客車側(cè)圍蒙皮冷張拉機設計*

馬永杰，楊彩紅，張義俊

(河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學院 機電工程學院，河南 鄭州 451450)

0 引言

客車車身采用型材焊接而成，為了美觀及結(jié)構(gòu)需求，在車身骨架兩側(cè)焊接鋼板蒙皮(或粘接鋁蒙皮)。大型客車的左、右側(cè)蒙皮長度大，一般需要對側(cè)圍蒙皮施加預應力，把側(cè)圍蒙皮按照工藝參數(shù)拉伸到需要的預定工藝尺寸，然后與車身骨架焊接成一個整體，此時側(cè)圍蒙皮保持了一定的拉伸應力殘留。殘留拉伸預應力的側(cè)圍蒙皮鋼板表面平整美觀，與側(cè)圍骨架焊接之后，行車中蒙皮沒有鼓動、噪聲低，并且可以明顯提升車身骨架的剛性和強度。

根據(jù)側(cè)圍蒙皮內(nèi)殘余應力形成的機理不同，預應力側(cè)蒙皮可以通過兩種方法實現(xiàn)，一種為拉應力蒙皮，另一種為熱應力蒙皮。拉應力蒙皮設備具有拉伸力大、敞開式布置、調(diào)整性和操作性好等優(yōu)點，因此多數(shù)的客車生產(chǎn)企業(yè)通過拉力使蒙皮產(chǎn)生拉應力，來提升客車外觀質(zhì)量和降低行車中側(cè)圍蒙皮的鼓動噪聲。

1 側(cè)圍蒙皮張拉機適用范圍及需求的功能

根據(jù)國家對客車車身長、寬和高的標準可知，客車車身骨架長度范圍為6 m～13.7 m、寬度范圍為1.8 m～2.55 m，因此側(cè)圍蒙皮張拉機需要在長度和寬度方向具有調(diào)整功能，長度方向考慮到設備不能靠近車身骨架，而側(cè)圍蒙皮的長度又不包含前后圍的長度，綜合考慮設備夾具之間應滿足8 m～14 m范圍內(nèi)X(車長)方向可調(diào)。側(cè)圍蒙皮張拉示意圖如圖1所示。

1，4-側(cè)圍張拉設備；2-車身骨架；3-側(cè)圍蒙皮

圖2為客車車身骨架龍門截面圖，研究發(fā)現(xiàn)不同的客車車身骨架龍門截面具有不同的弧度、不同的高度和不同的寬度，因此側(cè)圍張拉機需要具有車身寬度調(diào)整滿足1.8 m～2.55 m要求，同時滿足車身不同弧度的需求。通過對車身骨架和蒙皮尺寸的分析，最終確定的側(cè)圍蒙皮張拉設備工作參數(shù)如表1所示。

表1 通用側(cè)圍冷張拉機工作參數(shù)及適用范圍

圖2 客車龍門骨架截面圖

2 側(cè)蒙皮張拉焊接流程及蒙皮張拉關鍵動作

側(cè)圍蒙皮張拉焊接流程為：焊裝生產(chǎn)輸送線把車身骨架輸送到蒙皮張拉工位—啟動冷張拉設備—工人把客車側(cè)圍蒙皮放入張拉設備—張拉蒙皮—達到工藝要求的伸長率—在張拉狀態(tài)下把產(chǎn)生預應力的張拉蒙皮與車身骨架貼合—根據(jù)工藝參數(shù)調(diào)整蒙皮在車身骨架上的位置—蒙皮兩端與車身焊接—張拉設備復位。

通過對工作流程的分析可知，側(cè)圍蒙皮冷張拉機有以下幾個關鍵動作：①夾持蒙皮的夾頭要確保夾緊可靠；②夾頭升降動作要平穩(wěn)無沖擊、安全且可靠；③蒙皮向車身推靠時具有無極調(diào)速且運行平穩(wěn)；④張拉設備車長方向移動后鎖緊可靠張拉時無移動；⑤夾頭需要適應車身骨架弧度及高度的變化。

3 側(cè)圍蒙皮冷張拉機機械結(jié)構(gòu)設計

側(cè)圍蒙皮冷張拉機的設計依據(jù)是表1中側(cè)圍蒙皮張拉機工作參數(shù)和適用范圍。綜合分析側(cè)圍蒙皮冷張拉機的工作過程，設備的整體結(jié)構(gòu)采用分體式設計，設備機械結(jié)構(gòu)具體由兩部分組成：固定張拉端、移動張拉端。圖3為側(cè)圍蒙皮張拉設備的整體布置，車身骨架右側(cè)有乘客門，而乘客門是不需要覆蓋蒙皮的，因此右側(cè)蒙皮比左側(cè)蒙皮短，在焊接應力蒙皮時，以車尾為基準定位，絕大多數(shù)的客車車身在整車焊裝線上采用后退的方式(車尾朝向生產(chǎn)線流動方向)，因此側(cè)圍蒙皮張拉機的移動端安裝在車頭一側(cè)，這樣做可以解決右側(cè)蒙皮短的問題，如果移動端安裝在車尾一側(cè)，則會造成蒙皮工藝長度增加，增加了蒙皮費用。

1-固定端；2-行走軌道；3-移動端

3.1 固定張拉端設計

固定張拉端通過預埋地腳螺栓固定于地面上，如圖4所示。固定張拉端主要由三個部分組成：固定端框架、提升機構(gòu)和夾緊張拉推靠機構(gòu)。主體框架要承受將近300 000 N的拉力，因此采用大號型材和鋼板焊接，焊后時效，整體加工，以增強主體框架的強度和剛度。提升機構(gòu)用來升降夾緊張拉推靠裝置，以適應不同高度的側(cè)圍蒙皮張拉焊接，采用液壓馬達驅(qū)動鏈輪，通過鏈條帶動夾緊張拉推靠裝置上升和下降，液壓馬達升降具有同等功率下體積小、無級調(diào)速、驅(qū)動力大、制動能力強的特點。

1-固定端框架；2-提升機構(gòu)；3-夾緊張拉推靠機構(gòu)

固定端夾緊張拉推靠裝置是側(cè)圍蒙皮張拉機的核心，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。固定端夾緊張拉推靠機構(gòu)包含三個部分：蒙皮夾緊機構(gòu)、蒙皮張拉機構(gòu)和蒙皮推靠機構(gòu)。蒙皮夾緊機構(gòu)的關鍵是滿足300 mm～1 500 mm蒙皮寬度、0.8 mm～1.2 mm蒙皮厚度范圍內(nèi)所有蒙皮的可靠夾緊，因此設計了鋸齒形的夾具，通過多組液壓缸實現(xiàn)不同寬度蒙皮的夾緊，夾緊力可調(diào)，實現(xiàn)不同厚度蒙皮夾緊的需求，夾緊鉗口銳角倒鈍，否則蒙皮容易在夾緊時被鉗口剪斷，蒙皮夾緊機構(gòu)如圖6所示。蒙皮張拉機構(gòu)是蒙皮張拉的動力，使用兩條液壓缸+導向柱的結(jié)構(gòu)，雙液壓缸的設計使設備滿足不同寬度蒙皮張拉時蒙皮受力的均衡，同時提供了大噸位的張拉力，導向柱起承載徑向力的作用，避免液壓缸活塞桿受到過大徑向力時彎曲出現(xiàn)漏油。蒙皮推靠機構(gòu)是把張拉后的蒙皮貼靠到車身骨架上，因此需要的輸出力不大，但是由于客車車身骨架寬度變化范圍較大(1.8 m～2.55 m)，考慮到設備和最大車身骨架間預留的安全距離，對于單側(cè)的側(cè)圍張拉設備需要推出的距離大于0.5 m，懸臂較長，因此推靠機構(gòu)采用單條液壓缸推出，兩個導向柱導向，通過導向柱抵抗蒙皮推出后機構(gòu)承擔的彎曲應力和變形。

1-蒙皮夾具；2-蒙皮張拉機構(gòu)；3-蒙皮推靠機構(gòu)

1-液壓夾緊缸；2-夾緊鉗口

3.2 移動張拉端設計

移動張拉端通過在軌道上行走改變和固定張拉端之間的距離來適應不同蒙皮長度張拉的需求，移動張拉端結(jié)構(gòu)如圖7所示。移動張拉端主要由7部分組成：移動端框架、提升機構(gòu)、夾緊推靠機構(gòu)、行走機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)、掛鉤和行走軌道。從圖7(a)中看到，主體框架和提升機構(gòu)與固定張拉端結(jié)構(gòu)形式相同，夾緊機構(gòu)和推靠機構(gòu)也與固定張拉端的結(jié)構(gòu)相同，移動張拉端無蒙皮張拉機構(gòu)，即蒙皮只在固定端張拉，移動端夾持固定。為了適應不同車身骨架弧度，在移動張拉端的夾緊推靠機構(gòu)上增加旋轉(zhuǎn)功能，實現(xiàn)對蒙皮設定范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。

行走機構(gòu)采用液壓馬達驅(qū)動鏈輪，通過鏈傳動帶動安裝在主體框架上的驅(qū)動輪實現(xiàn)車身長度方向的移動，液壓馬達驅(qū)動力大，可以抱閘鎖緊主體框架，行走速度無級可調(diào)。鎖緊機構(gòu)用來進一步把移動張拉端鎖在行走軌道上，如圖7(b)所示，包含兩個機構(gòu)，一是油缸提拉機構(gòu)，把軌道夾緊鉗提拉與軌道接觸，另一個是手動絲桿壓緊機構(gòu)，通過對軌道的下拉和上壓把移動端鎖死，但是由于張拉尺寸大的蒙皮時拉力太高(接近300 000 N)，大于摩擦力，因此設置掛鉤機構(gòu)，掛鉤一端安裝于主體框架上，另一端掛在軌道之間的橫梁上，通過拉力進一步確保移動張拉端在張拉中不發(fā)生位置移動。

1-移動端框架；2-提升機構(gòu)；3-夾緊推靠機構(gòu)；4-鎖緊機構(gòu)；5-掛鉤；6-行走軌道；7-行走機構(gòu)

行走軌道是移動張拉端的行走基礎，是張拉力傳導過程中重要的部分，在整套設備中相當重要。軌道采用50#重軌，通過預埋的方式安裝在基礎上，軌道上按照一定距離設置掛鉤機構(gòu)的銷孔，用來使移動端和軌道形成可靠的連接，并傳遞力。

4 側(cè)蒙皮冷張拉機液壓系統(tǒng)設計

從側(cè)圍蒙皮張拉設備的機械結(jié)構(gòu)設計中可以看出，整套設備的動作全部使用液壓作為動力來實現(xiàn)，因此液壓系統(tǒng)至關重要。分析設備的操作過程，可以看出設備需要具備的功能主要有以下幾點：①固定張拉端和移動張拉端的提升機構(gòu)升降和推靠機構(gòu)速度可以雙向調(diào)節(jié)，到達使用位置時短時間保壓；②固定端和張拉端的蒙皮夾緊機構(gòu)需要快速夾緊長時間保壓，并且保壓可靠；③固定端的張拉機構(gòu)需要具有雙向速度可調(diào)、兩條張拉油缸速度同步，達到預定壓力值時泵卸荷，但是回路需要長時間保壓；④移動端鎖緊機構(gòu)需要具備到位后快速鎖緊，長時間可靠保壓；⑤行走機構(gòu)具備雙向行走速度可調(diào)功能，為了避免泵頻繁啟停，整套液壓系統(tǒng)只有執(zhí)行元件工作時泵才輸出高壓油，沒有執(zhí)行元件工作時，泵卸荷，降低設備的能量損耗。為了提升整套設備中液壓元件的使用壽命，液壓回路設計進油和回油的雙向過濾。為了有效降低液壓油溫度，液壓站上安裝回油散熱風扇。側(cè)圍蒙皮張拉機液壓原理圖如圖8所示。

圖8 側(cè)圍蒙皮張拉機液壓原理圖

5 側(cè)蒙皮張拉機電氣控制設計

側(cè)圍蒙皮張拉設備主控電路包含電機的啟/停按鈕、油泵指示燈、電源指示燈、油泵電機的急停按鈕以及常用的保護電路。設備按下啟動按鈕后，電機在工作時間內(nèi)不再停機，主要通過控制電路實現(xiàn)，不停機時通過液壓泵卸荷減少能量消耗。移動端分控柜電氣原理圖如圖9所示。圖9中，L3為分控柜電源指示燈、SB3為夾緊/松開旋鈕、SB4為頂升/降落旋鈕、SB5為上升/下降旋鈕、SB6為推靠/返回旋鈕、SB7為前進/后退旋鈕、SL1為上限位開關、SL2為下限位開關。

圖9 移動端分控柜電氣原理圖

為了降低工人操作難度，每處分控柜操作面板均采用旋鈕控制實現(xiàn)閥線圈的通與斷，采用旋鈕操作面板簡潔，節(jié)省按鈕，同時無需在繼電器回路中增加同一個閥兩個線圈間的互鎖，簡化了控制電路。通過對液壓原理分析，電磁溢流閥是在線圈通電狀態(tài)下工作，因此電磁溢流閥的線圈需要與所有線圈并聯(lián)，即無論哪個線圈通電，電磁溢流閥的線圈都需要通電，讓系統(tǒng)建E:work李冉SXJX202006SXJX202006SXJX202006立壓力，給執(zhí)行元件供油，這樣的設計有利于系統(tǒng)在不工作時卸荷，降低能量損耗。

6 結(jié)語

本文主要研究了側(cè)圍蒙皮張拉設備的功能和使用范圍，并進行了結(jié)構(gòu)、液壓原理和電氣控制設計，完整地展現(xiàn)了側(cè)圍蒙皮張拉設備。本設計中的側(cè)圍蒙皮張拉設備具有通用化，基本實現(xiàn)了所有車型蒙皮張拉的全覆蓋，適應性好、通用性高。設備雖然具有很多優(yōu)點，但是還可以進一步完善其功能，比如后續(xù)可以考慮對整套設備進行智能化升級設計，增加PLC控制和設備參數(shù)的配方功能;同時取消現(xiàn)有的人工輔助，比如移動端的掛鉤，在掛鉤處增加自動翻轉(zhuǎn)功能。設備智能化升級后可以直接對接工廠的MES系統(tǒng)，實現(xiàn)訂單生產(chǎn)的信息跟蹤。