高速机车垂向减震器设计说明书

本科毕业设计 (论文)

高速机车垂向减震器试验台设计

Design of Experimental Bench for High-speed Train Vertical Dampers

学院：机械工程学院

专业班级：机械设计制造及其自动化

学生姓名：学号：

指导教师：

年月

高速机车垂向减震器试验台设计

摘要：高速机车运行现在有着好多问题，比如运行的安全性，可靠性,稳定性，舒适性等,需要做好多研究。减震器是高速机车驾驶中必不可少的一个机构,其性能直接影响到以上问题，油压减振器工厂是否有先进可靠地减震器试验台装置是检查和日常维护的关键。

本文参考和研究了国内外机车油压减震器的现状,分析了当前在使用的几种常见油压减振器的作用,原理,特点,方向，结合我国的实际情况,设计了一种低成本的微机控制的油压减振器试验台方案。试验台采用了微机分析和闭环速度控制技术,可使用正弦激励振动来测试油压减振器性能。

关键词：阻尼器;实验台;发展

Design of Experimental Bench for High-speed Train Vertical

Dampers

Abstract:High-speed locomotive running now has a lot of problems, such as running safety, reliability, stability, comfort, etc., need to do more research.Shock absorber is essential to high speed locomotive driving an institution, its performance directly affects the above problems, whether the hydraulic shock absorber factory with advanced and reliable shock absorber test-bed device is the key to the inspection and maintenance.

This paper reference and research at home and abroad the status quo of the locomotive hydraulic shock absorber, the analysis of the cmance test.

Keywords: damper ;experimental bench ;development

目录

1 绪论 (1)

1.1课题研究的背景意义，国内外研究现状、水平和发展趋势 (1)

1.2 国内外油压减振器试验台现状分析 (1)

1.3 课题研究的方法、内容与目的 (5)

2 机车油压减振器的作用和性能 (7)

2.1 机车油压减振器的工作原理 (7)

3垂向油压减振器试验台系统方案设计 (10)

3.1 试验台测试的主要内容 (10)

3.2 试验台工作原理 (11)

4 试验台机械系统的设计和计算 (14)

4.1 电动机的选择 (14)

4.2 选择v带轮 (15)

4.3 减速器的设计计算 (16)

(3)低速轴设计 (20)

4.4 连杆的的选择 (23)

4.5 力传感器,位移传感器的选择 (24)

4.6 滑块的选择 (24)

4.7 夹头的选择 (25)

4.8 试验台箱体的选择 (26)

结论............................................. 错误！未定义书签。致谢............................................. 错误！未定义书签。参考文献........................................... 错误！未定义书签。

1 绪论

1.1课题研究的背景意义，国内外研究现状、水平和发展趋势

现在人们对机车行驶时的舒适度，稳定性，制动时的平稳性等性能要求越来越高。所以人们一直在进行着机车减震器的研究。机车减震器是安装在机车底部和负重轮之间的一个阻尼元件，它的作用是降低机车在行驶和制动时的震动。而如何检测减震器的好坏，就需要用到油压减震器试验台。

1.2 国内外油压减振器试验台现状分析

现在，所有的机动车都装有减震器，所以检测和制造减震器的时候都会用到检测其性能好坏的油压减震器试验台。在六十年代初，青岛的四方车辆研究所研发了最早一代的减震器试验台。

想要检测油压减震器的性能，从原理上来说只要有一个可以使其产生振动的设备和一个记录下它振动特性的设备，从它振动特性上来分析得出减震器的性能好坏。所以油压减震器试验台也只需要这两个部分即可实现对减震器的检测。目前油压减震器试验台可以根据作用形式风味机械式和液压式，根据其运动方式分为手动式，开环式和闭环式等等。以下有三种典型的试验台[1][2[3][4][5][6][7]

1 机械测力式试验台

上面提到的六十年代初四方车辆研究所研发的早期试验台，就是属于机械测力式试验台，有J81，J85两种型号，前苏联的铁路工厂也配备了这种类型的试验台。J85试验台主要参数有：偏心轴转速62 r / min,可调行程0 ~ 160毫米,液压减震器安装距离350 - 350毫米,扭臂长300毫米,绘画笔长720毫米,电源电压380 v,电动机5.5千瓦,安装尺寸1791 x1100x899mm;净重1675公斤。

J85试验台是主要由曲柄连杆机构，以及一个可以记录减震器振动情况的扭杆臂等组成的试验台，它的具体结构如图1-1所示。这个试验台结构简单，由于使用的全是机械类零件，所以价格也便宜。这个试验台能够测试减震器在某些频率震动下的性能，看出其性能的方式是由绘图记录板所画的示功图。这种减震器试验台可以满足一般检测要求，但由于它的工作效率比较低，需要等待绘图记录板绘图完毕才可看出，而且数据的准确性也较差，现在已经很少使用。

2 机械测力式简单改进版，通过传感器及微机数据处理的试验台

经过J85改造后的J95，J99，就是机械测力并由传感器和微机构成的新一代油压减震器试验台。J95的机械传动部分并没有太大改变，主要是测试系统变化了，机械传动部分由于由两套曲柄连杆机构组成，所以可以测试垂向和横向两个方向。

图1-2 J95型双向油压减震器试验台外形结构总图

J95型的油压减震器试验台的测试部分是由两个传感器，分别是力传感器和速度传感器，然后经过具有信号放大作用的A/D转换器，传输到计算机进行数据处理，然后通过显示器直观的显示出其示功图以及一些其他的关系图表。

在J95型的基础上又将其计算机软件更新，并且原先的双速电动机改为变频调速交流电机，成为了J99型。J99型油压减震器试验台的性能良好，基本上能满足国内需求。基于有些减震器的特殊性，不能测试。

图1-3 数据采集与处理系统框图

图1-4 在J95型试验台上测试的减震器示功图和实验结果

3 使用液压系统作为激振，然后结合传感器和计算机类的试验台

德国SACHS公司研制的液压伺服减振器试验台就是其中的典型如图1-5

液压伺服试验台和上面的几种试验台相比有以下特点:

①它的能测试的减震器种类全面。

②在液压伺服系统的控制下能实现高速的准确的性能测试，可以方便调节其振动频率，速度等等。

③在准确控制下它可以产生各种波形的形状。

④液压系统维护和制造需要的造价比较昂贵。

图1-5 SACHS液压伺服减震器试验台简图

图中的实线部分是垂直减振器、横向减振器为虚线部分。

1.3 课题研究的方法、内容与目的

基于上述分析,机械和液压试验台各有各的特点,液压伺服试验台通常依赖进口,价格昂贵,通常一般生产单位可以处理。其成本主要是因为部分是电液伺服系统,其加工精度相当高,国内生产几乎不可能,只能依赖进口。如果取代高成本的电液伺服系统机械曲柄连杆机构,将很多降低成本，数据采集和分析部分,可以使用设备,如传感器、微机,印刷设备,它的多功能性很好,产量大,价格也低。可以参考j95设计理念做出改进

结合原试验台的优点和缺点,我们将考虑主要来自以下几个方面:

分析了油压减振器的工作原理,研究了减振器测试的现状,需要对以上的优缺点相结合，并作出合适的舍弃

在参考了第二代减震器试验台的基础上,设计一种价格较为低廉的试验台；

能测试绝大多数的减震器，能有较大的普及性。

2机车油压减振器的作用和性能

2.1机车油压减振器的工作原理

减震器是列车转向架的重要组成部分,和弹簧(或空气弹簧)构成列车转向架在隔振系统。在火车的行驶过程中，产生的震动能量会被弹簧吸收一部分。油压减振器是减缓振动的核心，它能使产生的振动热能被吸收掉并释放在大气中,使振动能量减少,从而使高速列车在行驶过程中能保持较好的平稳性。高速移动的机车减震器,大概示意图如下图所示

图2-1 高速机车转向架上的油压减震器

整个油压减振器本身就是一个完整的液压系统，油液在储油空间和压力缸筒之间循环流动。

图2-2 油压减震器的工作原理

2.1.1 国内油压减振器检测技术的发展

在上面提到过，在六十年代初，研发的机械式J85试验台是使用最广泛的一种，不过它只能测得减震器在一定震动速度下的数据，并且效率比较低，而且其数据的准确性很差，只设置了一个垂向测试系统，不能完成横向的检测，所以现在已淘汰了

四方机车车辆研究所研发的新一代的J95双向油压减震器试验台，它的测试系统原理图如下面图2-3所示

图2-3 测试系统原理图

2.1.2 油压减振器检测技术的发展趋势

（1）国内外油压减震器的种类太过繁多，如果可以设计出一个很方便的夹紧装置,那就对测试的效率会有所提高

（2）同样的，油压减震器的长短也需要考虑，能够方便调整安装距离也能提高效率

（3）实际中，机车在行驶的时候所产生的震动频率和震荡幅度不是一定的这就要求减震器试验台能够产生多种频率，最好能随机产生。

（4）测试的步骤最好能够规范化，这样就能有条不紊的进行，这样要求减震器试验台需要更好的互操性。

（5）我国地势复杂，气温变化多样，对减震器的影响也是很大的，在实验台上最好能够安装温度调节装置。

3 垂向油压减振器试验台系统方案设计

3.1 试验台测试的主要内容

3.1.1 油压减振器试验台系统方案设计

我设计的方案拟采用机械传动系统、传感器与计算机技术相结合的的试验台满足课题要求，来实现油压减振器各项性能的自动测试。试验台系统原理如图3-1

图3-1 油压减震器试验台原理图

图3-2 曲柄连杆式和滑块式驱动装置原理图

试验台总体结构，主要由两大部分组成：电脑，垂向减振器试验结构部分。

机械传动的曲柄连杆式驱动装置可分为图2-1和2-2两种，由于2-2的结构对对于材料的要求会高些，所以我选择图2-1的方式，并且支撑方式为双支撑，并在支撑杆上安装有旋钮可根据减震器的长度来调节。

3.1.2 试验台主要的技术参数

本试验台的主要技术参数如下：

最大负荷：垂向20KN

减振器最大安装距离：垂向500mm

设计标准行程：垂向±30mm

减振器速度范围：垂向0.01～0.5m/s

3.2 试验台工作原理

根据启动计算机原理根据测试速度、变频器改变频率改变电机转速,和变频

器的编码器反馈速度,直到达到所需的速度。并显示在屏幕上实现的速度和频率。当计算机从反馈信息在以下两个信息:1)到达预设速度;(2)三个周期已经完成,之后开始收集数据,然后执行一个命令或操作条件变化或测试报告。如果经过三个周期不能达到所需的速度,自动增加圈数,直到到达速度后才执行命令。

4 试验台机械系统的设计和计算

减振器允许的最大减震阻尼力为20KN V=0.01-0.5m/s

行程s=60mm,则偏心量为30mm 曲柄最大转速

4.1 电动机的选择

（1）选择电动机类型

按工作要求选用Y 系列笼型三相异步电动机，电压380v 。 （2）选择电动机容量

电动机所需工作功率为：

η

w

d p p =

工作机所需功率：

KW fv p w 101000

5

.0201000=?==

表4-1 机械传动和摩擦副的效率概略值

确定各部分传动效率:v 带传动效率96.01=η，滚动轴承效率99.0=滚η，闭式齿轮传动效率7.90=齿η，联轴器效率9.90=联η，输出效率6.90=出η

=η859.096.099.097.099.06.90331=????=出联齿滚ηηηηη

所需电机功率为：

η

w

d p p =

=10/0.859=11.64KW

电动机额定功率ed

p 需大于d p ，选电动机的额定功率ed

p 为15KW ，电动机额

定转速为1460r/min 。综上根据文献[2]表6-163选取电动机型号为Y160L-4型。 额定功率15KW ， 额定电流30.3A ，转速1460转/分，效益88.5%， 功率因数0.85， 额定转矩2.2， 最大转矩2.3 275.13885.015=?=r p

4.2 选择v 带轮

（1） 选择带型

Kw P ed 15=，n =1460r/min ，确定为A 型。

取小带轮的基准直径为：

mm d d 1001=

取V 带传动比为：2.5 大带轮基准直径为：

mm d d 2501005.22=?=。

（2） 定中心距

中心距选取范围为：

)(2)(7.021021d d d d d d a d d +≤≤+

初选中心距为：

5000=a mm

初算胶带基准长度：

75.1560500

4)

100250()250100(214.350024)()(222

2

122100

=?-+++

?=-+

++=a d d d d a L d d d d d π

根据文献[8]表15-3选取基准长度：

mm L d 1600=

实际中心距：

625

.5192/)75.15601600(5002

_0

0=-+=+≈d d L L a a 安装时调整范围：

625

.567160003.0625.51903.063.4951600015.0625.519015.0max min =?+=+==?-=-=d

d

L a a L a a

4.3 减速器的设计计算

min /r 24.159r

2v

60==

π曲n 传动系统的总传动比：

2.924

.1591460

==

i

根据文献[8]表15-1取V 带传动的传动比：