昆明地鐵3號線車門鎖閉桿連接軸軸強度計算

汪紅兵

摘要：針對昆明地鐵3號線客室雙扇電動塞拉門旋轉(zhuǎn)立柱上擺臂與鎖閉彎桿之間的連接軸強度薄弱，存在應力集中斷裂的隱患問題，對旋轉(zhuǎn)立柱連接軸進行強度校核分析，數(shù)據(jù)結(jié)果表明： 鎖閉桿連接軸的安全系數(shù)能夠滿足強度要求。

關鍵詞：地鐵;塞拉門;旋轉(zhuǎn)立柱連接軸

引言

昆明地鐵3號線電客車客室車門具有密封性好、噪聲低、美觀等特點，但因電動塞拉門結(jié)構(gòu)復雜，調(diào)整變量多，缺乏裝配、調(diào)整指標的唯一性，致使車門故障率一直較高。目前，由于昆明地鐵 3 號線的旋轉(zhuǎn)立柱上擺臂與鎖閉彎桿之間的連接軸強度薄弱，存在應力集中斷裂的隱患問題，因此對該旋轉(zhuǎn)立柱連接軸進行強度校核，消除潛在的故障隱患，保證電客列車正線運營的安全可靠。

1. 計算評定標準

根據(jù) DIN EN 12663《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定，門板結(jié)構(gòu)各個部件應在各個工況的載荷綜合作用下，材料許用應力與計算等效應力之比應不小于 DIN EN 12663 第3.4.2 節(jié)中規(guī)定的安全系數(shù) S （規(guī)定中若材料的屈服應力作為許用應力值，取 S1 為 1.15，若用材料的抗拉強度作為許用應力值，取 S2 為 1.5）。即：

2. 計算工況

根據(jù)《昆明 3 項目車門系統(tǒng)采購技術(shù)規(guī)范》和《EN_12663 鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》的要求，確定分析工況。采購技術(shù)要求為：

從內(nèi)向外施加在一個門扇上 1500N 的力，均勻地加在車門一半高度上 200mm 寬的區(qū)域內(nèi)，門扇撓度變形不超過 8mm。

施加在整個門寬度范圍的車門一半高度上 200mm 寬的區(qū)域內(nèi) 3500N 的力并持續(xù) 5 分鐘。門扇不產(chǎn)生永久變形。

門關閉后應能保持在正確位置。門頁能承受乘客在內(nèi)部施加的 2000N 的力，且不會對車門的驅(qū)動及運動機構(gòu)造成影響。

門板在三個加速度工況（X=3g，Z=-g;Y=g，Z=-g;Z=-3g）下的強度和剛度達到功能正常的要求。

根據(jù)昆明地鐵3號線客室塞拉門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，當力的方向垂直門板向里時，門板周邊的膠條貼緊門框，不論從變形還是受力來說，都比力的方向垂直門板向外要好的多。因此Y 向只計算垂直門板向外方向。

因此工況定為：

工況 1： Y=-g，Z=-g

工況 2： Z=-3g

工況 3： X=3g，Z=-g

工況 4：Fy=1750N（垂直門板向外）Z=-g

所用坐標系見下圖：

x-軸（相應于車輛縱軸）的正方向是運動方向。y-軸（相應于車輛橫軸）

在水平面內(nèi)。z-軸（相應于車輛垂直軸）的正方向是向上。

單位：長度/mm，力/N，應力/MPa

計算模型

3.1模型單位

有限元分析過程中的單位制如表 1 所示：

3.2材料參數(shù)

鎖閉桿連接軸的材料參數(shù)如表 2 所示：

3.3有限元模型

有限元模型是對真實結(jié)構(gòu)的簡化模擬，不完全等同于真實結(jié)構(gòu)，是基于力學特性和計算的目的，對真實結(jié)構(gòu)實際的受力及約束的抽象和簡化，對鎖閉桿連接軸分析模型簡化如圖 2 所示。鎖閉桿連接軸組件的結(jié)構(gòu)模型均采用 4 節(jié)點四面體與 8 節(jié)點六面體混合實體單元模擬，劃分單元 5623 個，節(jié)點 10982 個;

3.4載荷與約束

通過對昆明 3 號線門機構(gòu)的動力學仿真分析，提取不同工況下，鎖閉彎連桿與旋轉(zhuǎn)立柱球鉸連接處的載荷。即可得到不同工況下，鎖閉彎連桿連接軸處的載荷如表 3 所示：

在鎖閉狀態(tài)下，鎖閉結(jié)構(gòu)受門板經(jīng)由上擺臂傳來的力，由球鉸連接傳到鎖閉連接軸上。選取每個工況下左右球鉸最大的受力狀態(tài)，根據(jù)實際的約束方式和受力情況，對模型進行約束，由于目前的關鍵部件為鎖閉彎連桿相關組件，且整體的載荷工況在動力學軟件中已分析完成并導出結(jié)果，因此有限元模型只需要對簡化后彎連桿組件進行分析校核即可。

4. 計算結(jié)果

工況一鎖閉桿連接軸的最大變形是 0.16342mm，最大應力為 113.5MPa;

工況二鎖閉桿連接軸的最大變形是 0.1142mm，最大應力為 13.15MPa;

工況三鎖閉桿連接軸的最大變形是 0.38549mm，最大應力為 226.8MPa;

工況四鎖閉桿連接軸的最大變形是 0.36055mm，最大應力為 220.6MPa。

5. 結(jié)論

上述四個工況下鎖閉桿連接軸計算結(jié)果如表 4 所示，可知四種工況下，工況 3 為最大工況，按標準 EN12663 的要求，當通過計算進行強度校核時，單個工況下零件的安全系數(shù)需大于 1.15。最大工況下，鎖閉桿連接軸的安全系數(shù)大于 1.15，因此零件能夠滿足強度要求。

結(jié)束語

車門系統(tǒng)是地鐵列車中關系到乘客安全的重要子系統(tǒng)，它的設計形式、機械結(jié)構(gòu)、電氣控制以及維修保養(yǎng)等諸多方面均直接影響著地鐵列車的運營狀況和廣大乘客的人身安全。由于車門數(shù)量多且動作頻繁，因此也經(jīng)常出現(xiàn)故障。通過對旋轉(zhuǎn)立柱連接軸進行強度校核分析，確保鎖閉桿連接軸的安全系數(shù)能夠滿足強度要求，確保地鐵運營時的安全可靠度，同時也為車門系統(tǒng)其他部件的故障分析與優(yōu)化提供了參考。

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