高速铁路轴承外圈淬火压床开发设计.doc
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1、济南大学泉城学院毕业设计- 27 -1 前言1.1淬火压床设计引言1.1.1铁路货车轴承现状滚动轴承作为铁路货车的关键部件,直接关系到车辆运行的安全,始终是中国铁路部门关注的重点。但过去多年来,轴承质量由于受到密封装置、轴承润滑脂、保持架质量的影响,不能满足铁路运输发展对货车的需求,每年均会发生几起滚动轴承热轴、切轴事故。近几年来,随着我国国民经济快速发展以及中国铁路跨越式的发展,中国铁路的滚动轴承事业也步入了快车道,在铁路有关部门组织和各研究所的积极配合下,解决了一系列制约着滚动轴承发展的瓶颈问题,可以说,中国铁路货车滚动轴承事业走过了一条极其不平凡的道路,并正在生机勃勃的快速向前发展。纵观
2、我国铁路货车滚动轴承的发展历程,也就只是轴承结构的变化、保持架材质的变化、轴承密封装置的改进以及轴承润滑脂的优化和检修技术标准的不断完善和发展的历程。滚动轴承在中国铁路货车的应用比较晚,载货车滑动轴承转化的初期,滚动轴承主要采用进口。1978年,滚动轴承开始在新造、厂修货车上小批量装车运用、试验,当时滚动轴承的型号主要有97720、197720、97726、197726和97730等;从1980年开始在新造货车上大量装车使用,当年新造货车滚动轴承数量已达到4000辆。用滚动轴承代替滑动轴承是铁道部制定的一项重大技术政策,它可以减少列车的启动阻力和运行阻力,增加列车牵引吨位,减少事故,保证行车安
3、全,提高运行数度,加快车辆周转,节省材料,降低运营成本,延长货车的检修周期。铁路货车在装用滚动轴承后,其技术经济效果是相当明显的。减小列车启动和运行阻力,增大列车的牵引重量。列车的运行阻力是由轮轨间、轴承内的摩擦阻力以及风力等组成。减小各项相对阻力,可明显增大牵引重量,节约能源,提高运输效率。铁路货车由装用滑动轴承改用滚动轴承是取得明显效果的重要途径。一般情况下,滚动摩擦系数比滑动摩擦系数低得多,相差一个数量级。因此,滚动轴承列车的启动和牵引阻力都将比滑动轴承列车大大减小。滑动列车启动阻力大,列车在低速运行时的阻力也就大,特别是在冬季更为显著。列车启动困难,牵引重量受到限制。随着列车运行速度的
4、不断提高,轴承摩擦阻力占列车总运行阻力的比例减小。节约能源和减少材料的消耗,滚动轴承化所节约的能源和材料也是相当可观的。由于滚动轴承列车的启动阻力和运行阻力都比较小,减小了机车的功率消耗,提高了机车的动力利用效率,因而能节约大量的能源。另一方面,由于装用滚动轴承,还可以节约大量的润滑油和有色金属,大大减少材料消耗。货车装用滚动轴承后大大减少了润滑油的消耗量。此外,由于滚动轴承装用润滑脂,很少漏油,也可消除因漏油玷污钢轨而降低机车的牵引力。装用滚动轴承后可以大量减少燃油事故,极大的提高运营的安全性和经济性。滚动轴承比滑动轴承具有优良的技术性能。装用滚动轴承的车辆,燃轴事故率大大减少。根据每年进行
5、的统计调查显示,装用滚动轴承的火车运营过程中因轴承技术故障而引发的事故大大减少。目前我国高铁轴承仍然全部依靠进口,未来三年我国高铁轴承市场将超过20亿元.在总需求中,晋西车轴,轻轨等城市轨道交通车辆对轴承的急需,确定由轴研科技作为项目牵头负责单位,但涨幅最大的均为所谓的高铁概念,目前我国时速160公里以上客车用轴承全部靠进口,在轴承行业开展高速铁路轴承的研发工作. 由于我国轴承产业发展跟不上,可靠性低,目前时速在300公里以上高铁所用车轴全部进口,但不清楚结果怎么样.我国生产的轴承产品在性能与价格比,中国轴承产业协会开展高速铁路轴承会商,如中国南车,可能几年内也无法大量生产出给高铁配套的轴承.
6、反映在市场上,轴承的结构优化设计和仿真分析等工作。根据铁道部相关人员表述,到2012年我国将建成1.3万公里客运专线,时速350公里的线路将达到8000公里,时速250公里的线路将达到5000公里。时速 350公里的高速动车组将成为未来铁路客运专线的主力。对中国北车和中国南车而言,只有提升动车组生产能力才能够满足中国高速动车组的强劲需求。 高速动车组不仅在国内方兴未艾,而且国外相关国家均表现出了对中国高速 动车组的浓厚兴趣,未来中国高速动车组有望输出产品和技术。 动车组和大功率机车的核心技术已为我所有。高速动车组的总成、车体、转向架、牵引变流、牵引控制、牵引变压、牵引电机、列车网络控制和制动系
7、统等核心技术,大功率电力机车的总成、车体、转向架、主变压器、网络控制、主变流器、驱动装置、牵引电机、制动系统等核心技术,大功率内燃机车的柴油机、主辅发电机、交流传动控制等核心技术,以及大量的配套技术,我们已经掌握。运用这些技术生产的时速200公里及以上动车组和大功率机车的国产化率可达到70%以上。 然而,虽然国内已经能够生产出具有自主知识产权的高速铁路动车组整车,但在高速铁路轴承的国产化应用方面仍处于空白。目前国内动车组轴承全部使用进口轴承。因此大力发展高速铁路轴承的国产化已是势在必行。可想而知,前景也非常的广阔。目前,铁路货车用滚动轴承替代滑动轴承已经成为必然趋势。在我国目前运用的铁路货车上
8、,装用的滚动轴承有几种形式,但主要的型式是197726型无轴箱双列圆锥滚子轴承。铁路轴承所用的的材料为渗碳轴承钢(G20CrNiMoA),其渗碳厚度为1.5mm2.3mm,工作表面的淬火回火硬度为HRC6064,心部硬度为HRC3545。由于轴承钢在淬火时会畸变大,变形十分严重,进而造成大量废品。所以,轴承行业普遍采用淬火模具来强行阻止其变形。目前,国外普遍采用淬火压床来完成铁路轴承的淬火工艺。国内同行在淬火压床模具设计方面也做了大量工作,并取得了一定成效。在此基础上,通过计算,设计了一种外动内静式的模具,即把模具分成为两个模芯,模具内芯是一个整体,外芯为6块活动块,并与内芯通过锥面配合。该设
9、计既可进退自如,通过锥面配合也便于脱模,又使模具与轴承材料保持良好接触,从而既完成淬火工艺,保证了轴承的精度,又能提高模具的使用寿命。1.1.2铁路货车滚动轴承外圈简介 铁路货车轴承的外圈是一个带有两个圆锥滚道的套筒,由于轴向力一般只是轴载荷的30%,所以滚道母线与轴承中心线的夹角(即轴承接触角)不大,一般的都在1013范围以内。当接触角过小时,在轴向力的作用下,容易产生楔套作用,进而导致外圈和内圈组件卡死。反之,接触角过大,会使轴承受力恶化,进而降低轴承使用寿命。197726轴承的接触角为10,外圈的两端设有牙口,用来安装密封罩。为了防止密封罩松动而引起的油脂泄露,应使牙口的配合宽度尽量加大
10、,一般牙口的宽度为1215mm,197726轴承为13mm,同时加工精度要高。由于外圈代替了轴箱,因此应尽量提高外圈的刚性,减小使用中和压装密封罩时的变形,外圈的壁厚应尽可能大一点为好。5为了降低外圈端面与承载鞍推力挡肩间接触面单位面积压力,并减少挡肩的磨损,应使外圈端面面积尽可能的加大。17外圈材料采用渗碳轴承钢(197726轴承外圈材质为20CrNi2MoA),经过渗碳淬火热处理之后,获得表层硬心部分的良好结构,以适应铁路货车滚动轴承恶劣使用条件的要求。材料名称: (渗碳)轴承钢牌号: G20CrNiMoA标准: GB/T 3203-1982特性及适用范围:渗碳轴承钢是一种常用的优质合金渗
11、碳钢,渗碳处理后材料表面有相当高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度,同时其心部还保留良好的韧性,能承受高的冲击负荷,主要用于汽车轴承等耐冲击、耐磨损零件的材料。13化学成份:碳 C : 0.170.23(允许偏差:0.02)硅 Si: 0.150.40(允许偏差:0.03)锰 Mn: 0.600.90(允许偏差:0.04)硫 S : 0.020(允许偏差:+0.005)磷 P : 0.020(允许偏差:+0.005)铬 Cr: 0.350.65(允许偏差:0.15)镍 Ni: 0.400.70(允许偏差:0.05)铜 Cu: 允许残余含量0.25(允许偏差:0.05)钼 Mo: 0.150.30(允
12、许偏差:0.02)力学性能:抗拉强度 b (MPa): 1176(120)伸长率 5 (): 9断面收缩率 (): 45冲击韧性值 kv (J/cm2): 78(8)试样尺寸: 试样尺寸为15mm热处理规范:淬火,第一次温度为88020,第二次温度为79020,油冷;回火,温度为150200,空冷。金相组织:马氏体。61.2淬火压床技术现状机床产业为机械制造业提供了制造装备,从经济的角度来说,机床产业对发展国民经济,增强综合国力和发展高新技术起到重要的作用。16我国机床产业的总体设计制造水平与工业发达的国家相比,还有较大的差距,其主要表现为现在的设计方法落后,设计资料老化,以及设计标准不能和国
13、际上的发达国家接轨。在我国加入WTO之后,为了使我国的机械生产行业得以高速发展并且和国际发达国家在经济和国力上接轨,我国对机械行业的制造装备(机床产品)给予了高度关注,加快促进我国机床设计制造水平的提高,增强机床产品的国际竞争力,力求在机床设计方面做到:为机床设计人员提供正确的设计思想,开发科学的方法,提高资料的标准。1.3淬火压床性能简介本淬火压床为半自动淬火压床,除了工件装卸外,其它操作都是自动的。机床的传动全部采用电气、液压控制,实现自动工作循环。这样有助于被淬火零件的精度控制和质量的稳定,又可减轻工人的劳动强度。本机床上下模均采用液压传动,可在上料位置与工作位置间移动。先把一批淬火零件
14、加热至淬火温度,然后逐个放入本压床,在压床内冷却,进而完成淬火工序。液压运动控制装置:该装置与电气配合以保证机床自动循环的完成。控制站板:通过该控制站板,集中操纵机床的的全部动作。冷却油量控制装置:通过三个不同通径电磁阀的相互结合来实现冷却油量的控制。22铁路货车轴承外圈淬火压床总体设计2.1设计要求首先,要满足用户的各种需求,确定机床的加工范围、工件淬火精度和生产的经济性等因素。其次,应合理的安排工件的传动位置,尽量用较短的传动链,以简化机床的结构,并提高传动精度和传动效率。最后,通用机床必须满足各种参数标准和关于机床布局的规定,要求机床结构简单。2.2淬火压床总体结构布局本淬火压床主体结构
15、主要由机床床身、控制箱、淬火模具、工作台、开合油池、液压操纵板、冷却油集配箱等结构构成。淬火压床床身采用板焊结构,是全机床的承载框架。封闭油罩内冷却油液采用自下而上的浸没循环流动冷却方式,垂直于工件入油,且在整个冷却过程中冷却油定向流 动,冷却效果好,被淬件硬度均匀,变形小。模具采用液压脱料,脱模可靠,装卸件容易且便于工人操作。工件内外周同时浸油冷却,模具材料采用GCr15钢淬硬,耐磨寿命长,工件形状保持性好, 淬火件的尺寸稳定。 机床的液压系统主要由动力元件(油泵)、执行元件(油缸或液压马达)、控制元件(各种阀)、辅助元件和工作介质等五部分组成。液压油箱在液压系统中的主要作用是储油、散热、分
16、离油中所含空气及消除泡沫。选用油箱时首先要考虑其容量,一般的移动式设备取泵最大流量的23倍,固定式设备取34倍;其次考虑油箱的油位,当系统全部液压油缸伸出后油箱油面不得低于最低油位,当油缸回缩以后油面不得高于最高油位;最后考虑油箱结构,传统油箱内的隔板并不能起到沉淀脏物的作用,应沿油箱纵轴线安装一个垂直隔板,此隔板一端和油箱端板之间留有空位使隔板两边空间连通,液压泵的进出油口布置在不连通的一端隔板两侧,使进油和回油之间的距离保持最远,从而使液压油箱多起到一些散热的作用。4 3铁路货车轴承外圈淬火压床工艺分析3.1淬火压床淬火过程简介铁路货车轴承外圈淬火压床主要由加压、淬火、退料等部分组成。3.
17、1.1加压部分该机床是一种封闭油浸没式的流动油液冷却、自动脱料式固定模具压淬的自动淬火压床。工作的时候压床的工作台向外伸出,停在待料位置。加热后的工件放入工作台后,开合油池打开,淬火循环开始。动横梁快速向下移动,在接近工作台面时减速,使油罩下沿与工作台面密封,与油罩下移同步,上模具插入工件,定心并用事先调定的力使上下模具同时压紧工件,此力既不能使红热工件变形,又要有足够的支撑力阻止工件淬火过程中的收缩。3.1.2淬火部分淬火上下模具加压后,冷却油液按最大的流量接通,此时冷却油液经过配油箱、工作台、模具内腔、工件内、外周等,并以很快的速度浸没冷却工件并形成液流,当油面高出旁溢口时,溢油经过机身立
18、柱流向底座,再经过泄油管道流回油池。自冷却开始,电控系统就进入冷却倒记时,到总冷却时间的某一中段,如 3min, 由计时器发令关闭配油阀,使最大油流减弱以维持冷却油流,直到预置的冷却时间为0(采用倒计时法),冷却油夜关闭,停止冷却供油,回流泄油阀开启,延时数秒后,使油罩内的余油回流干净,发出信号使动横梁上升,此时油罩提起,脱模油缸工作使工件与模具分离。油罩上升到位后发出信号, 使工作台移出并由人工或机械手取出淬火后的工件并送入清洗辊道,一个淬火过程循环就结束了,工作台最后停留在移出待料位置。33.1.3退料部分工件淬火完成后,冷却油回流入油箱,上下淬火模具分别退回,淬火模具的外芯在弹簧收缩力的
19、作用下向中心收缩,使外圈易于脱模。3.2淬火压床设计要点由于液压缸工作时浸在油中及液压胶圈许用温度的限制,则淬火介质的温度需控制在60以内。这就要求淬火介质的容积应尽量大,并且选用较大换热面积的换热器用以冷却淬火介质。工件加热时表面形成氧化皮,淬火时沉浮在油中,因此液压缸在油中工作需加防尘结构。压模淬火冷却时发生冷却不充分,只有将冷却油液通入到模具内部,由内向外喷流,这样才能使其冷却能力成倍增加,使工件内部同时冷却。内部通油不仅可以冷却模具和工件,还可以将粘附在模具上的氧化皮冲掉,从而保证工件淬火后尺寸的稳定性。73.3淬火后达到的技术指标经压床淬火后,工件心部硬度达到3545HRC,表面硬度
20、达到6064HRC。心部组织达到2-3级(1-3级为合格)。椭圆度最大不超过0.2mm。淬火后尺寸离散度小于0.3mm。淬火后无裂纹,同一端面硬度差不超过1HRC,可见淬火压床的冷却均匀性好。采用本淬火压床及解决了变形问题,又使冷却速度快,冷却均匀性好。使工件既能淬透淬硬,又不产生裂纹,因此大幅度提高了轴承套圈的淬火质量。83.4淬火压床液压系统简介液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式,它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性,液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质,来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各
21、种控制回路,再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。从原理上来说,液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理,就是说,液体各处的压强是一致的,这样,在平衡的系统中,比较小的活塞上面施加的压力比较小,而大的活塞上施加的压力也比较大,这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递,可以得到不同端上的不同的压力,这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。该设备采用液压传动控制,用三个液压缸分别控制压模、起模和淬火油池的开合,即将轴承外圈在加热设备中加热到800810,再装入压床中,通过模具控制其变形,在通入4060的淬
22、火油进行淬火冷却。因此,淬火压床中的油路设计特别是油缸设计在本设备中是非常重要的,由于其特殊的工作环境,要求对工作的活塞、钢筒、有效的工作距离及油路的流量等都要做特别的考虑。93.4.1液压系统的组成液压系统主要由:动力元件(油泵)、执行元件(油缸或液压马达)、控制元件(各种阀)、辅助元件和工作介质等五部分组成。 (1)能源装置(或称动力元件):液压动力元件是为液压系统产生动力的部件,主要包括各种液压泵。液压泵依靠容积变化原理来工作,所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵,它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵,在选择液压泵的时候主要需要注意的
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