軌道交通車輛轉向架側梁焊接裝備的研制

□孟熙妍 □張海燕

1.渤海大學 遼寧錦州 121011

2.中車唐山機車車輛有限公司 河北唐山 064000

1 研究背景

轉向架是軌道交通車輛系統的走行部，也是最重要的組成部件之一，具有承載、導向、緩沖、牽引和制動的功能，其結構精度直接影響車輛的運行品質、動力學性能和行車安全。側梁承載轉向架的構架，其主體結構為鋼板焊接成的封閉箱體，有空氣彈簧定位座、轉臂定位座、抗蛇形減振器座、垂向減振器座及各種筋板等附件。筆者研制的側梁焊接裝備可以實現對上述附件進行定位壓緊與焊接。

2 設計要求

軌道交通車輛轉向架側梁焊接裝備主要用于壓緊側梁。當側梁及所有附件完成定位后，需要將側梁在上蓋板處壓緊，側梁焊接完成后松開，工作周期為1 h左右，也即側梁焊接的時間。

3 結構

本著柔性化、模塊化、自動化、智能化的設計理念，軌道交通車輛轉向架側梁焊接裝備采用整體框架結構，兩端與變位機連接，可實現整體360°翻轉。框架采用工字型鋼板焊接而成，所有部件用L形壓板及螺栓與主體連接，可以方便地沿框架主體方向調整尺寸[1]。

側梁支承均采用可調整活動結構，有利于調整精度及避免側梁焊接變形等。

裝備總體分為主體框架模塊、彈簧座輔助定位夾緊模塊、液壓夾緊模塊、轉臂定位座定位夾緊模塊、側梁主定位模塊、變位器連接模塊，如圖1所示。

4 液壓系統設計

軌道交通車輛轉向架側梁焊接裝備力求做到質量輕、體積小、效率高、工作可靠、結構簡單、操作維護保養方便、經濟性好。根據側梁焊接時的實際焊縫形式、焊接變形等因素，初步確定工作載荷為10 kN。

▲圖1 軌道交通車輛轉向架側梁焊接裝備

初選液壓系統工作壓力時，要根據載荷大小和設備類型而定，還要考慮執行元件的裝配空間、經濟條件及元件供應等情況。根據工作載荷、執行元件結構尺寸、裝配空間等因素，確定工作壓力為16 MPa。液壓缸的主要結構尺寸如圖2所示，圖2中A1為無桿腔活塞有效作用面積，A2為有桿腔活塞有效作用面積，P1為液壓缸工作腔壓力，P2為液壓缸回油腔壓力，D為活塞直徑，d為活塞桿直徑。

▲圖2 液壓缸結構尺寸

活塞桿受壓時，壓力F=P1A1-P2A2。活塞桿受拉時，壓力F=P1A2-P2A1。P2即背壓力，根據系統類型，初定P2=0.6 MPa。

根據 F=10 kN、P1=16 MPa、P2=0.6 MPa，考慮執行元件的裝配空間、結構尺寸，初定d=25 mm。

經過計算圓整，并根據常用液壓缸內徑選型，選定D=40 mm[2]。

液壓缸所需流量Q為：

式中：A為液壓缸有效作用面積；V為活塞與缸體的相對速度。

設 V=0.18 m/s，代入式（1），計算得 Q=8 L/min。

綜合考慮液壓泵的最大工作壓力、流量及總效率，選用變量葉片泵并確定泵站主要參數。電機功率為1.5 kW，電壓為380V，頻率為50 Hz，轉速為1 400 r/min。油箱容積為20 L，泵站帶風冷卻器。

根據系統的工作壓力和實際通過的最大流量，選取三位四通手動控制閥，工作壓力為16 MPa，流量為10 L/min。

5 裝備結構

5.1 主體框架模塊

主體框架模塊主要分為支架體和兩端連接架，如圖3所示。

連接架內側兩端與支架體用螺栓連接，外側方管與變位器連接模塊連接。方管中心線應與裝備整體旋轉中心重合，以盡可能減小變位器的扭矩，減少設備的疲勞磨損，延長使用壽命[3-4]。這一裝備采用Pro/E軟件設計，計算裝備旋轉中心線時，可以先在端部連接架上選定一點設為基準坐標系及原點位置，軟件通過自動分析計算可精確得出旋轉中心線位置。

▲圖3 主體框架模塊

5.2 液壓夾緊模塊

為使側梁焊接完成后移出方便，液壓缸需能夠自動實現翻轉，即當液壓缸活塞桿處于伸出狀態時，壓臂沿轉動軸向下翻轉并壓緊側梁。當液壓缸活塞桿處于壓縮狀態時，壓臂松開側梁并向上翻轉，方便使工件移出。根據裝備整體結構及設計思路，液壓缸與裝備主體采用T型槽形式連接[5]，拆卸方便。液壓夾緊模塊如圖4所示。

▲圖4 液壓夾緊模塊

這一裝備根據設計需求，使用四組液壓夾緊模塊。采用可移動微型液壓站，放置于裝備端部。電機功率為1.2 kW，通過手動換向閥實現換向。

由于裝備使用時需要翻轉，且焊接過程中有焊料飛濺和粉塵等，因此液壓缸采用彈性護套保護，液壓站與裝備連接的液壓管道采用不銹鋼絲軟管防護，這樣既能滿足裝備翻轉需求，又能有效保證液壓系統正常工作，并可延長使用壽命。

5.3 轉臂定位座定位夾緊模塊

每個側梁有兩組轉臂定位座定位夾緊模塊，焊接在下蓋板折彎處，并在Y軸方向與側梁對稱分布，如圖5所示。取固定座Y軸方向中心為一組轉臂定位座Y軸方向的中心，在固定座兩側分別裝有三組調整裝置，用于調整固定轉臂定位座的Y軸方向尺寸。固定座中心鉆有螺紋孔，在兩側分別旋入軸，軸心即為轉臂定位座X軸方向的中心位置。支承座用于調整轉臂定位座Z軸方向的高度尺寸。

每組側梁有兩組轉臂定位座，需保證其X軸方向尺寸1 540 mm。圖紙尺寸公差為±1 mm，兩定位軸中心距的基本尺寸取兩孔中心距的基本尺寸L，軸中心距偏差取工件孔中心距偏差的1/5～1/3。定位精度要求高時取小值，兩定位軸中心距及其公差為L±δLx/2=L±1/2[（1/5～1/3）δLg]，其中 δLx為軸距公差，δLg為孔距公差，則兩定位軸中心距為 1 540±1/2（1/5×2）=1 540±0.2 mm[6]。

可見，兩組轉臂定位座定位夾緊模塊軸中心距取1 540±0.2 mm，這樣轉臂定位座的尺寸及公差就確定了。

轉臂定位座固定后，安裝于液壓夾具安裝座上的液壓夾具將側梁壓緊，實現夾緊功能。

5.4 側梁主定位模塊

側梁主定位模塊是這一裝備中功能最多的一組模塊，如圖6所示。

側梁主定位模塊用L形壓板與主體框架連接，用于定位調整側梁主體、筋板、抗蛇形減振器座、垂向減振器座等附件[7]。

▲圖5 轉臂定位座定位夾緊模塊

▲圖6 側梁主定位模塊

6 應用技術小結

軌道交通車輛轉向架側梁焊接裝備涉及機械技術、電氣技術、液壓技術、傳感技術，裝備技術含量較高，對裝備零部件材質、熱處理、加工方法、裝配精度的要求也較高，加工過程中應用了加工中心、線切割、電火花、車銑刨磨等多種加工方法，使裝備整體應用技術達到了較高的水平[8-9]。

7 使用效果

目前，已在軌道交通車輛轉向架側梁焊接裝備上成功焊接出各種地鐵、城軌，以及350 km/h、250 km/h CRH3A型高速動車組轉向架的構架側梁，針對不同的車型，只需略微調整裝備各功能模塊的相應尺寸或個別結構即可，柔性化、模塊化、自動化、智能化的設計理念得以體現[10]。