輪對壓裝機擴能設計及擋板有限元分析

喬硯斌，王廷和，張善彬，童 偉

QIAO Yan-bin, WANG Ting-he, ZHANG Shan-bin, TONG Wei

（青島理工大學 機械工程學院，青島 266033）

0 引言

我國鐵路新線建設十二五規劃發展目標每年增加8,000公里，一線、二線城市大力發展地鐵、輕軌交通，中國動車、地鐵走出國門，各機車、車輛制造廠商擴大產能勢在必行。輪對作為機車、車輛的關鍵運行部件，其制造能力制約整個機車、車輛制造進度，原有輪對壓裝設備采用天津YA92-315A輪對壓裝機如圖1所示，壓裝時，將輪對安裝在托舉小車上，輪對升降需要人工轉動底部螺桿，小車帶著輪對沿著導軌移動至車輪與馬鞍擋板完全貼合，活塞桿伸出與軸左端接觸時開始壓裝，活塞桿推動軸右移，壓裝至準確位置，活塞桿后退，壓裝完畢。該壓裝機功能單一，只能實現輪對壓裝，且小車只能在與壓裝機的軸線平行的導軌上移動，不能實現將輪對移除至壓裝機外側的位置，即安裝時只能在壓裝機的頂部實現吊裝，操作空間狹小，不能實現高效生產，不能滿足快速增長的機車車輛市場需求，因此增加設備拆卸功能，拓展作業空間，提高生產率勢在必行。本文在研究、分析傳統壓裝設備的基礎上，提出了輪對壓裝機擴能設計方案。

圖1 YA92-315A壓裝機

1 總體方案設計

帶齒輪箱及剎車盤的輪對最大重量為1.5噸左右，選取SWL5系列減速比為1∶24的蝸輪螺桿升降機，采用帶剎車功能的1.5kW伺服電機，保證兩個舉升機構同時升降的聯動功能要求及單個舉升機構點動0.2mm的精度要求；支撐部分采用箱型梁結構，小車隨動選用EGW30SB臺灣上銀的線性導軌；整車移動選用0.55kW帶剎車的三相異步電機，FA67斜齒輪減速器直接與動力軸連接，帶動小車以5m/min的速度沿著導軌移動，地面支撐導軌采用22kg/m的輕型導軌，設計電器聯動及互鎖裝置，擴能設計方案原理如圖2所示。

圖2 擴能后的YA92-315A壓裝機

2 馬鞍擋板的設計及有限元分析

增加設備的拆卸功能，就需要在靠近油缸側增加馬鞍擋板，使用時馬鞍擋板固定不動，活塞桿伸出與軸左端貼合后，推動輪對沿著直線導軌右移，輪對內側面與馬鞍擋板左側面接觸時，拆卸開始，油缸繼續推動軸右移，輪對與軸頸開始脫離，直至輪對完全脫離軸頸，壓裝過程結束。

為保證馬鞍擋板有足夠的強度、剛度，理想的受力模型應設計為等剛度的兩側紡錐形，由于紡錐形兩端厚度尺寸小，剛度嚴重不足，更改為等厚度板類形狀，由于輪對的輪子與齒輪箱間隙較小約200mm左右，為保證小車橫向進出時輪對和齒輪箱與馬鞍擋板不發生碰撞干涉，要求設計時，力求將馬鞍擋板的厚度優化至最佳值。

馬鞍擋板（如圖3所示）采用42CrMoA中碳合金鋼。42CrMoA的彈性模量E為2.1×1011Pa，泊松比μ為0.28，密度ρ為7850Kg/m3，屈服極限σs為930MPa。為保證足夠的強度和韌性，毛坯采用自由鍛造，粗加工后進行調質的熱處理要求。提高材料的綜合性能，精加工后進行探傷檢查。

圖3 馬鞍擋板

YA92-315A型壓裝機最大壓裝力為3150kN噸，實際最大壓裝力2800kN，設計、計算時按照3000kN設計，采用ABAQUS分析軟件，厚度分別取120mm，130mm兩種規格進行應力及變形的有限元分析。

1）厚度120mm，應力及變形的有限元分析結果圖4、圖5所示。

圖4 應力云圖σmax= 634.2Mpa

圖5 變形云圖umax=1.209mm

安全因數ns=1.5，材料的許用應力[σ]= σs/ns=930/1.5=620MPa。

厚度為120mm時最大應力為： 最大應力σmax= 634.2Mpa ＞[σ] =620MPa。

2）厚度130mm，應力及變形的有限元分析結果如圖6、圖7所示。

圖6 應力云圖σmax= 583.6Mpa

圖7 變形云圖umax=1.022mm

安全因數ns=1.5，材料的許用應力[σ]= σs/ns=930/1.5=620MPa。

厚度為130mm時最大應力為：最大應力σmax= 583.6Mpa＜[σ] =620MPa。

綜上所述，厚度為120mm時，最大應力大于材料的許用應力，為防止材料變形后不能完全恢復至原位，不予選取；厚度為130mm時，最大應力小于材料的許用應力，故強度足夠，最大變形量1.022mm出現在局部點，不影響拆卸接觸面積，且外力解除后，變形恢復至原位置，符合使用要求。

3 結束語

該設備擴能設計，結構緊湊，運載系統能夠運動至設備外側，拓展操作空間，提高生產率5倍以上，舉升、運載小車采用電動，減輕勞動強度，馬鞍擋板設計，增加設備的拆卸功能，擋板厚度優化設計，保證整車有較好的通過能力。

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