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火车缓冲箱内壁旋转摇头悬挂抛丸机

文章出处:未知 编辑:抛丸机发表时间:2018-11-23 22:16:37 浏览人数:1146,1,0
  摘要:为提高火车缓冲箱内壁抛丸质量, 降低人力成本, 提出了1种新型火车缓冲箱内壁抛丸旋转摇头悬挂系统结构方案, 抛丸时使倒挂的火车缓冲箱可同时做旋转与摇头运动, 缓冲箱内壁从不同角度接受抛丸机抛头抛出的弹丸冲击, 全方位清理, 抛丸彻底。分别设计了该系统的主驱动装置、旋转装置、摇头装置, 并用ANSYSApp对悬挂系统的行星轮系各个齿轮进行了力学分析, 强度满足要求。为火车缓冲箱内壁抛丸旋转摇头悬挂系统的开发提供了理论引导。


  抛丸作为1种表面处理方法已在各行各业得到了广泛应用[1,2,3,4]。火车缓冲箱承受巨大的连挂冲击和纵向力, 对保护铁路运输安全至关重要图6 旋转装置左视图, 火车缓冲箱在制造过程中也需要进行内壁抛丸清理, 传统方法是通过吊钩和铁链组合将缓冲箱倒挂在抛丸机中进行抛丸处理, 抛丸时缓冲箱内壁存在死角, 抛丸不彻底, 合格率只有50%左右, 必须采用手工喷丸对缓冲箱内壁重新清理, 工作量大, 效率低, 浪费人工。为此, 有必要研究1种新型的火车缓冲箱内壁抛丸旋转摇头悬挂系统, 以降低工作强度, 提高抛丸合格率。有限元分析是结构设计的1个有效的力学分析工具[6,7,8], 特别是在齿轮强度分析中广泛被采用[9,10,11], 因此本文对火车缓冲箱内壁抛丸旋转摇头悬挂系统关键部件行星轮系各齿轮进行了有限元力学分析, 在此基础上成功设计了火车缓冲箱内壁抛丸旋转摇头悬挂系统, 为实际制造提供了理论依据。

  1 火车缓冲箱内壁抛丸问题分析

  火车缓冲箱内壁清理方法是把缓冲箱成组吊运至抛丸机内进行抛丸。图1 (a) 为传统的吊装悬挂系统照片, 可以看出倒置的火车缓冲箱简单随意的悬挂在抛丸机中, 由于采用柔性钢链悬挂, 所以个别火车缓冲箱处以倾斜状态, 且倾斜角度不可控。图1 (b) 为传统的吊装悬挂系统抛丸示意图。A表示火车缓冲箱内壁, 虽设置4个抛丸装置, 从4个不同方向抛丸, 但是一旦每个火车缓冲箱被倒挂后, 其位置状态几乎不变, 而抛丸机抛头位置也已固定, 所以抛丸时缓冲箱内壁总有钢丸颗粒打不到的地方, 严重影响缓冲箱内壁表面质量。

  2 新型悬挂系统整体方案确定

  针对火车缓冲箱内壁抛丸存在的问题, 提出通过使倒挂的火车缓冲箱即做旋转运动又做摇头运动的方法, 使弹丸充分打到缓冲箱内壁各个部分, 以实现完全清理。主要方案见图2, 火车缓冲箱内壁抛丸旋转摇头悬挂系统包括:防转导向板、旋转装置、摇头装置、主驱动装置、电磁铁。

  图1 传统的吊装悬挂系统抛丸图

  图1 传统的吊装悬挂系统抛丸图
  1.火车缓冲箱2.抛丸装置

  图2 新型悬挂系统方案

  图2 新型悬挂系统方案

  1.抛丸装置2.火车缓冲箱3.电磁铁4.旋转装置5.摇头装置6.主驱动装置7.抛丸机顶板8.防转导向板

  工作原理如图3所示。主驱动装置使主轴旋转, 带动5、6所示旋转装置的旋转体绕主轴中心线旋转 (见图2) , 防转导向板8焊接在抛丸机顶板上, 可防基板旋转, 电磁铁安装在摇动盘上部背侧, 旋转体绕主轴中心线旋转时, 摇动盘也绕主轴中心线旋转;同时主轴旋转时使安装在下部的曲柄转动, 摇臂上部细端也绕主轴中心线转动, 同时摇臂与横向转动销绕横向转动销中心线转动, 摆圈与摆圈销轴一起绕摆圈销轴中心线转动, 综合表现为摇动盘的摇头动作。这样摇动盘既绕主轴中心线旋转又自身做摇头动作, 通过电磁铁安装在摇动盘上的倒挂的火车缓冲箱也随摇动盘相应做旋转摇头动作。抛丸时弹丸可从不同角度冲击缓冲箱内壁, 不留死角, 清理彻底完全。

  图3 主驱动装置主视图

  图3 主驱动装置主视图

  3 各装置设计

  3.1 主驱动装置

  图4 主驱动装置左视图

  图4 主驱动装置左视图

  1.电机2.减速机3.主动齿轮4.托板5.主轴齿轮6.主轴7.抛丸机顶板

  主驱动装置见图3、图4, 包括:托板、承重板、减速机、承重螺栓、圆锥滚子轴承、主轴齿轮、主轴、电机、主动齿轮。电机驱动减速机上端安装的主动齿轮旋转, 带动主轴齿轮旋转, 从而使主轴旋转。主轴上端通过承重螺栓连接承重板, 承重板压在圆锥滚子轴承上, 圆锥滚子轴承安装在托板上, 所以主轴旋转时, 托板可以不转。

  3.2 旋转装置

  旋转装置见图5、图6, 包括:内齿轮、承重盖螺栓、承重盖、中心轮、承重盖滚子轴承、深沟球轴承、球轴承座螺栓、球轴承座、导板、导向座、固定螺栓、导向座螺栓、基板、基板螺栓、旋转座、滚子、丝杠、旋转体、摇头装置座, 摆圈销轴、行星轮、行星轴轴承、行星轴、行星轴座、行星轴座螺栓、内齿轮座、内齿轮固定螺栓。承重盖通过承重盖螺栓与内齿轮连接, 内齿轮固定于内齿轮座, 内齿轮座通过螺栓连接于基板, 同时内齿轮座通过基板螺栓把旋转座固定于内齿轮座和基板之间。深沟球轴承安装于球轴承座内, 球轴承座通安装在导向座上, 当转动丝杠时, 可对球轴承座进行微调, 便于主轴安装, 并使主轴沿丝杠轴线方向定位, 当主轴旋转时, 安装在主轴上的中心轮旋转, 带动行星轮自转, 行星轮与内齿轮啮合, 内齿轮固定, 所以行星轮沿着内齿轮绕主轴旋转。行星轮安装在行星轴上, 行星轴通过行星轴轴承连接在行星轴座上, 而行星轴座通过行星轴座螺栓连接在导向座上, 导向座与旋转体通过导向座螺栓连接。所以行星轴带动旋转体绕主轴中心线旋转。承重盖、内齿轮、内齿轮座、基板固定在一起, 又受到防转导向板的限制, 所以承重盖、内齿轮、内齿轮座、基板做为一整体不旋转, 承重盖与主轴之间安装有承重盖滚子轴承, 所以主轴可以旋转。旋转体通过固定螺栓安装了摇头装置座, 摇头装置安装在摇头装置座上, 所以当旋转体旋转时, 摇头装置也旋转。

  图5 旋转装置主视图

  图5 旋转装置主视图

  1.内齿轮座2.防转导向板3.内齿轮4.承重盖螺栓5.承重盖6.中心轮7.抛丸机顶板8.承重盖滚子轴承9.主轴10.深沟球轴承11.球轴承座螺栓12.球轴承座13.导板14.导向座15.固定螺栓16.导向座螺栓17.基板18.基板螺栓19.旋转座20.滚子21.摇头装置22.摆圈销轴23.摇头装置座24.丝杠25.旋转体

  图6 旋转装置左视图

  图6 旋转装置左视图

  1.内齿轮固定螺栓2.丝杠3.导板4.主轴5.中心轮6.行星轮7.行星轴8.行星轴座9.内齿轮10.行星轴座螺栓11.行星轴轴承12.摇头装置13.摆圈销轴14.球轴承座15.摇头装置座16.内齿轮座

  3.3 摇头装置

  摇头装置如图7所示, 包括:摇头装置座、摆圈销轴、曲柄、曲柄销、摇臂、摆圈、横向转动销、锁紧销、摇动盘。曲柄安装在主轴下端, 曲柄通过转动销与摇臂上端相连, 摇臂中部通过横向转动销与摆圈相连, 摆圈通过摆圈销轴搭在摇头装置座上。摇动盘通过锁紧销安装在摇臂上, 主轴旋转时使安装在下部的曲柄转动, 摇臂上部细端通过曲柄销安装在曲柄上, 曲柄绕主轴中心线转动时, 摇臂上部细端也绕主轴中心线转动, 同时摇臂与横向转动销绕横向转动销中心线转动, 摆圈与摆圈销轴一起绕摆圈销轴中心线转动, 综合表现为摇动盘的摇头动作。

  4 行星轮系静力分析

  行星轮系如图8所示:由中心轮、行星轮、内齿轮构成。主要完成旋转运动, 在本系统中具有非常重要的作用, 有必要对其进行力学分析。

  分别利用Solidworks建立中心轮、行星轮、内齿轮3维模型, 导入ANSYS中, 完成有限元模型建立。材料均为40Cr (调质) , 其屈服极限为785 MPa, 弹性模量为2.06×1011Pa, 泊松比为0.3, 密度为7.82×103kg/m3。采用8节点四面体单元 (solid 185) , 智能划分网格, 精度为3级。

  图7 摇头装置

  图7 摇头装置

  图8 行星轮系结构

  图8 行星轮系结构

  4.1 中心轮分析结果

  中心轮网格划分如图9所示, 共10 423个节点。对齿轮内圆表面施加约束, 并向轮齿施加面载荷。图10显示齿轮正常工作时最大等效应变为0.026 8 mm, 变形量极小。图11显示轮齿所受最大应力为218 MPa, 最大应力出现在轮齿中间, 而且应力主要分布在靠近分度圆附近, 齿轮受到的应力远小于材料的屈服极限785MPa, 安全系数为785/218=3.6, 因为齿轮的接触强度安全系数在高可靠度的使用要求下一般为1.5-1.6图1 3 与内齿轮接触部分应力, 所以安全系数较大, 强度足够。

  图9 中心轮网格划分

  图9 中心轮网格划分

  4.2 行星轮分析结果

  行星轮网格如图12所示, 节点数为61 710。由图13可得行星轮齿与内齿轮接触最大应力为114.169 MPa, 安全系数为785/114.169=6.88, 图14显示与中心轮接触部分最大应力为109.286 MPa, 齿轮受到的应力远小于材料的屈服极限, 安全系数为785/109.286=7.18, 强度足够, 满足要求。图15展示齿轮正常工作时最大等效应变为0.051 1mm, 变形量较小。

  图1 0 接触区域应变

  图1 0 接触区域应变

  图1 1 接触区域等效应力

  图1 1 接触区域等效应力

  图1 2 行星轮网格划分

  图1 2 行星轮网格划分

  图1 3 与内齿轮接触部分应力

  图1 3 与内齿轮接触部分应力

  4.3 内齿轮分析结果

  内齿轮网格如图16所示, 节点数为43 460。图17显示轮齿所受最大应力为88.049 4 MPa, 最大应力出现在轮齿中间, 而且应力主要分布在靠近分度圆附近, 齿顶应力分布极小, 齿轮受到的应力远小于材料的屈服极限, 安全系数为785/88.0494=8.92, 足够大, 强度满足要求。图18展示齿轮正常工作时最大等效应变为0.005 958mm, 变形量小。

  图1 4 与中心轮接触部分应力

  图1 4 与中心轮接触部分应力

  图1 5 行星轮整体变形

  图1 5 行星轮整体变形

  图1 6 内齿轮网格划分

  图1 6 内齿轮网格划分

  图1 7 内齿轮接触区域应力

  图1 7 内齿轮接触区域应力

  图1 8 内齿轮接触区域应变

  图1 8 内齿轮接触区域应变 

  5 结论

  本文完成了1种新型火车缓冲箱内壁抛丸旋转摇头悬挂系统设计, 采用电机驱动通过行星轮系实现倒挂的火车缓冲箱旋转, 通过曲柄旋转实现摇头动作, 利用ANSYSApp对行星轮系各齿轮进行了力学分析, 各部分强度符合力学性能要求, 为火车缓冲箱内壁抛丸旋转摇头悬挂系统的制作提供了理论支撑。
本文来源青岛华盛泰抛丸机:/jishu/1146.html
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