城軌內(nèi)藏移門系統(tǒng)承載滾輪設(shè)計(jì)

劉建秋，徐海市

（1.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京車輛監(jiān)造項(xiàng)目部，江蘇 南京210038；2.南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京210038）

1 研究背景

隨著社會(huì)生活節(jié)奏的加快，軌道交通在人們的日常生活中扮演著越來(lái)越重要的角色。電動(dòng)雙開(kāi)內(nèi)藏移門由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本相對(duì)較低等特點(diǎn)在城市軌道中被普遍應(yīng)用。

目前常用的內(nèi)藏移門承載導(dǎo)軌主要有2種結(jié)構(gòu)，一種是采用直線導(dǎo)軌，另一種是采用滾輪。綜合考慮性能和維護(hù)的情況下，現(xiàn)有的大部分電動(dòng)雙開(kāi)內(nèi)藏移門系統(tǒng)均采用承載滾輪式結(jié)構(gòu)作為上部導(dǎo)向，如圖1所示。

圖1 承載滾輪式上部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

在內(nèi)藏移門系統(tǒng)中，門系統(tǒng)上部的導(dǎo)向功能、承載功能以及防脫功能均通過(guò)滾輪和導(dǎo)軌之間的配合來(lái)完成。因此，內(nèi)藏移門的可靠性中，滾輪的可靠性決定著門系統(tǒng)的可靠性，滾輪在整個(gè)門系統(tǒng)中起著無(wú)比重要的作用。

2 滾輪設(shè)計(jì)

2.1 尺寸初選

目前南京康尼公司所采用的城軌客室電動(dòng)雙開(kāi)內(nèi)藏移門和司機(jī)室手動(dòng)單開(kāi)內(nèi)藏移門使用的上導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)主要有2種，如圖2所示，其上導(dǎo)軌的間隙D1分別為50.5mm和47mm。考慮到承載滾輪的通用性，新設(shè)計(jì)的承載組件以導(dǎo)軌開(kāi)口尺寸較小的47mm來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 現(xiàn)有承載導(dǎo)軌開(kāi)口尺寸

考慮到安裝時(shí)的相關(guān)需求，所設(shè)計(jì)的承載輪外徑需要比上導(dǎo)軌開(kāi)口尺寸要小，同時(shí)，考慮其承載能力，理論上承載輪直徑越大，承載滾輪的承載能力越高。因此，初步選定承載滾輪的外徑D2為46mm。

2.2 承載力

城軌移門單個(gè)門扇質(zhì)量一般在30～35kg之間，實(shí)際計(jì)算時(shí)取惡劣工況35kg計(jì)算，即每扇門重350N。根據(jù)IEC61373沖擊振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，垂向需要承受3倍重力加速度，因此門扇承載輪所受承載力為1050N，即單個(gè)承載輪受力525N，根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)，取安全系數(shù)1.15，單個(gè)承載滾輪受力為603.75N，取整為600N。

2.3 防脫力

根據(jù)現(xiàn)有客戶的相關(guān)要求（選取較高標(biāo)準(zhǔn)），要求門系統(tǒng)在8.5kN/m2的情況下，門系統(tǒng)不得有脫軌現(xiàn)象?，F(xiàn)有的內(nèi)藏移門常用最大開(kāi)度為1400mm，通過(guò)高為1900mm，則門系統(tǒng)最大受力為1.4×1.9×8500=22610N，每扇門最大受力為11305N，因此，每個(gè)滾輪需要承受的防脫力為11305/4=2826.25N。根據(jù)EN 12663《鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)，取安全系數(shù)1.15，則其防脫力為3250N。

2.4 成型方式選擇

由于承載導(dǎo)軌一般都為鋁型材，因此承載輪外圈材質(zhì)需要選擇非金屬，以免在滾動(dòng)的過(guò)程中對(duì)導(dǎo)軌造成破壞。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，暫定承載輪外圈材質(zhì)為聚甲醛。

現(xiàn)有的承載滾輪成型方式有以下2種可選，分別為裝配結(jié)構(gòu)和整體成型結(jié)構(gòu)。其中，裝配結(jié)構(gòu)主要是將非金屬滾輪外圈通過(guò)機(jī)加工成型后，再進(jìn)行裝配處理；而整體成型結(jié)構(gòu)，則是直接在軸承上注塑，從而使得滾輪成為一個(gè)整體。機(jī)裝配式和整體成型的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 成型方式選擇

根據(jù)以上分析，優(yōu)先選用整體成型的結(jié)構(gòu)。

滾輪與導(dǎo)軌的搭接量和滾輪的強(qiáng)度決定了其防脫力的大小，如圖3所示，滾輪與導(dǎo)軌的搭接量定義為C。

圖3 承載導(dǎo)軌搭接量

2.5 搭接量的選擇

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先設(shè)計(jì)2種滾輪，其與導(dǎo)軌的搭接量C分別為3mm和5mm，通過(guò)對(duì)2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行防脫試驗(yàn)，得出其防脫力的大小。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，2種滾輪的防脫力大小如表2所示。

表2 滾輪的防脫力

2.6 滾輪和軸的連接方式

如圖4所示，滾輪和軸的連接方式有多種可選，常用的為螺釘限位、軸用擋圈限位、鉚接等，由于滾輪對(duì)可靠性要求較高，且承載機(jī)構(gòu)處空間較為緊湊，因此需要優(yōu)先考慮空間占用較小的結(jié)構(gòu)。其次滾輪價(jià)格相對(duì)較低，為了防止更換過(guò)程中，人工操作的不規(guī)范導(dǎo)致螺釘松動(dòng)、擋圈掉落等現(xiàn)象的發(fā)生，需要優(yōu)先選擇一致性較高的工藝操作方法。相對(duì)于螺釘限位、軸用擋圈限位等方法，鉚接時(shí)采用工裝或者專業(yè)設(shè)備操作，零部件質(zhì)量的一致性能夠較好地把控。

圖4 承載滾輪結(jié)構(gòu)示意圖

綜上，對(duì)于滾輪和軸的連接方式，優(yōu)先選擇鉚接結(jié)構(gòu)。

2.7 滾輪軸的選擇

考慮到滾輪后續(xù)是通過(guò)鉚接的方式和滾輪軸連接在一起的，因此材料含碳量不能太高，盡量選擇中碳鋼中碳含量較低或者類似的金屬?？紤]到相關(guān)材料的性能和防腐等需要，此處選擇30Cr13，其屈服強(qiáng)度為540MPa，如表3所示。

表3 材料特性

根據(jù)上述承載力600N的要求，考慮到鉚接工藝等需求，暫定滾輪軸的直徑為10～12mm。

2.8 軸承選擇

根據(jù)先前分析，承載滾輪的外徑為46mm，搭接量為5mm，則其內(nèi)圈直徑為36mm。滾輪厚度19mm，則兩側(cè)壁厚為（19－5×2）/2=4.5mm?？紤]到均勻的壁厚有利于注塑，則滾輪注塑壁厚S初定為2～3mm，如圖5所示。

圖5 滾輪注塑壁厚

已知滾輪外徑46mm，內(nèi)徑36mm，壁厚S為4～6mm，則可知軸承外徑為24～28mm，且滾輪軸的直徑在10～12mm之間。根據(jù)以上條件，滾輪軸承的選擇如表4所示。

表4 軸承選型表[1]

從表4可知，軸承型號(hào)6001承載能力最強(qiáng)，且相關(guān)參數(shù)完全能夠滿足設(shè)計(jì)需要。從理論計(jì)算，其單列軸承即可滿足設(shè)計(jì)需求，但考慮到相關(guān)制造水平和軸承的穩(wěn)定性以及防脫性，使用雙列軸承可以有效地提高滾輪載荷和其徑向竄動(dòng)，且相關(guān)尺寸也能夠完全滿足設(shè)計(jì)需求。

3 試驗(yàn)和驗(yàn)證

車門系統(tǒng)為非民用產(chǎn)品，對(duì)可靠性和舒適性均有一定的要求。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)滾輪是否符合設(shè)計(jì)的預(yù)期，通過(guò)故障預(yù)估和分析表，針對(duì)滾輪較為重要的失效模式，對(duì)滾輪進(jìn)行一系列的試驗(yàn)和驗(yàn)證。

3.1 蠕變?cè)囼?yàn)

滾輪外圈由非金屬構(gòu)成，相對(duì)導(dǎo)軌較軟。如果選擇的滾輪材料不合適，則門系統(tǒng)長(zhǎng)期靜置不用的情況下，會(huì)導(dǎo)致滾輪外圈連續(xù)在一個(gè)點(diǎn)受力，從而產(chǎn)生微小的變形，稱之為蠕變[2]。蠕變不會(huì)對(duì)門系統(tǒng)的功能產(chǎn)生影響，但其會(huì)使得門系統(tǒng)在來(lái)回運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生有節(jié)奏的異響，降低客戶體驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)滾輪長(zhǎng)期靜置加載，模擬門系統(tǒng)在車輛上長(zhǎng)期不適用的工況。該試驗(yàn)已經(jīng)完成，且達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

3.2 壽命試驗(yàn)

在進(jìn)行壽命測(cè)試時(shí)，通過(guò)2種方法來(lái)同時(shí)對(duì)滾輪的壽命性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

第一，將滾輪安裝在門系統(tǒng)上，讓門系統(tǒng)模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用狀況進(jìn)行不間斷的開(kāi)門和關(guān)門動(dòng)作，以驗(yàn)證其在正常運(yùn)行條件下的適應(yīng)性。

第二，通過(guò)專用測(cè)試設(shè)備，對(duì)滾輪的壽命和承載進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試，如圖6所示，該設(shè)備不但可以節(jié)約通過(guò)實(shí)際門系統(tǒng)試驗(yàn)所需的時(shí)間，還能在較短的時(shí)間內(nèi)，收集到所需的相關(guān)性能數(shù)據(jù)。

圖6 滾輪壽命測(cè)試設(shè)備

3.3 防脫試驗(yàn)

通過(guò)在攜門架上施加一個(gè)力F，來(lái)驗(yàn)證門系統(tǒng)的滾輪是否會(huì)脫出導(dǎo)軌，從而導(dǎo)致故障。在F=3500N（設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)3250）的情況下，門系統(tǒng)沒(méi)有脫軌，滾輪相關(guān)性能符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3.4 試驗(yàn)小結(jié)

除了以上試驗(yàn)，還對(duì)滾輪進(jìn)行了老化、高低溫、撞擊等多個(gè)維度進(jìn)行檢測(cè)，本次設(shè)計(jì)的滾輪順利地通過(guò)全部測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期，滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。

4 總結(jié)

承載輪組件作為內(nèi)藏移門系統(tǒng)上一個(gè)重要的零部件，對(duì)門系統(tǒng)的可靠性起著極其重要的作用。綜上所述，知曉了滾輪的相關(guān)結(jié)構(gòu)來(lái)源以及其所需的主要技術(shù)指標(biāo)。按照以上參數(shù)設(shè)計(jì)的滾輪也已經(jīng)通過(guò)了相關(guān)內(nèi)部試驗(yàn)，并投入了實(shí)際項(xiàng)目的使用之中，目前運(yùn)行狀況良好。