司機(jī)室鉸鏈門耐久試驗(yàn)氣缸選型設(shè)計(jì)

鄭海 薛楊

摘 要：鉸鏈門是常見的城軌車輛司機(jī)室側(cè)門系統(tǒng)，在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)門系統(tǒng)進(jìn)行耐久試驗(yàn)是充分檢驗(yàn)門系統(tǒng)可靠性的必要手段。驅(qū)動(dòng)門扇開閉的氣缸是試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵，氣缸的類型、缸徑、行程以及鉸接點(diǎn)位置是試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)的重中之重。本文對(duì)鉸鏈門耐久試驗(yàn)的氣缸選型及鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì)展開探究，得出氣缸各參數(shù)最優(yōu)算法，并以一個(gè)項(xiàng)目實(shí)例闡明此方法的可行性。

關(guān)鍵詞：鉸鏈門;耐久試驗(yàn);氣缸選型設(shè)計(jì)

1 概述

國(guó)內(nèi)的城軌交通事業(yè)發(fā)展十分迅速，為避免產(chǎn)生重大財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡等嚴(yán)重后果，必須嚴(yán)格遵循“安全第一”的原則[1]。而車門系統(tǒng)是城軌車輛運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，車門系統(tǒng)的故障占車輛系統(tǒng)總故障的30%以上[2]。為驗(yàn)證門系統(tǒng)的耐久性，將門系統(tǒng)安裝到專用臺(tái)架上進(jìn)行模擬實(shí)際工況進(jìn)行重復(fù)開閉試驗(yàn)，也是《EN14752鐵路車輛的車身側(cè)門系統(tǒng)》[3]提出的要求。

鉸鏈門耐久試驗(yàn)原理如圖1所示，氣缸尾端與臺(tái)架在M點(diǎn)鉸接固定，活塞桿前端與門板在N點(diǎn)處鉸接;當(dāng)氣缸活塞桿縮回時(shí)帶動(dòng)門板繞鉸鏈中心點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)打開;而后活塞桿伸出將門板推回至關(guān)閉位置，實(shí)現(xiàn)一個(gè)開閉循環(huán)。

2 選擇氣缸類型

氣缸種類有：標(biāo)準(zhǔn)氣缸、無桿氣缸、擺動(dòng)氣缸、氣爪、迷你氣缸，薄型氣缸等。本試驗(yàn)氣缸尾端擺動(dòng)、頂端伸縮，故選擇標(biāo)準(zhǔn)氣缸;若試驗(yàn)臺(tái)架尺寸受限，可選擇迷你氣缸以減小氣缸長(zhǎng)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(yàn)應(yīng)選擇雙作用氣缸以保證開關(guān)門兩個(gè)狀態(tài)可控，若附帶磁性開關(guān)可進(jìn)一步加強(qiáng)可控性。

3 選定氣缸規(guī)格

氣缸規(guī)格的兩個(gè)重要參數(shù)——缸徑D與行程L，缸徑?jīng)Q定了氣缸的輸出力F，而行程與試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)。

3.1設(shè)計(jì)氣缸鉸接點(diǎn)位置

氣缸存在兩個(gè)鉸接點(diǎn)，一是氣缸前端與門板鉸接點(diǎn)N，一是氣缸尾端與臺(tái)架鉸接點(diǎn)M，見圖2。點(diǎn)N與點(diǎn)O豎直距離為e，把手中心到點(diǎn)O水平距離A，由門系統(tǒng)確定;初設(shè)水平距離a，|ON|=r，F(xiàn)與|ON|垂線夾角為θ，則氣缸驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)力矩越大;即θ越小，氣缸的缸徑可以選得越小。以點(diǎn)O為圓心，r為半徑作圓弧， 1與 2形成的夾角α為試驗(yàn)所定開門角度。令關(guān)門狀態(tài)時(shí)的夾角為θ1，開門狀態(tài)下的夾角為θ2。

連接N1與N2延長(zhǎng)至M點(diǎn)，使|NM|略大于氣缸完全伸出時(shí)長(zhǎng)度（為消除安裝角度誤差需采用浮動(dòng)接頭），此時(shí)：

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

當(dāng)氣缸鉸接于點(diǎn)M' 時(shí)， ;當(dāng)氣缸鉸接于點(diǎn)M'' 時(shí)，;因此，應(yīng)設(shè)置M為氣缸尾端鉸接點(diǎn)以獲得最大的驅(qū)動(dòng)力矩，從而選擇更小的缸徑。

3.1確定氣缸行程

由3.1章節(jié)可知，氣缸行程L應(yīng)稍大于|N1N2|，即：

行程L可根據(jù)式（3）計(jì)算結(jié)果在氣缸標(biāo)準(zhǔn)行程中選取，隨之即可確定|N1M|以確定M點(diǎn)位置。若L的計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)行程相差較大，可通過調(diào)整初定的a值來改變L值使其貼近標(biāo)準(zhǔn)行程。

3.2計(jì)算氣缸缸徑

設(shè)氣缸的縮回力矩（開門）為T1，伸出力矩（關(guān)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(gè)門系統(tǒng)固有開關(guān)門力F0，型式試驗(yàn)要求F0不大于某個(gè)確定值——設(shè)為Fmin，對(duì)應(yīng)，須使T1>Tmin才可保證氣缸驅(qū)動(dòng)力矩足夠開關(guān)門扇，而T1>Tmin因不含d值可作為初選公式。

依據(jù)D的最終計(jì)算結(jié)果選取標(biāo)準(zhǔn)缸徑。

4 項(xiàng)目實(shí)例

某國(guó)內(nèi)地鐵項(xiàng)目司機(jī)室鉸鏈門耐久性試驗(yàn)參數(shù)：①Fmin=60N;②α=30°;③e=80mm;④A=640mm。

4.1氣缸類型

如第2章節(jié)所述，選擇MA迷你氣缸，雙作用，標(biāo)準(zhǔn)缸徑與行程見圖3。

4.2氣缸行程

①盡可能將a值設(shè)置得大一些，依據(jù)門扇寬度，初定a=580mm。由式（3）計(jì)算L值：，由圖3可知，L值超出標(biāo)準(zhǔn)行程范圍。

②適當(dāng)縮小a值，令a=560mm，再次計(jì)算L值：

選定L=300mm。

4.3氣缸缸徑

①由式（7）計(jì)算D值： ，依據(jù)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(jì)算：

可確定D=20mm。

4.3氣缸鉸接點(diǎn)位置

氣缸前端與門板鉸接點(diǎn)N已由a=560mm確定，只需確定氣缸尾端與臺(tái)架鉸接點(diǎn)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(tái)架各尺寸如圖5所示，按此尺寸設(shè)計(jì)的臺(tái)架已完成本項(xiàng)目耐久試驗(yàn)。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)鉸鏈門耐久試驗(yàn)臺(tái)架時(shí)，選出最合適的氣缸，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的尺寸，是科學(xué)的臺(tái)架設(shè)計(jì)方法。先選擇氣缸類型，再計(jì)算氣缸行程及缸徑，根據(jù)計(jì)算結(jié)果微調(diào)修正初設(shè)尺寸，再次進(jìn)行計(jì)算并確定最優(yōu)解，既保證了試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，也提高了其經(jīng)濟(jì)適用性。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]任金寶. 城軌車輛車門系統(tǒng)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(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)[M].第八版.北京：高等教育出版社.2016.

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