軌道車輛車體總成焊機(jī)掛架設(shè)計(jì)

閆偉　岳彩昂

摘 要：軌道車輛是當(dāng)今最重要的交通工具之一，隨著城市交通的日益飽和，軌道車輛的便利性越發(fā)重要，對軌道車輛的需求也越發(fā)顯著。本文的焊機(jī)掛架是基于現(xiàn)有軌道車輛車體總成制造工藝過程特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，降低勞動(dòng)者作業(yè)強(qiáng)度和提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：軌道車輛；車體總成；焊接掛架

中圖分類號(hào)：TD355 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

軌道車輛車體是由底架、側(cè)墻、端墻、司機(jī)室（僅頭車）、車頂?shù)冉M成的廂體結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。各大部件連接一般采用焊接或鉚接的方式。本文所述車體為鋁合金焊接連接車體，車體為保證其強(qiáng)度和輕量化要求，各大部件都是采用鋁合金空腔型材。車體大部件連接需要從內(nèi)外兩側(cè)進(jìn)行焊接。為提高車體制造效率，車體外側(cè)長直焊縫已經(jīng)采用自動(dòng)焊的方法進(jìn)行。但車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐較多，無法形成有效自動(dòng)導(dǎo)軌，目前仍然采用手工焊的方法進(jìn)行。

車體內(nèi)部包括車體底架與側(cè)墻內(nèi)部連接，側(cè)墻與車頂內(nèi)部連接，端墻與車體各部件內(nèi)部連接。因焊接工藝過程需要，焊槍送絲及參數(shù)調(diào)控機(jī)構(gòu)（以下簡稱送絲機(jī)構(gòu)）應(yīng)放入車體內(nèi)部。又因組裝及外部焊接需要，車體底架是放置約1.2m高地面支撐上，焊槍送絲機(jī)構(gòu)需要從車外搬運(yùn)至車體內(nèi)部。因送絲機(jī)構(gòu)本身重量約為20kg，搬運(yùn)過程需要耗費(fèi)體力，且如不能輕拿輕放還會(huì)造成對人員、車體部件及焊接設(shè)備的傷害。

本文所設(shè)計(jì)的焊機(jī)掛架意在通過去除焊工上下搬運(yùn)焊機(jī)送絲機(jī)構(gòu)動(dòng)作，減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

一、焊機(jī)掛架的設(shè)計(jì)要求

從側(cè)門處將焊機(jī)送絲機(jī)構(gòu)放入車體內(nèi)部，需考慮掛架高度要求，以保證能順利進(jìn)入車內(nèi)，利用現(xiàn)有平臺(tái)裝置減少空間占用。

門間距約3500mm，門開口約1600mm，平臺(tái)支撐柱距車體1200mm，平臺(tái)距車門門中沿車體縱向尺寸約1400mm，需考慮將送絲機(jī)構(gòu)能送入車體內(nèi)部。

二、設(shè)計(jì)基本思路

本焊機(jī)掛架初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。掛架與平臺(tái)立柱焊接連接，掛架由基座、連接轉(zhuǎn)軸1、導(dǎo)臂1、連接轉(zhuǎn)軸2、導(dǎo)臂2、送絲機(jī)構(gòu)放置座6大部分組成。

基座與平臺(tái)通過焊接連接，起固定作用。兩導(dǎo)臂間及導(dǎo)臂與基座間通過連接轉(zhuǎn)軸連接，通過兩轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)保證送絲機(jī)構(gòu)能構(gòu)在水平方向送至車體內(nèi)部。送絲機(jī)構(gòu)放置座用于放置和固定送絲機(jī)構(gòu)，其與導(dǎo)臂2采用焊接連接的方法，以保證其穩(wěn)定可靠。

三、各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）送絲機(jī)構(gòu)放置座的設(shè)計(jì)

送絲機(jī)構(gòu)由主體和機(jī)構(gòu)托盤構(gòu)成，送絲機(jī)構(gòu)組成及主要需考慮接口尺寸如圖4所示。

基于不更改送絲機(jī)構(gòu)原結(jié)構(gòu)考慮，送絲機(jī)構(gòu)放置座應(yīng)能夠與原機(jī)構(gòu)托盤相配合，下部應(yīng)開口讓出固定銷。機(jī)構(gòu)門在作業(yè)過程中會(huì)有打開的需要，因此設(shè)計(jì)放置座應(yīng)不妨礙機(jī)構(gòu)門的開閉，因此大致設(shè)計(jì)為側(cè)開口形式。因送絲機(jī)構(gòu)應(yīng)最終要穩(wěn)固，設(shè)計(jì)后端卡口方式固定后輪軸，前萬向輪懸空，由機(jī)構(gòu)托盤與放置座接觸。送絲機(jī)構(gòu)放置座示意圖如圖5所示。

考慮送絲機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性要求，其與導(dǎo)臂2采用焊接方式連接，因機(jī)構(gòu)重量約為20kg，對機(jī)構(gòu)作用力小，考慮材料穩(wěn)定性選用較常用結(jié)構(gòu)鋼板材S235，板厚5mm和10mm兩種。放置座采用板材機(jī)加工下料后組裝焊接組成，強(qiáng)度遠(yuǎn)大于機(jī)構(gòu)受力，不再校驗(yàn)強(qiáng)度。

送絲機(jī)構(gòu)放置座的作用在于放置、固定送絲機(jī)構(gòu)，保證其穩(wěn)固性。本設(shè)計(jì)方案中給出放置座采用板材機(jī)加工下料后組裝拼焊的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造工藝成本低。板材選用厚度雖大，但有利于提高結(jié)構(gòu)剛度，防止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況的發(fā)生，選用常用S235板材，材料易得，材料成本低。

（2）導(dǎo)臂的設(shè)計(jì)

本焊機(jī)掛架為固定在平臺(tái)立柱上，平臺(tái)立柱距車體橫向距離約為1200mm，平臺(tái)立柱沿車體縱向方向按每2500mm平均分布，其與車體側(cè)門開口沿車體縱向方向存在（0～900）mm范圍的距離差。設(shè)計(jì)選取最大距離差進(jìn)行設(shè)計(jì)及校驗(yàn)，即在最大距離差時(shí)本設(shè)計(jì)仍能滿足使用要求。

（a）長度設(shè)計(jì)

根據(jù)勾股定理，如圖4所示，在暫不考慮送絲機(jī)構(gòu)送入車體內(nèi)部情況下，本設(shè)計(jì)所需兩導(dǎo)臂最短應(yīng)大于1500mm?；诳紤]送絲機(jī)構(gòu)要放入車體，本設(shè)計(jì)選用兩導(dǎo)臂總長約為2000mm，分布每導(dǎo)臂長約為1000mm，導(dǎo)臂2長度包括送絲機(jī)構(gòu)放置座。

（b）臂形式設(shè)計(jì)

考慮掛架抗扭轉(zhuǎn)性，及需要有轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，需要安全性（對人員的磕碰）考慮，本設(shè)計(jì)采用方管結(jié)構(gòu)。兩導(dǎo)臂分別均選用較常見S235方管。導(dǎo)臂1采用120mm×120mm方管，導(dǎo)臂2采用80mm×80mm方管，板厚均為6mm。

（c）強(qiáng)度校核

通過計(jì)算可以看出τm遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于S235的許用剪應(yīng)力92N/mm2，容許量很大，即設(shè)計(jì)的剪應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

本設(shè)計(jì)方案中之所以選用如此大的容許量是基于以下兩個(gè)方面的考慮：一是，使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)高出送絲機(jī)構(gòu)重量的情況出現(xiàn)，如與其他物件的碰撞；二是，結(jié)構(gòu)是活動(dòng)件，需要保證其剛性及穩(wěn)定性，不容允出現(xiàn)可視彈性變形。

（3）連接轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)

本焊機(jī)掛架整體以簡單實(shí)用為主，不需外加動(dòng)力輔助裝置，焊機(jī)的移動(dòng)需要焊工手動(dòng)推拉來完成，又因本設(shè)計(jì)焊機(jī)掛架在作業(yè)過程并不需要頻繁活動(dòng)，且每次推拉到一定位置后能有一定阻力阻止其自動(dòng)活動(dòng)。因此考慮采用平面軸承來實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。上下兩面采用平面軸承，轉(zhuǎn)軸通過螺栓的緊固程度來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。軸材料采用45C/調(diào)質(zhì)HB200-250°并經(jīng)表面發(fā)黑處理。考慮制造成本，兩轉(zhuǎn)軸采用相同尺寸，基于方管大小及平面軸承的選用φ40mm轉(zhuǎn)軸。

此結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)軸主要承受由導(dǎo)臂及焊機(jī)重量所產(chǎn)生的扭矩作用。主要承受剪應(yīng)力，其承受剪應(yīng)力情況與側(cè)板同。對導(dǎo)臂的受力分析可以看出，其所承受剪應(yīng)于相對于材料的強(qiáng)度容量很大，本轉(zhuǎn)軸基于穩(wěn)定性考慮已設(shè)計(jì)很大容量，其強(qiáng)度不再進(jìn)行單獨(dú)校核計(jì)算。

（4）基座的設(shè)計(jì)

基座是焊機(jī)掛架與車體組裝平臺(tái)立柱連接處，要求其及其與車體組裝平臺(tái)的連接穩(wěn)固可靠。

基座選用更大S235材質(zhì)方管，選用160mm×160mm，壁厚6mm。選用方管加下部補(bǔ)強(qiáng)板形貌，其與車體組裝平臺(tái)采用厚板搭接形式連接。基于對導(dǎo)臂的強(qiáng)度校核，本焊機(jī)掛架強(qiáng)度容量大，且本基座與原導(dǎo)臂受力相似，其強(qiáng)度不再進(jìn)行單獨(dú)校核計(jì)算。

（5）其他細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)

考慮到送絲機(jī)構(gòu)放置的穩(wěn)定性，在送絲機(jī)構(gòu)放置座與導(dǎo)臂連接處設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)。考慮到開方管開口及側(cè)板去除后對方管的強(qiáng)度及穩(wěn)定性的影響，在開口處加補(bǔ)強(qiáng)墊結(jié)構(gòu)?？紤]到制造公差及組裝調(diào)試緊固力方便，設(shè)計(jì)0.5mm調(diào)整墊片若干。機(jī)加工下料是應(yīng)做好尖角、毛刺的處理，部分結(jié)構(gòu)棱角做圓角處理，以減少現(xiàn)場作業(yè)過程中掛架自身活動(dòng)或人、物活動(dòng)時(shí)對人、物的傷害。補(bǔ)強(qiáng)板在下料時(shí)考慮組裝工藝及避免焊縫交叉，在補(bǔ)強(qiáng)板角處應(yīng)做缺口處理。

結(jié)語

根據(jù)以上各章節(jié)的分析的強(qiáng)度校核，整合設(shè)計(jì)，最終產(chǎn)品總裝圖如圖6所示。

本設(shè)計(jì)軌道車輛車體總成焊機(jī)掛架是在單臂固定簡支梁的基礎(chǔ)上加入兩垂直方位的轉(zhuǎn)軸，使其在簡支梁的基礎(chǔ)上在水平平面內(nèi)有兩個(gè)方向的自由度。達(dá)到送絲機(jī)構(gòu)在軌道車輛車體總成組焊過程中所需要兩個(gè)要素：高度固定，可水平方向一定范圍內(nèi)活動(dòng)。經(jīng)強(qiáng)度分析校核，設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求。本設(shè)計(jì)產(chǎn)品是滿足設(shè)計(jì)需要的產(chǎn)品。

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