B型地鐵構架組裝工藝裝備側梁夾緊裝置力學分析

丁松

（河南開元氣體裝備有限公司技術部，河南 開封 475004）

B型地鐵構架組裝工藝裝備側梁夾緊裝置力學分析

丁松

（河南開元氣體裝備有限公司技術部，河南 開封 475004）

主要對B型地鐵構架組裝工藝裝備側梁夾緊裝置進行力學分析。建立該裝置的力學模型，對其進行受力分析，得到裝置夾緊力與液壓油缸的輸出力之間的關系，并說明其結構設計的合理性；使用ADAMS軟件建立夾緊裝置的實體模型，對該裝置進行仿真分析，并將理論計算和仿真結果進行對比，驗證兩種方法的正確性。

B型地鐵；側梁夾緊裝置；受力分析；ADAMS仿真

轉向架構架是轉向架的受力骨架，是用以聯系轉向架各組成部分和傳遞各方向力的基礎載體［1］。構架在組裝時，側梁在工裝移動部件的推動下，實現與橫梁的組裝，在此過程中由于側梁受到一定的阻力可能會出現偏斜的情況，使構架無法組裝，從而影響了正常生產任務。因此，對構架側梁夾緊裝置進行力學分析是非常有意義的。

1 夾緊裝置結構

B型結構地鐵車輛構架組裝工藝裝備側梁夾緊裝置結構，力源裝置采用的是液壓驅動方式，中間傳力裝置采用“鉸鏈-杠桿式”夾緊機構。

四桿機構的自鎖功能，當連桿與曲柄共線時，若不計各桿的質量，則連桿加給曲柄的力將通過鉸鏈中心，此力對鉸鏈中心不產生力矩，因此不能使曲柄轉動。機構的這種位置稱為死點位置。鉸鏈杠桿夾緊機構正是四桿機構的這一位置來實現工件夾緊的，其自鎖位置就是四桿機構的死點位置。

2 夾緊裝置受力分析

2.1 不考慮摩擦力情況

在不考慮各轉動副的摩擦力時，裝置夾緊力F與液壓油缸的輸出力H之間的關系為：

下面分析3個位置的實際受力情況：①當壓桿的水平夾角為4°時，L1=140.2，L2=31.4，L3=49.7，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=0.68H；②當壓桿的水平夾角為2°時，L1=136.7，L2=24.4，L3=50.5，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=0.87H；③當壓桿的水平夾角為1°時，L1=132.2，L2= 15.6，L3=51.0，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=1.33H。

由受力式可得，當壓桿的水平夾角越小，四桿機構的桿a與桿b的夾角也越小，L2的數值也越小，從而壓桿作用于工件的夾緊力就越大。理論上說，當壓桿趨向于水平位置時，夾緊力可以趨向無窮大。但實際上由于摩擦力的存在，夾緊力不會趨向于無窮大。

當壓桿運動到水平位置時，四桿機構的桿a和桿b的夾角為0，即兩桿共線，四桿機構處于死點位置，實現夾緊裝置的自鎖功能。

2.2 考慮摩擦力情況

該結構主要涉及到的是轉動副中的軸頸摩擦力。分析了軸頸摩擦的原理。設受徑向載荷G作用下的軸頸1，在驅動力矩Md作用下，在軸承2中等速轉動。此時，轉動副兩元素間必將產生摩擦力，以阻止軸頸相對于軸承的滑動。軸承2對軸頸1的摩擦力Ff21=fVG，其中當量摩擦系數fV=（1-π/2）f（對于配合緊密且未經跑合的轉動副取較大值，而對于有較大間隙的轉動副去較小值）。摩擦力Ff21對軸頸的摩擦力矩為：

根據軸頸1受力平衡可得：G=-FR21，Md=-FR21ρ=-Mf，故可得：

式（3）中，r為轉動副半徑，ρ為摩擦圓半徑。當量摩擦系數fV=（1-π/2）f，摩擦圓半徑ρ=fVr。取fV=1.2f，查表得f=0.15。因此，該結構的摩擦圓半徑為：

當考慮各轉動副的摩擦力時，總反力應與摩擦圓相切［2］。因此，各力的作用點及作用方向發生了變化，力的大小和力臂也發生了變化。

下面分析摩擦力情況下3個位置的實際受力情況：①當壓桿的水平夾角為4°時，L1=138.4，L2=37.1，L3=50.7，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=0.58H；②當壓桿的水平夾角為2°時，L1=134.9，L2=30.7，L3=51.7，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=0.70H；③當壓桿的水平夾角為1°時，L1=130.3，L2=21.4，L3=52.5，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=0.98H。

3 夾緊裝置力學仿真分析

使用上面建立的模型進行仿真分析，沿油缸的軸線施加作用力F，在壓桿頂端設置彈簧力模擬夾緊裝置施加在工件上的夾緊力，通過測量彈簧力H即可得到裝置的在不同位置時的夾緊力［3］。

例如，考慮摩擦力時的靜力平衡仿真分析。考慮摩擦力時，就需要在各轉動副中設置相關摩擦力參數。根據式（4）摩擦力的理論計算以及該裝置的實際尺寸，主要參數設置為：靜摩擦系數Mu Static=0.18，動摩擦系數Mu Dynamic=0.18，摩擦圓半徑Friction Arm=1.8mm，轉動副寬度Bending Reaction Arm=24mm，轉動副半徑Pin Radi?us=10mm，其余參數按照默認設置。主要分析壓桿在不同位置處，油缸輸出力H與工件夾緊力F之間的關系。將仿真結果與理論計算值進行對比，兩者的結果可以相互驗證。可得仿真結果與理論計算值十分接近，說明這個結果是可信的。

4 結論

本文通過對B型地鐵構架組裝工藝裝備側梁夾緊裝置進行受力分析，同時考慮摩擦力因素的影響，從而得到裝置夾緊力與液壓油缸的輸出力之間的關系，并說明其結構設計的合理性，該夾緊裝置能夠達到所需要的夾緊力；使用ADAMS軟件建立夾緊裝置的實體模型，對該裝置進行仿真分析，并將理論計算和仿真結果進行對比，兩種方法得到了相互驗證，得出主要結論如下。

①夾緊裝置在不同位置時對工件的夾緊力不同。壓桿的水平夾角越小，壓緊力越大；當壓桿趨向于水平位置時，該裝置會產生最大的夾緊力，且最大夾緊力不會小于油缸的輸出力。說明該裝置在最佳工作位置處具有對力的放大作用。

②理論計算和仿真分析都說明了摩擦力對該裝置的夾緊力有較大的影響，摩擦力使夾緊裝置對工件的夾緊力降低了30%左右。說明在對夾緊裝置進行力學分析時，要考慮摩擦力的影響。

③通過理論計算值與仿真結果的對比，說明使用ADAMS軟件對復雜夾緊裝置的夾緊力計算具有一定的可行性。

［1］趙洪倫.軌道車輛結構與設計［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］劉蜀，朱莎，龐禮，等.運動副的摩擦自鎖原理在夾具設計中的應用［J］.機械工程與自動化，2006（4）：131-133.

［3］馬闖，吳洪濤，谷珂.基于ADAMS的夾緊機構優化設計［J］.機械制造與自動化，2006（4）：11-13.

The Side Beams Clamp Device Mechanical Analysis of the Assembly Tooling of B-type Metro Architecture

Ding Song
（Technical Department，Henan Kaiyuan Gas Equipment Co.Ltd.，Kaifeng Henan 475004）

This paper described the side beams clamp device of the assembly tooling of the B-type metro architec?ture.The device mechanical model was established and the force analysis was obtained.The relationship between the clamping forced and the output force of the hydraulic cylinder was obtained,and the rationality of the structure de?sign was explained.The solid model clamping device was established by ADAMS software,and the theoretical calcu?lation and simulation results were compared,to verify the correctness of the two methods.

B-type metro；side beams clamp device；mechanical analysis；ADAMS simulation

U270.6；TG44

A

1003-5168(2016)09-0065-02

2016-08-18

丁松（1986-），男，本科，助理工程師，研究方向：機械工程與自動化。