轨道车辆精密轴承压装装置机械结构设计与分析.pdf

轨道车辆精密轴承压装装置机械结构设计与分析杨婷婷 兰清群基金 项 目:年 安 徽 省 级 教 学 团 队(编 号)年 安 徽 省 高 校 自 然 科 学 研 究 项 目(编 号)和 城市轨道车辆应用技术专业中国特色学徒制(编号)的成果之一收稿日期:第一作者简介:杨婷婷()安徽六安人 硕士 讲师 研究方向:车辆结构设计及优化:(安徽交通职业技术学院 安徽合肥)摘要:针对传统轨道车辆轴承装配过程中 易出现轴承压装设备工作效率低、人工干预比较大、压装效果差等问题 文章设计了一种轨道车辆精密轴承压装装置 通过运动台的设计 实现了运动与动力的传输 通过双向运动棒轴承压装装置 实现了轴两端一起同时进行轴承安装的功能 设计的轴承压装装置压装效率高 效果好 达到精密轴承压装的技术要求 采用 软件设计精密轴承压装装置零部件三维图 并对核心部件进行了有限元分析 采用 软件进行了运动学与动力学分析 关键词:轨道车辆轴承 压装 机械结构设计 有限元分析 中图分类号:文献标识码:文章编号:()():/在城市轨道车辆中 只要是转动旋转的地方都用到轴承 轴承是轨道车辆设备中一种重要零部件 它的主要功能是支撑机械旋转体 降低其运动过程中的摩擦系数 并保证其回转精度根据零件配合的松紧程度的不同要求 配合分为间隙配合、过渡配合和过盈配合 转轴的两端均需要安装轴承 但目前传统的机械设备安装轴承时 都是将轴承依次的在轴两端进行安装无法在轴的两端一起同时安装 而且还需要人工配合作业来完成润滑油的涂抹与上下料 从而给生产带来不便 生产效率较低 装配效果较差通过调研国内外轨道车辆精密轴承压装设备的技术发展 归纳传统的轨道车辆精密轴承压装设备具有以下问题:当前的轴承压装设备工作效率低、人工干预比较大、压装效果差 需要人工配合作业来完成润滑油的涂抹 需要人工配合作业来完成轴与轴承的上下料 因此对轴承压装特点、润滑油涂抹方法、轴与轴承的上下料装置等的研究 能够推动轨道车辆精密轴承压装方式的升级 所以新型轨道车辆精密轴承压装装置对于轴承压装效率、稳定性以及轴承压装质量具有重要的意义 研究内容该设计以提升轨道车辆精密轴承压装效率和稳定性为目标 重点探索润滑油涂抹方法、轴与轴承的上下料装置、废液收集装置等压装的核心机构 以便设计一种轨道车辆精密轴承压装装置该车辆轴承压装装置工作稳定性能好、压装效率高 满足市场对车辆精密轴承压装装置技术的更高需求 环顾国内外各企业和研究所重视轨道车辆轴承压装装置的研制来看 特别是润滑油的涂抹方式与轴与轴承的上下料技术 推断出轨道车辆精密轴承压装装置在压装过程中表现的缺点进行分析 得到轨道车辆精密轴承压装技术的研制路径 轨道车辆精密轴承压装装置的创新性设计如下:()设计运动台 研制动力装置机械结构实现运动与动力稳定的传输(总第 期)(.)年第 期 九江学院学报(自然科学版)()()研制润滑油涂抹装置 实现润滑油自动涂抹 有效地提高工作效率()研制轴与轴承的上下料装置 实现自动上下料 有效的解决了人工干预上下料的问题()研制双向轴承压装装置 实现在轴的两端一起同时安装轴承功能 有效的解决了轴承压本轨道车辆精密轴承压装装置 包括工作台机架、压装装置、喷油装置、废油收集装置 轨道车辆精密轴承压装装置机构运动简图 如图 所示图 轨道车辆精密轴承压装装置机构运动简图 机械结构设计 工作台工作台分为上钢架与下钢架 上钢架与下钢架为一个整体的钢架结构 上钢架中间部位两侧设计有安装凹口 上钢架前端两侧设计为弯曲面工作台长度为 宽度为 高度为 材料为 工作台的机械结构如图 所示图 工作台机械结构 压装装置压装装置包括运动台 运动台安装在工作台上方 运动台下方活动安装有限位条 限位条的一端与工作台的一端安装 运动台下方的另一侧安装有齿条 工作台底部安装有步进电机 步进电机的输出轴安装有圆柱直齿轮 圆柱直齿轮与齿条啮合传动 静止腔的一侧开设有侧槽口 静止腔的一端设计有下料口 静止腔的上方安装有下料储存腔 下料储存腔通过下料口与静止腔固定插接 运动台长度为 宽度为 材料为 电机选用 步进电机压装装置的机械结构仰视图 如图 所示 压装装置的机械结构俯视图 如图 所示图 压装装置机械结构仰视图图 压装装置机械结构俯视图 喷油装置两个静止腔的内部均设计有活动的运动棒运动棒一端设计有配合槽 运动棒的另一端开设有凹槽 配合槽内部的圆周方向设计有若干个喷油通道 喷油通道与凹槽连通 喷油通道的另一端位于配合槽的外侧并向配合槽的方向倾斜 运动棒的外侧安装有过渡件 过渡件在侧槽口的内侧滑动 两个静止腔的内部均安装有塑料腔 塑料腔的一端固定安装在凹槽的内部 塑料腔的进口与出口均安装有单向阀 工作台底部的安装有储油箱 储油箱依次连通有进油管、塑料腔、喷油通道 运动台的两侧均设计有连杆 连杆的一端与运动台的一端转动连接 连杆的另一端与过渡件转动连接 运动台靠近静止腔一端的两侧均安装 有 推 杆 运 动 棒 长 度 为 直 径 为 材料选用 合金钢 静止腔长度为 直径为 材料为 运动棒的机械结构剖视图如图 所示 压装装置机械结构横向剖视图如图 所示 纵向剖视图如图 所示第 期 杨婷婷 等:轨道车辆精密轴承压装装置机械结构设计与分析图 运动棒机械结构剖视图图 压装装置机械结构横向剖视图图 压装装置机械结构纵向剖视图 废油收集装置废油收集装置包括与工作台固定安装的接油箱 接油箱位于静止腔的下方 接油箱的上端滑动连接有倒 形盖板 倒 形盖板通过弹簧与运动台安装 接油箱与倒 形盖板使用滑槽的方式滑动连接 倒 形盖板设计成 形 一端位于接油箱的外侧 另一端位于接油箱的内侧 从而在倒 形盖板被拉动时 不会与接油箱发生脱离接油箱长度为 宽度为 高度为 材料选用 废油收集装置的机械结构如图 所示图 废油收集装置机械结构 轴承压装装置机械结构总成压装装置安装在工作台的上端 静止腔安装在工作台上的两个安装凹口上 废油收集装置安装在工作台的两侧 工作台的上方固定安装有轴放置筒 轴放置筒的底端位于运动台的上方 进油管包括硬直管与软管 硬直管与软管相互连通硬直管的一端从静止腔远离工作台的一端插接在静止腔的内部 且硬直管的一端与塑料腔的进口连通 软管的一端与储油箱内侧的底部连通 轨道车轮精密轴承压装装置整体长度为 总宽度为 总高度为 轨道车轮精密轴承压装装置整体机械总成如图 所示图 轨道车轮精密轴承压装装置整体机械总成 运动功能分析 动力传输将两个下料储存腔的内部均放置上多个轴承在初始状态下 运动台处于最远离静止腔的一端此时运动棒处于静止腔最靠近工作台中部的一端且运动棒将下料口挡住 步进电机可通过圆柱直齿轮带动齿条 使齿条和运动台一起移动 通过步进电机的正反转 可以实现运动台在工作台上来回的移动 上料与喷油压装时 首先将待压装轴放置在推杆的一端然后步进电机带动运动台向安装凹口的方向移动此时推杆可以将待压装轴向安装凹口的方向推动运动台通过两侧的连杆将两个运动棒向两侧推动当待压装轴的两端被推至两个安装凹口的内部时运动台不再向前移动 此过程中运动棒向两侧移动 当运动棒越过下料口后 下料储存腔内部的轴承落到静止腔的内部 然后塑料腔与静止腔的端壁接触并且被挤压 此时塑料腔内部的润滑油则通过塑料腔出口的单向阀进入凹槽并从喷油通道喷出 喷到落下的轴承的内圈内壁上九江学院学报(自然科学版)年第 期 压装当步进电机带动运动台向后移动时 此时运动台通过两侧的连杆带动两个运动棒向中部移动塑料腔为橡胶囊 形状可以恢复 可以将储油箱内部的润滑油通过进油管和进口的单向阀吸入塑料腔的内部 运动棒将落下的轴承向中部推动将轴承推至待压装轴的两端并压装 通过配合槽的设计 待压装轴的两端可伸入配合槽的内部并与端壁顶住 顶住后即完成压装 此时运动台又恢复至初始的位置重复上述压装的过程 当下一次将待压装轴推至安装凹口的内部时 后一个待压装轴可以将前一个已经压装好的待压装轴推出 通过压装装置的设计 利用运动台的来回移动 不仅可以将待压装轴推至待压装的位置 而且可以带动运动棒将两个轴承压装至待压装轴的两端 同时通过塑料腔的挤压 可以对轴承的内圈喷润滑油 以减少摩擦便于压装 废油收集当运动台向后移动时 此时是将轴承压装在待压装轴两端的过程 运动台可以通过弹簧将倒 形盖板从接油箱上拉开 从而压装过程中 从轴承内圈滴落的润滑油会流进接油箱的内部 当运动台向前移动时 倒 形盖板又将接油箱关闭通过废油收集装置 可以在运动台前后移动的过程中 控制倒 形盖板的打开和关闭 可以回收压装过程中使用的润滑油 以降低生产成本 运动学与动力学分析用 软件进行压装装置的部件设计与结构总成设计后 圆柱直齿轮的传动轴是重要的传动部件 现对圆柱直齿轮的传动轴进行运动学与动力学分析 打开 软件 导入 三维模型 添加部件材料特征与运动副约束 传 动 轴 的 材 料 为 合 金 钢 弹 性 模 量 为 泊松比为 传动轴的运动路径为:先正向转动 再停止运动 最后反向转动 再停止运动 传动轴正向转动 时 带动运动台向前移动 轴承压装装置完成上料与喷油工序 传动轴反向转动 时 带动运动台向后移动 轴承压装装置完成压装工序 传动轴的角位移如图 所示 角速度如图 所示 角加速度如图 所示图 传动轴的角位移图 传动轴的角速度图 传动轴的角加速度图 传动轴的扭矩图结合分析数据可知 时 传动轴的角位移为 角速度为 角加速度为 时 传动轴角位移由 变为 角速度先从 上升为/再下降为 角加速度从 突变为/再下降为/时传动轴角位移保持为 角速度保持为 角加速度保持为 时 传动轴角位移由 变为 角速度从 下降为/再上升为 角加速度从 突变为/再上升为/时 传动轴的角位移为 角速度为 角加速度为 传动轴作为电机动力输出的重要部件 其受力比较复杂 现对传动轴在 软件中做扭矩分析 传动轴动力学分析后的扭矩图如图 所示动力学分析后可知 时 传动轴的扭矩趋于平稳 保持在 时 传动轴第 期 杨婷婷 等:轨道车辆精密轴承压装装置机械结构设计与分析的扭矩先突降为 再从 平稳上升为 时 传动轴的扭矩先突降为 再平稳降为 的过程中 传动轴的扭矩呈对称分布 电机满足使用要求 有限元分析该轨道车辆精密轴承压装装置中 起到压装功能的执行部件为运动棒 该部件功能较多 受力情况也比较复杂 运动棒的运动精度会直接影响到轴承的装配精度 所以需要对运动棒进行有限元分析 运动棒的材料为 合金钢弹性模量为 泊松比为 质量密度为/屈服强度为 在 软件中打开运动棒三维模型 设置节点数为 单元数为 添加材料特征与约束 进行有限元分析 运动棒应力分布云如图 所示 运动棒应变分布云如图 所示图 运动棒应力分布云图图 运动棒应变分布云运动棒应力最大值为过渡杆的圆孔处 应力最大值为 过渡杆从圆孔处到运动棒主体外侧壁之间 应力逐渐减小 运动棒主题的应力较小 可以忽略 因为运动棒选用的材料为 合金钢 屈服强度为 所以设计的运动棒的应力满足要求 运动棒应变最大 值 为 过 渡 杆 的 圆 孔 处 最 大 应 变 为 其余部位应变较小 可以可以忽略 所以设计的运动棒的应变满足要求模态分析的对象为工作台机架 现对工作台机架进行 阶模态分析 推出工作台机架的各阶振型及频率 工作台机架 阶振型如图 所示 阶振型如图 所示 阶振型如图 所示图 工作台机架 阶振型图图 工作台机架 阶振型图图 工作台机架 阶振型图工作台机架的第 阶振型 频率为 振动幅度最大处为上弧杆的最顶部 振动幅度从上弧杆的最外侧顺延斜杆逐渐减小 工作台机架其他部位的振动幅度忽略不计 工作台机架的第 阶振型 频率为 振动幅度最大处为左侧上弧杆的最顶部 工作台机架的第 阶振型频率为 振动幅度最大处为右侧上弧杆的最顶部 结语针对传统轨道车辆精密轴承装配工作中 易出现轴承压装设备工作效率低、稳定性差、轴承压装效果差等问题 对轨道车辆精密轴承压装装九江学院学报(自然科学版)年第 期置进行了结构设计 完成了各零件的三维建模并装配成轴承压装装置 利用 工具对轨道车辆精密轴承压装装置的核心部件运动棒进行有限元分析 最后对精密轴承装配装置工作台机架进行了模态分析 得到精密轴承装配装置工作台机架的固有频率特征 设计的轨道车辆精密轴承压装装置 有效地解决了当前轴承压装设备工作效率低、稳定性差、压装效果差的问题 有效地解决了需要人工配合作业来完成润滑油的涂抹的问题 有效地解决了需要人工配合作业来完成轴与轴承的上下料的问题 该研究为轨道车辆精密轴承压装装置的设计提供了方法依据参考文献:王东峰 王智勇 王燕霜 等.双向推力角接触球轴承装配高和高度的精确控制.轴承 ():.王丽敏 王俊强 杨志杰 等.面向装配线的滚动轴承组安装质量测量方法研究.邢台职业技术学院学报 ():.雒小龙.喷气织机轴承装配工艺的改进.纺织器材 ():.梁霞.机械设备轴承零件装配技术问题.中国高新科技 ():.蒋立正 尤光辉 祝洲杰.智能制造背景下电机装配线轴承压装工作站改进设计.机电工程技术 ():.杨硕林 陈锦源 张华 等.青贮玉米收获机械喂入粉碎装置设计.山东农业工程学院学报 ():.郭进田 王宝庆 郭超.高精度智能型转速表设计.西安文理学院学报 ():.吴文锦 郭高智 周昌兰 等.曲柄滑块式折叠翼机构设计与仿真分析.黑龙江工业学院学报 ():.陈华 郭家伟 谈波 等.可重构式车轮机构研究与设计.黑龙江工业学院学报 ():.方华杰 钟相强 邸志民.基于 的工程机械悬挂件逆向设计及仿真.黑河学院学报 ():.().(责任编辑 王一诺)第 期 杨婷婷 等:轨道车辆精密轴承压装装置机械结构设计与分析