铁路货车电能收集装置的机械结构设计

1 滚珠丝杠的选择

    众所周知，铁路火车货车的振动形式以上下振动为主，而一般的发电机都是通过转子旋转时，旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁感线而产生电动势。为了能收集货车的振动能量，就需要一种稳定的装置将悬挂系统的上下振动转化为转子的旋转。实现这样的功能，最常见的就是丝杠。考虑到要获得较高的旋转速度并且提高能量的利用率，我们选择了滚珠丝杠。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠三部分组成。和普通的丝杠相比，滚珠丝杠的摩擦小、传动效率高。由于这样的优越性，滚珠丝杠已经被广泛应用于各种工业设备和精密仪器中。

    根据如今货车上使用较多的ZK6型转向架中减振弹簧的排布方式和具体尺寸(如表1)，以及铁路货车在运行时减震弹簧的振动情况(如表2)，我们从以下4个方面来选择合适的滚珠丝杠。

表1 转K6减振弹簧组的参数

表2 货车在运行时减振弹簧的振动情况

    (1)以实际的负载选择螺杆的直径。在上面已经介绍，由于特殊的构造，滚珠丝杠的摩擦小，传动效率很高，一般为90%～98%。在安装的前后，对整个悬挂系统的承载能力以及振动情况的影响可以忽略不计。另外由表1可以看到货车实际的振动是缓慢的、稳定的，所以对滚珠丝杠承载能力的要求很低。结合整个装置的实际尺寸等因素，取螺杆的公称直径为：do=12mm

    (2)以直线速度确定螺杆的导程。由表2中悬挂中弹簧的振动情况，可以计算得丝杠在重载情况下的平均直线速度为：

    在实际情况下，振动比较复杂，没有一定的规律，通过实验可以获得在实际运行过程中的振动情况。为了方便研究，我们在这里以正弦规律模拟弹簧的振动。由表1中的资料，可以得到重载情况下的振动规律为：

    在电气的仿真实验中我们设置转子转速为40r/s，并获得了较满意的输出。所以在选择丝杠时我们以40r/s作为最终的旋转速度。

    因为旋转速度、丝杠的直线速度以及丝杠的导程之间存在以下关系：n=v/p。通过以上的分析，取n=40r/s，速度取平均速度，即v=160mm/s，由此计算得丝杠的导程。

    (3)以实际需要确定滚珠丝杠的长度。在货车重载运行时，悬挂弹簧的振幅一般为20mm。所以丝杠的工作行程：