動(dòng)車組中心銷機(jī)械化安裝設(shè)備研制

李 豐，魯寨軍，趙成剛，言正明，孫篤玲，劉志偉

（1南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島，266111；2中南大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；3廣州鐵路（集團(tuán)）公司，廣東 廣州，510000）

動(dòng)車組中心銷機(jī)械化安裝設(shè)備研制

李 豐1，魯寨軍2，趙成剛1，言正明3，孫篤玲1，劉志偉1

（1南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島，266111；2中南大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；3廣州鐵路（集團(tuán)）公司，廣東 廣州，510000）

針對(duì)中心銷現(xiàn)有裝配方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、緊固扭矩輸出值不穩(wěn)定、作業(yè)效率低的問題，提出采用電動(dòng)定扭緊固和液壓升降的方式解決該問題。詳述車輛落成機(jī)械化裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)受力分析和有限元模擬計(jì)算得出緊固過(guò)程中的反力，合理設(shè)計(jì)反力臂，并校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。最終研制出了車輛落成機(jī)械化裝置樣機(jī)，并通現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了樣機(jī)的功能，解決了現(xiàn)有裝配方式存在的問題。

中心銷；機(jī)械化裝配；反力臂；車輛落成機(jī)械化裝置

動(dòng)車組中心銷是連接車體和轉(zhuǎn)向架、并傳遞縱向牽引力的關(guān)鍵零部件，與車體配合精度要求較高、連接螺栓預(yù)緊力矩大。目前，采用液壓升降車托起、手動(dòng)扭力扳手緊固連接螺栓的方式安裝中心銷。由于與車體配合精度要求較高，中心銷與車體對(duì)位稍有偏離時(shí)，就需要人工移動(dòng)整個(gè)液壓升降車，直至較高的對(duì)位精度；另一方面，緊固中心銷與車體的連接螺栓所需扭矩較大，需要2-3個(gè)人同時(shí)使力才能扳動(dòng)扭力扳手。因此，現(xiàn)有安裝方式，作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，且手動(dòng)扭力扳手由于人力施加不均勻?qū)е螺敵雠ぞ刂挡环€(wěn)定，影響緊固質(zhì)量。急需研制一套能快速對(duì)位、螺栓緊固和扭矩控制機(jī)械化的移動(dòng)式安裝設(shè)備。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境要求，研制了一套人工輔助對(duì)位、機(jī)械化升降和自動(dòng)緊固螺栓的中心銷裝配設(shè)備。

1 安裝條件分析以及設(shè)計(jì)要求

動(dòng)車組中心銷安裝在車體枕梁中心位置，安裝面距離地面高度約為1800mm，重量120kg，與車體連接的螺栓規(guī)格為M30、緊固扭矩為1100N·m。中心銷二維模型如圖1所示，外形尺寸為：長(zhǎng) *寬*高=590mm*590mm*685mm。中心銷定位中心與螺栓緊固位置中心的距離為336mm。

由于中心銷現(xiàn)場(chǎng)安裝地點(diǎn)不固定，設(shè)備須具有可移動(dòng)性；中心銷的安裝位置位于車底，因此該設(shè)備需具有機(jī)械舉升功能；車體枕梁中心定位孔與中心銷定位配合處間隙非常小，因此要求設(shè)備能準(zhǔn)確定位中心銷與車體的位置以及要求舉升設(shè)備具有頂升力；中心銷定位之后考慮到中心銷緊固扭矩值、緊固扭矩輸出精度要求高，選用電動(dòng)定扭扭力扳手；綜合考慮實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，選用一個(gè)電動(dòng)定扭扭力扳手進(jìn)行4個(gè)螺栓的依次緊固。由于中心銷的尺寸不規(guī)則，扭力扳手在依次擰緊4個(gè)螺栓的過(guò)程中，考慮到螺栓安裝位置的高度以及扭力扳手的高度，扭力扳手必須繞過(guò)障礙物減振器座處。減振器座最外側(cè)與中心銷定位中心的距離為339mm，在此過(guò)程中，扭力扳手如何避開減振器座障礙擰緊四個(gè)螺栓、中心銷如何與螺栓的對(duì)位以及擰緊過(guò)程中扭力扳手帶來(lái)的反力如何解決成為了設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

圖1 中心銷二維模型

總體設(shè)計(jì)要求，滿足中心銷裝配的安全、可靠、省力、經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作和維護(hù)。要考慮的因素：1.中心銷的舉升穩(wěn)定；2.扭力扳手帶來(lái)的反力；3.扭力扳手如何避開障礙擰緊四個(gè)螺栓；4.中心銷的舉升；5.中心銷及扭力扳手與螺栓的對(duì)位。

2 中心銷機(jī)械化安裝設(shè)備方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

中心銷機(jī)械化安裝設(shè)備可以分為舉升部分和螺栓緊固部分。如將該設(shè)備設(shè)計(jì)成舉升機(jī)構(gòu)和螺栓緊固機(jī)構(gòu)兩個(gè)設(shè)備，稱為分體式方案；將兩大部分結(jié)合在一起設(shè)計(jì)成一個(gè)設(shè)備，稱為一體式方案。綜合安裝條件和總體設(shè)計(jì)要求，分體式方案操作復(fù)雜且在螺栓緊固時(shí)帶來(lái)的反力問題難以解決，與一體式方案相比具有相對(duì)的劣勢(shì)，綜合方案的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性以及方便性，選擇一體式方案。根據(jù)總體要求設(shè)計(jì)了一體式方案如圖2所示。

圖2 一體化方案三維模型

本設(shè)備由中心銷夾具組成、搖動(dòng)座組成、舉升機(jī)構(gòu)組成、箱體組成、懸臂及夾持組成、扭力扳手及控制系統(tǒng)等6大部分構(gòu)成。

（1）中心銷夾具組成

中心銷夾具2通過(guò)搖動(dòng)座組成12與液壓油缸18連接，可以360°旋轉(zhuǎn)，與垂向中心線呈任意小角度擺動(dòng)，滿足中心銷裝配過(guò)程中中心銷與車體定位需要的調(diào)整動(dòng)作。

（2）搖動(dòng)座組成

通過(guò)油缸鞲鞴桿與球頭桿連接，搖動(dòng)座與中心銷夾具連接，搖動(dòng)座與球頭桿的球面配合，并由法蘭限制球頭桿的自由度來(lái)達(dá)到搖動(dòng)座任意小角度擺動(dòng)的目的。

圖3 搖動(dòng)座組成

（3）舉升機(jī)構(gòu)組成

由液壓泵13、液壓油缸18、管路、保護(hù)套19及導(dǎo)向套20組成，保護(hù)套19跟著油缸升降，主要作用是在油缸升降與設(shè)備緊固作業(yè)過(guò)程中受到水平載荷與彎矩時(shí)，保護(hù)油缸。導(dǎo)向套20用螺栓固定在箱體上，與保護(hù)套孔軸配合，在保護(hù)套跟著油缸升降過(guò)程中，限制保護(hù)套水平方向的自由度，達(dá)到保護(hù)油缸的目的。液壓泵安裝在箱體組成底部，是該裝置的頂升動(dòng)力源。舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證了中心銷舉升時(shí)平穩(wěn)以及緊固作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定。

（4）箱體組成

箱體3內(nèi)含控制安裝區(qū)域、液壓站安裝區(qū)域，底部裝有高強(qiáng)度尼龍萬(wàn)向輪。

（5）懸臂及夾持組成

懸臂5可以繞中心銷夾具2任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)，使扭力扳手7移動(dòng)到4個(gè)不同位置的擰緊區(qū)域；安裝軸6和手柄4直接固定在懸臂上，夾持機(jī)構(gòu)1可以繞安裝軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，夾持機(jī)構(gòu)與擰緊機(jī)連接板上伸出兩塊連接板作為固定孔8與中心銷夾具上的固定槽10連接，依次擰緊螺栓時(shí)，如圖4所示，固定孔1與固定槽1、固定槽3連接定位，固定孔2與固定槽2、固定槽4連接定位，當(dāng)擰緊機(jī)與螺栓定位之后，夾持機(jī)構(gòu)固定孔與固定槽用銷9連接，使擰緊機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的反力傳遞到夾具上，再通過(guò)受力橫梁11傳遞至中心銷上并最終傳遞到車體,從而解決擰緊過(guò)程中扭力扳手產(chǎn)生的反力問題。

圖4 夾持機(jī)構(gòu)與中心銷夾具定位示意圖

（6）扭力扳手及控制系統(tǒng)

該型扭力扳手7的扭矩范圍為430-1500Nm，轉(zhuǎn)速為 52rpm、可伸縮量為 60mm、最小中心距106.2mm。扭力扳手在擰緊螺栓的過(guò)程中，可伸縮量滿足螺栓擰緊所需的行程。

扭力扳手7通過(guò)扭力扳手控制箱14對(duì)扭力扳手的輸出扭矩值進(jìn)行控制，能根據(jù)工作要求輸出高精度穩(wěn)定扭矩，并且扭力扳手控制箱帶有信息存儲(chǔ)、傳輸功能，將扳手緊固的扭矩值、作業(yè)時(shí)間進(jìn)行記錄，便于追溯查詢。扭力扳手可伸縮量達(dá)到60毫米。

2.2 方案特點(diǎn)

（1）舉升機(jī)構(gòu)為中心銷舉升旋轉(zhuǎn)平臺(tái)基礎(chǔ)，同時(shí)也是螺栓緊固平臺(tái)基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，并且大大加強(qiáng)穩(wěn)定性和可靠性。

（2）中心銷夾具及扭力扳手共具有各方向自由度，方便與螺栓對(duì)位且安全可靠。

（3）夾具上加裝兩根橫梁，是為了使中心銷落裝在夾具上時(shí)能使中心銷的中心和夾具中心在同一垂直線上同時(shí)保證夾具上的力能傳遞到中心銷上，最終傳至車體上；夾具上加裝四個(gè)固定槽，當(dāng)擰緊機(jī)與螺栓定好位之后，將擰緊機(jī)的夾持機(jī)構(gòu)與固定槽用銷連接，將擰緊機(jī)產(chǎn)生的反力傳到夾具上，從而傳至車體。

2.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

由于該設(shè)備在緊固螺栓的時(shí)候需要1100Nm的扭矩，該扭矩對(duì)扭力扳手的夾持工具會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外力矩，通過(guò)力的傳遞傳到中心銷夾具上，最終傳遞到車體上。為了保證緊固螺栓過(guò)程中扭力扳手的安全以及設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，我們需要對(duì)這一個(gè)扭矩進(jìn)行分析。

下圖為夾持機(jī)構(gòu)與中心銷夾具連接簡(jiǎn)化后的受力示意圖5所示。

圖5 夾持機(jī)構(gòu)與中心銷夾具連接受力分析示意圖

圖5 中，O點(diǎn)為中心銷夾具的中心，A點(diǎn)為中心銷夾具上固定卡槽中心，B點(diǎn)為夾持機(jī)構(gòu)擰緊中心，C點(diǎn)為夾持機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心，D點(diǎn)為中心銷夾具中心到中心銷夾具邊緣的垂直距離。由于OB是中心銷到螺栓孔之間的距離為已知，OC為擰緊機(jī)在繞中心銷旋轉(zhuǎn)依次擰緊螺栓時(shí)，為避開障礙物的最小距離（還要考慮夾持機(jī)構(gòu)的尺寸）。OB=336mm，OC＞339mm，OD=190mm。

由于擰緊過(guò)程中，B點(diǎn)的擰緊扭矩為1100Nm，產(chǎn)生的反力由A、C點(diǎn)承受，根據(jù)公式①，考慮到安裝空間問題，AB尺寸受到限制，力F1要大于力F2，力F2的大小取決于A點(diǎn)銷連接處間隙，當(dāng)扭力扳手剛開始工作時(shí)，由于A點(diǎn)處間隙，導(dǎo)致C點(diǎn)先受力，力F2作用在連接軸上，使連接軸受到一彎矩，該彎矩傳遞至懸臂上，并最終作用于中心銷夾具。當(dāng)C點(diǎn)的受力致使A點(diǎn)的間隙消除后，A點(diǎn)將承受B點(diǎn)產(chǎn)生的大部分反力，反力將通過(guò)固定孔與固定槽銷連接處傳遞至中心銷夾具上力橫梁傳遞至中心銷，最終傳遞至車體上，從而解決擰緊機(jī)的反力問題。

根據(jù)公式①，在A、C點(diǎn)受到的力越小時(shí)，得到的AB和AC尺寸不符合現(xiàn)場(chǎng)安裝空間需求，故按照現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境以及受力最小兩者因素考慮，取AB=99mm，BC=140mm，OC=395mm。

2.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

針對(duì)扭力扳手?jǐn)Q緊過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形，對(duì)中心銷夾具和扭力扳手夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，利用Ansys12.0中的Workbench平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，將中心銷夾具和夾持機(jī)構(gòu)組成的三維模型導(dǎo)入，設(shè)置材料屬性（選用Q345鋼材料），設(shè)置計(jì)算參數(shù)，選用Augmented Lagrange算法，劃分有限元網(wǎng)格，在中心銷夾具與中心銷接觸斜面上加10KN的垂向載荷（考慮到液壓系統(tǒng)的頂升力）和在夾持機(jī)構(gòu)與扭力扳手固定的三個(gè)圓孔處分別施加一個(gè)逆時(shí)針方向的切向力，滿足扭矩為1100Nm，計(jì)算得到的應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 中心銷夾具與夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在固定孔與固定槽的銷連接位置受到最大應(yīng)力為180.55MPa，并且該應(yīng)力為壓應(yīng)力，低于材料的疲勞極限。所以選擇Q345鋼材料滿足強(qiáng)度和硬度要求。

3 樣機(jī)研制及試驗(yàn)

為保證設(shè)計(jì)的裝置在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功能上滿足要求，研制了樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象為中心銷實(shí)車裝配，如圖7所示，中心銷能穩(wěn)固的固定在設(shè)備上，并且將設(shè)備移動(dòng)至安裝位，啟動(dòng)液壓設(shè)備頂升工件至安裝面，中心銷能準(zhǔn)確的與車體安裝面配合，中心銷上四個(gè)螺栓孔能與車體安裝面上螺栓孔定位，說(shuō)明該工件夾具能很好地穩(wěn)固中心銷并且使中心銷中心與工件夾具中心保持一致；如圖8所示，是該設(shè)備在緊固螺栓時(shí)的緊固狀態(tài)，擰緊過(guò)程中，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，擰緊過(guò)程中產(chǎn)生的反力通過(guò)反力設(shè)備傳遞到車體。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備滿足中心銷裝配要求，并且本身無(wú)結(jié)構(gòu)變形和損傷。

圖7 中心銷固定在中心銷夾具狀態(tài)

圖8 緊固狀態(tài)

4 總結(jié)

1）中心銷機(jī)械化安裝樣機(jī)采用電動(dòng)液壓舉升裝置、電動(dòng)擰緊系統(tǒng)。舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證了中心銷舉升時(shí)平穩(wěn)以及緊固作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定；

2）中心銷夾具的設(shè)計(jì)能使中心銷準(zhǔn)確與車體對(duì)位；

3）夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)能更好地使扭力扳手?jǐn)Q緊時(shí)產(chǎn)生的反力傳遞至車體，并準(zhǔn)確與螺栓對(duì)位。

4）該設(shè)備的總體設(shè)計(jì)解決了中心銷安裝時(shí)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、且輸出精度不確定等問題，保證了擰緊過(guò)程中的穩(wěn)定性以及擰緊精度。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能均滿足設(shè)計(jì)要求。

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Research and Development of Mechanical Installation Equipment of EMU Center Pin

LI Feng1,LU Zha-jun2,ZHAO Cheng-gang1,YAN Zheng-ming2,SUN Du-ling1,LIU Zhi-wei1
(1.CSR Qingdao Sifang Co.Ltd.,Qingdao 266111,Shandong; 2.School of Traffic&Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,Hunan; 3.Guangzhou Railway(group)Corporation,Guangzhou 51000,Guangdong)

Aiming at the shortcomings of the existing assembling mode,which has the problem of large labor-intensive,unstable fastening torque output value and low working efficiency,the approaches of electric fixed torque fastening and hydraulic lifting were put forward to solve the above problems.Design process of vehicle completion mechanical equipment was described in detail.Counter force in the process of fastening process was obtained through the force analysis and finite element simulation.The reverse lever was reasonably developed and the structural strength was checked.The prototype of vehicle completion mechanical equipment was finally developed,and the function of the prototype was verified by the field test,which could solve the problems of the existing assembly methods.

center pin;mechanization assembling;reverse lever;vehicle completion mechanical equipment

U270.91

A

1671-5004（2017）01-0013-04

2016-12-17

中車四方科技開發(fā)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：SF/JG-陶字-2014-44）。

李豐（1982-），男，江蘇鹽城人，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司高級(jí)工程師，研究方向：車輛組裝工藝。魯寨軍（1975-），男，湖南醴陵人，中南大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院副教授、博士，研究方向：車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。趙成剛（1970-），男，吉林農(nóng)安人，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司高級(jí)工程師，研究方向：車輛組裝工藝。