關(guān)于止輪器自動收放的研究與設(shè)計

胡曉順 王燕玲 賈 慶 張建武 游 城

(1.資陽中車電力機車有限公司 四川 資陽 641300；2.昆明中車軌道交通裝有限公司 云南 昆明 650000)

0 引言

止輪器是鐵道車輛作業(yè)中的重要防溜工具，它能有效避免機車溜逸事故的發(fā)生，是一種安全可靠、方便靈活、運用成熟的防護工具。目前市面上的止輪器大多需要在列車停穩(wěn)后人工放置，這種操作方式在車輛外部空間狹小時并不適用，正如資陽中車電力機車有限公司(以下簡稱“資機公司”)用移車臺轉(zhuǎn)運機車時的情形。下文介紹一種專門用于移車臺轉(zhuǎn)運機車時，防止機車溜逸的自動止輪器。

1 當(dāng)前使用概況

(a)金屬桿 (b)兩車空隙圖1 止輪器及機車轉(zhuǎn)運現(xiàn)狀

目前，資機公司在不同軌道間轉(zhuǎn)運機車需通過移動車臺實現(xiàn)。轉(zhuǎn)運前待機車停穩(wěn)后，由調(diào)運人員手持止輪器上的金屬桿(見圖1-a)將止輪器放置到位。該操作方式主要存在以下兩個缺點：(1)操作可行性差。移車臺上機車停放部分寬度僅為3.7 m，而HXD1C和HXD1兩種型號的機車寬度均為3.1 m，停放機車后移車臺兩側(cè)空間狹小(見圖1-b)，操作不便。目前的解決辦法是選擇在止輪器上加裝金屬桿，由作業(yè)人員在移車臺一側(cè)的平臺上安放止輪器，但此平臺高度達1.22 m，操作時極為不便。其次，當(dāng)機車在轉(zhuǎn)運過程中發(fā)生輕微溜逸時，車輪會將止輪器卡緊，止輪器難以取出。(2)機車安全得不到可靠保障。主要表現(xiàn)為：①現(xiàn)行方式不易確保止輪器放置到恰當(dāng)位置，防溜可靠性大大降低；②生產(chǎn)任務(wù)繁重時，易發(fā)生簡化甚至忽略機車防溜保護的情況；③目前移車臺上所使用的2個止輪器均為木質(zhì)，相較于金屬止輪器，可靠性方面有所欠缺。且查閱TB/T 3162.3—2007《鐵道車輛停車防溜裝置 第3部分：防溜鐵鞋》可知，目前所使用的木質(zhì)止輪器在尺寸和造型上并不符合安全規(guī)范。

針對第1種缺點，本文研究設(shè)計了一種高效便捷的止輪器自動收放裝置。而針對第2種缺點，則使用合乎安全規(guī)范的止輪器，提升防溜可靠性。

2 方案分析

2.1 方案1

方案1的傳動簡圖如圖2所示。

圖2 方案1傳動簡圖

該方案為一連桿機構(gòu)，工作時按壓推桿上部，推桿與氣動撐桿共同作用，把止輪器推動到鋼軌上對機車實施防護。撤回止輪器時向上推動推桿。這種方案的優(yōu)點如下：(1)結(jié)構(gòu)簡潔，占用空間極小；(2)安裝方便，操作簡單；(3)成本較低。但是，缺點也很明顯：(1)止輪器與車輪的間距調(diào)整能力較弱，對機車停放位置精度要求較高，若機車實際停放位置與規(guī)定位置偏差較大，則止輪器的正常功能難以發(fā)揮；(2)需要人工操作，有一定的勞動強度。

2.2 方案2

方案2的傳動簡圖如圖3所示。

圖3 方案2傳動簡圖

該方案的運行模式有2個步驟：(1)當(dāng)機車到達移車臺既定位置后，電機M3正轉(zhuǎn)，M1和M2以及與之相連的絲杠1、2獲得垂直于軌道的速度V1，到達規(guī)定位置觸發(fā)行程開關(guān)后M3停止；(2)M3停止后M1和M2正轉(zhuǎn)，止輪器1、2獲得平行于軌道的速度V2，當(dāng)位于2個止輪器上的接近開關(guān)分別感應(yīng)到車輪時M1和M2停止運轉(zhuǎn)。

止輪器收回時運動步驟與上述過程相反。

方案2的優(yōu)點：(1)止輪器的橫向運動能消除其與車輪的間隙，防溜可靠性高；(2)機車實際停放位置與既定位置允許存在一定偏差，停放快速便捷；(3)采用電力驅(qū)動，可降低作業(yè)人員勞動強度；(4)工作時產(chǎn)生的沖擊小。

缺點：(1)整體尺寸偏大；(2)運行步驟稍多；(3)成本偏高；(4)需移除移車臺的部分組成，對移車臺存在潛在危害。

2.3 方案3

方案3的傳動簡圖如圖4所示。該方案工作方式分為兩種情況：

圖4 方案3傳動簡圖

(1)機車從移車臺Ⅰ端(見圖4)駛上移車臺

步驟1：當(dāng)把機車牽引至移車臺上適當(dāng)位置時，M1正轉(zhuǎn)，止輪器1以速度V1運動到鐵軌上，行程開關(guān)觸發(fā)后M1停止運轉(zhuǎn)。

步驟2：當(dāng)機車車輪觸發(fā)位于止輪器1上的接近開關(guān)后，M2正轉(zhuǎn)，驅(qū)動止輪器2對另一個車輪進行防溜保護，當(dāng)止輪器到達限定位置觸發(fā)行程開關(guān)后M2停止運轉(zhuǎn)。

步驟3：止輪器撤回。M1、M2同時反轉(zhuǎn)，止輪器1、2同時離開軌道回到原定位置。

(2)機車從移車臺Ⅱ端(見圖5)駛上移車臺

在該種情況下，各部件的運動邏輯與上述情況類似，不同點僅在于電機M2在M1之前啟動。

圖5 方案3三維結(jié)構(gòu)圖

方案3優(yōu)點：(1)結(jié)構(gòu)形式簡單，易于安裝調(diào)試；(2)運行步驟少，效率高；(3)空間占用小，無須對移車臺進行較大改造；(4)適用范圍廣，調(diào)整兩個止輪器之間的安裝距離即可適應(yīng)不同軸距的車型。

缺點：機車只有受到其中一個止輪器的止擋才停止?fàn)恳撨^程存在沖擊，對絲杠要求較高。

2.4 方案比選

綜合以上敘述，將各方案優(yōu)劣點從結(jié)構(gòu)、操作便捷性、不同車型適應(yīng)性、空間占用、成本、安裝調(diào)試等方面進行比較，最終選用了方案3。

下面針對方案3對其進行機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和關(guān)鍵零部件選型，并對電氣原理圖進行設(shè)計，對線纜進行排布。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計參數(shù)

止輪器移動速度(V)：15 m/min；

絲杠負載：10 kg；

絲杠行程(Lk)：1 100 mm；

絲杠轉(zhuǎn)速(n)：3 000 r/min；

絲杠定位精度：0.02 mm；

導(dǎo)軌靜摩擦因數(shù)(μ0)：0.2；

動摩擦因數(shù)(μ1)：0.1；

取止輪器與軌面動摩擦因數(shù)(μ2)：0.25；

額定壽命(Lh)：10年，每天累計工作約2 h，共計7 300 h。

3.2 滾珠絲杠副選型計算

(1)絲杠導(dǎo)程Ph

此處，取Ph=5 mm[1]。

(2) 當(dāng)量載荷Fm：由于止輪器加減速階段極為短暫，整個運動過程可近似為勻速運動，所以其當(dāng)量載荷Fm≈F=μ2mg=12.25 N。

式中：m為單個止輪器的質(zhì)量，m=5 kg。

(3)預(yù)期額定動載荷Cam：

式中：因為伴有沖擊或振動，故取載荷性質(zhì)系數(shù)fw=2，精度系數(shù)fa=0.9，可靠性系數(shù)fc=0.44。因止輪器運動過程中電機轉(zhuǎn)速不變，故當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm=n=3 000 r/min。

(4)允許的最小螺紋底徑d2m

式中：取支承方式系數(shù)a=0.078；導(dǎo)軌靜摩擦力F0=μ0W=19.62 N；W為絲杠負載，W=98.1 N；

δm為最大徑向變形量，取δm=5 μm;兩軸承支撐點間距離L=1.2Lk+14Ph=1 380 mm。

(5)滾珠絲杠副的規(guī)格：根據(jù)以上計算，確定滾珠絲杠選用內(nèi)循環(huán)固定反向器式，單螺母G型2005-3。基本參數(shù)為：公稱直徑d0=20 mm,絲杠底徑d2=16.2 mm>d2m=6 mm，額定動載荷Ca=9.309 kN>Cam=508.23 N，鋼球直徑Dw=3.175 mm，螺母長度為46 mm。

(6)絲杠的設(shè)計高速極限值Dn校驗

Dn=Dpwnmax≈(d2+Dw)nmax=60 225

式中：Dpm為節(jié)圓直徑，經(jīng)校驗，Dn=60 225 mm·r/min，對于普通絲杠要求其值小于70 000 mm·r/min，因此，該值合格。

3.3 導(dǎo)軌選型

導(dǎo)軌選用線性滑軌，使用滾動導(dǎo)引，與傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)引相比較，滾動導(dǎo)引的摩擦因數(shù)可大幅降低，還能同時承受上下左右等各個方向上的負荷。將該類型滑軌與滾珠絲杠配合使用，可大幅提升設(shè)備的機械性能和效率[2]。查閱《HIWIN線性滑軌技術(shù)手冊》可知，在本方案中選用EG系列中負荷型式即可滿足使用條件，故選用EGH15SA型滑軌，其基本額定動負荷C=5.35 kN。

3.4 支撐座選型

HIWIN軸承座可分別用于絲杠的固定端和支撐端。用于絲杠固定端的支撐座使用一對面對面排列的角接觸球軸承。絲杠的支撐端采用一個6系列的深溝球軸承，可以在一定程度上控制絲杠的徑向位置[3]。

依據(jù)《HIWIN支撐座技術(shù)手冊》，絲杠固定端選用BK15型支撐座，基本額定動負荷為7.2 kN，軸承代號為7002AC。支撐端選用BF15型支撐座，基本額定動負荷為5.6 kN，軸承代號為6002。

3.5 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.5.1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

確定各關(guān)鍵零部件后，對本方案的整體機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。其總體布置效果圖如圖6所示，圖7為單個止輪器停放裝置的截面圖(左)和軸測圖(右)，圖中隱藏了絲杠、滑軌等的防塵蓋板。

圖6 止輪器整體布置圖

3.5.2電氣原理圖

該方案中只需控制電機的啟停和正反轉(zhuǎn)即可完成止輪器的動作， 故主要采用接觸器和開關(guān)對電機

圖7 止輪器及傳動部件布置圖

的運動進行控制。在電機的控制電路中，SA為轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于選擇不同工況下的電機控制電路。選擇檔位1時，適用于機車從移車臺Ⅰ端駛上移車臺；選擇檔位2時適用于機車從Ⅱ端駛上移車臺。主電路及控制回路如圖8所示。

圖8 電氣原理圖

基于圖8所示的電氣原理圖，用UG NX10.0進行整體布線，可生成線纜連接列表報告，由報告計算得出所需各型號線纜總長約165 m。

4 結(jié)束語

上文對止輪器的自動收放進行了研究設(shè)計， 在對各方案的優(yōu)劣進行對比后，根據(jù)功能需求、環(huán)境條件設(shè)計出適用于移車臺的止輪器自動收放裝置。設(shè)計結(jié)果表明，該裝置結(jié)構(gòu)合理、功能完善，具有較高的可靠性，能改善作業(yè)人員的作業(yè)條件，提升移車臺轉(zhuǎn)運效率及安全性，具有良好的使用和經(jīng)濟效果。