司機室鉸鏈門耐久試驗氣缸選型設計

鄭海 薛楊

摘 要：鉸鏈門是常見的城軌車輛司機室側門系統，在試驗臺架上對門系統進行耐久試驗是充分檢驗門系統可靠性的必要手段。驅動門扇開閉的氣缸是試驗系統的關鍵，氣缸的類型、缸徑、行程以及鉸接點位置是試驗臺架設計的重中之重。本文對鉸鏈門耐久試驗的氣缸選型及鉸接點設計展開探究，得出氣缸各參數最優算法，并以一個項目實例闡明此方法的可行性。

關鍵詞：鉸鏈門;耐久試驗;氣缸選型設計

1 概述

國內的城軌交通事業發展十分迅速，為避免產生重大財產損失及人員傷亡等嚴重后果，必須嚴格遵循“安全第一”的原則[1]。而車門系統是城軌車輛運營安全的關鍵系統之一，車門系統的故障占車輛系統總故障的30%以上[2]。為驗證門系統的耐久性，將門系統安裝到專用臺架上進行模擬實際工況進行重復開閉試驗，也是《EN14752鐵路車輛的車身側門系統》[3]提出的要求。

鉸鏈門耐久試驗原理如圖1所示，氣缸尾端與臺架在M點鉸接固定，活塞桿前端與門板在N點處鉸接;當氣缸活塞桿縮回時帶動門板繞鉸鏈中心點O旋轉打開;而后活塞桿伸出將門板推回至關閉位置，實現一個開閉循環。

2 選擇氣缸類型

氣缸種類有：標準氣缸、無桿氣缸、擺動氣缸、氣爪、迷你氣缸，薄型氣缸等。本試驗氣缸尾端擺動、頂端伸縮，故選擇標準氣缸;若試驗臺架尺寸受限，可選擇迷你氣缸以減小氣缸長度。

氣缸的操控方式分為雙作用、單作用彈簧壓出及單作用彈簧壓回三種方式。由于單作用氣缸的彈簧存在不可控性因素，本試驗應選擇雙作用氣缸以保證開關門兩個狀態可控，若附帶磁性開關可進一步加強可控性。

3 選定氣缸規格

氣缸規格的兩個重要參數——缸徑D與行程L，缸徑決定了氣缸的輸出力F，而行程與試驗臺架的設計參數相關。

3.1設計氣缸鉸接點位置

氣缸存在兩個鉸接點，一是氣缸前端與門板鉸接點N，一是氣缸尾端與臺架鉸接點M，見圖2。點N與點O豎直距離為e，把手中心到點O水平距離A，由門系統確定;初設水平距離a，|ON|=r，F與|ON|垂線夾角為θ，則氣缸驅動力矩T可由式（1）確定：

可見，在相同的輸出力情況下，θ越小則氣缸驅動力矩越大;即θ越小，氣缸的缸徑可以選得越小。以點O為圓心，r為半徑作圓弧， 1與 2形成的夾角α為試驗所定開門角度。令關門狀態時的夾角為θ1，開門狀態下的夾角為θ2。

連接N1與N2延長至M點，使|NM|略大于氣缸完全伸出時長度（為消除安裝角度誤差需采用浮動接頭），此時：

再考慮點M兩側的典型鉸接點M與M。 以點N為圓心，|NM|為半徑作圓弧， 作ON1垂線與圓弧相交于點M'，作ON2垂線與圓弧相交于點M''。

當氣缸鉸接于點M' 時， ;當氣缸鉸接于點M'' 時，;因此，應設置M為氣缸尾端鉸接點以獲得最大的驅動力矩，從而選擇更小的缸徑。

3.1確定氣缸行程

由3.1章節可知，氣缸行程L應稍大于|N1N2|，即：

行程L可根據式（3）計算結果在氣缸標準行程中選取，隨之即可確定|N1M|以確定M點位置。若L的計算值與標準行程相差較大，可通過調整初定的a值來改變L值使其貼近標準行程。

3.2計算氣缸缸徑

設氣缸的縮回力矩（開門）為T1，伸出力矩（關門）為T2，則：

比較式（4）與式（5），顯然T2>T1。由于門扇自重、鉸鏈阻尼以及膠條壓縮力等因素的存在，存在一個門系統固有開關門力F0，型式試驗要求F0不大于某個確定值——設為Fmin，對應，須使T1>Tmin才可保證氣缸驅動力矩足夠開關門扇，而T1>Tmin因不含d值可作為初選公式。

依據D的最終計算結果選取標準缸徑。

4 項目實例

某國內地鐵項目司機室鉸鏈門耐久性試驗參數：①Fmin=60N;②α=30°;③e=80mm;④A=640mm。

4.1氣缸類型

如第2章節所述，選擇MA迷你氣缸，雙作用，標準缸徑與行程見圖3。

4.2氣缸行程

①盡可能將a值設置得大一些，依據門扇寬度，初定a=580mm。由式（3）計算L值：，由圖3可知，L值超出標準行程范圍。

②適當縮小a值，令a=560mm，再次計算L值：

選定L=300mm。

4.3氣缸缸徑

①由式（7）計算D值： ，依據圖3，初定D=20mm;

②再由圖4中氣缸尺寸，圖中V即d，查得d=8mm;

③按照式（5）再次計算：

可確定D=20mm。

4.3氣缸鉸接點位置

氣缸前端與門板鉸接點N已由a=560mm確定，只需確定氣缸尾端與臺架鉸接點M位置。由圖3可知：

|N1M|=[B+（C+行）+S]+行程+（PE-PD）=[40+（76+300）+12]+300+（36-16）=748mm，確定后的臺架各尺寸如圖5所示，按此尺寸設計的臺架已完成本項目耐久試驗。

5 結語

設計鉸鏈門耐久試驗臺架時，選出最合適的氣缸，設計出最優的尺寸，是科學的臺架設計方法。先選擇氣缸類型，再計算氣缸行程及缸徑，根據計算結果微調修正初設尺寸，再次進行計算并確定最優解，既保證了試驗系統的可靠性，也提高了其經濟適用性。

參考文獻：

[1]劉濤，楊帆.淺談我國地鐵發展現狀及展望[J].中小企業管理與科技旬刊， 2014（4）：129.

[2]任金寶. 城軌車輛車門系統可靠性分析與維修決策研究[D]. 2016.

[3]EN 14752： 2015，Railway applications-Bodyside entrance systems for rolling stock[S].2015.

[4]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M].第八版.北京：高等教育出版社.2016.

（南京康尼機電股份有限公司，江蘇 南京 210038）