昆明地鐵3號線車門鎖閉桿連接軸軸強度計算

汪紅兵

摘要：針對昆明地鐵3號線客室雙扇電動塞拉門旋轉立柱上擺臂與鎖閉彎桿之間的連接軸強度薄弱，存在應力集中斷裂的隱患問題，對旋轉立柱連接軸進行強度校核分析，數據結果表明： 鎖閉桿連接軸的安全系數能夠滿足強度要求。

關鍵詞：地鐵;塞拉門;旋轉立柱連接軸

引言

昆明地鐵3號線電客車客室車門具有密封性好、噪聲低、美觀等特點，但因電動塞拉門結構復雜，調整變量多，缺乏裝配、調整指標的唯一性，致使車門故障率一直較高。目前，由于昆明地鐵 3 號線的旋轉立柱上擺臂與鎖閉彎桿之間的連接軸強度薄弱，存在應力集中斷裂的隱患問題，因此對該旋轉立柱連接軸進行強度校核，消除潛在的故障隱患，保證電客列車正線運營的安全可靠。

1. 計算評定標準

根據 DIN EN 12663《鐵道車輛車體結構要求》規定，門板結構各個部件應在各個工況的載荷綜合作用下，材料許用應力與計算等效應力之比應不小于 DIN EN 12663 第3.4.2 節中規定的安全系數 S （規定中若材料的屈服應力作為許用應力值，取 S1 為 1.15，若用材料的抗拉強度作為許用應力值，取 S2 為 1.5）。即：

2. 計算工況

根據《昆明 3 項目車門系統采購技術規范》和《EN_12663 鐵道車輛車體結構要求》的要求，確定分析工況。采購技術要求為：

從內向外施加在一個門扇上 1500N 的力，均勻地加在車門一半高度上 200mm 寬的區域內，門扇撓度變形不超過 8mm。

施加在整個門寬度范圍的車門一半高度上 200mm 寬的區域內 3500N 的力并持續 5 分鐘。門扇不產生永久變形。

門關閉后應能保持在正確位置。門頁能承受乘客在內部施加的 2000N 的力，且不會對車門的驅動及運動機構造成影響。

門板在三個加速度工況（X=3g，Z=-g;Y=g，Z=-g;Z=-3g）下的強度和剛度達到功能正常的要求。

根據昆明地鐵3號線客室塞拉門系統的結構，當力的方向垂直門板向里時，門板周邊的膠條貼緊門框，不論從變形還是受力來說，都比力的方向垂直門板向外要好的多。因此Y 向只計算垂直門板向外方向。

因此工況定為：

工況 1： Y=-g，Z=-g

工況 2： Z=-3g

工況 3： X=3g，Z=-g

工況 4：Fy=1750N（垂直門板向外）Z=-g

所用坐標系見下圖：

x-軸（相應于車輛縱軸）的正方向是運動方向。y-軸（相應于車輛橫軸）

在水平面內。z-軸（相應于車輛垂直軸）的正方向是向上。

單位：長度/mm，力/N，應力/MPa

計算模型

3.1模型單位

有限元分析過程中的單位制如表 1 所示：

3.2材料參數

鎖閉桿連接軸的材料參數如表 2 所示：

3.3有限元模型

有限元模型是對真實結構的簡化模擬，不完全等同于真實結構，是基于力學特性和計算的目的，對真實結構實際的受力及約束的抽象和簡化，對鎖閉桿連接軸分析模型簡化如圖 2 所示。鎖閉桿連接軸組件的結構模型均采用 4 節點四面體與 8 節點六面體混合實體單元模擬，劃分單元 5623 個，節點 10982 個;

3.4載荷與約束

通過對昆明 3 號線門機構的動力學仿真分析，提取不同工況下，鎖閉彎連桿與旋轉立柱球鉸連接處的載荷。即可得到不同工況下，鎖閉彎連桿連接軸處的載荷如表 3 所示：

在鎖閉狀態下，鎖閉結構受門板經由上擺臂傳來的力，由球鉸連接傳到鎖閉連接軸上。選取每個工況下左右球鉸最大的受力狀態，根據實際的約束方式和受力情況，對模型進行約束，由于目前的關鍵部件為鎖閉彎連桿相關組件，且整體的載荷工況在動力學軟件中已分析完成并導出結果，因此有限元模型只需要對簡化后彎連桿組件進行分析校核即可。

4. 計算結果

工況一鎖閉桿連接軸的最大變形是 0.16342mm，最大應力為 113.5MPa;

工況二鎖閉桿連接軸的最大變形是 0.1142mm，最大應力為 13.15MPa;

工況三鎖閉桿連接軸的最大變形是 0.38549mm，最大應力為 226.8MPa;

工況四鎖閉桿連接軸的最大變形是 0.36055mm，最大應力為 220.6MPa。

5. 結論

上述四個工況下鎖閉桿連接軸計算結果如表 4 所示，可知四種工況下，工況 3 為最大工況，按標準 EN12663 的要求，當通過計算進行強度校核時，單個工況下零件的安全系數需大于 1.15。最大工況下，鎖閉桿連接軸的安全系數大于 1.15，因此零件能夠滿足強度要求。

結束語

車門系統是地鐵列車中關系到乘客安全的重要子系統，它的設計形式、機械結構、電氣控制以及維修保養等諸多方面均直接影響著地鐵列車的運營狀況和廣大乘客的人身安全。由于車門數量多且動作頻繁，因此也經常出現故障。通過對旋轉立柱連接軸進行強度校核分析，確保鎖閉桿連接軸的安全系數能夠滿足強度要求，確保地鐵運營時的安全可靠度，同時也為車門系統其他部件的故障分析與優化提供了參考。

參考文獻：

[1]北京市規劃委員會. 地鐵設計規范[M]. 中國建筑工業出版社， 2014.

[2] 譚紹軍. GB/T7928-2003《地鐵車輛通用技術條件》介紹[J]. 現代城市軌道交通， 2004（4）：4.

[3] 田玉坤， 田葆栓. EN 12663《鐵路應用 鐵道車輛車體結構要求》標準分析研究[J]. 鐵道車輛， 2018， 56（5）：6.

[4]黃志華. 昆明地鐵3號線車輛設計分析[J]. 技術與市場， 2016， 023（006）：73-74.