動車組中心銷機械化安裝設(shè)備研制

李 豐，魯寨軍，趙成剛，言正明，孫篤玲，劉志偉

（1南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島，266111；2中南大學(xué)交通運輸學(xué)院，湖南 長沙，410075；3廣州鐵路（集團）公司，廣東 廣州，510000）

動車組中心銷機械化安裝設(shè)備研制

李 豐1，魯寨軍2，趙成剛1，言正明3，孫篤玲1，劉志偉1

（1南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島，266111；2中南大學(xué)交通運輸學(xué)院，湖南 長沙，410075；3廣州鐵路（集團）公司，廣東 廣州，510000）

針對中心銷現(xiàn)有裝配方式存在勞動強度大、緊固扭矩輸出值不穩(wěn)定、作業(yè)效率低的問題，提出采用電動定扭緊固和液壓升降的方式解決該問題。詳述車輛落成機械化裝置的設(shè)計過程，通過受力分析和有限元模擬計算得出緊固過程中的反力，合理設(shè)計反力臂，并校核結(jié)構(gòu)強度。最終研制出了車輛落成機械化裝置樣機，并通現(xiàn)場試驗，驗證了樣機的功能，解決了現(xiàn)有裝配方式存在的問題。

中心銷；機械化裝配；反力臂；車輛落成機械化裝置

動車組中心銷是連接車體和轉(zhuǎn)向架、并傳遞縱向牽引力的關(guān)鍵零部件，與車體配合精度要求較高、連接螺栓預(yù)緊力矩大。目前，采用液壓升降車托起、手動扭力扳手緊固連接螺栓的方式安裝中心銷。由于與車體配合精度要求較高，中心銷與車體對位稍有偏離時，就需要人工移動整個液壓升降車，直至較高的對位精度；另一方面，緊固中心銷與車體的連接螺栓所需扭矩較大，需要2-3個人同時使力才能扳動扭力扳手。因此，現(xiàn)有安裝方式，作業(yè)人員勞動強度大、作業(yè)效率低，且手動扭力扳手由于人力施加不均勻?qū)е螺敵雠ぞ刂挡环€(wěn)定，影響緊固質(zhì)量。急需研制一套能快速對位、螺栓緊固和扭矩控制機械化的移動式安裝設(shè)備。本文結(jié)合現(xiàn)場安裝環(huán)境要求，研制了一套人工輔助對位、機械化升降和自動緊固螺栓的中心銷裝配設(shè)備。

1 安裝條件分析以及設(shè)計要求

動車組中心銷安裝在車體枕梁中心位置，安裝面距離地面高度約為1800mm，重量120kg，與車體連接的螺栓規(guī)格為M30、緊固扭矩為1100N·m。中心銷二維模型如圖1所示，外形尺寸為：長 *寬*高=590mm*590mm*685mm。中心銷定位中心與螺栓緊固位置中心的距離為336mm。

由于中心銷現(xiàn)場安裝地點不固定，設(shè)備須具有可移動性；中心銷的安裝位置位于車底，因此該設(shè)備需具有機械舉升功能；車體枕梁中心定位孔與中心銷定位配合處間隙非常小，因此要求設(shè)備能準確定位中心銷與車體的位置以及要求舉升設(shè)備具有頂升力；中心銷定位之后考慮到中心銷緊固扭矩值、緊固扭矩輸出精度要求高，選用電動定扭扭力扳手；綜合考慮實用性和經(jīng)濟性，選用一個電動定扭扭力扳手進行4個螺栓的依次緊固。由于中心銷的尺寸不規(guī)則，扭力扳手在依次擰緊4個螺栓的過程中，考慮到螺栓安裝位置的高度以及扭力扳手的高度，扭力扳手必須繞過障礙物減振器座處。減振器座最外側(cè)與中心銷定位中心的距離為339mm，在此過程中，扭力扳手如何避開減振器座障礙擰緊四個螺栓、中心銷如何與螺栓的對位以及擰緊過程中扭力扳手帶來的反力如何解決成為了設(shè)計難點。

圖1 中心銷二維模型

總體設(shè)計要求，滿足中心銷裝配的安全、可靠、省力、經(jīng)濟，結(jié)構(gòu)簡單、便于操作和維護。要考慮的因素：1.中心銷的舉升穩(wěn)定；2.扭力扳手帶來的反力；3.扭力扳手如何避開障礙擰緊四個螺栓；4.中心銷的舉升；5.中心銷及扭力扳手與螺栓的對位。

2 中心銷機械化安裝設(shè)備方案設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

中心銷機械化安裝設(shè)備可以分為舉升部分和螺栓緊固部分。如將該設(shè)備設(shè)計成舉升機構(gòu)和螺栓緊固機構(gòu)兩個設(shè)備，稱為分體式方案；將兩大部分結(jié)合在一起設(shè)計成一個設(shè)備，稱為一體式方案。綜合安裝條件和總體設(shè)計要求，分體式方案操作復(fù)雜且在螺栓緊固時帶來的反力問題難以解決，與一體式方案相比具有相對的劣勢，綜合方案的經(jīng)濟性、實用性以及方便性，選擇一體式方案。根據(jù)總體要求設(shè)計了一體式方案如圖2所示。

圖2 一體化方案三維模型

本設(shè)備由中心銷夾具組成、搖動座組成、舉升機構(gòu)組成、箱體組成、懸臂及夾持組成、扭力扳手及控制系統(tǒng)等6大部分構(gòu)成。

（1）中心銷夾具組成

中心銷夾具2通過搖動座組成12與液壓油缸18連接，可以360°旋轉(zhuǎn)，與垂向中心線呈任意小角度擺動，滿足中心銷裝配過程中中心銷與車體定位需要的調(diào)整動作。

（2）搖動座組成

通過油缸鞲鞴桿與球頭桿連接，搖動座與中心銷夾具連接，搖動座與球頭桿的球面配合，并由法蘭限制球頭桿的自由度來達到搖動座任意小角度擺動的目的。

圖3 搖動座組成

（3）舉升機構(gòu)組成

由液壓泵13、液壓油缸18、管路、保護套19及導(dǎo)向套20組成，保護套19跟著油缸升降，主要作用是在油缸升降與設(shè)備緊固作業(yè)過程中受到水平載荷與彎矩時，保護油缸。導(dǎo)向套20用螺栓固定在箱體上，與保護套孔軸配合，在保護套跟著油缸升降過程中，限制保護套水平方向的自由度，達到保護油缸的目的。液壓泵安裝在箱體組成底部，是該裝置的頂升動力源。舉升機構(gòu)的設(shè)計，保證了中心銷舉升時平穩(wěn)以及緊固作業(yè)時的穩(wěn)定。

（4）箱體組成

箱體3內(nèi)含控制安裝區(qū)域、液壓站安裝區(qū)域，底部裝有高強度尼龍萬向輪。

（5）懸臂及夾持組成

懸臂5可以繞中心銷夾具2任意角度轉(zhuǎn)動，使扭力扳手7移動到4個不同位置的擰緊區(qū)域；安裝軸6和手柄4直接固定在懸臂上，夾持機構(gòu)1可以繞安裝軸6轉(zhuǎn)動，夾持機構(gòu)與擰緊機連接板上伸出兩塊連接板作為固定孔8與中心銷夾具上的固定槽10連接，依次擰緊螺栓時，如圖4所示，固定孔1與固定槽1、固定槽3連接定位，固定孔2與固定槽2、固定槽4連接定位，當擰緊機與螺栓定位之后，夾持機構(gòu)固定孔與固定槽用銷9連接，使擰緊機工作時產(chǎn)生的反力傳遞到夾具上，再通過受力橫梁11傳遞至中心銷上并最終傳遞到車體,從而解決擰緊過程中扭力扳手產(chǎn)生的反力問題。

圖4 夾持機構(gòu)與中心銷夾具定位示意圖

（6）扭力扳手及控制系統(tǒng)

該型扭力扳手7的扭矩范圍為430-1500Nm，轉(zhuǎn)速為 52rpm、可伸縮量為 60mm、最小中心距106.2mm。扭力扳手在擰緊螺栓的過程中，可伸縮量滿足螺栓擰緊所需的行程。

扭力扳手7通過扭力扳手控制箱14對扭力扳手的輸出扭矩值進行控制，能根據(jù)工作要求輸出高精度穩(wěn)定扭矩，并且扭力扳手控制箱帶有信息存儲、傳輸功能，將扳手緊固的扭矩值、作業(yè)時間進行記錄，便于追溯查詢。扭力扳手可伸縮量達到60毫米。

2.2 方案特點

（1）舉升機構(gòu)為中心銷舉升旋轉(zhuǎn)平臺基礎(chǔ)，同時也是螺栓緊固平臺基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，并且大大加強穩(wěn)定性和可靠性。

（2）中心銷夾具及扭力扳手共具有各方向自由度，方便與螺栓對位且安全可靠。

（3）夾具上加裝兩根橫梁，是為了使中心銷落裝在夾具上時能使中心銷的中心和夾具中心在同一垂直線上同時保證夾具上的力能傳遞到中心銷上，最終傳至車體上；夾具上加裝四個固定槽，當擰緊機與螺栓定好位之后，將擰緊機的夾持機構(gòu)與固定槽用銷連接，將擰緊機產(chǎn)生的反力傳到夾具上，從而傳至車體。

2.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)強度校核

由于該設(shè)備在緊固螺栓的時候需要1100Nm的扭矩，該扭矩對扭力扳手的夾持工具會產(chǎn)生一個額外力矩，通過力的傳遞傳到中心銷夾具上，最終傳遞到車體上。為了保證緊固螺栓過程中扭力扳手的安全以及設(shè)備結(jié)構(gòu)強度，因此，我們需要對這一個扭矩進行分析。

下圖為夾持機構(gòu)與中心銷夾具連接簡化后的受力示意圖5所示。

圖5 夾持機構(gòu)與中心銷夾具連接受力分析示意圖

圖5 中，O點為中心銷夾具的中心，A點為中心銷夾具上固定卡槽中心，B點為夾持機構(gòu)擰緊中心，C點為夾持機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心，D點為中心銷夾具中心到中心銷夾具邊緣的垂直距離。由于OB是中心銷到螺栓孔之間的距離為已知，OC為擰緊機在繞中心銷旋轉(zhuǎn)依次擰緊螺栓時，為避開障礙物的最小距離（還要考慮夾持機構(gòu)的尺寸）。OB=336mm，OC＞339mm，OD=190mm。

由于擰緊過程中，B點的擰緊扭矩為1100Nm，產(chǎn)生的反力由A、C點承受，根據(jù)公式①，考慮到安裝空間問題，AB尺寸受到限制，力F1要大于力F2，力F2的大小取決于A點銷連接處間隙，當扭力扳手剛開始工作時，由于A點處間隙，導(dǎo)致C點先受力，力F2作用在連接軸上，使連接軸受到一彎矩，該彎矩傳遞至懸臂上，并最終作用于中心銷夾具。當C點的受力致使A點的間隙消除后，A點將承受B點產(chǎn)生的大部分反力，反力將通過固定孔與固定槽銷連接處傳遞至中心銷夾具上力橫梁傳遞至中心銷，最終傳遞至車體上，從而解決擰緊機的反力問題。

根據(jù)公式①，在A、C點受到的力越小時，得到的AB和AC尺寸不符合現(xiàn)場安裝空間需求，故按照現(xiàn)場安裝環(huán)境以及受力最小兩者因素考慮，取AB=99mm，BC=140mm，OC=395mm。

2.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

針對扭力扳手擰緊過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形，對中心銷夾具和扭力扳手夾持機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，利用Ansys12.0中的Workbench平臺對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，將中心銷夾具和夾持機構(gòu)組成的三維模型導(dǎo)入，設(shè)置材料屬性（選用Q345鋼材料），設(shè)置計算參數(shù)，選用Augmented Lagrange算法，劃分有限元網(wǎng)格，在中心銷夾具與中心銷接觸斜面上加10KN的垂向載荷（考慮到液壓系統(tǒng)的頂升力）和在夾持機構(gòu)與扭力扳手固定的三個圓孔處分別施加一個逆時針方向的切向力，滿足扭矩為1100Nm，計算得到的應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 中心銷夾具與夾持機構(gòu)應(yīng)力云圖

從計算結(jié)果可以看出，在固定孔與固定槽的銷連接位置受到最大應(yīng)力為180.55MPa，并且該應(yīng)力為壓應(yīng)力，低于材料的疲勞極限。所以選擇Q345鋼材料滿足強度和硬度要求。

3 樣機研制及試驗

為保證設(shè)計的裝置在結(jié)構(gòu)強度和功能上滿足要求，研制了樣機進行現(xiàn)場試驗。試驗對象為中心銷實車裝配，如圖7所示，中心銷能穩(wěn)固的固定在設(shè)備上，并且將設(shè)備移動至安裝位，啟動液壓設(shè)備頂升工件至安裝面，中心銷能準確的與車體安裝面配合，中心銷上四個螺栓孔能與車體安裝面上螺栓孔定位，說明該工件夾具能很好地穩(wěn)固中心銷并且使中心銷中心與工件夾具中心保持一致；如圖8所示，是該設(shè)備在緊固螺栓時的緊固狀態(tài)，擰緊過程中，設(shè)備運行平穩(wěn)，擰緊過程中產(chǎn)生的反力通過反力設(shè)備傳遞到車體。通過現(xiàn)場多次試驗結(jié)果表明，該設(shè)備滿足中心銷裝配要求，并且本身無結(jié)構(gòu)變形和損傷。

圖7 中心銷固定在中心銷夾具狀態(tài)

圖8 緊固狀態(tài)

4 總結(jié)

1）中心銷機械化安裝樣機采用電動液壓舉升裝置、電動擰緊系統(tǒng)。舉升機構(gòu)的設(shè)計，保證了中心銷舉升時平穩(wěn)以及緊固作業(yè)時的穩(wěn)定；

2）中心銷夾具的設(shè)計能使中心銷準確與車體對位；

3）夾持機構(gòu)的設(shè)計能更好地使扭力扳手擰緊時產(chǎn)生的反力傳遞至車體，并準確與螺栓對位。

4）該設(shè)備的總體設(shè)計解決了中心銷安裝時費時、費力、且輸出精度不確定等問題，保證了擰緊過程中的穩(wěn)定性以及擰緊精度。經(jīng)試驗驗證，該設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能均滿足設(shè)計要求。

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Research and Development of Mechanical Installation Equipment of EMU Center Pin

LI Feng1,LU Zha-jun2,ZHAO Cheng-gang1,YAN Zheng-ming2,SUN Du-ling1,LIU Zhi-wei1
(1.CSR Qingdao Sifang Co.Ltd.,Qingdao 266111,Shandong; 2.School of Traffic&Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,Hunan; 3.Guangzhou Railway(group)Corporation,Guangzhou 51000,Guangdong)

Aiming at the shortcomings of the existing assembling mode,which has the problem of large labor-intensive,unstable fastening torque output value and low working efficiency,the approaches of electric fixed torque fastening and hydraulic lifting were put forward to solve the above problems.Design process of vehicle completion mechanical equipment was described in detail.Counter force in the process of fastening process was obtained through the force analysis and finite element simulation.The reverse lever was reasonably developed and the structural strength was checked.The prototype of vehicle completion mechanical equipment was finally developed,and the function of the prototype was verified by the field test,which could solve the problems of the existing assembly methods.

center pin;mechanization assembling;reverse lever;vehicle completion mechanical equipment

U270.91

A

1671-5004（2017）01-0013-04

2016-12-17

中車四方科技開發(fā)項目（項目編號：SF/JG-陶字-2014-44）。

李豐（1982-），男，江蘇鹽城人，中車青島四方機車車輛股份有限公司高級工程師，研究方向：車輛組裝工藝。魯寨軍（1975-），男，湖南醴陵人，中南大學(xué)交通運輸學(xué)院副教授、博士，研究方向：車輛結(jié)構(gòu)強度與車輛系統(tǒng)動力學(xué)。趙成剛（1970-），男，吉林農(nóng)安人，中車青島四方機車車輛股份有限公司高級工程師，研究方向：車輛組裝工藝。