城軌車輛客室側頂板氣動撐桿的設計

姜云海

(南車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心,266111,青島∥工程師)

城軌車輛客室側頂板氣動撐桿的設計

姜云海

(南車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心,266111,青島∥工程師)

作為客室側頂板開閉的輔助裝置,氣動撐桿在城軌車輛上的應用越來越廣泛。然而,氣動撐桿固定支點位置的確定和主要技術參數的選擇一直是設計的難點。從側頂板的開閉過程機理入手,通過力學和運動學分析,摸索出了氣動撐桿的設計準則,并通過輔助幾何建模和計算的方法,快速地確定出氣動撐桿的固定支點位置和主要技術參數。通過設計實例對設計方法進行了驗證。

城軌車輛;側頂板;氣動撐桿

Author's addressCSR Qingdao Sifany Locomotive and Roling Stock Co.Ltd.,266111,Qingdao,China

城軌車輛客室側頂板內部一般都設置了側門機構、電子地圖、揚聲器、門控器等需要經常檢修的設備。傳統側頂板設計中沒有設置氣動撐桿,維修人員檢修時,需要人工托住側頂板,勞動強度大且效率低。近年來,氣動撐桿以其操作輕便、運行平穩的特點成功運用到客室側頂板上。由于氣動撐桿能幫助側頂板實現自動開啟和手動關閉功能,因此,受到了越來越多城軌車輛用戶的青睞。然而,氣動撐桿的固定支點位置及技術參數受設計結構影響較大,用常規設計辦法很難把握。本文從力學和運動學方面入手,通過分析計算,摸索一種快速確定氣動撐桿支點固定位置和選擇主要技術參數的方法。

1 側頂板開閉過程機理

1.1 氣動撐桿簡介

氣動撐桿是一種可通過氣缸內氣體體積的變化來控制活塞桿伸展和壓縮的設備,包括氣缸、活塞桿、端部接頭、密封件等部件。氣動撐桿的結構外形如圖1所示。

圖1 氣動撐桿結構外形示意圖

1.2 側頂板自動開啟機理

從運動和動力學的角度分析,在不考慮摩擦力時,側頂板只受到重力矩和氣動撐桿的推力力矩作用。

·當打開鎖閉機構后,重力矩大于撐桿力矩,側頂板沿著重力矩的方向自動開啟;

·當側頂板開啟到一定角度后,重力矩變為零,側頂板沿著撐桿力矩的方向繼續開啟;

·當側頂板開啟到規定角度后,重力矩與撐桿力矩相等,但方向相反,側頂板停止繼續開啟。

1.3 側頂板手動關閉機理

當關閉側頂板時,用手按壓提供關閉力矩,克服撐桿和重力共同作用產生的開啟力矩,側頂板逐漸關閉,達到鎖閉位后利用鎖閉機構將側頂板進行限位固定。

2 幾何位置對準靜態氣動撐桿力矩的作用

根據側頂板的開閉過程機理和初步設計結構,可建立氣動撐桿的受力分析模型(見圖2)。

圖2 氣動撐桿受力分析模型

圖2中:

H——側頂板固定鉸接點;

A——氣動撐桿的安裝支點;

B1——氣動撐桿在側頂板上的安裝支點;

B2——氣動撐桿力矩零位;

B3——氣動撐桿垂直位;

B5——氣動撐桿規定最大開啟位;

α——H A與HB3的交角;

β——AB1(關閉位置)與 HB3的交角;

θ——側頂板開度角。

假設B4點是側頂板任意開啟位置時氣動撐桿的受力位,φ為H A與HB4(開啟位置)之間的夾角,δ為HB1與 HB4(開啟位置)之間的夾角。

根據圖2及上述參數可計算出撐桿作用力臂及反作用力矩Mb。

假設H A=a,HB4=HB1=b,AB4=c,HD=d;則:

從式(3)可以看出,Mb是F 、a 、b、c、θ、α、β的函數,變化關系比較復雜,必須根據其與重力力矩之間的相互約束關系來確定氣動撐桿的固定位置。

3 幾何位置對重力矩作用

根據側頂板的初步結構設計和設計要求的側頂板最大開啟角度θmax,可建立側頂板重力受力分析模型(見圖3)。

圖3中:

H——側頂板的轉軸位置;

C1——側頂板關閉位重心位置;

C3——重力矩零點位置;

C4——側頂板最大開啟位重心位置。

圖3 重力受力分析模型

假設C2是側頂板開啟任意幾何位置時的重心,根據圖3,可計算出重力產生的力矩Mc。

假設HC2=L,EC2=h,γ是側頂板轉軸位置H與C1、C3的交角,θ為側頂板轉軸位置 H 與C1、C2的交角。

則:

式中:

γ、L ——常數;

θ——側頂板開度角,可隨側頂板的開閉變化(一般情況下,θ的取值范圍從0～90°)。

從式(4)可以看出,Mc是θ的函數:在 θ的取值區間內,當 θ＜γ時,Mc＞0,重力產生逆時針方向力矩;當 θ=γ時,Mc=0,重力力矩為零;當 θ＞γ時,Mc＜0,重力產生順時針方向力矩。

4 氣動撐桿設計準則

(1)剛打開側頂板鎖閉機構時,氣動撐桿推力力矩不能阻礙側頂板開啟。打開鎖閉機構后,側頂板在重力矩作用下可實現自動開啟。此時,氣動撐桿的推力力矩不能大于重力產生的逆時針方向力矩;同時,為了防止側頂板開啟力矩過大,盡量將氣動撐桿的推力力矩設計成與重力矩相反的方向,即順時針方向。

(2)當側頂板重力力矩減小為零時,氣動撐桿推力力矩應產生開啟力矩。當側頂板開啟到C3位置時,重力力矩變為0,側頂板失去了開啟力矩。因此,為了保證側頂板繼續開啟,應將該位置氣動撐桿的推力力矩設計成開啟力矩,即逆時針方向力矩。

(3)氣動撐桿推力力矩零點位置應設計在HC1與HC3之間的區域。根據上述(1)、(2)分析可知,氣動撐桿推力力矩從關閉位置到C3位置應有一個方向變化,即從順時針方向變化為逆時針方向。

(4)當重力力矩阻礙側頂板開啟時,氣動撐桿推力力矩應大于重力力矩。在側頂板開啟位置超過重力矩零點位置C3之后,重力產生阻礙側頂板繼續開啟的力矩;為了保證其繼續開啟并達到規定的最大開啟角度,氣動撐桿推力力矩必須大于重力力矩。

(5)氣動撐桿推力力矩不能大于側頂板設計最大開度角度位置的重力矩。側頂板運行到規定的最大開啟角度時,需要保持靜態平衡。因此,氣動撐桿推力力矩不能過大,否則會破壞側頂板。

5 氣動撐桿固定位置的確定及參數核算

5.1 氣動撐桿固定位置的確定

由于氣動撐桿的主要功能是保證側頂板自動開啟和定位,因此,不妨假設側頂板開啟方向力矩為正方向力矩,那么阻礙側頂板開啟方向的力矩就為負方向力矩。

根據上節(1)和式(3)可知,在側頂板關閉位置Mb＜0,即當 θ=0時,β＞α;也就是說 HB1應設計在 HA的左側。根據上節(1)和式(3)、(4)可知,在重力矩的零點位置,Mb＞0,Mc=0。即可得:當θ=γ時,β＜γ+α。

當側頂板的結構設計完成后,γ為常數,因此可得:0＜α＜γ(α在HC1與 HC3之間的區域),α＜β＜γ+α。

根據上述分析,再結合側頂板具體設計結構和側門機構空間關系,利用二分法和一定的假設即可將氣動撐桿的固定位置A點和B點確定下來。

5.2 撐桿工作行程和推力計算

5.2.1 氣動撐桿工作行程

氣動撐桿工作行程是指氣動撐桿活塞桿從伸展狀態壓縮到最小安裝尺寸時的軸向位移,即工作行程

根據式(1)和圖2可知:當θ=β-α時,c=cmin;當 θ=θmax時 ,c=cmax。假設 AB5=S2,AB2=S1,氣動撐桿工作行程:

5.2.2 氣動撐桿公稱力

氣動撐桿公稱力Fa是指氣動撐桿最小伸展力和最小壓縮力的平均值。由于本文忽略活塞與氣缸之間的摩擦力,因此,公稱力Fa是指活塞桿處于最大伸展狀態時測得的伸展力Fmin。

由于撐桿固定位置區域已經確定,不妨假設α=γ/2,β =γ,HA=a(常數),HB1=b(常數);同時 ,根據上節(5),當θ=θmax時,Mb=Mc;可得氣動撐桿公稱力

5.2.3 氣動撐桿推力

由于活塞與氣缸之間的摩擦力一般較小,可忽略不計,因此可以假設氣動撐桿的最小伸展力和最小壓縮力相等,最大伸展力和最大壓縮力相等。因此氣動撐桿的推力-行程特性曲線可簡化為如圖4所示,于是可得撐桿推力

其中,K為常數,主要受氣動撐桿氣缸內徑、活塞桿外徑、氣缸內工作介質等因素影響,由生產廠家根據設計要求及相關標準確定。

結合式(5)、(6)可得任意位置撐桿推力

圖4 F與S之間的關系

6 氣動撐桿結構核算與驗證

氣動撐桿的固定位置區域確定后,需要對氣動撐桿關門力矩進行驗證,以確定氣動撐桿設計是否合理。

根據式(1)、(4)、(7)做出ΔM與θ的關系曲線(見圖5)。ΔM越小,氣動撐桿作用效果越好。

ΔM如果太大,一方面說明側頂板開啟力矩較大,開啟速度會較快,容易傷人;另一方面說明側頂板受力狀態不佳,不利于側頂板的安裝及縫隙調整。此時需要重新設計氣動撐桿的固定支點位置,直到單人可以輕松關閉側頂板。

圖5 開啟力矩ΔM與開度角θ之間的關系曲線

7 氣動撐桿設計運用實例

根據上述分析與計算,可以快速完成北京地鐵4號線側頂板氣動撐桿的設計。具體設計步驟如下:

側頂板初步設計結構完成后,可以確定出下列數據 :重力 G=150 N,夾角 γ=8°,HC1=120 mm,最大開啟角度 θmax=66°(變化范圍 0～66°)。根據式(4)可以計算出Mc max=11082 N·mm。

利用二分法確定氣動撐桿固定支點位置。由于0＜α＜γ,α＜β＜γ+α,可假設 α=γ/2=14°,β=γ=28°;同時根據邊界條件,進一步假設HA=a=40 mm,HB1=b=160 mm,則根據式(6)可計算出氣動撐桿公稱力Fa=152 N;根據式(1)及式(5)可計算出氣動撐桿工作行程S=19 mm。

根據式(3)、(4)及上述已知條件,可做出開啟力矩ΔM與θ的關系曲線。對該曲線圖進行分析計算后可知:Δ Mmax約為 4650 N·mm,而關閉側頂板時,手推力的作用力臂約為160 mm。因此只需要不大于30 N推力即可關閉側頂板,滿足氣動撐桿關門力矩不宜過大的設計要求。

目前,該氣動撐桿已經成功運用到北京地鐵4號線車輛上,經實際運用驗證,效果良好。

8 結語

在側頂板氣動撐桿設計過程中,由于側頂板所受重力力矩和氣動撐桿的推力力矩都隨側頂板不同的開度而變化,用常規方法很難設計出完全滿足設計要求的氣動撐桿。本文從力學和運動學方面入手研究,從各種變化中找出重力力矩和氣動撐桿推力力矩二者之間的內在聯系,并通過幾何建模和力學分析,快速準確地確定出了氣動撐桿的固定支點位置和公稱力、工作行程等技術參數。

[1]周衍柏.理論力學教程[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2]黃天澤,黃金陵.汽車車身結構與設計[M].北京:機械工業出版社,1992.

Design and Development of Stay Bar in Urban Railway Vehicle

Jiang Yunhai

As an auxiliary part of the side roof's action(on or off),the pneumatic stay bar has been used widely on rail transit vehicles.However,to define the fixed location and the main technical parameters of the stay bar is still difficult.This article uses both mechanics and kinematics analysis to design the stay bar,defines its location and the main technical parameters quickly with methods of geometry modeling and calculation,and finally verifies the design principles through a practical design example.

urban railway vehicle;side roof;pneumatic stay bar

U 270.38

2009-02-17)