地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測(cè)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱小娟 王建兵 郭慧明 方 宇

（1.上海軌道交通維護(hù)保障中心，200040，上海；2.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620，上?！蔚谝蛔髡?，教授級(jí)高級(jí)工程師）

目前上海地鐵共有運(yùn)營(yíng)車輛2 000多輛，車型復(fù)雜，相應(yīng)空氣彈簧也有多種不同的形式，給上海地鐵的車輛檢修工作帶來很大的困難。目前，上海地鐵車輛維修部門對(duì)大部分空氣彈簧的檢修，采用目測(cè)的方式來判斷空氣彈簧氣囊外表面是否有裂紋、外傷，無法從根本上判斷空氣彈簧是否滿足繼續(xù)使用的要求。而現(xiàn)有空氣彈簧生產(chǎn)廠家所使用的試驗(yàn)臺(tái)面向?qū)ο蠛凸δ軉我?，且價(jià)格昂貴，不適用于車輛維修部門對(duì)已經(jīng)使用過的空氣彈簧進(jìn)行性能檢測(cè)的需要［1］。因此，開發(fā)新型的適用于地鐵車輛多種形式空氣彈簧的通用型性能檢測(cè)臺(tái)具有十分重要的意義。此檢測(cè)臺(tái)的使用有望有效提高地鐵車輛空氣彈簧系統(tǒng)檢修質(zhì)量，在確保列車運(yùn)營(yíng)安全前提下，將大幅降低車輛維修成本。

本文主要介紹了該新型檢測(cè)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中包括同步鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)、通用型上下夾具、壓力加載機(jī)構(gòu)、下底座及空氣彈簧附加氣室等主要部件；并對(duì)壓力加載橫梁、下底座和滾珠絲杠等三大關(guān)鍵受力部件進(jìn)行了有限元分析和強(qiáng)度校核。

1 新型檢測(cè)臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)

該新型檢測(cè)臺(tái)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三大部分組成。本文主要對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。該新型檢測(cè)臺(tái)的空氣彈簧壓力加載性能按照上海地鐵車輛的軸重進(jìn)行設(shè)計(jì)。調(diào)研得知，上海地鐵現(xiàn)有車輛最大滿載載荷（AW3）工況不超過64t，軸重為16t，即單個(gè)空氣彈簧承受最大壓力負(fù)載為16t。從機(jī)械結(jié)構(gòu)安全方面考慮，最終確定以最大可實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣彈簧進(jìn)行20×9.8kN的加載力作為該檢測(cè)臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。該檢測(cè)臺(tái)的設(shè)計(jì)目前尚屬于單件產(chǎn)品設(shè)計(jì)，非大批量流水制造，因此對(duì)成本控制的要求相對(duì)較低；而且從檢測(cè)臺(tái)的特殊功用、可靠性和壽命等多方面綜合考慮，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中普遍采取了適當(dāng)放大設(shè)計(jì)余量的處理方法［1－3］。

該新型檢測(cè)臺(tái)可模擬上海地鐵車輛在不同工況下空氣彈簧的負(fù)載形式，從而實(shí)現(xiàn)以下檢測(cè)功能：①試驗(yàn)臺(tái)自診斷功能；②空氣彈簧系統(tǒng)高度測(cè)量功能；③空氣彈簧系統(tǒng)氣密性檢測(cè)功能；④空氣彈簧系統(tǒng)垂向靜剛度試驗(yàn)功能；⑤橡膠應(yīng)急簧垂向靜剛度試驗(yàn)。

通用型空氣彈簧檢測(cè)臺(tái)除可對(duì)上海地鐵車輛目前使用的4種空氣彈簧進(jìn)行性能檢測(cè)以外，考慮到未來上海地鐵的空氣彈簧型號(hào)還可能增加，在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)留出相應(yīng)的接口以方便檢測(cè)臺(tái)功能的后續(xù)二次開發(fā)。

2 檢測(cè)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該檢測(cè)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分采用從整體到部分、從下到上逐層疊加的設(shè)計(jì)方法，主要包括同步鏈輪動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、通用型夾具、壓力加載機(jī)構(gòu)、下底座及空氣彈簧附加氣室等部件。從檢測(cè)臺(tái)使用現(xiàn)場(chǎng)的特殊空間環(huán)境考慮，該檢測(cè)臺(tái)的設(shè)計(jì)尺寸為1.6m×1.3m×2.2m，質(zhì)量為1.9t；同時(shí)，在4根支撐腳底部還分別設(shè)計(jì)了4個(gè)高度可調(diào)式減振墊鐵，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)臺(tái)在不同安裝環(huán)境下的機(jī)體水平度調(diào)整。另外，從人機(jī)工程學(xué)方面考慮，將空氣彈簧的安裝平臺(tái)高度設(shè)計(jì)為0.95 m，以方便檢測(cè)人員的操作?？諝鈴椈赏ㄓ脵z測(cè)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 同步鏈輪動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

同步鏈輪動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)位于檢測(cè)臺(tái)底架下方，通過螺釘固定在底框槽鋼內(nèi)側(cè)。其中，直流伺服電機(jī)通過電機(jī)安裝螺釘固定在電機(jī)安裝板上，位于電機(jī)軸端的兩個(gè)主動(dòng)鏈輪通過精密滾子鏈條將扭矩分別傳遞至兩個(gè)從動(dòng)鏈輪。考慮到本檢測(cè)臺(tái)特殊的空間狀況，該同步鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)擯棄了傳統(tǒng)的鏈條張緊輪機(jī)構(gòu)，自主設(shè)計(jì)了特殊的鏈條張緊機(jī)構(gòu)，可以通過旋轉(zhuǎn)鏈條張緊調(diào)節(jié)螺釘來調(diào)節(jié)鏈條的松弛度，從而保證該同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率和精度。

圖1 空氣彈簧通用檢測(cè)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 通用型夾具設(shè)計(jì)

上海地鐵車輛目前正在使用的空氣彈簧主要有Φ500型、SYS500B 型、684N4.100P17型和7140 N10P11型4種不同型號(hào)。按照充氣口位置分類，這4種空氣彈簧可分為偏心充氣式和中心充氣式，如圖2所示。由于這4種空氣彈簧的外觀尺寸、安裝方式和充氣方式均不相同，因此，為了實(shí)現(xiàn)同一檢測(cè)臺(tái)對(duì)4種不同空氣彈簧進(jìn)行測(cè)試這一功能，設(shè)計(jì)了一種通用型的空氣彈簧夾具，如圖3、圖4所示。

圖2 上海地鐵車輛目前使用的4種空氣彈簧

圖3 通用型空氣彈簧上夾具結(jié)構(gòu)

圖4 通用型空氣彈簧下夾具結(jié)構(gòu)

如圖2所示，684N4.100P17型和7140N10 P11型兩種偏心充氣式空氣彈簧的主要區(qū)別在于充氣口距空氣彈簧上蓋板中心的距離和充氣口的高度不相等。因此，針對(duì)這兩點(diǎn)差異，分別為兩種空氣彈簧設(shè)計(jì)了不同方位和型號(hào)的充氣座（如圖3所示）。

Φ500型和SYS500B型兩種中心充氣式空氣彈簧的充氣口均位于空氣彈簧上蓋板中心，其主要區(qū)別在于充氣口的外徑和高度不同。因此，針對(duì)上述特點(diǎn)，分別為兩種空氣彈簧設(shè)計(jì)了不同尺寸的可更換式充氣嘴（如圖3所示）。檢測(cè)人員可根據(jù)試驗(yàn)需求選擇不同充氣嘴，通過螺釘安裝于SYS500B型、Φ500型空氣彈簧通用充氣座內(nèi)。

考慮到高壓充氣軟管接頭的通用性問題，上夾具上3個(gè)充氣座側(cè)壁充氣孔設(shè)計(jì)為相同尺寸，可實(shí)現(xiàn)同一充氣管為不同空氣彈簧進(jìn)行充氣。

如圖4所示，空氣彈簧通用型下夾具的獨(dú)特設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)4種空氣彈簧的正確安裝和定位，其與通用型上夾具配合使用，可保證不同空氣彈簧的檢測(cè)工作順利進(jìn)行。

2.3 空氣彈簧壓力加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

空氣彈簧壓力加載機(jī)構(gòu)主要由支撐導(dǎo)向立柱、滾珠絲杠副、壓力加載橫梁、直線滑軌、定位滑塊等組成。該機(jī)構(gòu)中，2根滾珠絲杠同步轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)壓力加載橫梁作垂向運(yùn)動(dòng)。浮動(dòng)板與壓力加載橫梁通過螺栓連為一體，在橫梁帶動(dòng)下沿4根支撐導(dǎo)向立柱上下浮動(dòng)，浮動(dòng)過程中主要對(duì)加載橫梁起導(dǎo)向和支撐作用。橫梁向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)空氣彈簧上夾具緊壓空氣彈簧上蓋板時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣彈簧的壓力加載。通過控制橫梁的垂向位移和速度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣彈簧不同性能數(shù)據(jù)的檢測(cè)。

2.4 下底座設(shè)計(jì)

下底座設(shè)計(jì)有6個(gè)安裝孔，用來固定和安裝4根機(jī)架支撐和2根滾珠絲杠。另外，下底座采用內(nèi)部筋板縱橫交叉的箱體設(shè)計(jì)，主要目的是承擔(dān)壓力加載過程中來自空氣彈簧的反作用力。

2.5 空氣彈簧附加氣室設(shè)計(jì)

如圖5所示，空氣彈簧附加氣室主要包括3個(gè)高壓儲(chǔ)風(fēng)缸和輸氣管路、手動(dòng)閥門等。其中，3個(gè)高壓儲(chǔ)風(fēng)缸容積分別為25L、50L、75L（是根據(jù)上海地鐵車輛常見的3種附加氣室容積和耐壓規(guī)格進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件選型設(shè)計(jì)的）。另外，每個(gè)儲(chǔ)風(fēng)缸設(shè)有獨(dú)立的閥門，可以實(shí)現(xiàn)不同檢測(cè)對(duì)象下相應(yīng)儲(chǔ)風(fēng)缸的任意切換和多個(gè)儲(chǔ)風(fēng)缸的并聯(lián)使用。

圖5 空氣彈簧附加空氣室及其相關(guān)管路

3 檢測(cè)臺(tái)關(guān)鍵部件的有限元分析

該檢測(cè)臺(tái)的下底座、壓力加載橫梁和2根滾珠絲杠為主要受力部件。其中：下底座和壓力加載橫梁受力屬于作用力與反作用力，均為20×9.8kN；2根滾珠絲杠承受軸向拉力，各100kN。為了保證檢測(cè)臺(tái)的設(shè)計(jì)安全，對(duì)下底座和壓力加載橫梁的應(yīng)力和位移作了有限元分析，對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

3.1 下底座有限元分析

下底座采用Q345B鋼板焊接而成，其應(yīng)力分析結(jié)果如圖6所示，位移分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 下底座應(yīng)力分布云圖

圖7 下底座位移分布云圖

由圖6中應(yīng)力分布云圖可知，當(dāng)下底座上表面承受20×9.8kN的正壓力時(shí)，其最大應(yīng)力為26.4 MPa。而Q345B鋼板的屈服力為220.6MPa，所以下底座可以滿足受力要求。

由圖7中位移分布云圖可知，當(dāng)下底座上表面承受20×9.8kN的正壓力時(shí)，其座體最大變形點(diǎn)位于上表面，位移量為0.04mm，屬于微小變形，且不會(huì)影響檢測(cè)臺(tái)整體性能，所以下底座設(shè)計(jì)可以滿足要求。

3.2 壓力加載橫梁有限元分析

壓力加載橫梁同樣采用Q345B鋼板焊接而成，應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示，位移分析結(jié)果如圖9所示。

圖8 壓力加載橫梁應(yīng)力分布云圖

圖9 壓力加載橫梁位移分布云圖

由圖8中應(yīng)力分布云圖可知，當(dāng)位于壓力加載橫梁底部中間位置的鋼板承受20×9.8kN的正壓力時(shí)，其橫梁最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在柱套與橫梁的焊接部位，最大應(yīng)力為26.4MPa；而Q345B鋼板的屈服力為220.6MPa，所以橫梁可以滿足受力要求。

由圖9中位移分布云圖可知，當(dāng)橫梁承受20×9.8kN的正壓力時(shí)，其梁體最大變形點(diǎn)位于底板中部；該點(diǎn)位移量為0.07mm，屬于微小變形，不會(huì)影響檢測(cè)臺(tái)整體性能，所以壓力加載橫梁設(shè)計(jì)可以滿足要求。

3.3 滾珠絲杠選型及校核

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的特殊結(jié)構(gòu)及受力情況，對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行了選型和強(qiáng)度校核計(jì)算。按照機(jī)構(gòu)軸向力20×9.8kN的設(shè)計(jì)要求以及滾珠絲杠的選型要求，初步選擇了規(guī)格型號(hào)6310－5，其基本的額定靜負(fù)荷為200.7kN。

由于滾珠絲杠特殊的運(yùn)動(dòng)情況，其校核內(nèi)容按軸向許用拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力以及滾珠與絲杠的許用接觸應(yīng)力等進(jìn)行校核。按40Cr材料進(jìn)行校核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

絲杠軸向作用下的正應(yīng)力σ＝40.21MPa＜［σP］＝110MPa；

絲桿扭轉(zhuǎn)作用下的切應(yīng)力τmax＝8.2MPa＜［τP］＝66MPa；

滾珠與絲杠的接觸應(yīng)力σmax＝213.6MPa＜［σHP］＝550MPa。

綜上所述，絲杠的軸向正應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力及接觸應(yīng)力均滿足許用應(yīng)力要求。

4 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)一種特殊的通用型夾具和附加空氣室系統(tǒng)，配合最大加載能力為20×9.8kN的壓力加載機(jī)構(gòu)，新型的地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測(cè)臺(tái)可以滿足上海地鐵車輛已有4種空氣彈簧的可靠夾裝和多項(xiàng)性能參數(shù)的檢測(cè)需求。另外，對(duì)下底座、壓力加載橫梁和滾珠絲杠3個(gè)關(guān)鍵部件的有限元分析和強(qiáng)度校核結(jié)果表明，3個(gè)部件的強(qiáng)度、剛度數(shù)據(jù)全部符合設(shè)計(jì)要求，安全可靠。該新型空氣彈簧通用檢測(cè)臺(tái)的研制可以有效提高地鐵車輛空氣彈簧的性能檢測(cè)、日常維護(hù)、保養(yǎng)等工作的工作效率，大幅節(jié)約維修成本。

［1］方義，陳杰.青藏車用AM96型空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)的研制［J］.鐵道車輛，2011，49（1）：32.

［2］趙云生，宋志強(qiáng)，王黎明.空氣彈簧檢修試驗(yàn)臺(tái)［J］.鐵道車輛，2000，34（4）：31.

［3］麻萬春.空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)的研制［J］.民營(yíng)科技，2008（4）：7.