跨座式單軌車半永久車鉤便捷式更換工裝設計

孫亞洲，岳譯新

（1.大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412001；2.中車株洲電力機車有限公司 產品研發中心，湖南 株洲 412001）

單軌交通屬于中運量城市軌道交通的一種，具有結構簡單、軸重較輕的特點，易于融入城市景觀，且由于多采用高架對地形要求較低等特點，正在越來越多的被一些地形復雜的中型城市采用[1-3]。國內某跨座式單軌列車，在車間半永久式車鉤的檢修過程中，由于車體跨坐在軌道梁上，車鉤安裝位置受風擋影響，半永久車鉤檢修作業空間不足，若在拆裝作業過程中采用傳統更換方法，則首先拆卸風擋，為更換車鉤提供足夠的工作空間，然后更換半永久車鉤，最后完成風擋的安裝工作。更換過程中采用傳統方法產生的附加工作任務——拆裝風擋，會導致整體工作量巨大、工作流程繁復、工作進程緩慢，且風擋的二次拆裝極有可能發生因安裝及打膠問題導致風擋因密封性不良而泄漏。

本文針對上述問題，采用剪叉式機構[4-5]，設計了可用于跨座式單軌車半永久車鉤便捷式更換的工裝，對工裝進行了三維建模，并對工裝的兩個獨立裝置分別在其最大載工況下，進行了強度校核[6]，分析結果顯示該工裝滿足設計和使用要求。

1 工裝結構設計

該工裝主要用于跨座式單軌車半永久車鉤的更換，其作用是輔助拆卸及將拆下的半永久車鉤搬運到車下，再從車下搬運至指定安裝位置，免去了傳統更換方法中風擋的拆裝工作。按要求該工裝需具有結構設計簡單、安裝方便、操作簡單、工作行程大、升降速度快[7]、可實現懸停[8]、性能安全可靠等優點，在提高工作效率的同時，能有效避免風擋因二次拆裝發生密封性不良漏雨問題。

鑒于上述考慮，跨座式單軌車半永久車鉤便捷式更換工裝設為上下兩部分相互輔助配合的獨立裝置，采用類似騎跨式的導軌滾輪配合。工裝下部為雙剪叉式升降臺，上部為車鉤承載平臺，如圖1（a）、（b）所示。

雙剪叉式升降臺主要由底盤、滾輪、叉臂、液壓油缸、工作臺等組成。其機械部分的底盤、叉臂、工作臺主要起傳遞動力和穩定支撐的作用；叉臂作為剪叉式升降臺的主體，也是主要的承力構件；工作臺的升降功能由機械和液壓共同作用實現，主要驅動力由液壓部分提供，為了保障作業安全，增設了防護圍欄，用以防止重物翻墜砸人砸物危及人身及財產安全。

另外，為實現車鉤承載平臺90°轉角換向，實現半永久車鉤的位移變換，特增設了符合850 mm×1 500 mm尺寸軌道梁的延伸渡板及換向盤等部件。車鉤承載平臺主要由驅動螺桿、剪叉臂、車鉤支撐座和小車升降平臺等組成，此機構升降行程設計較小，主要用作實現高度微調，并設計了工作臺換向及旋轉的附加功能，其主要作用為在兩車廂端部狹小的工作空間中支承搬運半永久車鉤，其具有結構緊湊、體積小、重量輕及可實現自鎖等優點。跨座式單軌車半永久車鉤便捷式更換工裝三維模型及基本結構如圖1（c）所示。

圖1 跨座式單軌車半永久車鉤便捷式更換工裝

2 有限元仿真分析

為確保雙剪叉式升降臺及車鉤承載平臺在最大負載工作狀況下能安全工作，通過有限元軟件對組裝完成的車鉤承載平臺模型和雙剪叉式升降臺主體承力模型分別施加其各自對應的最大負載工作狀況下的垂向靜載荷，對受力情況進行仿真分析并校核其強度。

2.1 車鉤承載平臺的有限元分析

車鉤承載平臺整體材料選用AISI 1020（鋁合金），用有限元軟件對車鉤承載平臺模型劃分網格，對其輪子施加約束；按最大負載工作狀況（承載半永久車鉤質量，約250 kg）對其工作臺施加2 500 N垂向靜載荷，仿真分析應力圖和位移圖如圖2和圖3所示，最大應力σmax=139.7 MPa，遠小于AISI 1020（鋁合金）的屈服極限351.6 MPa，最大位移約為0.2 mm，因此，車鉤承載平臺的設計強度滿足要求。

圖2 仿真分析應力圖

圖3 仿真分析位移圖

2.2 雙剪叉式升降臺的有限元分析

雙剪叉式升降臺整體材料選用AISI 1020（鋁合金），用有限元軟件對雙剪叉式升降臺主體承力模型劃分網格，對其輪子施加約束；按最大負載工作狀況下（50 kg的車鉤承載平臺及250 kg的半永久車鉤）對其工作臺施加3 000 N垂向靜載荷，仿真分析應力圖和位移圖如圖4和圖5所示，最大應力σmax=210.8 MPa，遠小于AISI 1020的屈服極限351.6 MPa，最大位移約為2.19 mm。在最惡劣工況條件下，即所有載荷均處于升降臺邊緣時，其仿真分析應力圖與位移圖如圖6和圖7所示，最大應力為321.8 MPa，小于AISI 1020的屈服極限351.6 MPa，最大位移約3.3 mm，因此，雙剪叉式升降臺的設計強度滿足要求。

圖4 仿真分析應力圖（正常工況）

圖5 仿真分析位移圖（正常工況）

圖6 仿真分析應力圖（極限工況）

圖7 仿真分析位移圖（極限工況）

圖7 系統能量變化曲線

3 操作步驟

利用工裝進行跨座式單軌車半永久車鉤的更換操作如下。

（1）首先拆卸兩車廂端部車鉤正下方的隔音板，用雙剪叉式升降臺將車鉤承載平臺運送至靠近兩節車廂端部處，固定好車輪。

（2）工作人員將雙剪叉式升降臺工作臺上部護欄上的手輪安裝好，并將升降臺延伸板固定繩的另一端在升降臺延伸板上系緊，緩慢轉動手輪將升降臺延伸板放至水平位置。

（3）地面上的工作人員將雙剪叉式升降臺的工作臺升起到與軌道梁上平面同一水平高度處，松開車輪，將雙剪叉式升降臺裝置向前推進至延伸渡板前端平置于兩車廂車端電氣連接線正下方的軌道梁上。

（4）由工作人員解開延伸渡板的固定牽引拉繩，妥善盤放好并撤掉曲軸。

（5）地面工作人員將雙剪叉式升降臺向前推至延伸渡板整體平置于軌道梁上，然后將車鉤承載平臺推至延伸渡板上，通過延伸渡板上的換向盤實現車鉤承載平臺的90°轉向后，繼續沿導軌向前推進。

（6）將車鉤承載平臺沿著軌道梁通過車鉤下方的隔音板安裝處向前方推進，直至到達需更換的半永久車鉤安裝處。

（7）將其工作臺升起（列車空載時車鉤中心距軌道梁上平面高度為760 mm），以便用半永久車鉤鎖環將需更換的半永久車鉤固定承接好，工作人員打開對應位置的裙板進入到其安裝處拆下半永久車鉤。

（8）車鉤承載平臺承運半永久車鉤后將其搬運到地面，并搬運到指定安裝位置，由工作人員完成后續的安裝工作。

4 結束語

本文針對跨座式單軌車半永久車鉤的更換設計了工裝，為確保該工裝能在最大負載工作狀況下安全工作，對其兩部分獨立裝置雙剪叉式升降臺及車鉤承載平臺分別進行了有限元分析，結果表明該工裝滿足設計和使用要求。跨座式單軌車半永久車鉤便捷式更換工裝的操作步驟簡單，可實現跨座式單軌車半永久車鉤的便捷式更換，免去傳統更換方法中的拆裝風擋工作，在提高工作效率的同時，能有效避免風擋因二次拆裝發生密封性不良漏雨問題。