軌道車輛轉向架翻轉機的設計研究

李 昊 劉凱坤

沈陽地鐵集團有限公司運營分公司

1、翻轉機的國內發展現狀

翻轉機在近幾年已成為國內制造裝備行業的一種必不可少的生產、制造和加工的輔助機械。在汽車、冶金、核電等許多行業都有所應用，一般涉及大型零部件的裝配、焊接等生產制造工序的工廠均對翻轉機有需求和應用。隨著各行業技術的發展進步，以及工廠對高效率和自動化趨勢的契合，國內市場設計開發的翻轉機類型有十余個，規格近百種。

2、轉向架翻轉機的設計

本文設計的翻轉機的整體結構如圖1(為方便表現，省去了其中一個小齒輪箱)所示，主要包括動力與傳動系統、翻轉執行機構、鎖止裝置、蓄能緩沖裝置以及電控系統。

圖1轉向架翻轉機總體結構圖

2.1 翻轉機的工作原理

啟動開關，蓄能緩沖裝置釋放彈簧的勢能推動滑塊，鎖止桿在對心滑塊機構的推動下翻轉180度與翻轉架鎖合形成閉合框架。與此同時觸動行程開關1，行程開關1發送信號使電機啟動，電機動力通過減速傳動機構由大齒輪通過螺桿連接帶動翻轉架，進而帶動工件和鎖止桿整體逆時針翻轉，直到翻轉至180度之時，鎖止桿與工作臺貼合處于一個狀態(此時蓄能裝置的彈簧已被壓縮完畢，蓄能完成)，同時觸發行程開關2，發送信號使電機反轉(在此前翻轉架帶動工件翻轉175度至180度的過程中，自動鎖已漸漸打開并保持打開的狀態)進而大齒輪帶動翻轉架順時針旋轉180度回至最初位置觸發行程開關，使電機停止。一次完整的翻轉過程完成，等待下一次的放置工件和翻轉。

2.2 翻轉機的動力與傳動系統

此翻轉機的動力傳動系統包括電機和減速器。動力傳動系統的作用是提供給翻轉架足夠的力矩，使翻轉架能完成正轉和反轉。另外，傳動部分的蝸輪蝸桿具有自有自鎖能力，使翻轉架的正轉和反轉均有自鎖能力。

本文所設計的翻轉機采用的電機是永磁同步電機，因為待翻轉的工件有很大的重量和尺寸，需提供給翻轉架很大的轉矩。另外翻轉機在翻轉過程中要求速度平穩，而工件在翻轉的過程中負載不斷變化。因此本文選用機械特性較硬的永磁同步電機，帶有制動裝置，因此電機的停止會十分迅速。選用永磁同步電機能保持恒速，因此只需要控制電機的啟停和正反轉即可，所以對電機的控制也變得相對簡單。

3、轉向架翻轉機分析

3.1 大齒輪的受力分析

大齒輪主要有三個受力區域：大齒輪與小齒輪嚙合齒面受到小齒輪的接觸力，大齒輪端面的螺孔受到螺桿的擠壓力，大齒輪的中心區域受到軸的支撐力。對大齒輪的力學模型進行簡化，在翻轉的過程中，可建立如下方程。

F1·l1=F2·d=G·l2cosθ

其中l1為中心螺孔至翻轉中心的距離，d為大齒輪的分度圓直徑，F1、F2分別為等效螺孔點的受力和大小齒輪嚙合處的受力。G為工件與翻轉架的總重力的一半(因為此處分析單邊齒輪的受力)。l2為工件與翻轉架整體的重心到翻轉中心的距離，θ為整體重心與翻轉中心O的連線與水平線夾角。在翻轉過程中l1、l2和d為定值，由公式可知，F1、F2成正比，且cosθ最大時，F1、F2最大。因此可求得F1、F2的最大值分別為19045N、11760N。

在翻轉的過程中，小齒輪施加于大齒輪的嚙合力的作用力和大小一直在變化，端面的受力螺孔的受力方向在翻轉90度左右后發生變化。可見大齒輪在翻轉180度的過程中受力狀態復雜多變，這意味著大齒輪并不一定在受到的小齒輪和螺桿的力為最大時為最危險狀態。因此還需對可能的危險狀態下的大齒輪進行有限元應變和應力分析。

3.2 模態分析

翻轉機整機的模態分析不僅跟各組成零件的模態有聯系，更與各個組成部分的連接方式有關聯。如果在翻轉機正常工作時引起共振現象，則很可能會導致翻轉機在運行時工件破壞翻轉架而滑落，也有可能造成動力系統的損壞，總之，若發生共振，不僅會造成翻轉機的損壞而且有可能造成安全事故。為了避免翻轉機在實際運行時共振現象的發生，必須對翻轉機整機進行模態分析以得出翻轉機的整機固有頻率。

對翻轉機進行模態分析主要有兩個目的：一是測得整機的固有頻率，使具體工況的頻率與其避開，或者為改變整機和部分關鍵零件的結構和頻率而提供依據，總之是為了避免翻轉機在具體工作時發生共振現象；二是可以得出翻轉機的動態特性。

總之，目前，高鐵技術快速地發展和普及，對于人們生活甚至國家戰略都有舉足輕重的地位。而高鐵的轉向架在焊接加工過程中需多次翻轉但目前的翻轉方式粗陋、效率低下。能設計一種滿足功能需求的自動翻轉機，將對工廠的加工效率有很好的提升，對高鐵行業有積極的意義和應用價值，因此需要重點加強研究。

[1]李海龍.大工件翻轉設備翻轉過程力學分析及180度翻轉機方案設計[D].燕山大學，2014.