輪對(duì)壓裝機(jī)擴(kuò)能設(shè)計(jì)及擋板有限元分析

喬硯斌，王廷和，張善彬，童 偉

QIAO Yan-bin, WANG Ting-he, ZHANG Shan-bin, TONG Wei

（青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，青島 266033）

0 引言

我國(guó)鐵路新線建設(shè)十二五規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)每年增加8,000公里，一線、二線城市大力發(fā)展地鐵、輕軌交通，中國(guó)動(dòng)車(chē)、地鐵走出國(guó)門(mén)，各機(jī)車(chē)、車(chē)輛制造廠商擴(kuò)大產(chǎn)能勢(shì)在必行。輪對(duì)作為機(jī)車(chē)、車(chē)輛的關(guān)鍵運(yùn)行部件，其制造能力制約整個(gè)機(jī)車(chē)、車(chē)輛制造進(jìn)度，原有輪對(duì)壓裝設(shè)備采用天津YA92-315A輪對(duì)壓裝機(jī)如圖1所示，壓裝時(shí)，將輪對(duì)安裝在托舉小車(chē)上，輪對(duì)升降需要人工轉(zhuǎn)動(dòng)底部螺桿，小車(chē)帶著輪對(duì)沿著導(dǎo)軌移動(dòng)至車(chē)輪與馬鞍擋板完全貼合，活塞桿伸出與軸左端接觸時(shí)開(kāi)始?jí)貉b，活塞桿推動(dòng)軸右移，壓裝至準(zhǔn)確位置，活塞桿后退，壓裝完畢。該壓裝機(jī)功能單一，只能實(shí)現(xiàn)輪對(duì)壓裝，且小車(chē)只能在與壓裝機(jī)的軸線平行的導(dǎo)軌上移動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)將輪對(duì)移除至壓裝機(jī)外側(cè)的位置，即安裝時(shí)只能在壓裝機(jī)的頂部實(shí)現(xiàn)吊裝，操作空間狹小，不能實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，不能滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的機(jī)車(chē)車(chē)輛市場(chǎng)需求，因此增加設(shè)備拆卸功能，拓展作業(yè)空間，提高生產(chǎn)率勢(shì)在必行。本文在研究、分析傳統(tǒng)壓裝設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了輪對(duì)壓裝機(jī)擴(kuò)能設(shè)計(jì)方案。

圖1 YA92-315A壓裝機(jī)

1 總體方案設(shè)計(jì)

帶齒輪箱及剎車(chē)盤(pán)的輪對(duì)最大重量為1.5噸左右，選取SWL5系列減速比為1∶24的蝸輪螺桿升降機(jī)，采用帶剎車(chē)功能的1.5kW伺服電機(jī)，保證兩個(gè)舉升機(jī)構(gòu)同時(shí)升降的聯(lián)動(dòng)功能要求及單個(gè)舉升機(jī)構(gòu)點(diǎn)動(dòng)0.2mm的精度要求；支撐部分采用箱型梁結(jié)構(gòu)，小車(chē)隨動(dòng)選用EGW30SB臺(tái)灣上銀的線性導(dǎo)軌；整車(chē)移動(dòng)選用0.55kW帶剎車(chē)的三相異步電機(jī)，F(xiàn)A67斜齒輪減速器直接與動(dòng)力軸連接，帶動(dòng)小車(chē)以5m/min的速度沿著導(dǎo)軌移動(dòng)，地面支撐導(dǎo)軌采用22kg/m的輕型導(dǎo)軌，設(shè)計(jì)電器聯(lián)動(dòng)及互鎖裝置，擴(kuò)能設(shè)計(jì)方案原理如圖2所示。

圖2 擴(kuò)能后的YA92-315A壓裝機(jī)

2 馬鞍擋板的設(shè)計(jì)及有限元分析

增加設(shè)備的拆卸功能，就需要在靠近油缸側(cè)增加馬鞍擋板，使用時(shí)馬鞍擋板固定不動(dòng)，活塞桿伸出與軸左端貼合后，推動(dòng)輪對(duì)沿著直線導(dǎo)軌右移，輪對(duì)內(nèi)側(cè)面與馬鞍擋板左側(cè)面接觸時(shí)，拆卸開(kāi)始，油缸繼續(xù)推動(dòng)軸右移，輪對(duì)與軸頸開(kāi)始脫離，直至輪對(duì)完全脫離軸頸，壓裝過(guò)程結(jié)束。

為保證馬鞍擋板有足夠的強(qiáng)度、剛度，理想的受力模型應(yīng)設(shè)計(jì)為等剛度的兩側(cè)紡錐形，由于紡錐形兩端厚度尺寸小，剛度嚴(yán)重不足，更改為等厚度板類(lèi)形狀，由于輪對(duì)的輪子與齒輪箱間隙較小約200mm左右，為保證小車(chē)橫向進(jìn)出時(shí)輪對(duì)和齒輪箱與馬鞍擋板不發(fā)生碰撞干涉，要求設(shè)計(jì)時(shí)，力求將馬鞍擋板的厚度優(yōu)化至最佳值。

馬鞍擋板（如圖3所示）采用42CrMoA中碳合金鋼。42CrMoA的彈性模量E為2.1×1011Pa，泊松比μ為0.28，密度ρ為7850Kg/m3，屈服極限σs為930MPa。為保證足夠的強(qiáng)度和韌性，毛坯采用自由鍛造，粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)的熱處理要求。提高材料的綜合性能，精加工后進(jìn)行探傷檢查。

圖3 馬鞍擋板

YA92-315A型壓裝機(jī)最大壓裝力為3150kN噸，實(shí)際最大壓裝力2800kN，設(shè)計(jì)、計(jì)算時(shí)按照3000kN設(shè)計(jì)，采用ABAQUS分析軟件，厚度分別取120mm，130mm兩種規(guī)格進(jìn)行應(yīng)力及變形的有限元分析。

1）厚度120mm，應(yīng)力及變形的有限元分析結(jié)果圖4、圖5所示。

圖4 應(yīng)力云圖σmax= 634.2Mpa

圖5 變形云圖umax=1.209mm

安全因數(shù)ns=1.5，材料的許用應(yīng)力[σ]= σs/ns=930/1.5=620MPa。

厚度為120mm時(shí)最大應(yīng)力為： 最大應(yīng)力σmax= 634.2Mpa ＞[σ] =620MPa。

2）厚度130mm，應(yīng)力及變形的有限元分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 應(yīng)力云圖σmax= 583.6Mpa

圖7 變形云圖umax=1.022mm

安全因數(shù)ns=1.5，材料的許用應(yīng)力[σ]= σs/ns=930/1.5=620MPa。

厚度為130mm時(shí)最大應(yīng)力為：最大應(yīng)力σmax= 583.6Mpa＜[σ] =620MPa。

綜上所述，厚度為120mm時(shí)，最大應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力，為防止材料變形后不能完全恢復(fù)至原位，不予選取；厚度為130mm時(shí)，最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，故強(qiáng)度足夠，最大變形量1.022mm出現(xiàn)在局部點(diǎn)，不影響拆卸接觸面積，且外力解除后，變形恢復(fù)至原位置，符合使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)備擴(kuò)能設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)載系統(tǒng)能夠運(yùn)動(dòng)至設(shè)備外側(cè)，拓展操作空間，提高生產(chǎn)率5倍以上，舉升、運(yùn)載小車(chē)采用電動(dòng)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，馬鞍擋板設(shè)計(jì)，增加設(shè)備的拆卸功能，擋板厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證整車(chē)有較好的通過(guò)能力。

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