空氣彈簧性能檢驗機械結(jié)構(gòu)
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目前上海地鐵共有運營車輛2000多輛，車型復(fù)雜，相應(yīng)空氣彈簧也有多種不同的形式，給上海地鐵的車輛檢修工作帶來很大的困難。目前，上海地鐵車輛維修部門對大部分空氣彈簧的檢修，采用目測的方式來判斷空氣彈簧氣囊外表面是否有裂紋、外傷，無法從根本上判斷空氣彈簧是否滿足繼續(xù)使用的要求。而現(xiàn)有空氣彈簧生產(chǎn)廠家所使用的試驗臺面向?qū)ο蠛凸δ軉我?，且價格昂貴，不適用于車輛維修部門對已經(jīng)使用過的空氣彈簧進行性能檢測的需要［1］。因此，開發(fā)新型的適用于地鐵車輛多種形式空氣彈簧的通用型性能檢測臺具有十分重要的意義。此檢測臺的使用有望有效提高地鐵車輛空氣彈簧系統(tǒng)檢修質(zhì)量，在確保列車運營安全前提下，將大幅降低車輛維修成本。
本文主要介紹了該新型檢測臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中包括同步鏈輪傳動系統(tǒng)、通用型上下夾具、壓力加載機構(gòu)、下底座及空氣彈簧附加氣室等主要部件；并對壓力加載橫梁、下底座和滾珠絲杠等三大關(guān)鍵受力部件進行了有限元分析和強度校核。
1新型檢測臺整體方案設(shè)計
該新型檢測臺由機械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)三大部分組成。本文主要對機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計進行重點介紹。該新型檢測臺的空氣彈簧壓力加載性能按照上海地鐵車輛的軸重進行設(shè)計。調(diào)研得知，上海地鐵現(xiàn)有車輛最大滿載載荷（AW3）工況不超過64t，軸重為16t，即單個空氣彈簧承受最大壓力負載為16t。從機械結(jié)構(gòu)安全方面考慮，最終確定以最大可實現(xiàn)對空氣彈簧進行20×9．8kN的加載力作為該檢測臺的關(guān)鍵設(shè)計指標之一。該檢測臺的設(shè)計目前尚屬于單件產(chǎn)品設(shè)計，非大批量流水制造，因此對成本控制的要求相對較低；而且從檢測臺的特殊功用、可靠性和壽命等多方面綜合考慮，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中普遍采取了適當放大設(shè)計余量的處理方法［1－3］。
該新型檢測臺可模擬上海地鐵車輛在不同工況下空氣彈簧的負載形式，從而實現(xiàn)以下檢測功能：①試驗臺自診斷功能；②空氣彈簧系統(tǒng)高度測量功能；③空氣彈簧系統(tǒng)氣密性檢測功能；④空氣彈簧系統(tǒng)垂向靜剛度試驗功能；⑤橡膠應(yīng)急簧垂向靜剛度試驗。通用型空氣彈簧檢測臺除可對上海地鐵車輛目前使用的4種空氣彈簧進行性能檢測以外，考慮到未來上海地鐵的空氣彈簧型號還可能增加，在設(shè)計過程中已經(jīng)留出相應(yīng)的接口以方便檢測臺功能的后續(xù)二次開發(fā)。
2檢測臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
該檢測臺機械結(jié)構(gòu)部分采用從整體到部分、從下到上逐層疊加的設(shè)計方法，主要包括同步鏈輪動力傳動系統(tǒng)、通用型夾具、壓力加載機構(gòu)、下底座及空氣彈簧附加氣室等部件。從檢測臺使用現(xiàn)場的特殊空間環(huán)境考慮，該檢測臺的設(shè)計尺寸為1．6m×1．3m×2．2m，質(zhì)量為1．9t；同時，在4根支撐腳底部還分別設(shè)計了4個高度可調(diào)式減振墊鐵，以實現(xiàn)檢測臺在不同安裝環(huán)境下的機體水平度調(diào)整。另外，從人機工程學方面考慮，將空氣彈簧的安裝平臺高度設(shè)計為0．95m，以方便檢測人員的操作?？諝鈴椈赏ㄓ脵z測臺的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2．1同步鏈輪動力傳動系統(tǒng)設(shè)計
同步鏈輪動力傳動系統(tǒng)位于檢測臺底架下方，通過螺釘固定在底框槽鋼內(nèi)側(cè)。其中，直流伺服電機通過電機安裝螺釘固定在電機安裝板上，位于電機軸端的兩個主動鏈輪通過精密滾子鏈條將扭矩分別傳遞至兩個從動鏈輪?？紤]到本檢測臺特殊的空間狀況，該同步鏈條傳動系統(tǒng)擯棄了傳統(tǒng)的鏈條張緊輪機構(gòu)，自主設(shè)計了特殊的鏈條張緊機構(gòu)，可以通過旋轉(zhuǎn)鏈條張緊調(diào)節(jié)螺釘來調(diào)節(jié)鏈條的松弛度，從而保證該同步傳動機構(gòu)的傳動效率和精度。
2．2通用型夾具設(shè)計
上海地鐵車輛目前正在使用的空氣彈簧主要有Φ500型、SYS500B型、684N4．100P17型和7140N10P11型4種不同型號。按照充氣口位置分類，這4種空氣彈簧可分為偏心充氣式和中心充氣式，如圖2所示。由于這4種空氣彈簧的外觀尺寸、安裝方式和充氣方式均不相同，因此，為了實現(xiàn)同一檢測臺對4種不同空氣彈簧進行測試這一功能，設(shè)計了一種通用型的空氣彈簧夾具，如圖3、圖4所示。如圖2所示，684N4．100P17型和7140N10P11型兩種偏心充氣式空氣彈簧的主要區(qū)別在于充氣口距空氣彈簧上蓋板中心的距離和充氣口的高度不相等。因此，針對這兩點差異，分別為兩種空氣彈簧設(shè)計了不同方位和型號的充氣座（如圖3所示）。
Φ500型和SYS500B型兩種中心充氣式空氣彈簧的充氣口均位于空氣彈簧上蓋板中心，其主要區(qū)別在于充氣口的外徑和高度不同。因此，針對上述特點，分別為兩種空氣彈簧設(shè)計了不同尺寸的可更換式充氣嘴（如圖3所示）。檢測人員可根據(jù)試驗需求選擇不同充氣嘴，通過螺釘安裝于SYS500B型、Φ500型空氣彈簧通用充氣座內(nèi)。考慮到高壓充氣軟管接頭的通用性問題，上夾具上3個充氣座側(cè)壁充氣孔設(shè)計為相同尺寸，可實現(xiàn)同一充氣管為不同空氣彈簧進行充氣。如圖4所示，空氣彈簧通用型下夾具的獨特設(shè)計可實現(xiàn)4種空氣彈簧的正確安裝和定位，其與通用型上夾具配合使用，可保證不同空氣彈簧的檢測工作順利進行。
2．3空氣彈簧壓力加載機構(gòu)設(shè)計
空氣彈簧壓力加載機構(gòu)主要由支撐導(dǎo)向立柱、滾珠絲杠副、壓力加載橫梁、直線滑軌、定位滑塊等組成。該機構(gòu)中，2根滾珠絲杠同步轉(zhuǎn)動，帶動壓力加載橫梁作垂向運動。浮動板與壓力加載橫梁通過螺栓連為一體，在橫梁帶動下沿4根支撐導(dǎo)向立柱上下浮動，浮動過程中主要對加載橫梁起導(dǎo)向和支撐作用。橫梁向下運動，當空氣彈簧上夾具緊壓空氣彈簧上蓋板時，實現(xiàn)對空氣彈簧的壓力加載。通過控制橫梁的垂向位移和速度，可以實現(xiàn)對空氣彈簧不同性能數(shù)據(jù)的檢測。
2．4下底座設(shè)計
下底座設(shè)計有6個安裝孔，用來固定和安裝4根機架支撐和2根滾珠絲杠。另外，下底座采用內(nèi)部筋板縱橫交叉的箱體設(shè)計，主要目的是承擔壓力加載過程中來自空氣彈簧的反作用力。2．5空氣彈簧附加氣室設(shè)計如圖5所示，空氣彈簧附加氣室主要包括3個高壓儲風缸和輸氣管路、手動閥門等。其中，3個高壓儲風缸容積分別為25L、50L、75L（是根據(jù)上海地鐵車輛常見的3種附加氣室容積和耐壓規(guī)格進行標準件選型設(shè)計的）。另外，每個儲風缸設(shè)有獨立的閥門，可以實現(xiàn)不同檢測對象下相應(yīng)儲風缸的任意切換和多個儲風缸的并聯(lián)使用。
3檢測臺關(guān)鍵部件的有限元分析
該檢測臺的下底座、壓力加載橫梁和2根滾珠絲杠為主要受力部件。其中：下底座和壓力加載橫梁受力屬于作用力與反作用力，均為20×9．8kN；2根滾珠絲杠承受軸向拉力，各100kN。為了保證檢測臺的設(shè)計安全，對下底座和壓力加載橫梁的應(yīng)力和位移作了有限元分析，對滾珠絲杠進行了強度校核。
3．1下底座有限元分析
下底座采用Q345B鋼板焊接而成，其應(yīng)力分析結(jié)果如圖6所示，位移分析結(jié)果如圖7所示。由圖6中應(yīng)力分布云圖可知，當下底座上表面承受20×9．8kN的正壓力時，其最大應(yīng)力為26．4MPa。而Q345B鋼板的屈服力為220．6MPa，所以下底座可以滿足受力要求。由圖7中位移分布云圖可知，當下底座上表面承受20×9．8kN的正壓力時，其座體最大變形點位于上表面，位移量為0．04mm，屬于微小變形，且不會影響檢測臺整體性能，所以下底座設(shè)計可以滿足要求。
3．2壓力加載橫梁有限元分析
壓力加載橫梁同樣采用Q345B鋼板焊接而成，應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示，位移分析結(jié)果如圖9所示。由圖8中應(yīng)力分布云圖可知，當位于壓力加載橫梁底部中間位置的鋼板承受20×9．8kN的正壓力時，其橫梁最大應(yīng)力點出現(xiàn)在柱套與橫梁的焊接部位，最大應(yīng)力為26．4MPa；而Q345B鋼板的屈服力為220．6MPa，所以橫梁可以滿足受力要求。由圖9中位移分布云圖可知，當橫梁承受20×9．8kN的正壓力時，其梁體最大變形點位于底板中部；該點位移量為0．07mm，屬于微小變形，不會影響檢測臺整體性能，所以壓力加載橫梁設(shè)計可以滿足要求。
3．3滾珠絲杠選型及校核
根據(jù)試驗臺的特殊結(jié)構(gòu)及受力情況，對滾珠絲杠進行了選型和強度校核計算。按照機構(gòu)軸向力20×9．8kN的設(shè)計要求以及滾珠絲杠的選型要求，初步選擇了規(guī)格型號6310－5，其基本的額定靜負荷為200．7kN。由于滾珠絲杠特殊的運動情況，其校核內(nèi)容按軸向許用拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力以及滾珠與絲杠的許用接觸應(yīng)力等進行校核。按40Cr材料進行校核計算，計算結(jié)果如下：絲杠軸向作用下的正應(yīng)力σ＝40．21MPa＜［σP］＝110MPa；絲桿扭轉(zhuǎn)作用下的切應(yīng)力τmax＝8．2MPa＜［τP］＝66MPa；滾珠與絲杠的接觸應(yīng)力σmax＝213．6MPa＜［σHP］＝550MPa。綜上所述，絲杠的軸向正應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力及接觸應(yīng)力均滿足許用應(yīng)力要求。
4結(jié)語
通過設(shè)計一種特殊的通用型夾具和附加空氣室系統(tǒng)，配合最大加載能力為20×9．8kN的壓力加載機構(gòu)，新型的地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測臺可以滿足上海地鐵車輛已有4種空氣彈簧的可靠夾裝和多項性能參數(shù)的檢測需求。另外，對下底座、壓力加載橫梁和滾珠絲杠3個關(guān)鍵部件的有限元分析和強度校核結(jié)果表明，3個部件的強度、剛度數(shù)據(jù)全部符合設(shè)計要求，安全可靠。該新型空氣彈簧通用檢測臺的研制可以有效提高地鐵車輛空氣彈簧的性能檢測、日常維護、保養(yǎng)等工作的工作效率，大幅節(jié)約維修成本。