2011.3 完成设计草图,作必要的设计计算。2011.3-2011.4 最终完成总装配图,以及部件图和零件图设计。2011.4-2011.5 完成控制系统设计,撰写设计计算说明书。2011.6 答辩准备及答辩。六 参考文献【1】 张卫华,普京 机车车辆滚动激振试验台的发展及我国整车试验台的研制A 。机械科技的未来青年科学家论坛M。北京:机械工业出版社,1993.【2】 陈良麒,张卫华,陈建政。机车车辆滚动振动试验台和试验方法【J】。西南佳通大学学报,1997,32(2):208213.【3】 张卫华。铁路机车车辆运行模拟研究【D】。成都:西南交通大学,1996【4】 周文祥,连级三,郭育华。滚动振动试验台电气传动系统研制。西南交通大学学报,1994;29(3):294【5】 彭忆强 应用于机车车辆滚动振动试验台的计算机控制系统。计算机应用,1995;15(专辑):152154【6】 张卫华,徐涛。铁路高速机车车辆运行品质预测的最佳途径。见:王金诺主编。险难交通大学百周年校庆论文集,成都:西南交通大学出版社1996:4042【7】 王福天 车辆系统动力学。北京:中国铁道出版社,1994:1623【8】 彭忆强 在滚动振动试验台上再现轨道实况的一种说法。西南交通大学学报,1995;30(6):662666【9】 Alfred Jaschinski,Hugues Chollet,Simon Iwnicki, et al.The Application of Roller Rigs to railway Vehicle DynamicsJ. Vehicle System Dynamics,1999 ,31(5_6): 345-392.【10】 Masayuki Miyamoto. JR Rolling Stock Testing Plant Capable of Testing at a Speed of 500 km/J. QR of RTRI, 1991,32(4);211212【11】 Vitrano F, Plego U. Le prove su veicoli ferroviari mediante banco a rulli J. Ingegneria Ferroviaria, 1993 , 48(7):480492【12】 宫元照 东风4型内燃机车定制试验台 内燃机车 1999,2;18-20【13】 濮良贵 纪名刚 机械设计基础 北京:高等交易出版社机车试验激振台及控制系统设计 12机车试验激振台及控制系统设计作 者 姓 名: 朱赟 学科、专业 : 机械电子工程 学 号 : BJ07527 指 导 教 师: 韩雄飞 完 成 日 期: 2011.5.20 摘 要本课题通过同分析机车试验平台的运动特点设计了具有2个方向自由度得机车试验平台及控制系统。使用有限元软件ANSYS对机车试验平台进行了静力学校核证实结构满足设计要求,并对关键零部件油缸,键,轴承,电动机进行了设计与校核。本课题基于CAN总线技术设计平台运动的控制系统。通过本课题的设计了解了机械CAD,CAE的使用,并学习和掌握的CAN总线控制技术。关键词:机车试验平台;ANSYS;控制AbstractAnalysis of this issue through the same motion characteristics of motorcycle test platform is designed with two degrees of freedom was the direction of test platform and the locomotive control system. Using the ANSYS finite element software test platform on the locomotive were confirmed by static checking the structure to meet the design requirements, and key parts of cylinder, keys, bearings, motors have been designed and better. The subject of design platform based on CAN bus technology motion control systems. I am learn to master the subject of mechanical CAD, CAEs use, and learn and master the CAN bus control technology by the design of this project.Key Words:motorcycle test platform,ANSYS,control- VI -目 录 摘要.II Abstract III1 绪论 IV 1.1 选题背景及其意义 1 1.2 国内外发展趋势 22 试验平台的确定 23 平台架的校核. 4 3.1 平台架的形式 4 3.2 平台架尺寸的确定 5 3.3 平台架强度校核 5 3.3.1有限元简介 . 6 3.3.2有限元求解思路 6 3.3.3 单元类型选择 .6 3.3.4 物理模型创建. 9 3.3.5 模型校核求解 .13 3.4 平台稳定性校核. 14 3.41 水平运动平台校核. 14 3.4.2 垂直运动平台校核. 16 4 液压缸的设计计算 18 4.1.1 水平油缸.18 4.1.2 有刚工作压力.19 4.1.3 缸筒强度 19 4.1.4 活塞杆强度 19. 4.1.5 活塞杆稳定性 19 4.2 垂直油缸 19 4.2.1 垂直油缸工作压力 20 4.2.2缸筒强度 20 4.2.3活塞杆强度 20 4.1.5活塞杆稳定性. 215液压系统方案 21. 5.1 执行元件形成的分析与选择21. 5.2 油路循环方式的分析和选择 21 5.3 油源类型的分析和选择 22 5.4 调速方案的分析和选择22 5.5 液压基本回路的分析与选择.22. 5.6 液压系统原理图的拟定22. 5.7 液压系统参数设计 23. 5.8 选择液压元件 23 5.8.1液压泵、液压马达23. 5.9 液压泵站的类型与选择 24 5.10 油箱的设计24 5.11 油箱容积的确定24 5.12 油箱附件的选择24 5.13 空气滤清器的选择 24 5.14 加热器的选择24 5.15 吸油管出滤油器的选择24 5.16 精滤油器的选择24 5.17 管路的设计 24 5.18 管件尺寸的确定24 5.19 液压管路的连接方式246. 关键部件校核.25 6.1 销轴的校核.25. 6.1.1 水平运动球铰销轴的校核.26 6.1.2 垂直运动销轴的校核 26 7 控制系统设计 27 7.1 通信计算确定 27 7.2 控制手柄选择 27 7.3 控制器选择.28. 7.4 油缸位移传感器. 28 7.5 控制系统原理288 结论 29 参考文献. 29 致谢 301 绪论 1.1 选题背景及其意义 随着轨道交通发展的日益成熟,越来越多的机车将被投入使用,期间不仅对机车的制造生产有较高的质量要求,还包括对生产完毕,投入使用之前的机车的运行测试。由于轨道资源的有限,无法将新的机车投入轨道线路进行测试,所以机车的测试平台成为了必不可少的一个检测工具。1.2 国内外发展趋势 随着科学技术的发展, 传统交通机车产业在经历了一段竞争力下降的时期后,正以前所未有的发展速度,与航空、汽车等运输方式,展开了激烈的竞争。这其中高速列车的成功运营,大大提高了铁路的竞争力。它正以其安全、舒服、正点、低耗能、污染小等诸多优点,成为了世界各国发展交通运输产业的投资热点。 高速铁路以现代高新技术,如:现代通信技术、自动控制技术、计算机技术、检测技术及其告诉机车车辆技术为基础,实现了铁路运输的现代化。而与其同时期发展的铁路机车车辆试验技术,也受到研究人员的普遍重视。任何一种新型机车车辆在正式投入运营之前,为了对机车车辆的中综合性能和机车车辆的动力学性能(如:走行安全界限、装载安全性)等进行全面测试,一般可以进行二种试验:一种是线路运行试验;另一种是定置试验。但是线路运行试验在实际路线上进行的,受气候等因素影响,且不符合我的实践性。而定置试验不受上述因素影响,也越来越受到发达国家的重视。机车车辆试验台作为定制试验装置,具有以下特征:(1)能减少机车车辆的开发成本和时间进行线路运行试验,需花费大量的经费、人力、物力和时间。而采用试验台试验。可以大幅度节省大量的新型机车车辆的开发成本和时间;(2)可进行各种极端条件下的试验在试验台极限运行范围内,可以进行各种极端条件下的试验。如:最高时速的极限。钢轨不平顺的极限,车体、转向架实现轻型化的极限,以及蛇形失稳、脱轨试验等;(3)可方便地进行各种检测信号的测试在线路运行试验中,除了会遇到实施方法,测量方法等各方面的困难外。还会出现一些意料之外的无法确定的干扰。而试验台试验由于测试装备安置安装,因此检测方便,有有效排除运行试验中各种不定因素的告饶,并且可检测到一些在线路实验中无法检测到的信号。由于上述特点,使得机车车辆室内动态模拟试验台日益受到各国铁路研究人员的重视。可以说。机车车辆动态模拟试验台对于铁路现代化技术发展的作用是功不可没的。这点可以从德国慕尼黑试验台自78年建成开始到1996年所作的近40次试验和我国牵引力国家实验室自建成到目前为止所完成的近10成就大型试验中得到充分的证实。各铁路发达国家,从60年代开始,分别建立了机车动态模拟实验台。模拟单元从单轴模拟,逐渐发展到整车四轴模拟。滚轮(或称轨道轮)也从简单的用偏心滚轮实现正旋波单维激振,发展到用液压伺服激振系统实现任意波形的多维激振。功能日趋完善的机车车辆动态模拟试验台,为新型机车车辆的研制,提供了全参数的室内动态模拟环境,是惊醒各种机车车辆试验必要的研究工具。在世界各铁路发达国家,如:德国、日本。法国、没过、英国、原苏联等都根据不同的目的和不同的应用范围,建造了机车车辆定置试验台。其中。位于德国慕尼黑的机车车辆动态模拟试验台,是目前作为钢轨模拟装置,除了滚动速度以外,还可以模拟钢轨的上下、左右、倾斜、旋转4个方向的不平顺,并且各个方向上的运动均由液压伺服激振系统独立控制,能够专区恶魔你线路状态,实现了整车运行的动态模拟。我国从80年代开始,就分别在大连内燃机研究所和四方车辆研究所建造了机车牵引试验台和转向架滚动试验台;在九十年代初期,又在四方车辆研究所建造了激振试验台,与滚动试验台配套。由于它采用了滚动太(RTU)和激振台(VTU)相分离的方式,无法模拟机车车辆的真是运行环境,特别是对于高速运行的模拟。同时,由于它们专业性太强,试验的功能范围较窄,无法满足我国高速机车车辆综合性能和动力学性能试验研究发展的需要。为此,在1989年由国家计委立项,利用世行贷款,以牵引动力国家重点实验室的建设为契机,研制和制造了滚动和振动相结合的,可实现左右滚轮独立横向、垂直随机激振的机车车辆动态模拟试验台,其基本功能与德国慕尼黑试验台相似。除了进行各种模拟试验以外,还可以利用它进行轮轨关系等基础性的理论研究。从1994年底试验台安装调试完毕到目前为止,以进行了近十个大型试验。并且,牵引动力国家重点实验室也于1995年底,通过国家验收,正式对外开放2 实验平台方案确定制造生产有较高的质量要求,还包括对生产完毕,投入使用之前的机车的运行测试。由于轨道资源的有限,无法将新的机车投入轨道线路进行测试,所以机车的测试平台成为了必不可少的一个检测工具。本设计的机车振动台共有三大部分,包括机架部分,液压部分,和控制部分。本课题主要模拟机车的颠簸情况,为振动试验搭建测试平台。试验平台设计要求如下:设计一个平台装置,采用液动方式,实现上下前后的振动模拟。机车尺寸范围:长4.5米左右,宽2米左右,重量约25t。测试振动的振幅在范围,振动加速度范围5-8g。根据实际要求和目前动力学运动实验平台结构形式,确定试验平台结构形式如图1.1所示。图1.1 平台结构试验平台主要由平台架、水平运动油缸、垂直运动油缸、球铰构成。平台二个方向的运动通过控制系统控制各油缸的协调运动的实现。3 平台架设计与校核3.1 平台架结构形式平台架作为试验平台的主体结构,其主要功能是承载试验机车。目前运动试验平台架多选用实体钢结构和桁架式钢结构,如图2.1-2.2所示。图2.1 实体式平台架图2.2 桁架式平台架鉴于机车试验平台载荷量大,而桁架式结构具有结构轻便、承载能力强等优点。因此,选择桁架结构作为机车实验平台架的结构形式。3.2 平台架尺寸确定根据机车尺寸长4.5m、宽2m,确定平台架的具体结构尺寸如下:平台架总长:5.6m;平台架总宽:3m;平台架总高:460mm平台架主弦杆截面尺寸:606010mm;平台架主主腹杆截面尺寸:606010mm;平台架斜腹杆尺寸:40408mm。平台架材料为20Mn2,屈服强度590MPa,抗拉强度785MPa,其许用强度为425MPa。平台架具体结构形式如图2.3所示。图2.3 平台架结构3.3 平台架强度校核由于平台架采用的桁架结构,采用传统理论方法校核结构强度具有计算量,计算复杂等问题,因此选用有限元软件进行结构强度校核。3.3.1 有限元简介有限单元法的基本思想早在二十世纪40年代初期就有人提出,但真正用于工程中则是在电子计算机出现之后。“有限单元法”这个名称是1960年美国的克拉夫(Clough. R. W) 在一篇题为“平面应力有限元法”论文中首先使用的。40多年来,有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题,分析的对象从弹性材料扩展到粘弹性粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域,经过40多年的发展,不仅使各种不同的有限元方法形态相当丰富,理论基础相当完善,而且己经开发了一批使用有效的通用和专用的有限元软件,使用这些软件己经成功地解决了整机、机械、水工、土建、桥梁、机电、冶金、造船、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国际工程等领域众多的大型科学和工程计算难题,有限元软件已经成为推动科技进步和社会发展的生产力,并且产生了巨大的经济和社会效益。3.3.2 有限元软件求解思路有限元求解主要分为前处理、加载并求解、后处理三个过程。前处理是指创建实体模型及有限元模型。它包括穿件实体模型、定义单元属性。划分有限元网格、修正模型等几项内容。加载并求解是更具实际模型所受的外力及约束状态添加载荷,并选择计算类型进行求解。ANSYS中在载荷分为一下几类:a、自由度DOF;b、面载荷;c、体积载荷;d、惯性载荷。后处理是通过软件提供的后处理处理器对计算结果进行查看。3.3.3 单元类型选择根据平台架的结构特点,选择beam188单元做为平台架钢结构计算单元。BEAM188为3D线性有限应变梁。BEAM188 适用于分析细长的梁。元素是基于Timoshenko 梁理论的,有扭切变形效果。单元简图如2.4所示。定义界面如图2.5-2.6所示。图2.4 BEAM188 3-D 线性有限应变梁图2.5单元定义界面图2.6 单元选择界面选择单元类型之后需要定义梁的截面属性和材料特性,定义截面如图2.7-2.8所示。图2.7 梁截面定义界面图2.8 材料属性定义界面3.3.4 物理模型创建根据平台架的几何尺寸创建基于线的物理模型。基于ANSYS的APDL语言机型物理模型创建。由于平台架是几何对称模型,建模型过程中只需穿件1/4模型,其他部分通过径向操作即可完成创建。APDL语言内容如下:- 12 -FINISH/CLEAR/FILNAME,beam/TITLE,BeamModeling!定义每节的长高宽L=544H=400B=490/prep7!定义底层各关键点K,101, 0,0,0K,102, L,0,0K,103, 2*L,0,0K,104, 3*L,0,0K,105, 4*L,0,0K,106, 5*L,0,0K,107, 0,0,-BK,108, 0.5*L,0,-BK,109, L,0,-BK,110, 1.5*L,0,-BK,111, 2*L,0,-BK,112, 2.5*L,0,-BK,113, 3*L,0,-BK,114, 3.5*L,0,-BK,115, 4*L,0,-BK,116, 4.5*L,0,-BK,117, 5*L,0,-BK,118, 0,0,-2*BK,119, L,0,-2*BK,120, 2*L,0,-2*BK,121, 3*L,0,-2*BK,122, 4*L,0,-2*BK,123, 5*L,0,-2*BK,124, 0,0,-3*BK,125, 0.5*L,0,-3*BK,126, L,0,-3*BK,127, 1.5*L,0,-3*BK,128, 2*L,0,-3*BK,129, 2.5*L,0,-3*BK,130, 3*L,0,-3*BK,131, 3.5*L,0,-3*BK,132, 4*L,0,-3*BK,133, 4.5*L,0,-3*BK,134, 5*L,0,-3*B!定义顶层各节点K,201, 0,H,0K,202, 0.5*L,H,0K,203, 1*L,H,0K,204, 1.5*L,H,0K,205, 2*L,H,0K,206, 2.5*L,H,0K,207, 3*L,H,0K,208, 3.5*L,H,0K,209, 4*L,H,0K,210, 4.5*L,H,0K,211, 5*L,H,0K,212, 0,H,-BK,213, L,H,-BK,214, 2*L,H,-BK,215, 3*L,H,-BK,216, 4*L,H,-BK,217, 5*L,H,-BK,218, 0,H,-2*BK,219, 0.5*L,H,-2*BK,220, 1*L,H,-2*BK,221, 1.5*L,H,-2*BK,222, 2*L,H,-2*BK,223, 2.5*L,H,-2*BK,224, 3*L,H,-2*BK,225, 3.5*L,H,-2*BK,226, 4*L,H,-2*BK,227, 4.5*L,H,-2*BK,228, 5*L,H,-2*BK,229, 0,H,-3*BK,230, L,H,-3*BK,231, 2*L,H,-3*BK,232, 3*L,H,-3*BK,233, 4*L,H,-3*BK,234, 5*L,H,-3*B!创建底层横筋各线L,101,102L,102,103L,103,104L,104,105L,105,106L,107,108L,108,109L,109,110L,110,111L,111,112L,112,113L,113,114L,114,115L,115,116L,116,117L,118,119L,119,120L,120,121L,121,122L,122,123L,124,125L,125,126L,126,127L,127,128L,128,129L,129,130L,130,131L,131,132L,132,133L,133,134!创建顶层横筋各线L,201,202L,202,203L,203,204L,204,205L,205,206L,206,207L,207,208L,208,209L,209,210L,210,211L,212,213L,213,214L,214,215L,215,216L,216,217L,218,219L,219,220L,220,221L,221,222L,222,223L,223,224L,224,225L,225,226L,226,227L,227,228L,229,230L,230,231L,231,232L,232,233L,233,234!创建底层纵筋各线L,101,107L,102,109L,103,111L,104,113L,105,115L,106,117L,107,118L,109,119L,111,120L,113,121L,115,122L,117,123L,118,124L,119,126L,120,128L,121,130L,122,132L,123,134!创建顶层纵筋各线L,201,212L,203,213L,205,214L,207,215L,209,216L,211,217L,212,218L,213,220L,214,222L,215,224L,216,226L,217,228L,218,229L,220,230L,222,231L,224,232L,226,233L,228,234!创建竖筋L,229,124L,230,126L,231,128L,232,130L,233,132L,234,134L,218,118L,220,119L,222,120L,224,121L,226,122L,228,123L,212,107L,213,109L,214,111L,215,113L,216,115L,217,117L,201,101L,203,102L,205,103L,207,104L,209,105L,211,106!创建腹杆L,210,116L,208,114L,206,112L,204,110L,202,108L,116,227L,114,225L,112,223L,110,221L,108,219L,227,133L,225,131L,223,129L,221,127L,219,125机车试验激振台及控制系统设计 30使用命令创建的模型如图2.9所示。经过细化及网格划分后平台架有限元模型如图2.10所示。图2.9 1/4平台架模型图2.10 平台架有限模型3.3.5 模型校核求解外载荷确定:根据设计要求机车与平台架最大运动加速度为8g得平台所受外力分别为:F=(M车+M平) 8g/4=576900N 2-1机车对平台架施加外载荷为:F=(M车)8g/4=500000N 2-2其中M车=25t M平=3485Kg有限元计算结果如图2.11-2.13所示图2.11 水平运动平台架强度计算结果图2.12 垂直运动平台架强度计算结构平台架最大应力为372MPa小于材料许用应力425MPa,因此平台架满足要求。3.4 平台稳定性校核计算由于试验平台在工作过程中,受动载荷作用比较大,因此在对平台进行静态静力计算的同时要对其的稳定性进行计算,以保证其再工作过程中不会失效。3.4.1 水平运动平台稳定性校核在ANSYS中进行屈曲计算首先要对结构进行结构静力计算,平台架水平运动静力计算,然后进行特征值屈曲分析定义,定义截面如图2.13,之后进行提取模态数量和求解方法的选择,提取了6阶计算结果,选用Block Lanczos法进行求解。通过计算求得前六阶稳定性系数如表2.1所示。1阶计算变形结果如图2.14所示。工程上规定一阶稳定性系数大于2即满足要求。图 2.13屈曲分析定义截面表2.1 稳定性计算结果SETTIME/FREQLOAD STEPSUBSTEPCUMULATIVE17.29011128.18212239.513133411.9514451242155624.01166图2.14 一阶稳定性变形结果3.4.2 垂直运动平台稳定性校核分析方法如上面,稳定性系数如表2.2所示,一阶计算变形结果如图2.15所示。表2.1 稳定性计算结果SETTIME/FREQLOAD STEPSUBSTEPCUMULATIVE12.111122.512232,913345.914458.2155613.4166图2.15 一阶稳定性计算结果4 液压缸的设计计算4.1水平油缸表3-1 水平参数参 数符 号数值(单位)备 注安装长度11130mm全伸长度L1150mm最大行程20mm缸筒内径D120mm缸筒外经D160mm活塞杆外径d100mm活塞杆内径d70mm最大受力F58.87t工作压力p51.04MPa容积效率14.1.2 油缸工作压力式中,工作压力; 最大受力; 缸筒内径。4.1.3 缸筒强度式中, 缸筒应力; 试验压力,等于1.25倍工作压力; 缸筒内径; 缸筒壁厚,; 材料许用应力,; 抗拉强度,材料选用45号钢; 安全系数,一般取。4.1.4活塞杆强度式中, 活塞杆应力; 最大负载力; 1活塞杆外径; d 2活塞杆内径。4.1.5活塞杆稳定性稳定性计算采用等截面算法。细长比,用戈登兰金公式计算临界载荷。缸筒极限载荷:式中,极限载荷;活塞杆计算长度,;活塞杆断面的回转半径,;柔性系数,中碳钢取; 末端条件系数,; 材料强度实验值,中碳钢取; 活塞杆截面积,; 实验常数,中碳钢取;安全系数:根据以上计算,油缸能满足要求。4.2 垂直油缸表3.1 垂直油缸参数参 数符 号数值(单位)备 注安装长度l1131mm全伸长度L1151mm最大行程20mm缸筒内径D140mm缸筒外经D180mm活塞杆外径d100mm活塞杆内径d70mm最大受力F66.22t工作压力p42.2MPa容积效率 14.2.1垂直油缸工作压力式中,工作压力; 最大受力; 缸筒内径;4.2.2 缸筒强度式中,试验压力,等于1. 25倍工作压力; D缸筒内径缸筒壁厚,。 4.2.3 活塞杆强度式中, 活塞杆应力; 最大负载力; 活塞杆外径; 活塞杆内径。4.4 活塞杆稳定性稳定性计算采用等截面算法。细长比,用戈登兰金公式计算临界载荷。缸筒极限载荷:式中,极限载荷;活塞杆计算长度,;活塞杆断面的回转半径,;柔性系数,中碳钢取; 末端条件系数,; 材料强度实验值,中碳钢取; 活塞杆截面积,; 实验常数,中碳钢取;安全系数:根据以上计算,油缸能满足要求。5 液压系统方案设计5.1 执行元件形式的分析与选择液压系统采用的执行元件的形式,视主机索要实现的运动种类和性质而定。按照表(8-4)液压与气压传动选择。由于本毕业设计课题的振动幅度为 所以选择单活塞杆液压缸,其特点是有效工作面积大,双向不对称。5.2 油路循环方式的分析和选择液压系统油路循环方式分为开式和闭式两种。他们各自特点见表8-5液压气动与传动油路循环方式的选择主要取决于液压系统的调速方式和散热条件。所以经查表取闭式系统。其散热条件较复杂,须用辅助泵换油冷却。抗污染性较好,单油液过滤要求较高。系统效率管路压力损失较小,容积调速时效率较高5.3油源类型的分析与选择液压系统油源类型的选择,应在分析下列因素后确定(1) 根据系统工作压力的高低,选择液压泵的压力等级和结构形式。(2) 根据油源输出流量变化的大小和系统节能的要求,选择用定量泵还是变量泵。本设计流量的控制是通过阀的流量控制来控制的,所以选用定量泵。(3) 根据执行元件的多寡和系统工作循环中压力,流量的变化,选择单泵供油还是多泵供油。选用单泵供油。(4) 根据系统对油源综合性能的要求,选择泵的控制方式,是限压式、恒压式、恒流量式还是恒功率式等等。故选择限压式。 5.4 调速方案的分析和选择 调速方案对主机主要性能起决定性作用。有三种调速回路,分别是节流调速回路、容积调速回路、容积节流调速回路。选择调速方案时,应依据液压执行元件的负载特性和调速范围以及经济性等因素,参考书本8-6进行分析,最后本设计选用容积节流调速方案。 5.5 液压基本回路的分析与选择 这里是指除调速回路以外的液压基本回路。选择液压回路是根据系统的设计要求和工况图,从众多成熟的方案中(参见有关手册)经过分析评比挑选出来的。一般可按如下步骤进行:(1) 选择系统一般都必须设置的基本回路。(2) 根据系统负载性质选择基本回路。(3) 根据系统特殊要求选择基本回路 5.6液压系统原理图的拟定选定执行元件、油源类型、调速方案和液压基本回路后,再增添一些必要的元件和配置一些辅助性油路,如控制油路、润滑油路、测压油路等,并对回路进行归并和整理,就可将液压回路合并成液压系统。 5.7液压系统参数设计 执行元件的参数载荷/KN55-1010-2020-3030-5050工作压力/M Pa0.8-11.5-22.5-33-44-55-75.8选择液压元件5.8.1 液压泵,马达 液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为5.31M Pa, 估算液压泵缸间油路损失为P=0.6M Pa,所以液压泵最高工作压力为 Q=5.31+0.6=5.91(M Pa) 液压泵流量的计算:由前面的计算得整个运动过程,液压缸的最大液压流量是q=178.6 L/min,因系统较简单,取漏油系数为=1.3Qp*Q=232.18 L/min根据以上计算查阅书本,选用规格相近的AF2F36闭式柱塞泵,排量63ml/r,转速4000r/min,流量为252l/min。选用马达型号为1yMD-100,排量3.140L/r,转速10-100 r/min 额定压力是16M Pa,最高转矩10KN.M 机械效率为91.5%5.9 液压泵站类型的选择上置式液压泵站结构紧凑,占地小,被广泛应用于中小功率液压系统中。非上置式液压泵站的液压泵组置于油箱液面以下,有效地改善了液压泵的吸入性能,且装置高度低,便于维修,适用于功率较大的液压系统。本设计非上置式液压泵站,振动小,液压泵工作条件好,清洗油箱容易。5.10油箱的设计油箱在系统中的功能主要是储存油液和散发系统中各工作元件工作时候散发的热量,同时还具有分离油液中的空气,以及沉淀杂质、净化污染的作用。油箱的设计应根据系统的具体条件,合理选用油箱的容积、形式和附件,以使油箱的作用充分发挥。油箱分为开式和闭式的两种。开式油箱应用广泛,油箱内液面与大气连通。为防止油液被大气锁污染,在油箱顶部是指空气滤清器,并兼作注油口。闭式油箱一般指采用矩形,对于不同系统流量应选用相应的工程容量。5.11 油箱容积的确定油箱容积的确定是油箱设计的关键。油箱的容积应能保证当系统有大量供油而无回油时,最低液面在进口过滤器之上,保证不会吸入空气,当系统有大量回油而无供油,或系统停止运转,油液返回油箱时,油液不会溢出。根据经验公式:V=a Qp经验系数a确定如下图系统类型行走机械低压系统中压系统锻压机械冶金机械a1-22-45-76-1210根据表,取a=5已知所选泵总流量是252L/min,这样液压泵每分钟排出压力油体积为0.252.所以 V=5*0.252=1.26()5.12 油箱附件的选择根据系统中油箱的尺寸要求,查机械设计手册,选用液位计型号为:YW2*250T,其中T表示带有温度计。5.13 空气滤清器的选择根据系统尺寸要求,查机械设计手册,选用空气冷却器的想你更好:EF6-80.5.14加热器的选择更具系统中邮箱的设计要求,查机械设计手册选用加热器型号为 SRY4-200/5.安装方法:安装在侧面,横向水平放置。5.15 吸油管处滤油器的选择根据系统的工作压力,查机械设计手册选用滤油器型号为YCX-250*100FC。5.16精滤油器的选择查机械设计手册选用精滤油器的型号:XU250*30FS。 5.17管路的设计管路是液压系统系统传递工作介质的各种油管的总称5.18管件尺寸的确定查阅有关的选定标准选定:管道内径d=2*所以d=2*=0.03656(m)缸筒壁厚=pdn/(2)=5*1000000*0.03656*8/800=2(mm)5.19 液压管路的连接方法本设计中液压管道的管接头采用扩口式的管接头,材料是20号钢。管路的连接选用螺纹连接。6 关键部件校核6.1 销轴校核为保证试验平台三个方向的自由运动,油缸与平台采用球铰进行连接。下面对球铰中用的销轴进行校核。6.1.1 水平运动球铰销轴校核由于销轴很短且主要受剪切力作用,因此对销轴进行切应力校核,销轴所用材料为Q235B。销轴切应力为:其中: F=576926N 油缸销轴水平外力; R=80mm 销轴半径; =25MPa Q235B许用剪切强度6.1.2 垂直运动球铰销轴校核由于销轴很短且主要受剪切力作用,因此对销轴进行切应力校核,销轴所用材料为Q235B。销轴切应力为:其中: F=648956N 油缸销轴水平外力; R=80mm 销轴半径; =25MPa Q235B许用剪切强度7 控制系统设计7.1 通信计算确定随着工业控制微型计算机由单机向多机系统发展或向分散型综合控制系统发展,就需要在各个工业控制微型计算机间进行数据通信,因而数据通信是任何过程控制系统不可缺少的一个组成部分。通信线路把检侧器、传感器和变送器连接到工业控制计算机,把现场的工业控制微计算机连接到控制室的监控计算机,把监控计算机连接到工广总部的管理计算机。用于工业过程控制系统的通信不同于以传递信息为主要目标的邮电通信,也不同于办公室自动化的计算机网络通信。它传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目的,因而用于工业的数据通信特别强调其可靠性、安全性和广泛的适用性。目前,在工业控制微型计算机系统中通常采用三种数据通信方法,它们是:标准通信总线,专用通信总线和过程数据公路。通信总线又称外总线,它用于工业控制徽型计算机与终端设备(CRT终端显示器、打字机和调制一解调器等)、仪器或其它设备间的通信,也用于系统与系统间的通信。通信总线又分为并行总线和串行总线两种。并行总线一般为位并行、字节串行形式,即数据宽度为一个字节,一次送一个字节连续传送。其优点是数据传物速率高,适用于短距离传翰,缺点是与串行总线相比要用更多的导线或电缆、成本较高。串行总线是完全位串行形式即一次送一位连续传送。其优点是所用导线或电缆少,成本低,适用于较远距离传摘,缺点是数据传艳速率比并行总线低。专用通信总线,在过程控制系统中,过程输入/输出装置和微机控制装置等往往都安装在远离中央控制室的现场,且工作环境通常有许多电磁干扰,要将这些现场的微机装置与中央控制室的计算机进行通信,就要采用高可靠性的数据通信总线。为此目的,国外各工业自动化仪表公司都研制专用通信总线以满足系统的需要。如美国Fox比ro公司的INTERSPEC总线、日本横河公司的F总线和日立公司的EX系列专用通信总线等。过程数据公路从本质上讲,标准通信总线和专用通信总线都用于实现计算机与终端(智能终端)间的通信,这种通信方式只有计算机才能主动请求通信,而终端总是处于从属位置。在工业控制微型计算机系统中往往要求在微型机装置间进行无主站方式通信,即N:N通信,在通信权上每个微型机装置都处于同等地位,这就需要采用七十年代后期发展起来的计算机局部地区网络(以N)技术。1979为年,IEC(国际电工委员会)将用于工业控制微型计算机分散型过程控制系统的数据通信正式定名为过程数据公路(process Data Highway),简称为PROWAY。鉴于三种通信方式的优缺点和试验平台的控制要求,选择专用通信总线技术作为试验平台的可控制通信技术。7.2 控制手柄选择试验平台采用手柄提供控制信号,由于本试验平台具有二个方向的运动控制要求,因此单个手柄不能满足控制要求,因此选择使用两个控制手柄进行平台运动控制。控制手柄选择Vickers Controls的液压远距离控制手柄HRC4-J1,控制手柄如图5.1所示。图 5.1 控制手柄7.3 控制器选择根据试验平台控制要求选择派芬EPEC2024,如图5.2所示。派芬EPEC2024控制器具有最优化的电子控制单元(CANopen兼容的ECU/PLC),可扮演控制系统中的多项角色,带有双CAN接口,可以与其他控制模块连接,也可与系统中其他通信设备连接,如电控柴油机和传感器,可编程控制器,CoDeSys软件编译程序,CANopen,CAN2.0B总线接口,52路IO,可承受100G冲击和震动。图5.2 EPEC2024控制器7.4 油缸位移传感器选择根据试验平台控制要求选择选择丹麦HBP HBLS型非接触式电涡流液压油缸位移传感器,其工作电压为12V,量程0-2000mm。传感器如图5.3所示。图5.3 传感器。7.5 控制系统原理本课题要求实现对平台三个方向的自由振动的控制,鉴于平台运动使用液压系统提供动力,因此选择流量信号最为控制信号,电控系统通过控制电磁比例换向阀进行三个方向运动的控制。建立控制系统原理图如图5.4所示。图5.4 控制原理图控制系统由手柄、CAN总线、电路保护、油缸长度传感器和控制器组成。当油缸操作者操作手柄时,手柄信号通过CAN总线传递给控制器,控制器进过逻辑判断后将控制信号传递给液压系统中的电磁比例换向阀,换向阀进行工作。此时油缸长度传感器时刻工作检测油缸位置,当油缸达到极限时,控制器进行控制信号的切换。8 结论本次毕业设计历时一个学期,是在大学四年所学知识的一次综合应用,它将理论与实际结合在一起,即总结了大学学习的重要内容,又给我们提供了应用所学知识和查阅有关资料的能力,是对大学四年学习的检验和完善。本次毕业设计,将机械、液压和控制结合在一起,突出体现了机械行业的发展方向,同时,各学科之间交叉与综合的运用,也是机械学科未来的发展方向。本次设计是以液动方式实现振动平台的上下与左右的激振,传动平稳,结构简单。根据平台载荷与运动情况确定液压缸的缸径尺寸,液压泵液压马达等的型号。通过有关部件的校核计算来确定零部件的尺寸和型号,再运用AutoCAD制图画出装配图,使设计更合理,再运用PLC编程控制器实现其自动化生产,提高加工精度,这些都充分体现了现代设计的优越性。通过这次毕业设计,我学会了如何查阅资料,如何应用自已所学知识进行设计,深刻体会了所学知识的重要性,以及使所学知识联系起来成为一个系统的整体的必要性,逐渐形成一套自己提出问题、分析问题、最后解决问题的整套思路。这些宝贵财富都会使自己在将来的学习和工作中受益匪浅。 参考文献【1】 张卫华,普京 机车车辆滚动激振试验台的发展及我国整车试验台的研制A 。机械科技的未来青年科学家论坛M。北京:机械工业出版社,1993.【2】 陈良麒,张卫华,陈建政。机车车辆滚动振动试验台和试验方法【J】。西南佳通大学学报,1997,32(2):208213.【3】 张卫华。铁路机车车辆运行模拟研究【D】。成都:西南交通大学,1996【4】 周文祥,连级三,郭育华。滚动振动试验台电气传动系统研制。西南交通大学学报,1994;29(3):294【5】 彭忆强 应用于机车车辆滚动振动试验台的计算机控制系统。计算机应用,1995;15(专辑):152154【6】 张卫华,徐涛。铁路高速机车车辆运行品质预测的最佳途径。见:王金诺主编。险难交通大学百周年校庆论文集,成都:西南交通大学出版社1996:4042【7】 王福天 车辆系统动力学。北京:中国铁道出版社,1994:1623【8】 彭忆强 在滚动振动试验台上再现轨道实况的一种说法。西南交通大学学报,1995;30(6):662666【9】 Alfred Jaschinski,Hugues Chollet,Simon Iwnicki, et al.The Application of Roller Rigs to railway Vehicle DynamicsJ. Vehicle System Dynamics,1999 ,31(5_6): 345-392.【10】 Masayuki Miyamoto. JR Rolling Stock Testing Plant Capable of Testing at a Speed of 500 km/J. QR of RTRI, 1991,32(4);211212【11】 Vitrano F, Plego U. Le prove su veicoli ferroviari mediante banco a rulli J. Ingegneria Ferroviaria, 1993 , 48(7):480492【12】 宫元照 东风4型内燃机车定制试验台 内燃机车 1999,2;18-20【13】濮良贵 纪名刚 机械设计基础 北京:高等交易出版社 致谢 感谢韩老师在这段时间内对我的毕业设计的悉心指导,使我加深了机械设计的理论实践和液压系统的设计。30
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