地鐵車輛空氣彈簧通用性能檢測臺機械結構設計

朱小娟 王建兵 郭慧明 方 宇

（1.上海軌道交通維護保障中心，200040，上海；2.上海工程技術大學城市軌道交通學院，201620，上海∥第一作者，教授級高級工程師）

目前上海地鐵共有運營車輛2 000多輛，車型復雜，相應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使用的要求。而現有空氣彈簧生產廠家所使用的試驗臺面向對象和功能單一，且價格昂貴，不適用于車輛維修部門對已經使用過的空氣彈簧進行性能檢測的需要［1］。因此，開發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檢修質量，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構設計，其中包括同步鏈輪傳動系統、通用型上下夾具、壓力加載機構、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計

該新型檢測臺由機械結構、數據采集系統和計算機控制系統三大部分組成。本文主要對機械結構部分的設計進行重點介紹。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計。調研得知，上海地鐵現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。從機械結構安全方面考慮，最終確定以最大可實現對空氣彈簧進行20×9.8kN的加載力作為該檢測臺的關鍵設計指標之一。該檢測臺的設計目前尚屬于單件產品設計，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，在結構設計過程中普遍采取了適當放大設計余量的處理方法［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，從而實現以下檢測功能：①試驗臺自診斷功能；②空氣彈簧系統高度測量功能；③空氣彈簧系統氣密性檢測功能；④空氣彈簧系統垂向靜剛度試驗功能；⑤橡膠應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，在設計過程中已經留出相應的接口以方便檢測臺功能的后續二次開發。

2 檢測臺機械結構設計

該檢測臺機械結構部分采用從整體到部分、從下到上逐層疊加的設計方法，主要包括同步鏈輪動力傳動系統、通用型夾具、壓力加載機構、下底座及空氣彈簧附加氣室等部件。從檢測臺使用現場的特殊空間環境考慮，該檢測臺的設計尺寸為1.6m×1.3m×2.2m，質量為1.9t；同時，在4根支撐腳底部還分別設計了4個高度可調式減振墊鐵，以實現檢測臺在不同安裝環境下的機體水平度調整。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計為0.95 m，以方便檢測人員的操作。空氣彈簧通用檢測臺的整體結構如圖1所示。

2.1 同步鏈輪動力傳動系統設計

同步鏈輪動力傳動系統位于檢測臺底架下方，通過螺釘固定在底框槽鋼內側。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擯棄了傳統的鏈條張緊輪機構，自主設計了特殊的鏈條張緊機構，可以通過旋轉鏈條張緊調節螺釘來調節鏈條的松弛度，從而保證該同步傳動機構的傳動效率和精度。

圖1 空氣彈簧通用檢測臺整體結構圖

2.2 通用型夾具設計

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7140 N10P11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，為了實現同一檢測臺對4種不同空氣彈簧進行測試這一功能，設計了一種通用型的空氣彈簧夾具，如圖3、圖4所示。

圖2 上海地鐵車輛目前使用的4種空氣彈簧

圖3 通用型空氣彈簧上夾具結構

圖4 通用型空氣彈簧下夾具結構

如圖2所示，684N4.100P17型和7140N10 P11型兩種偏心充氣式空氣彈簧的主要區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。

考慮到高壓充氣軟管接頭的通用性問題，上夾具上3個充氣座側壁充氣孔設計為相同尺寸，可實現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計可實現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設計

空氣彈簧壓力加載機構主要由支撐導向立柱、滾珠絲杠副、壓力加載橫梁、直線滑軌、定位滑塊等組成。該機構中，2根滾珠絲杠同步轉動，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根支撐導向立柱上下浮動，浮動過程中主要對加載橫梁起導向和支撐作用。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，可以實現對空氣彈簧不同性能數據的檢測。

2.4 下底座設計

下底座設計有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，下底座采用內部筋板縱橫交叉的箱體設計，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（是根據上海地鐵車輛常見的3種附加氣室容積和耐壓規格進行標準件選型設計的）。另外，每個儲風缸設有獨立的閥門，可以實現不同檢測對象下相應儲風缸的任意切換和多個儲風缸的并聯使用。

圖5 空氣彈簧附加空氣室及其相關管路

3 檢測臺關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計安全，對下底座和壓力加載橫梁的應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，其應力分析結果如圖6所示，位移分析結果如圖7所示。

圖6 下底座應力分布云圖

圖7 下底座位移分布云圖

由圖6中應力分布云圖可知，當下底座上表面承受20×9.8kN的正壓力時，其最大應力為26.4 MPa。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，應力分析結果如圖8所示，位移分析結果如圖9所示。

圖8 壓力加載橫梁應力分布云圖

圖9 壓力加載橫梁位移分布云圖

由圖8中應力分布云圖可知，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，其橫梁最大應力點出現在柱套與橫梁的焊接部位，最大應力為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計可以滿足要求。

3.3 滾珠絲杠選型及校核

根據試驗臺的特殊結構及受力情況，對滾珠絲杠進行了選型和強度校核計算。按照機構軸向力20×9.8kN的設計要求以及滾珠絲杠的選型要求，初步選擇了規格型號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，其校核內容按軸向許用拉應力、扭轉許用切應力以及滾珠與絲杠的許用接觸應力等進行校核。按40Cr材料進行校核計算，計算結果如下：

絲杠軸向作用下的正應力σ＝40.21MPa＜［σP］＝110MPa；

絲桿扭轉作用下的切應力τmax＝8.2MPa＜［τP］＝66MPa；

滾珠與絲杠的接觸應力σmax＝213.6MPa＜［σHP］＝550MPa。

綜上所述，絲杠的軸向正應力、扭轉切應力及接觸應力均滿足許用應力要求。

4 結語

通過設計一種特殊的通用型夾具和附加空氣室系統，配合最大加載能力為20×9.8kN的壓力加載機構，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個關鍵部件的有限元分析和強度校核結果表明，3個部件的強度、剛度數據全部符合設計要求，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、保養等工作的工作效率，大幅節約維修成本。

［1］方義，陳杰.青藏車用AM96型空氣彈簧試驗臺的研制［J］.鐵道車輛，2011，49（1）：32.

［2］趙云生，宋志強，王黎明.空氣彈簧檢修試驗臺［J］.鐵道車輛，2000，34（4）：31.

［3］麻萬春.空氣彈簧試驗臺的研制［J］.民營科技，2008（4）：7.