平車(chē)側(cè)門(mén)鎖固結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

衛(wèi)利軍，李 立，李 珣，武會(huì)芳

(中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限公司 北京科技分公司，北京 100072)

平車(chē)主要用于運(yùn)送鋼材、木材、汽車(chē)、機(jī)械設(shè)備、軍用裝備等體積或質(zhì)量較大的貨物。為提高平車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和適用性，在平車(chē)兩側(cè)安裝一定高度的活動(dòng)側(cè)門(mén)，以滿足礦石、沙土、石渣等散粒貨物以及接觸網(wǎng)線桿等材料的運(yùn)輸要求。平車(chē)裝載散粒貨物時(shí)，需要將側(cè)門(mén)直立鎖固在平車(chē)上；在卸貨時(shí)，需將側(cè)門(mén)打開(kāi)并翻落，且翻落后需限位以阻止其擺動(dòng)侵入車(chē)輛限界內(nèi)。國(guó)內(nèi)帶側(cè)門(mén)的貨車(chē)主要是N17型平車(chē)，各型平車(chē)的側(cè)門(mén)結(jié)構(gòu)除了高度不同外，鎖固結(jié)構(gòu)和原理基本相同，都是在鎖閉位置以擋鐵作為鎖閉關(guān)鍵件實(shí)現(xiàn)側(cè)門(mén)的可靠鎖固。本文將以既有平車(chē)側(cè)門(mén)鎖固結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型，對(duì)鎖固結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高鎖固能力設(shè)計(jì)裕量，確保其運(yùn)用安全可靠。

1 鎖固結(jié)構(gòu)的組成及工作原理

側(cè)門(mén)鎖固結(jié)構(gòu)主要由折頁(yè)座、折頁(yè)、擋鐵和銷軸組成(圖1)。折頁(yè)座固定在平車(chē)側(cè)梁上；折頁(yè)固定在側(cè)門(mén)上；擋鐵通過(guò)銷軸安裝在折頁(yè)和折頁(yè)座的凹形槽內(nèi)，將側(cè)門(mén)與側(cè)梁連于一體。

圖1 側(cè)門(mén)鎖固結(jié)構(gòu)及擋鐵幾何形狀示意圖

擋鐵是用于鎖固側(cè)門(mén)的關(guān)鍵零件，擋鐵沿著擋鐵長(zhǎng)圓孔上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)門(mén)的鎖固和解鎖。從圖1可以看出，擋鐵在自重作用下，沿著擋鐵長(zhǎng)圓孔與銷軸配合面自然楔入折頁(yè)座斜面，直至擋鐵頭部與側(cè)門(mén)緊貼，擋鐵尾部與折頁(yè)座緊貼，此時(shí)擋鐵長(zhǎng)圓孔與銷軸緊貼實(shí)現(xiàn)對(duì)平車(chē)側(cè)門(mén)的鎖固；解鎖時(shí)，需要克服擋鐵自重及其與銷軸、折頁(yè)和折頁(yè)座間的摩擦力才能將擋鐵提出折頁(yè)座凹形槽，此時(shí)擋鐵解除鎖固，側(cè)門(mén)可以打開(kāi)并翻落。擋鐵除具有鎖閉功能外，還具有緩沖功能和限位功能。圖2為擋鐵的3個(gè)功能位：側(cè)門(mén)直立時(shí)鎖閉位、側(cè)門(mén)翻落時(shí)緩沖位、側(cè)門(mén)翻落后防擺限位。

圖2 擋鐵3個(gè)功能位

2 力學(xué)模型分析

建立側(cè)門(mén)鎖固結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，以鎖固結(jié)構(gòu)中的擋鐵作為研究對(duì)象，進(jìn)行鎖固能力裕量分析，以研究鎖固結(jié)構(gòu)可靠性。

2.1 力平衡分析

在平車(chē)使用過(guò)程中，存在車(chē)上貨物對(duì)側(cè)門(mén)擠壓、沖撞等沿側(cè)門(mén)法向的作用力，該力通過(guò)側(cè)門(mén)整體鋼結(jié)構(gòu)和折頁(yè)傳遞給擋鐵，同時(shí)擋鐵還受到銷軸和折頁(yè)座的反作用力，以及阻止擋鐵向上移動(dòng)趨勢(shì)的靜摩擦力，圖3為擋鐵受力分析。

圖3 擋鐵受力分析

由圖3可得力平衡方程式：

F1+F3×cosβ=F2×cosα+f2×sinα+f3×sinβ

(1)

F2×sinα=G+f1+f2×cosα+f3×cosβ+F3×sinβ

(2)

F1×L1=F3×L2+f1×L3+f3×L4+f2×R+G×L5

(3)

f1=μF1

(4)

f2=μF2

(5)

f3=μF3

(6)

式中：F1、F2、F3——分別為側(cè)門(mén)受力傳導(dǎo)給擋鐵的水平方向正壓力、銷軸對(duì)擋鐵的正壓力和折頁(yè)座對(duì)擋鐵的正壓力，N；

f1、f2、f3——分別為F1、F2、F3引起的靜摩擦力，N；

μ——摩擦副表面摩擦因數(shù)(鋼與鋼之間)，一般取值0.15；

L1——F1對(duì)銷軸中心點(diǎn)的力臂，取值170 mm；

L2——F3對(duì)銷軸中心點(diǎn)的力臂，取值60 mm；

L3——f1對(duì)銷軸中心點(diǎn)的力臂，力作用線通過(guò)銷軸，取值0；

L4——f3對(duì)銷軸中心點(diǎn)的力臂，取值54 mm；

L5——擋鐵重心對(duì)銷軸中心點(diǎn)的力臂，力作用線通過(guò)銷軸，取值0 ；

R——銷軸半徑，取值16 mm；

α——F2與水平方向夾角，取值27°；

β——F3與水平方向夾角，取值10°；

G——擋鐵自重，取值38 N。

由側(cè)門(mén)水平方向受力F和F1力矩平衡可得方程(側(cè)門(mén)重力作用線和f1作用線通過(guò)銷軸，力矩忽略)：

F1×L1=F×L

(7)

式中：L——F對(duì)銷軸中心點(diǎn)的力臂，依圖樣取值263.5 mm；

將各參數(shù)帶入式(1)～(7)可得：F=135 N，側(cè)門(mén)可承受最大水平力為135 N，鎖固能力裕量較小。

2.2 F值影響因素分析

由上述靜力平衡方程式可知，影響F大小的因素主要有α、β和μ。以這些影響因素作為變量，分別對(duì)側(cè)門(mén)可承受最大力F進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 α、β和μ作為變量時(shí)側(cè)門(mén)水平方向受力F最大值

由表1可知，α、β作為變量對(duì)側(cè)門(mén)承受的F最大值有改善，但受折頁(yè)座及擋鐵結(jié)構(gòu)限制，角度難以變化；以摩擦副的摩擦因數(shù)μ為變量時(shí)，對(duì)F最大值的影響最為敏感，當(dāng)表面摩擦因數(shù)超過(guò)0.17后，鎖固結(jié)構(gòu)達(dá)到絕對(duì)可靠。由于擋鐵接觸面摩擦副經(jīng)常在較短時(shí)間內(nèi)磨損，接觸面趨于光滑，摩擦阻力衰減，影響鎖固結(jié)構(gòu)的可靠性，所以有必要提高鎖固能力的安全裕量。

由圖3受力分析可知，擋鐵受F2在垂直方向的向上分力是唯一影響鎖固能力的力，因此需要減小F2向上分力或增加反作用力。

3 改進(jìn)方案

通過(guò)把擋鐵與折頁(yè)接觸面由立面改變?yōu)樾泵?，即將F1由水平方向改變?yōu)樾泵嫦蛳路较颍栽黾哟瓜蛳蛳伦饔昧?，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)方案受力分析

由圖4可得改進(jìn)方案靜力平衡方程式：

F1×cosθ+F3×cosβ=F2×cosα+f2×sinα+
f3×sinβ+f1×sinθ

(8)

F2×sinα=G+F1×sinθ+f1×cosθ+f2×cosα+
f3×cosβ+F3×sinβ

(9)

F1×L11=F3×L2+f1×L12+
f3×L4+f2×R+G×L13

(10)

式中：L11——改進(jìn)方案斜面受力F1對(duì)銷軸中心點(diǎn)的力臂，取值160 mm；

L12——改進(jìn)方案斜面摩擦力f1對(duì)銷軸中心點(diǎn)的力臂，取值77 mm；

L13——改進(jìn)方案擋鐵重心對(duì)銷軸中心點(diǎn)的力臂，取值1 mm；

θ——F1與水平方向夾角，改進(jìn)方案取值20°。

根據(jù)式(8)～(10)計(jì)算可得：F2=-605 N，表明擋鐵在無(wú)主動(dòng)施加向上外力而移動(dòng)的情況下鎖固結(jié)構(gòu)仍可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)鎖固結(jié)構(gòu)中的擋鐵進(jìn)行力學(xué)分析，將折頁(yè)和擋鐵的接觸面從現(xiàn)有直立結(jié)構(gòu)改變?yōu)閹?0°斜角的方案是可行的。