地鐵車輛落車旋轉頂升設備設計及分析

摘要：地鐵車輛轉向架回裝過程中，需要將復合彈簧頂入牽引梁內，以保證中心銷與牽引梁的密切貼合。由于地鐵車輛牽引梁與中心銷安裝座之間未設置垂向止擋，所以在頂升復合彈簧過程中，牽引梁會隨著復合彈簧一同上升，無法順利的將復合彈簧頂入牽引梁內，本文設計了一款旋轉頂升設備用來防止牽引梁跟隨復合彈簧上升，該設備結構簡單、操作方便，可以降低復合彈簧頂升工作的勞動強度，最后利用Solidworks建立其三維結構模型。

關鍵詞：復合彈簧；牽引梁

1 緒論

在車輛落車過程中，如果沒有垂向止擋，牽引梁會隨著復合彈簧的頂升而跟隨上升，達不到將復合彈簧頂入牽引梁使其與中心銷密切貼合的效果，如果將固定長度的支撐體放置在中心銷安裝座與牽引梁之間，則在復合彈簧頂升完畢后，由于復合彈簧擠壓變形，中心銷安裝座與牽引梁會將支撐體緊緊夾住，造成支撐體難以取出[1]。而牽引梁與中心銷之間空間較為狹小，其他可升降設備的尺寸又難以滿足要求，其價格又過高。基于此種情況本文設計了一款旋轉頂升設備。

2 設計及分析

旋轉頂升設備的原理主要借鑒絲杠螺母傳動，結構主要包含旋轉支撐體、旋轉體、單向推力棍子軸承、防護罩四部分。旋轉支撐體主要用來與牽引梁接觸，直接承擔載荷，旋轉體主要提供設備升降，單向推力球軸承主要用來承擔作用力及改變運動方式，防護罩主要用來防止推力軸承分離。

（1）設計條件。

根據地鐵車輛目前情況，動車整體重量約35t，拖車整體重量約30t，動車轉向架重量約6.9t，拖車轉向架重量約4.6t，所以動車車體重量約為22t，拖車車體重量約為21t，考慮旋轉頂升設備的通用性，將車體重量考慮為22t，則每個轉向架承載的重量約為11t。為保證頂升過程的平衡性和提高設備的可靠性，落車過程中每個轉向架采用2套旋轉頂升設備。每套設備分擔的重量為5.5t，選取6t。牽引梁與中心銷之間的垂直工作距離L1約為80cm，牽引梁與構架兩側附加氣室的水平距離L2約為80cm。

綜上所述，旋轉頂升設備的最小承載力大于等于6t，最大尺寸小于等于80cm3。

（2）設計計算。

根據實際情況，將設備設計為螺旋傳動，支撐體的材質為45號鋼，回火處理，旋轉體材質為青銅，牙型為梯形螺紋[2]。

a.支撐體螺紋中徑：

d2≥0.8FΨρp（1）

查表得螺紋副許用壓強ρp為20MPa，旋轉體采用整體式，Ψ=2，將數據帶入公式（1）可得：d2≥21.9mm。查梯型螺紋基本尺寸表，選取d2=31mm，螺距P=10mm。

b.旋轉體高度：

H=Ψd2（2）

將數據代入公式（2）可得：H=62mm，考慮空間限制，將旋轉體高度：H=40mm。

c.旋合圈數：

n=Hp≤10～12（3）

將旋轉體高度、螺距代入公式（3）可得：旋合圈數，n=4圈。

d.基本牙型高度：

H1=0.5P（4）

將螺距代入公式（4）可得：基本牙型高度，H1=5

e.工作壓強計算：

ρ=Fπd2H1n≤ρp（5）

將軸向作用力、螺紋中徑、基本牙型高、旋合圈數代入公式（5）可得：工作壓強ρ=15.04MPa，因此ρ<ρp，滿足要求。

f.螺紋牙根部寬度：

b=0.65P（6）

將螺距代入公式（6）可得：螺紋牙根部寬度，b=6.5。

g.螺紋強度校核。

支撐體螺紋強度校核

τ=Fπd3bn≤τpσb=3FH1πd3b2n≤σbp（7）

查機械設計手冊可得τp=35.4MPa，σbp=59MPa將上述計算所得到的數據代入公式（7）可得τ=14.69MPa，σb=33.92MPa，因此τ<τp，σb<σbp滿足要求。

旋轉體螺紋強度校核

τ=FπD4bn≤τ′pσb=3FH1πD4b2n≤σ′bP（8）

查機械設計手冊可得τ′p=35Mpa，σ′bP=50MPa，將上述計算所得到的數據代入公式（8）可得τ=13.6MPa，σb=31.4MPa，因此τ<τ′p，σb<σ′bp，滿足要求。

h.旋轉支撐體受壓穩定性

45號鋼臨界載荷，a=461MPa，B=2.568MPa，λ1=100，λ2=60

λ=μli（9）

查機械設計手冊可得旋轉支撐體長度系數為μ=2，工作長度為l=60mm，危險截面半徑i=d34=254=6.25，將數據代入公式（9）可得：旋轉支撐體柔度為，λ=19.2。

由于λ<λ2，所以小柔度可以不進行壓桿穩定性驗算。

（3）底座尺寸。

底座主要由單向推力球軸承構成，由于推力軸承在本設備中主要承受壓力，在選取軸承時，主要選取其結構尺寸及承載載荷，根據機械設計手冊單向推力球軸承參數表及設備旋轉體尺寸，選取軸承內徑為40mm，12系列的單向推力球軸承。

3 三維模型建立

利用Solidworks分別建立支撐體、旋轉體、底座、防護罩三維模型，并對其進行裝配[3]，旋轉頂升設備底座的尺寸根據牽引梁的寬度和單向推力球軸承國標來選取，滿足每個牽引梁可以存放兩個旋轉支撐體，旋轉體和支撐體尺寸根據上述計算進行確定；旋轉體滿足安裝單向推力球軸承的安裝、預留扳手操作空間及上述計算進行確定。

4 結論

本文通過設計一款結構簡單，價格低廉，易于加工的旋轉頂升設備，滿足了落車時復合彈簧頂升過程中的工藝要求，最后利用Solidworks建立其三維結構模型。

參考文獻：

[1]宴紅文，郭紅鋒.新型地鐵車輛轉向架研究[J].機車電傳動，2006（2）：3639.

[2]成大先，王德夫，姬奎生.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[3]谷德橋，張瀟文，劉海見.Solidworks2011中文版快速入門實例教程[M].北京：機械工業出版社，2011.

作者簡介：趙昆志（1990），男，現就職于天津市地下鐵道運營有限公司，研究方向：車輛架大修檢修工藝。