冷取砼枕中报废尼龙套管专用装置的设计毕业论文.docx

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1、 南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文）学院（系）： 机械与汽车工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生： 指导教师 ： 完成日期 2012 年 05 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 冷取砼枕中报废尼龙套管专用装置的设计 Design of Optional Equipment for Taking out Non-heating Abandoned Nylon Tube in Concrete Sleeper 总 计：毕业设计(论文) 30页表 格： 3 个图 片： 23个南 阳 理 工 学 院 本 科 生 毕 业 设 计（论文）冷取砼枕中报废尼龙套管专用装置的设计

2、Design of Optional Equipment for Taking out Non-heating Abandoned Nylon Tube in Concrete Sleeper 学 院(系)： 机械与汽车工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学 生 姓 名： 学 号： 016108030 指导教师(职称)： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2012年05月04日 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology 冷取砼枕中报废尼龙套管专用装置的设计冷取砼枕中报废尼龙套管专用装置的设计 摘 要 本课题设计的装置是为南阳铁路段安全、高效和省力地取出

3、砼枕中报废尼龙套管而设计的专用装置。通过到南阳铁路段现场考察，了解了尼龙套管的结构及与砼枕连接的形式，明确了更换尼龙套管的技术要求，测量出旋出尼龙套管的力矩；按照设计任务要求，确定了总体设计方案，完成了专用钻模、拧头、主轴、同步机构、箱体和机架的设计，选择了动力源，并对关键零部件进行了校核。本设计装置结构合理，运转灵活，满足了南阳铁路段提出的体积小、重量轻、操作简便的要求。关键词 尼龙管；钻模；主轴；同步机构；箱体Design of Optional Equipment for Taking out Non-heating Abandoned Nylon Tube in Concrete Sl

4、eeper Mechanical Design, Manufacturing and Automation Major ZHANGJu-qianAbstract: The equipment designed on this project is devoted to taking out the abandoned nylon tube in the concrete sleeper for Nangyang Railway Section, with safety, high performance and labor saving being the merits. Through th

5、e field working in Nanyang Railway Section, the technical requirements of replacement of nylon tube is clear by being familiar with the structure of nylon tube and its connection form with concrete sleeper, and the torque of spinning out nylon tube is measured. According to the task requirements, th

6、e general scheme is determined and completed, including the design of special jig, screw joint, spindle assembly, synchronous mechanism, box and frame, the choosing of power source, and the checking of key parts. The equipment designed with reasonable structure and flexible operation, meets the requ

7、irements put forward by Nanyang Railway of small volume, low weight and easy operation.Key words: nylon tube; jig; spindle; synchronous mechanism; box 目 录1 引言11.1 国外现状11.2 国内现状22 选题背景32.1 选题的目的、意义32.2 外出实地调查32.3 课题的解决方案52.4 任务的分配63 专用装置的概述63.1 执行部分63.2 传动部分73.2.1 主轴73.2.2 同步机构73.3 动力部分83.4 机身84 专用钻模

8、及拧头的设计84.1 设计专用钻模84.1.1 专用钻模的结构设计84.1.2 专用钻模的尺寸设计94.2 设计专用拧头105 动力源的选择106.1设计主轴116.1.1 设计花键轴116.1.2 轴套的设计126.2 主轴的校核137 同步机构的设计147.1设计方案的确定147.2 齿轮基本参数的确定157.3 齿轮的校核158 箱体及机架的设计178.1 箱体的设计178.1.1 材料的选择178.1.2 壁厚的确定198.1.3 结构的设计及尺寸的确定198.2 机架的设计21结束语22参考文献23致谢24251 引言本课题所设计装置是为南阳铁路段设计的安全、高效和省力地取出砼枕中报

9、废尼龙管专用装置，该设计根据设计任务而提出，并结合现场实际情况而进行。随着铁路运输提速的实施，铁路路基也在不断地应用新技术、新材料、新工艺，以满足列车提速的需要。列车提速用混凝土岔枕上采用了一种新产品，即尼龙管。该尼龙管在混凝土岔枕生产时按照设定的位置和技术要求预埋于混凝土岔枕中，用于砼枕和钢轨组装连接。砼枕尼龙管铸造在砼枕中，压板通过紧固在尼龙套中螺栓将钢轨压紧在砼枕上。该技术淘汰了传统的预留孔现场硫磺锚固工艺，提高了现场作业效率，克服硫磺锚固出现的钉孔裂纹缺陷，满足了列车在道岔处高速通过的要求，保证了列车行车安全。采用该套管可提高钢轨与岔枕连接的可靠性、减少铁路维修、提高道床整体性和强度。

10、 提速道岔的支距垫板部位及护轮轨平直段附近的部分岔枕尼龙管，由于螺栓锈蚀，产生膨胀，加上受外力作用或支距垫板部位连接直、曲股钢轨，一旦有空吊板，在受列车碾压时，非受力直(曲)股钢轨处的轨枕螺栓被拔出而使尼龙管失效。失效方式大都是尼龙套的内螺纹遭到破坏而产生滑扣。尼龙管的失效将会影响钢轨与砼枕的连接，其结构与状态对列车运行的平稳性以及旅客的舒适性产生直接的影响，甚者会对列车的运行安全造成严重威胁。针对尼龙管的失效，如果更换新的铸有尼龙管的枕木，因劳动强度大、资源浪费严重且对施工人员的技术和效率要求较高，此法不经济。将报废尼龙管取出并旋入新的尼龙管成为了解决尼龙管失效问题的重要途径。为此，设计出一

11、种能安全、高效、省力的报废尼龙管取出装置成为了解决尼龙管失效的关键。1.1 国外现状目前，高速道岔技术比较成熟的国家有德国、法国和日本。这三个国家的铁路运输组织方式、机车车辆的动力学性能不同，其使用的道岔各具特色，但其均在道岔设计之初就对道岔设计参数和平面线型、主要结构、扣件系统等作了严格设计，有效地预防了尼龙管的失效。如德国道岔使用VOSSLOH弹条扣件，法国采用Nabla弹片式扣件等。德国尤其最为严密和精确，为便于更换伤损的尼龙管，在尼龙管外置螺旋钢套管，且可代替螺旋筋起抗裂作用，螺旋钢套管较尼龙管较容易取出，取出效率较高，其缺点是制造成本高。针对少数尼龙管的失效，德国部分铁路段采用在失效

12、的尼龙管上，利用高精度可固定式双头电钻，对称钻削二道孔槽（孔槽直径15mm,中心距为30mm），再用两刃弹簧勾刀沿着钻削后套管最薄弱处划削，将套管分两片并将其分别凿离孔壁取出。国外大部分国家对尼龙管失效问题主要采取以预防为主的措施，目前没有发现针对该课题的文献。1.2 国内现状国内对报废尼龙管的取出主要主要采取以下方法：火烧法，热取法和重锚法。火烧法是利用尼龙能燃烧的特点，用易燃材料将尼龙管引燃，通过燃烧使尼龙管的实体消除，人工清理燃烧后剩余的残余物，从而将尼龙管从砼枕中取出。尼龙管从引燃到全部燃烧结束，大约需要30分钟，两列火车通过相隔时间不到15分钟，燃烧的火焰还没有熄灭，第二辆列车已经通

13、过，对列车运行安全造成了一定的 图1-1 火烧法威胁；另外，燃烧产生的高温无一例外的会使尼龙管原位置砼枕内孔的水泥螺纹崩裂，使新的尼龙管更换无正常的连接螺纹，造成套管维护失败，甚至导致了砼枕的报废。由于火烧法的明显缺陷，设想将尼龙管从砼枕内孔中旋出。设计制作了加热管，将加热管安装在自制的有8个棱角的拧头内孔中。先将加热管通电加热，将8棱拧头加热到足够高的温度，再将8棱拧头沿着尼龙管内孔下按，让8棱拧头在尼龙管的内壁上烧出沟槽，这样一边加热，一边下按。因为尼龙管内孔较小，发热管 图1-2 热取法的体积受很，功率也随之受到限制，8棱拧头沿尼龙套轴向在管内壁上烫出全部沟槽约需40分钟。等8棱拧头全部

14、进入尼龙管内孔后，人工逆时针旋转8棱拧头，将热软的尼龙管旋出。在加热的过程中，经常出现加热温度过高使尼龙管引燃的情况。加之加热时间长，取套效率不高，很大程度上影响了施工人员的工作效率。还有一些铁路段采用锚固剂重锚法，即在被破坏的尼龙管处凿成直径约7080 mm的孔，将失效套管打碎取出，清理孔后，用锚固剂作为胶凝材料，将新尼龙管与岔枕凝固为一体。此方法经过一段时间使用后，出现以下问题：一是凿孔时将原孔壁内的环形箍筋凿坏取出，破坏了原岔枕的结构；二是新套管在固定时难确定 图1-3 重锚法其位置；三是一个工天只能凿一个孔，锚固剂的凝固需要24小时即在第三天才能拧上M30mm的螺栓。2 选题背景2.1

15、 选题的目的、意义砼枕中报废尼龙套管的更换一直困扰着铁路砼枕养护工作。洛阳机务段南阳站目前对损坏尼龙套管的取出方法主要有两种方法，一种是火烧法，一种是热取法。这两种方法均如上述，取出尼龙管的效率较低，对列车的运行安全造成了潜在威胁，难以达到理想效果。砼枕铸造时，尼龙套管随同混凝土一起浇注，混凝土凝固，与尼龙套管外的弧形外螺纹表面接触的混凝土会形成一个与弧形螺纹相配合的混凝土内螺纹，二者便由于螺纹联接及其较大的粘结力而成为一个整体。由于混凝土凝固时的粘结力，尼龙便牢固地固结于砼枕中。为了保证列车的通行安全，需要将失效的尼龙套管从砼枕中取出，在原来尼龙套管的位置上再拧入一个新的尼龙套管。取出时，要

16、求不能破坏砼枕中原有的水泥内弧形螺纹，从而来保证新拧入的尼龙套管与砼枕能够牢固的连接在一起；此外，对尼龙套管的维护只能在两列车通行的相隔时间段内进行，由于时间短，要求取出效率高；又因劳动力的短缺，其成本也在加大。因此，设计出一种安全、高效和省力的装置成为了报废尼龙套管更换的瓶颈和重要突破口。在设计过程中，又必须结合现场实际工作情况和条件，尤其是动力源的选择。通过对南阳铁路段的现场考察，发现220V、380V电源的提供是一个问题，因列车使用的电压较高，不能用于正常的电动工具。这些都是铁路现场亟待解决的问题。为此，本项目结合目前实际，又针对砼枕中损坏尼龙套管难以取出的情况，对尼龙套管的结构、轨枕螺

17、栓的连接方式、尼龙套管与砼枕粘结的紧密程度等方面进行了研究，提出了解决这一技术难题的基本思路，设计制作了一些简单的试验工具，并到铁路现场进行了实地考察和试验，通过到南阳站折反段的实地调查进一步明确了解决问题的技术方案。重点解决尼龙套管的无损坏取出，即不伤害砼枕内孔水泥螺纹，又要求取出时间短，效率高，降低现场养护工人的劳动强度等问题。本项目主要研究利用尼龙套管外弧形螺纹与砼枕中水泥螺纹旋合的结构，研究和设计出将尼龙套管从砼枕中沿弧形螺纹旋出，安全、高效和省力的方法和设备。2.2 外出实地调查这次设计的目的是解决南阳铁路段的的需要，在指导老师的带领下，我们去了南阳铁路段现场。通过老师、路段领导和施

18、工技术人员的讲解，对砼枕尼龙套管的失效有了了解，熟悉了尼龙套管的结构及其和砼枕连接的形式，明白了更换尼龙套管的要求。在本次实地调查中，我们还对将尼龙套管从砼枕中旋出所需的力矩进行了测量。本次实地调查为我们的设计奠定了基础。 图2-1 钢轨通过尼龙套管和砼枕连接 图2-2 尼龙套管浇铸于砼枕 图2-3 在南阳站折反段做实验图2-4 尼龙套管 2.3 课题的解决方案尼龙套体积小、无外露，工具难以夹持，其铸于砼枕中，通过外螺纹和砼枕连接，粘结力大。针对尼龙套管的结构及其和砼枕的连接形式及特点，经过反复实验和总结，我们最终确定了本项目的解决方案，拟设计出一个冷取砼枕中报废尼龙套管专用装置，其总体分为拧

19、头、动力部分、主轴组件、同步上升机构、机架及箱体。装置总体结构布局如图2-5所示。 冷取砼枕中报废尼龙套管专 用装置执行部分传动部分动力部分机身专用钻模拧头主轴组件同 步 上 升机 构动力源减速器箱体机架图2-5 装置结构布局图本项目针对尼龙套管体积小，没有外漏部分，工具难以卡住尼龙套管，尼龙套管与砼枕水泥结合力大的特点，创新引入钻削加工方法，在尼龙套管壁上快速钻出孔槽，为工具从尼龙套管内孔推动其产生旋转运动提供条件。根据开槽后尼龙套管的结构尺寸设计制作专用拧头，使专用拧头与尼龙套管内孔及孔槽相配合，利用作用在拧头柄部的扭矩，带动尼龙套管反向旋转，当拧头柄部的扭矩大于尼龙套管与砼枕水泥的结合力

20、时，尼龙套管外部弧形螺纹沿砼枕孔内水泥螺纹上升，从而将尼龙套取出。为便于夹持尼龙套，实现工具和尼龙套的连接，我们利用钻头在尼龙套管壁上钻削4个孔槽（孔槽直径15mm,深110mm,呈径向均匀分布，两相对孔槽中心距为27mm）；尼龙套实体体长且壁簿，普通钻头无法完成钻孔任务，需设计专用钻模；孔槽生成后，设计一拧头放入所钻削孔槽内，并用其作为传动件和取出装置相联接，至此完成了总装置的执行件设计。接下来，我们对尼龙套管和砼枕的粘结力做了检测并选择合适的动力源，由于粘结力较大，我们通过加长力臂的方式来测量，由于粘结力大的超出我们的想象，又因条件（扭矩扳手）有限，未完成力矩的测定，我们只好用长杆人工旋出

21、尼龙套并估计其值，约为2000Nm。随后，我们针对尼龙套管从砼枕中旋出时所作运动形式并结合粘结力的大小，对传动部分作了具体设计，根据运动要求，将装置传动主体部分设计成蜗轮蜗杆传动，把装置主轴的部分旋转力矩转化为轴向力，实现了力矩垂直方向的传递，即主轴旋转和上移运动的同步（主轴旋转一周，其上升或下降尼龙套管外螺纹一个螺距的位移）。最后，根据所设计装置的动力源、传动部分和执行件的尺寸及结构，设计出箱体和支撑架。至此，确立了课题的解决方案，实现了取出报废尼龙套管安全、高效和省力的要求，完成了设计任务。2.4 任务的分配冷取报废尼龙套管专用装置是以大量专用部件为基础，配以通用部件组成的一种安全、高效和

22、省力的专用设备。其中专用部件有钻模、拧头（执行件）、主轴组件、同步上升机构以及箱体和机架；通用部件主要是指动力源、减速器、联轴器等。3 专用装置的概述该冷取报废尼龙套管专用装置的工作性能和使用方法与目前国内大多数更换尼龙套管设备有很大不同，其在使用过程中无需高压电源和加热设施等铁路段紧缺物质条件，因此，其在更换尼龙套管过程中具有安全、高效和省力的独到之处，极大地满足了南阳铁路段提出的体积小、重量轻、操作简便等要求。本课题所设计装置如上所述，共有执行部分、传动部分、动力部分和机身等四大结构组成。3.1 执行部分冷取报废尼龙套管专用装置执行部分主要包括专用钻模和拧头，该部分设计是结合尼龙套管的结构

23、及与砼枕的连接形式而提出的。尼龙套管体积小，没有外漏部分，工具难以卡住尼龙套管，且尼龙套管与砼枕水泥结合力大，这一系列因素都对尼龙套管的取出造成了很大的困难。因尼龙套管与砼枕水泥结合力大，若想将尼龙套管从砼枕中旋出则需要克服该力形成的扭矩，为此需要工具卡住尼龙套管，便创新引入钻削加工方法，在尼龙套管壁上快速钻出孔槽，为工具从尼龙套管内孔推动其产生旋转运动提供条件。根据开槽后尼龙套管的结构尺寸设计制作专用拧头，使专用拧头与尼龙套管内孔及孔槽相配合，利用作用在拧头柄部的扭矩，带动尼龙套管反向旋转，当拧头柄部的扭矩大于尼龙套管与砼枕水泥的结合力时，尼龙套管外部弧形螺纹沿砼枕孔内水泥螺纹上升，从而将尼

24、龙套取出。3.2 传动部分 在执行部分的设计基础之上，对传动部分进行了设计。由于尼龙套管和砼枕的连接形式是螺纹连接，为此若想从砼枕中把尼龙套管取出且不留残余以便装入新的尼龙套管，则最好的取出方式是将尼龙套管从砼枕中旋出。旋出运动可分解为尼龙套管的旋转运动和同步上升运动，即尼龙套管径向旋转一周则轴向上升一个螺距，因此旋出运动的实现成为了解决本课题所涉及问题难点和关键。针对该部分的设计，参照了学院金工车间的钻床工作原理和结构设计，并提出了该部分的设计方案。本部分主要包括主轴组件和同步上升机构。3.2.1 主轴主轴组件的设计参照了钻床的主轴组件原理和结构，为了实现主轴的径向旋转和轴向移动，将主轴的上

25、端设计为矩形花键轴，将其与轴套配合，轴套通过和滚动轴承连接固定于箱体上可作旋转运动，通过一系列的连接和配合，便实现了主轴的旋转和上升。图3-1 花键轴与轴套的配合 3.2.2 同步机构同步上升机构的运动是为配合主轴的旋转运动而存在，两者的运动分别和尼龙套管从砼枕中旋出时所做的轴向上升运动和径向旋转运动相对应，从而通过两机构的同步运动实现了旋出尼龙套管的目的。其传动简图如图3-2示，利用蜗轮蜗杆传动实现了运动垂直方向传递，即由径向旋转运动向轴向升降移动的传递。主轴的旋转运动是靠齿轮传动实现，直线运动则靠齿轮和套筒上的齿条相互啮合来现。 图3-2 同步机构 3.3 动力部分动力部分的选择是根据将尼

26、龙套管从砼枕中旋出所需克服的扭矩来确定的。本部分动力源可选液压动力系统、电动机或手动，具体选用可根据现场实际而进行。省力是本装置工作性能之一，其实现是靠减速器的放大转矩的作用来完成的。有关本部分的详细介绍见后续章节。3.4 机身本装置的机身主要包括箱体和机架两部分，作为装置的重要组成部分，其设计的好坏直接影响到装置的性能。再设计过程中要遵循刚度和强度等基本要求，同时还需满足可靠性、实用性、工艺性和经济性等一系列要求。有关本部分的设计，后续章节给予了详细介绍。4 专用钻模及拧头的设计4.1 设计专用钻模根据预定方案的要求，为给工具从尼龙套管内孔推动其产生旋转运动提供条件，要在尼龙套内壁钻削4个孔

27、槽，如图4-1所示。尼龙套管被加工孔槽后，将仍是一个整体，因此孔槽不能将尼龙套管分离。4.1.1 专用钻模的结构设计由于尼龙套的高度是115mm，实体壁厚最大为4mm，将其沿轴向钻开时钻孔深度较深，如果钻头过细，容易折断，故钻头不能过细。当钻头直径大于4mm时，钻头的直径方向一部分在尼龙套实体壁厚的外面，钻削将产生单刃切削现象，钻削时钻头会向里偏，难以在尼龙套管中钻削出竖直孔槽。 为解决钻头可能产生钻偏无法钻削出竖直孔槽的问题，须设计专用钻模。首先，对专用钻模的结构进行了设计，如图4-2所示。该专用钻模利用尼龙套内孔和尼龙套的上端面定位，专用钻模由钻模体和钻套组成。钻模体有三部分，上盘、上圆柱

28、和下部圆柱。上盘用以安装钻套，其下表面和尼龙套上表面接触而实现轴向定位；上圆柱的外圆和尼龙套的上部31mm光孔相配合，用以实现径向的定位。通过这样的定位方式就能够完全限制了钻头沿轴向在尼龙套外壁上钻孔时所要求的自由度；下圆柱插入尼龙套内螺纹孔，与之形成过渡配合。在钻模体上盘上安装4个钻套，起到引导钻头向下钻削的作用。钻套的位置是使钻头将尼龙套管刚好钻开而又不伤及砼枕内水泥螺纹的位置。从上盘安装钻套的位置开始，向下沿轴向在上圆柱和下圆柱上加工与钻头等直径的半圆通孔作为导向槽。钻头在钻套的引导下向下钻削，半圆通孔对钻头起引导和挡偏作用，防止钻头向里偏斜。 图4-1 钻削孔槽 图4-2 专用钻模结构

29、示意图4.1.2 专用钻模的尺寸设计为保证尼龙套管被加工孔槽后仍是一个整体，须对专用钻模和钻套的尺寸进行设计。经过对尼龙套管的测量和计算，专用钻模尺寸如图4-3所示。 图4-3 专用钻模尺寸示意图专用钻模上4个钻套的中心所在的圆直径设计为27mm，用10mm的钻头在钻套的引入下依次将尼龙套管壁钻削后，生成的4个孔槽不会将尼龙套管分离。4.2 设计专用拧头用专用钻模在尼龙套管内壁上加工出孔槽的形状如图4-4所示，近似呈一个梅花形的异形孔。如果用一个与尼龙套管内的这个异形孔形状相同的专用工具（如图4-5所示）沿尼龙套管的轴线方向插入异形孔（这个与异形相配合的工具称之为“拧头”），旋转拧头，拧头将会

30、带动尼龙套管旋转，设想作用在拧头上的扭矩大于尼龙套管与砼枕中水泥的结合力时，尼龙套管将会被沿着砼枕中的水泥螺纹旋升，直至旋出砼枕孔。 图4-4 尼龙套管内壁上被加工出的孔槽图 图4-5 拧头5 动力源的选择 尼龙套管被旋转取出时，转速不需要太高，相反越慢越好，同时，作用在拧头上的扭矩要足够大。有两种方案可以实现这种功能，一种是利用液压传动，将液压力作用在拧头上；另一种是机械式传动，使用减速机这一动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩。从加工制造的复杂程度上作对比，选择BW摆线针轮减速器作主动力传达机构。摆线针轮减速机是一种结构紧凑，体积小的

31、机型，源于采用了摆线针齿啮合的、少齿差行星传动原理设计而成的一种新型传动机械；已广泛地应用到石油化工、建筑、治金矿山、起重运输、纺织印、工程机械、食品工业、电子电视各个领域。摆线针轮减速机有如下特点： （1）BW摆线减速机运转平稳，噪音低：在运转中同时接触的齿对数较多，重合度大，运转十分平稳，过载能力较强，振动微弱，噪音较低，各种规格的机型噪音小。 （2）传动比大：单级传动比为9-87，双级传运动比99-7569，多级组合可达数万，且针齿啮合系套式滚动摩擦， 啮合表面无相对滑动，故一级减速效率达94%。 （3）使用可靠寿命长：因主要零件采用高碳合金钢淬火处理（HRC58-62），再精磨而成，且

32、摆线齿与针齿套啮合传递至针齿形成滚动磨擦付，磨擦系数小，使啮合区无相对滑动，磨损 极小，所以经久耐用。 （4）结构紧凑，体积小：与同功率的其它减速机相比，重量体积小1/3以上，由于是行星传动，输入轴和输出轴在同一轴线上， 以获得尽可能小的尺寸。 （5）传动效率高：高级传动效率均在90%以上。为使本装置结构紧凑，安装方便，体积小，重量轻，选用立式摆线针轮减速器（如图13所示）。减速器的动力可由单相电机提供（在铁路现场，220V的电源需要小型单相发电机来提供），也可以直接在摆线针轮减速器的输入端安装一个摇把，人工旋转摇把，带动减速器旋转，向拧头提供扭矩。为省力和增大作用在拧头的扭矩，可选用速比较大

33、的双级摆线针轮减速器。 图5-1 摆线针轮减速器6 主轴的设计6.1设计主轴6.1.1 设计花键轴 根据报废尼龙套管从砼枕中旋出而作的运动形式，对主轴进行了设计，主轴装配图如图6-1所示。由于主轴在做旋转过程中还需要进行做轴向的上下移动，根据预定方案的要求，可知主轴的运动形式和钻床相类似，设计时参照了学院金工车间钻床的设计。主轴组件的设计参照了钻床的主轴组件原 理和结构，为了实现主轴的径向旋转和轴向移动，将主轴的上端设计为矩形花键轴，将其与轴套配合，轴套通过和滚动轴承连接固定于箱体上可作旋转运动，通过一系列的连接和配合，便实现了主轴的旋转和上升。摆线针轮减速器输出的 图6-1 花键轴装配 动力

34、需要传递到拧头上，上边提到，尼龙套管沿着砼枕中的水泥螺纹旋出时，一边反向旋转，一边要沿轴向直线运动，因此要设计一个传递动力、带动拧头旋转上升的主轴。如图6-3所示，是为实现主轴功能要求而设计的主轴组件。来自摆线针轮减速器的转动传递到轴套1上，轴套1通过花键与主轴5相连接，拧头安装在主轴5的下端，由拧头把扭矩传递给尼龙套管。主轴由轴承支承在套筒9内，套筒9带着主轴5在箱体10的箱体孔内上下移动。轴向移动则经齿轮轴8传动套筒9。取出装置主轴5受有较大的径向力，但轴向力不大。主轴的精度要求也不太高。因此径向支承可用向心球轴承6安装在套筒9的上下两端，不必预紧；轴向支承使用推力球轴承7。主轴上部用两个

35、向心球轴承4，安装在轴承外套2内，两轴承用挡圈3隔开；轴承外套2通过螺纹连接在箱体10上。6.1.2 轴套的设计主轴在做运动的过程中，为实现传动系统的正常传动、保证装置的正常工作，其上下移动需在同一条轴向上，这就要求主轴固定于水平方向的某一位置且可作径向旋转运动和轴向上下移动，为此提出了轴套的设计。轴套与滚动轴承的配合如图6-2所示。 图6-2 轴套的装配图 1轴套 2轴承外套 3挡圈 4滚动轴承 5主轴 6滚动轴承 7推力轴承 8齿轮9套筒 10-箱体图6-3 主轴的装配 6.2 主轴的校核进行轴的强度和刚度计算，应根据受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。经分析知，该

36、校核主轴仅仅承受扭矩，应按扭转强度条件刚度条件计算。（1）轴的扭转强度校核计算条件为： （6-1） 式中：扭转切应力，MPa；T-轴所受的扭矩，Nmm；W-轴的抗扭截面系数，mm；n-轴的转速，r/min；P-轴传递的功率，KW；d-计算截面处轴的直径，mm；-许用扭转切应力，MPa，见表6-1. 表6-1 轴常用几种材料的及A值。轴的材料Q235-A、20（1Cr18Ni9Ti）Q275、354540Cr、35SiMn38SiMnMo152520352545355514912613511212610311297T W （6-2）（其中z=4，为花键齿数。D=20mm,d=17mm）经计算得，

37、满足扭转强度。（2）轴的扭转刚度校核计算轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示。轴的扭转刚度条件为 （6-3）式中：T-轴所受的扭矩，Nmm； G-轴的材料的剪切弹性模量，MPa，对于钢材，G=8.1xMPa； -轴截面的极惯性矩， ，对于圆轴，；-轴每米长的允许扭转角，与轴的使用场合有关。对一般传动轴，可取m；对于精密传动轴可取m；对于精度要求不高的轴，可大于m。经计算得，（其中d取18），满足扭转刚度。经校核，主轴满足扭转强度和刚度要求。7 同步机构的设计7.1设计方案的确定尼龙套管在被拧出时，需要两个运动，旋转运动和上下的直线运动。旋转运动由主轴来提供，上下的直线运动则需由图7-1所示所示的

38、齿轮8推动套筒9带动主轴5来实现。齿轮8的运动拟来自于轴套4上的齿轮，传动要求轴套4每转1转，主轴5带动拧头上升1个尼龙套管外螺纹的螺距，即12mm。根据这样的一个传动关系，设计计算将轴套4的转动转变为主轴5上升的同步上升传动机构。同步上升传动机构的设计方案如图7-1所示。 J1-减速器 Z1-Z5/Z8-直齿轮摆线针轮减速器J1输出轴上的齿轮带动从动 Z6/Z7-蜗轮、蜗杆 Z9-齿条图7-1 同步传动机构原理图 齿轮Z2，与齿轮Z2同轴的齿轮Z3将运动传递给齿轮Z4，齿轮Z4又带动Z5，蜗杆Z6（右旋）与齿轮Z5同轴，蜗杆Z6带动蜗轮Z7，齿轮Z8与蜗轮Z7同轴，齿轮Z8与图7-1所示套筒

39、9上的齿条Z9相啮合，齿轮Z8转动，推动套筒9上的齿条Z9带动主轴及拧头实现主轴轴向的直线运动。7.2 齿轮基本参数的确定 当摆线针轮减速器反转时，要求主轴要上移。从图7-1可以看出，所设计方案符合转向要求。由于轴向力不大，同步上升传动机构中的传动齿轮在设计时模数可以确定小模数。由于主轴的直线移动是靠齿轮Z8、齿条Z9的啮合实现的，这对齿轮的齿数和模数确定后，由公式 (7-1)式中：d齿轮Z8的分度圆直径；m齿轮Z8的模数；Z8齿轮Z8的齿数。及公式： (7-2)式中：L主轴上升的位移，这里取尼龙套管外螺纹的螺距；齿轮Z8的转角。可以计算出从齿轮Z3到齿轮Z8的速比，经计算速比为i=7.56。

40、再根据轮系的速比计算，由公式： (7-3)式中：Z3齿轮Z3的齿数；Z5齿轮Z5的齿数；Z6齿轮Z6的齿数；Z7齿轮Z7的齿数。经计算求得，Z1=42，Z2=30，因其承受力较大，经校核选用模数m为2.5，因Z3=20、Z4=22、Z5=56、Z6=22和Z7=60，因其承受力相对较小，经校核取取模数m为1.5。7.3 齿轮的校核现对齿轮1进行校核。齿轮1材料为45号钢，齿数为42，模数为2.5。进行齿轮传动的强度计算时，首先要知道轮齿上所受到的力，这就需要对齿轮传动做受力分析。当然，对齿轮传动进行力分析也是计算安装齿轮的轴及轴承时所必须的。齿轮传动一般加以润滑，啮合轮齿间的摩擦力通常很小，计

41、算齿轮受力时，可不予考虑。沿啮合线作用在齿面上的法向载荷Fn垂直于齿面，为了计算方便，将法向载荷（单位为N）在节点P处分解为两个相互垂直的分力，即圆周力Ft与径向力Fr(单位为N)。由此得 （7-4） （7-5） （7-6）式中：T1齿轮传递的转矩，Nmm； D1齿轮节圆直径，mm； 啮合角，对标准齿轮，=20。转矩T1的大小即为将尼龙套管从砼枕中旋出时所克服的扭矩，其大小约为T12000Nm，齿轮节圆直径d1=108，经计算求得Ft=3700N。（1）齿根弯曲疲劳强度校核轮齿在受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱，齿根危险截面的弯曲应力为 （7-7）查阅资料可知，式中载荷系数K取值1.2，扭矩T2000Nm，齿形系数取值2.38，应力校正系数 取值为1.67，齿宽与分度圆直径之比经计算得，模数m值为2.5，齿数Z1=42，经计算得：经校核，齿轮满足弯曲疲劳强度要求。（2）齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳应力计算如下式，即 （7-8） 查阅资料可