城軌車輛轉臂式軸箱關節更換裝置分析

文 / 何鵬 陳倩 株洲九方裝備股份有限公司

0 引言

對于城軌車輛來說，轉臂式軸箱和油壓減震器、螺旋彈簧等形成完整的懸掛系統，可以使得車輪的牽引以及制動作用力傳遞到構架上而完成車輛的牽引和制動，轉臂式軸箱關節質量情況直接影響著城軌車輛性能以及行車安全性。橡膠關節是轉臂式軸箱最主要的部分之一，充分利用橡膠特性（包括彈性、多維度變形能力）實現柔性連接，此種連接方式不會產生摩擦所以并不用潤滑，具有較強的振動緩沖作用。轉臂式軸箱關節是比較容易受到損壞的部件，為了確保車輛行車的安全性需要對其進行定期檢修以及更換。通過轉臂式軸箱關節更換裝置能夠更加快速、準確、高效的對橡膠關節進行更換，所以分析研究城軌車輛轉臂式軸箱關節更換裝置具有非常現實的意義。

1 城軌車輛轉臂式軸箱關節更換裝置方案分析

1.1 軸箱體以及橡膠關節結構性分析

對于城軌車輛來說，為了確保運行過程中部件的穩定性，轉臂式軸箱體內孔和橡膠關節采取的是過盈配合（即依靠軸與孔的過盈值，裝配后使零件表面間產生彈性壓力，從而獲得緊固的聯接）的方式。

按照基本設計要求可知，在進行軸箱體和橡膠關節裝配過程中，在長度方向橡膠關節和軸箱體兩側壓裝深度相同，控制其對稱度為0.3mm。需要注意的是，在對橡膠關節壓裝過程中一定要避免橡膠件受到外力影響，并且要確保橡膠關節

外圓金屬件只可以承受壓力作用。另外，為了確保安裝的準確性，需要控制橡膠關節芯軸平面和軸箱體中心線的平行度在0.3mm以下。

1.2 轉臂式軸箱關節更換裝置初期方案設計

從上述分析可知，轉臂式軸箱關節更換裝置在進行方案設計時最關鍵的問題就是要確保裝配之后能夠保證橡膠關節的對稱度以及平行度，除此之外更換裝置也要具有足夠的剛度和穩定性，以便橡膠關節可以有效壓入壓出。為了滿足城軌車輛轉臂式軸箱關節結構設計以及裝配工藝方面的要求，橡膠關節更換裝置要包括壓裝平臺、導向定位部分、壓入壓出機構等多部分，關節更換裝置初期設計方案如圖1所示。

從圖1中能夠得知壓裝平臺包括底板、支撐環、吊環等多個部分，而導向定位部分主要包括導向滑塊、彈簧定位銷、導向銷、彈簧等等部分。總的來說，此設計方案得到的關節更換裝置具有如下幾方面特點：

第一，此設計方案采取的是軸箱體軸承安裝孔實施定位，通過軸承安裝孔端面和橡膠關節安裝孔端面實施支撐，這樣就能夠確保設計基準（基準A）和工藝基準的一致性，從而提升了裝置使用的有效性；

第二，由于此裝置較為復雜，所以為了防止工裝受到加工誤差、裝配誤差的影響，壓裝平臺采取一體化的方式。兩個支撐環利用配鉆安裝銷軸的方式進行定位，同時導向定位機構的導向滑塊體、導向銷和壓裝平臺各個部分之間實現高精度的配合，這樣就能夠提升橡膠關節的定位精度；

第三，為了滿足橡膠關節對稱度方面的要求，本方案設計了壓入機構的限位裝置；

第四，為了能夠對橡膠關節實現動態的支撐定位，本方案設定了彈簧支撐導向滑塊體。

2 城軌車輛轉臂式軸箱關節更換裝置結構設計

2.1 城軌車輛轉臂式軸箱關節更換裝置的基本概況

城軌車輛轉臂式軸箱關節更換裝置主要采取的壓力機當做動力源，為了能夠更加便利的進行使用、降低其維護費用，完成了壓裝平臺的組裝調試之后不用對其進行拆裝就可以直接進行使用，這樣也能夠確保較好的壓裝精度，此種結構相對簡單并且操作便利，同時具有較高的工作精度。裝置的機械結構部分采用的是45號鋼（優質碳素結構鋼）進行加工，為了提升其綜合性能需要對其進行調質處理，之后對其進行精加工，并且完成工件加工之后為了提升其防腐性能需要對其涂抹防腐油漆處理。在進行橡膠關節的拆解和組裝過程中無需過多復雜操作，只要對導向定位機構、壓入壓出機構進行簡單更換即可，同時在壓裝平臺上配置有多個吊環孔，以便對整個裝置進行吊運。

2.2 壓裝平臺

壓裝平臺是整個轉臂式軸箱關節更換裝置的基礎性部分，主要用于定位支撐等作用。壓裝平臺中的每部分都具有相應的作用，兩個支撐環通過定位銷和底板定位，通過螺栓進行連接，兩個支撐環的定位尺寸保持在400（±0.15mm）mm。支撐環一主要用在支撐軸箱體橡膠關節安裝孔端面，支撐環二主要用于定位軸箱體軸承安裝孔，這樣就可以確保設計基準和壓裝基準的統一性。采用此種方式不但可以有效降低零件的加工成本，同時能夠確保組裝之后的較高精度。另外，吊環螺栓主要用于整個壓裝平臺的起吊運輸，支撐螺栓主要用于支撐軸箱體偏載重量。

2.3 壓入壓出機構

壓入壓出機構的作用主要是為了將橡膠關節壓入或者壓出到軸箱體當中，需要在壓入壓出機構中設置限位機構，能夠確保壓裝過程中的自動限位，這樣就可以確保軸箱體和橡膠關節裝配后平行度和對稱度的要求。

2.4 彈簧設計計算

對于城軌車輛轉臂式軸箱關節更換裝置的結構分析可知，彈簧克服的最小載荷為導向滑塊以及橡膠關節所具有的重量（P1=205.8N），最小的載荷高度為橡膠關節和軸箱體相接位置的初始壓裝位置（H1=180mm），按照橡膠關節的壓入量能夠計算出彈簧的工作行程（h=93.5mm），以上述條件為基礎，相關設計人員需要通過《機械設計手冊》來確定出彈簧的具體參數，包括材料直徑d=6mm，彈簧中徑D=70mm，彈簧材料65Mn，彈簧有限圈數n=8，工作極限載荷下單圈變形量20.53mm以及切變模量G=79kMPa，得出具體的參數之后，需要將其帶入公式計算彈簧的剛度為4.66N/mm、自由高度224.1為mm以及節距為26.38mm，最后還要檢驗設計的彈簧是否符合標準，通過計算最小載荷高度176mm以及最大載荷436N,所以彈簧設計滿足標準。

3 進行實物的驗證

按照以上設計內容為基礎制作出一整套城軌車輛轉臂式軸箱關節更換裝置，同時采用此更換裝置對于實際產品實施組裝實驗，以便確定所設計裝置的有效性。具體的實驗結果為：軸箱體壓裝橡膠關節之后很難順利將其取出，主要是由于橡膠關節受到了導向滑塊體的影響而無法順利取出。針對此種問題可以采取如下解決措施：

進一步提升圖4中導向滑塊體和導向銷的加工精度，同時有效降低導向滑塊體和橡膠關節的接觸面積。在此基礎上需要在支撐環一的下部設置通孔來防止壓裝之后因為支撐環一內外壓差而造成橡膠關節無法取出的問題。

4 結束語

本文主要分析了軸箱體以及橡膠關節結構性特點，在此基礎上提出了轉臂式軸箱關節更換裝置設計方案，同時對于具體方案進行了驗證及改善，能夠對壓裝工藝進行優化，可以進一步提升城軌車輛轉臂式軸箱關節壓裝精度和效率，對于推動城軌發展具有現實意義。