城軌內藏移門系統承載滾輪設計

劉建秋，徐海市

（1.中國鐵路上海局集團有限公司南京車輛監造項目部，江蘇 南京210038；2.南京康尼機電股份有限公司，江蘇 南京210038）

1 研究背景

隨著社會生活節奏的加快，軌道交通在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。電動雙開內藏移門由于其結構簡單、可靠性高、成本相對較低等特點在城市軌道中被普遍應用。

目前常用的內藏移門承載導軌主要有2種結構，一種是采用直線導軌，另一種是采用滾輪。綜合考慮性能和維護的情況下，現有的大部分電動雙開內藏移門系統均采用承載滾輪式結構作為上部導向，如圖1所示。

圖1 承載滾輪式上部導向結構

在內藏移門系統中，門系統上部的導向功能、承載功能以及防脫功能均通過滾輪和導軌之間的配合來完成。因此，內藏移門的可靠性中，滾輪的可靠性決定著門系統的可靠性，滾輪在整個門系統中起著無比重要的作用。

2 滾輪設計

2.1 尺寸初選

目前南京康尼公司所采用的城軌客室電動雙開內藏移門和司機室手動單開內藏移門使用的上導軌結構主要有2種，如圖2所示，其上導軌的間隙D1分別為50.5mm和47mm。考慮到承載滾輪的通用性，新設計的承載組件以導軌開口尺寸較小的47mm來進行設計。

圖2 現有承載導軌開口尺寸

考慮到安裝時的相關需求，所設計的承載輪外徑需要比上導軌開口尺寸要小，同時，考慮其承載能力，理論上承載輪直徑越大，承載滾輪的承載能力越高。因此，初步選定承載滾輪的外徑D2為46mm。

2.2 承載力

城軌移門單個門扇質量一般在30～35kg之間，實際計算時取惡劣工況35kg計算，即每扇門重350N。根據IEC61373沖擊振動試驗標準，垂向需要承受3倍重力加速度，因此門扇承載輪所受承載力為1050N，即單個承載輪受力525N，根據EN12663標準，取安全系數1.15，單個承載滾輪受力為603.75N，取整為600N。

2.3 防脫力

根據現有客戶的相關要求（選取較高標準），要求門系統在8.5kN/m2的情況下，門系統不得有脫軌現象。現有的內藏移門常用最大開度為1400mm，通過高為1900mm，則門系統最大受力為1.4×1.9×8500=22610N，每扇門最大受力為11305N，因此，每個滾輪需要承受的防脫力為11305/4=2826.25N。根據EN 12663《鐵道應用—軌道車身的結構要求》標準，取安全系數1.15，則其防脫力為3250N。

2.4 成型方式選擇

由于承載導軌一般都為鋁型材，因此承載輪外圈材質需要選擇非金屬，以免在滾動的過程中對導軌造成破壞。根據相關經驗和數據，暫定承載輪外圈材質為聚甲醛。

現有的承載滾輪成型方式有以下2種可選，分別為裝配結構和整體成型結構。其中，裝配結構主要是將非金屬滾輪外圈通過機加工成型后，再進行裝配處理；而整體成型結構，則是直接在軸承上注塑，從而使得滾輪成為一個整體。機裝配式和整體成型的優缺點對比如表1所示。

表1 成型方式選擇

根據以上分析，優先選用整體成型的結構。

滾輪與導軌的搭接量和滾輪的強度決定了其防脫力的大小，如圖3所示，滾輪與導軌的搭接量定義為C。

圖3 承載導軌搭接量

2.5 搭接量的選擇

根據經驗，預先設計2種滾輪，其與導軌的搭接量C分別為3mm和5mm，通過對2種結構進行防脫試驗，得出其防脫力的大小。

經過試驗，2種滾輪的防脫力大小如表2所示。

表2 滾輪的防脫力

2.6 滾輪和軸的連接方式

如圖4所示，滾輪和軸的連接方式有多種可選，常用的為螺釘限位、軸用擋圈限位、鉚接等，由于滾輪對可靠性要求較高，且承載機構處空間較為緊湊，因此需要優先考慮空間占用較小的結構。其次滾輪價格相對較低，為了防止更換過程中，人工操作的不規范導致螺釘松動、擋圈掉落等現象的發生，需要優先選擇一致性較高的工藝操作方法。相對于螺釘限位、軸用擋圈限位等方法，鉚接時采用工裝或者專業設備操作，零部件質量的一致性能夠較好地把控。

圖4 承載滾輪結構示意圖

綜上，對于滾輪和軸的連接方式，優先選擇鉚接結構。

2.7 滾輪軸的選擇

考慮到滾輪后續是通過鉚接的方式和滾輪軸連接在一起的，因此材料含碳量不能太高，盡量選擇中碳鋼中碳含量較低或者類似的金屬。考慮到相關材料的性能和防腐等需要，此處選擇30Cr13，其屈服強度為540MPa，如表3所示。

表3 材料特性

根據上述承載力600N的要求，考慮到鉚接工藝等需求，暫定滾輪軸的直徑為10～12mm。

2.8 軸承選擇

根據先前分析，承載滾輪的外徑為46mm，搭接量為5mm，則其內圈直徑為36mm。滾輪厚度19mm，則兩側壁厚為（19－5×2）/2=4.5mm。考慮到均勻的壁厚有利于注塑，則滾輪注塑壁厚S初定為2～3mm，如圖5所示。

圖5 滾輪注塑壁厚

已知滾輪外徑46mm，內徑36mm，壁厚S為4～6mm，則可知軸承外徑為24～28mm，且滾輪軸的直徑在10～12mm之間。根據以上條件，滾輪軸承的選擇如表4所示。

表4 軸承選型表[1]

從表4可知，軸承型號6001承載能力最強，且相關參數完全能夠滿足設計需要。從理論計算，其單列軸承即可滿足設計需求，但考慮到相關制造水平和軸承的穩定性以及防脫性，使用雙列軸承可以有效地提高滾輪載荷和其徑向竄動，且相關尺寸也能夠完全滿足設計需求。

3 試驗和驗證

車門系統為非民用產品，對可靠性和舒適性均有一定的要求。為了驗證設計滾輪是否符合設計的預期，通過故障預估和分析表，針對滾輪較為重要的失效模式，對滾輪進行一系列的試驗和驗證。

3.1 蠕變試驗

滾輪外圈由非金屬構成，相對導軌較軟。如果選擇的滾輪材料不合適，則門系統長期靜置不用的情況下，會導致滾輪外圈連續在一個點受力，從而產生微小的變形，稱之為蠕變[2]。蠕變不會對門系統的功能產生影響，但其會使得門系統在來回運動的過程中產生有節奏的異響，降低客戶體驗。

通過對滾輪長期靜置加載，模擬門系統在車輛上長期不適用的工況。該試驗已經完成，且達到預期的設計效果。

3.2 壽命試驗

在進行壽命測試時，通過2種方法來同時對滾輪的壽命性能進行評價。

第一，將滾輪安裝在門系統上，讓門系統模擬現場的實際使用狀況進行不間斷的開門和關門動作，以驗證其在正常運行條件下的適應性。

第二，通過專用測試設備，對滾輪的壽命和承載進行驗證和測試，如圖6所示，該設備不但可以節約通過實際門系統試驗所需的時間，還能在較短的時間內，收集到所需的相關性能數據。

圖6 滾輪壽命測試設備

3.3 防脫試驗

通過在攜門架上施加一個力F，來驗證門系統的滾輪是否會脫出導軌，從而導致故障。在F=3500N（設計數據3250）的情況下，門系統沒有脫軌，滾輪相關性能符合設計預期。

3.4 試驗小結

除了以上試驗，還對滾輪進行了老化、高低溫、撞擊等多個維度進行檢測，本次設計的滾輪順利地通過全部測試，達到了設計的預期，滿足現場的實際需求。

4 總結

承載輪組件作為內藏移門系統上一個重要的零部件，對門系統的可靠性起著極其重要的作用。綜上所述，知曉了滾輪的相關結構來源以及其所需的主要技術指標。按照以上參數設計的滾輪也已經通過了相關內部試驗，并投入了實際項目的使用之中，目前運行狀況良好。