轉(zhuǎn)向架升降工作臺(tái)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

單振凱

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510310）

轉(zhuǎn)向架升降工作臺(tái)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

單振凱

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510310）

轉(zhuǎn)向架升降工作臺(tái)是地鐵列車架大修必備的檢修設(shè)備，安裝于維修基地架大修庫內(nèi)，總結(jié)使用過程中的經(jīng)驗(yàn)，分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中常碰到的若干難點(diǎn)并給予解決方案，使設(shè)計(jì)者和操作人員得到啟發(fā)。

轉(zhuǎn)向架升降工作臺(tái)；轉(zhuǎn)向架；絲桿升降機(jī)；尼龍；聯(lián)軸器；錐齒輪換向器

1 概述

轉(zhuǎn)向架升降工作臺(tái)廣泛應(yīng)用于地鐵車輛段內(nèi)，是地鐵綜合檢修基地轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)軸承間內(nèi)的必備設(shè)備，其主要用途為將地鐵車輛轉(zhuǎn)向架升高至適當(dāng)高度，以便于對(duì)轉(zhuǎn)向架上各安裝部件進(jìn)行拆卸、清潔、安裝、測(cè)量、檢查等各項(xiàng)工作。

2 設(shè)計(jì)方案的技術(shù)難點(diǎn)

以廣州地鐵某車輛段轉(zhuǎn)向架升降工作臺(tái)為例，其機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

（1）四個(gè)升降支點(diǎn)的同步性問題。由于提升轉(zhuǎn)向架時(shí)四個(gè)輪子的平面必須保持一致，才能保證提升及定位時(shí)的穩(wěn)定性，從而保證設(shè)備的安全性能。

（2）傳動(dòng)比及電機(jī)功率的確定。

（3）舉升到最高點(diǎn)時(shí)升降支點(diǎn)的穩(wěn)定性問題。工作最高舉升高度為1 600 mm，涉及操作人員的人身安全，必須對(duì)舉升的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

（4）轉(zhuǎn)向架在舉升過程中，防止轉(zhuǎn)向架滑動(dòng)的止擋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。由于轉(zhuǎn)向架在上升或下降過程中，必須有機(jī)構(gòu)防止轉(zhuǎn)向架滑動(dòng)。同時(shí)又必須保證在轉(zhuǎn)向架被提升時(shí)止擋自動(dòng)升起，轉(zhuǎn)向架修理完畢降落時(shí)止擋也自動(dòng)回落。

（5）轉(zhuǎn)向架被舉升后，四個(gè)升降支點(diǎn)在軌平面留下的空位需要進(jìn)行補(bǔ)充，從而防止修理時(shí)螺絲刀、扳手等工具落下地坑。

（6）螺母磨損超過一定程度要能夠自動(dòng)停機(jī)。

3 設(shè)計(jì)方案

（1）針對(duì)四個(gè)升降支點(diǎn)的同步性問題提出解決方案。方案1：采用每個(gè)升降支點(diǎn)都使用一個(gè)動(dòng)力源，從而通過電氣控制來實(shí)現(xiàn)四個(gè)升降支點(diǎn)的同步；方案2：采用一臺(tái)雙輸出軸的電機(jī)作為動(dòng)力源，將動(dòng)力向左右兩邊傳遞，然后通過兩臺(tái)錐齒輪換向器將動(dòng)力分別向上下傳遞，最終電機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到四個(gè)立柱，如圖1所示。顯然，方案2無論是從經(jīng)濟(jì)角度還是設(shè)計(jì)復(fù)雜程度著想都優(yōu)于方案1，由于四個(gè)立柱的升降是采用一個(gè)電機(jī)來帶動(dòng)，因此可以保證升降的同步性，從而解決了同步性問題。

圖1 方案2

（2）傳動(dòng)比及電機(jī)功率的確定

1）傳動(dòng)比的確定：根據(jù)圖1的方案，選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)速為960 r/min，錐齒輪換向器帶減速功能其減速比為3.6∶1，再經(jīng)過絲桿升降機(jī)，其減速比為10.67∶1，最終從電機(jī)到絲桿升降機(jī)的轉(zhuǎn)速為：960÷3.6÷10.67=25 r/min，由于絲桿升降機(jī)絲桿的螺距為16 mm，因此最終絲桿升降機(jī)的上升/下降速度為25×16=400 mm/min，從而滿足技術(shù)要求。

2）電機(jī)功率的確定。采用負(fù)載處反推法，單個(gè)升降支點(diǎn)舉升轉(zhuǎn)向架所需驅(qū)動(dòng)功率：P1= Fa×v/（60×η），其中Fa=22 kN，v=0.4 m/min，η= 0.21，P1=22×0.4÷60÷0.21=0.7 kW，其間從電機(jī)到負(fù)載經(jīng)過了：2+0.5+0.5=3個(gè)聯(lián)軸節(jié)，2+0.5+0.5=3個(gè)滾動(dòng)軸承，1個(gè)錐齒輪換向器和蝸輪螺桿升降機(jī)，其功率損耗為：0.993×0.993×0.975=0.92，所以單個(gè)升降支點(diǎn)電機(jī)需傳遞的功率為：0.7÷0.92= 0.76 kW，所以四個(gè)升降柱需要的電機(jī)功率為：0.76×4=3.04 kW，再加上其他的功率損耗，選取7.5 kW的電機(jī)。

（3）轉(zhuǎn)向架舉升到最高點(diǎn)時(shí)，四個(gè)立柱的穩(wěn)定性問題。由于采用的試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架是8 t，當(dāng)舉升至1 600 mm的高度時(shí)，四個(gè)立柱的承受垂向壓載荷和橫向載荷，其穩(wěn)定性是個(gè)不可忽視的因素，因此必須要對(duì)每個(gè)立柱進(jìn)行穩(wěn)定性和剛度校核。單個(gè)支柱的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單個(gè)支柱的結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定性校核如下：

1）絲桿大徑 D=90 mm；

2）小徑：d=74 mm；

3）45＃鋼材料特性/彈性模量：

4）長(zhǎng)度系數(shù)（根據(jù)結(jié)構(gòu)選取）：μ＝2；

5）絲桿最大工作高度：l＝1 710 mm；

6）螺桿危險(xiǎn)截面軸慣性半徑：

7）螺桿危險(xiǎn)截面軸慣性矩：

8）垂向壓載荷（每根）：F=22 000 N；

9）水平載荷：P=2 200 N。

由以上條件，可以得到：

（μ·l）÷I=185＞40必須進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核臨界載荷：

Fc/F＝11.8＞4 滿足要求，安全。

剛度檢查：從圖2可知，絲桿的剛度不是研究的對(duì)象，因?yàn)樯抵乃拿媾c滑動(dòng)套的尼龍緊密貼合，完全升起后滑動(dòng)套起到了升降柱和絲桿組成的“長(zhǎng)桿”的側(cè)向支撐的作用，因此這里只需校核升降柱受到側(cè)向力F=2.2 kN后，繞滑動(dòng)套最低點(diǎn)轉(zhuǎn)距對(duì)尼龍產(chǎn)生的壓力，簡(jiǎn)化受力圖如圖3所示。

FB=2.2×2370÷450=11.6 kN，F(xiàn)c=2.2×1920÷ 450=9.4 kN，所以取FB=11.6 kN來校核尼龍所受的壓強(qiáng)P=11.6÷S，其中S=0.075×0.075=0.005 6 m2，即P=11 600/0.005 6=2.1×106 Pa=2.1 MPa，遠(yuǎn)小于尼龍的抗壓強(qiáng)度210 MPa。所以通過計(jì)算，剛度也滿足要求[1]。

圖3 簡(jiǎn)化受力圖

（4）止擋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。止擋要能夠與轉(zhuǎn)向架的升降實(shí)現(xiàn)互鎖，即提升轉(zhuǎn)向架前，先提起止擋，降落后，止擋下降，采用純機(jī)械的方法來實(shí)現(xiàn)此目的，如圖4所示。

圖4 止擋示意圖

原理：當(dāng)轉(zhuǎn)向架未升起時(shí)，機(jī)構(gòu)處于左圖狀態(tài)。設(shè)計(jì)時(shí)將上止擋的重心置于前部，因此，當(dāng)上止擋和下止擋未嚙合時(shí)，上止擋由于重力作用會(huì)落到軌平面以下，而下止擋的重心相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心也有一定的偏心，當(dāng)未嚙合時(shí)，下止擋的位置由提耳決定，在升降平臺(tái)的架體上設(shè)計(jì)一個(gè)提鉤機(jī)構(gòu)，利用提鉤機(jī)構(gòu)來勾住提耳，使下止擋上升，從而避免下止擋由于自重旋轉(zhuǎn)而與上止擋嚙合。當(dāng)轉(zhuǎn)向架上升和下降時(shí)，機(jī)構(gòu)處于右圖狀態(tài)，此時(shí)上、下止擋嚙合，如果轉(zhuǎn)向架有滾動(dòng)的趨勢(shì)，會(huì)對(duì)上止擋的斜面施加作用力（見受力示意圖），從而使上止擋有繞其轉(zhuǎn)動(dòng)中心旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，力傳遞到嚙合面，此時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)將嚙合時(shí)上止擋對(duì)下止擋的壓力的作用方向通過下止擋的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，從而使傳遞到嚙合面的力通過轉(zhuǎn)軸，避免下止擋的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終阻止轉(zhuǎn)向架的滑動(dòng)。

（5）轉(zhuǎn)向架升起后，升降支點(diǎn)留下的空位的補(bǔ)充問題。由于舉升轉(zhuǎn)向架的同時(shí)不可避免的會(huì)在軌平面上留下空位，為了防止在修理轉(zhuǎn)向架時(shí)工具或零件掉入地坑內(nèi)，需要將空位彌補(bǔ)。采用彈簧補(bǔ)位，原理為：提升轉(zhuǎn)向架前，彈簧補(bǔ)板與止擋裝置由于彈簧彈力作用緊密貼合，此時(shí)止擋裝置與軌平面平齊；當(dāng)轉(zhuǎn)向架開始升起時(shí)，彈簧補(bǔ)板由于彈簧的回彈和止擋裝置一起向上升起，到補(bǔ)板上平面與軌平面齊平時(shí)，由于安裝在彈簧導(dǎo)向柱末端的螺母環(huán)的作用，使彈簧補(bǔ)板停止在與軌平面同一高度，從而彌補(bǔ)了止擋裝置留下的空位，當(dāng)下降時(shí)，止擋裝置與補(bǔ)板接觸后，再逐漸的壓縮彈簧直至與軌平面平齊，如圖5所示[2]。

圖5 彈簧補(bǔ)板受壓狀態(tài)

（6）螺母磨損超過一定程度要能夠自動(dòng)停機(jī)。設(shè)計(jì)時(shí)參考了固定式架車機(jī)的保護(hù)螺母設(shè)計(jì)，在主螺母與保護(hù)螺母之間安裝接近開關(guān)，控制磨損量，當(dāng)超過一定的磨損量時(shí)，關(guān)閉主電機(jī)。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

連接板上端是圓孔，下端為腰圓孔，腰圓孔尺寸為8.2×16（mm×mm），當(dāng)主螺母未磨損時(shí)，依靠連接板帶動(dòng)保護(hù)螺母來上升和下降，主螺母與保護(hù)螺母同時(shí)繞絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此距離不會(huì)發(fā)生變化；當(dāng)主螺母發(fā)生磨損后，主螺母下降，由于保護(hù)螺母與連接板采用上下方向腰圓孔連接，因此他們之間的距離就會(huì)發(fā)生變化，從而接近開關(guān)能夠檢測(cè)到距離的變化，從而使電機(jī)停止動(dòng)作。

圖6 保護(hù)螺母設(shè)計(jì)

4 總結(jié)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的若干難點(diǎn)，希望能給設(shè)計(jì)者和操作人員一些啟發(fā)。在生產(chǎn)過程中轉(zhuǎn)向架升降工作臺(tái)將列車轉(zhuǎn)向架舉升1 600 mm，操作人員在旁邊作業(yè)，故需特別重視其安全性、可靠性，保證操作人員的人身安全。設(shè)計(jì)者可考慮將沿軌道方向的兩個(gè)獨(dú)立支撐點(diǎn)連為一體，四個(gè)支撐點(diǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)通長(zhǎng)整體托頭架，增加支撐立柱的剛性；所有緊固螺栓采用8.8級(jí)以上；重要部件采用調(diào)質(zhì)處理，并進(jìn)行發(fā)黑防銹處理等應(yīng)對(duì)措施。

［1］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］江牧，徐庭麗.基于使用心理的機(jī)械產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（05）：12-15.

Design and Application of the Bogie Lifting Platform

SHAN Zhen-kai
（Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou510310，China）

Bogie lifting platform is a necessary maintenance equipment for five-year overhaul and major overhaul of metro vehicles and it is installed in the workshop of comprehensive repair depot.This paper sum up experiences during use，analysis of some difficulties often encountered during the design of mechanical structure and give solutions,so that designers and operators inspired.

bogie lifting platform；bogie；lead screw lifter；nylon；coupling；bevel gear commutator

U231+.94

A

1009－9492(2014)05－0185－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.047

單振凱，男，1981年生，湖南平江人，大學(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域：地鐵車輛檢修設(shè)備技術(shù)維護(hù)與管理。已發(fā)表論文1篇。

(編輯：王智圣)

2013－12－02

本文通過提出和解決轉(zhuǎn)向架升降工作臺(tái)機(jī)械