山地齒軌軌道交通道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

梁 強(qiáng) 王海波 王堅(jiān)強(qiáng) 陳志輝 楊吉忠

1西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031 2中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031 3軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031

0 引言

山地齒軌軌道交通是一種十分適合于大坡度山地爬行的交通模式[1]，與傳統(tǒng)鐵路軌道在結(jié)構(gòu)上相比，其增添一條齒軌軌道，軌道車輛上配備了可與齒軌相互嚙合的齒輪機(jī)構(gòu)[2]。齒輪齒條嚙合為機(jī)車運(yùn)動(dòng)提供了巨大的牽引力，解決了普通輪軌車輛在大坡度線路運(yùn)行下無(wú)法提供足夠黏著力的問(wèn)題[3]。齒軌軌道交通經(jīng)過(guò)數(shù)百年的發(fā)展，主要形成了Abt、Riggenbach、Strub、Locher和Von Roll等5種系統(tǒng)[4]。齒軌道岔是齒軌軌道交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分和薄弱環(huán)節(jié)，它能響應(yīng)齒軌交通的需求，完成車輛快速、精確、穩(wěn)定的換軌任務(wù)。但根據(jù)齒軌鐵路系統(tǒng)模式不同，采用的道岔種類也存在差異。一般將齒軌道岔分為3類：傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉桿槽道岔、Y形旋轉(zhuǎn)式道岔和整體平移式道岔。

山地軌道交通源于國(guó)外，特別是歐美地區(qū)對(duì)該領(lǐng)域的研究應(yīng)用較多。皮拉圖斯山地齒軌鐵路是目前世界上坡度最大的線路，整體采用的交道系統(tǒng)是Locher模式，道岔結(jié)構(gòu)形式為Y形旋轉(zhuǎn)式，但道岔結(jié)構(gòu)存在對(duì)下部基礎(chǔ)強(qiáng)度、精度要求過(guò)高等缺點(diǎn)，且只能在對(duì)稱軌道處使用，具有很強(qiáng)的地形限制。美國(guó)華盛頓山齒軌鐵路[5]使用Riggenbach系統(tǒng)，道岔處采用整體平移式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要通過(guò)推動(dòng)道岔整體橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)齒軌車輛換軌功能，但其工作周期長(zhǎng)，提供拉力大，對(duì)結(jié)構(gòu)的精度要求也較高。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉桿槽道岔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且維護(hù)方便，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。但是，該結(jié)構(gòu)需要多臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)同時(shí)牽引，占地范圍比較大，在狹窄路況安裝極為不便，且安全性較低。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)這一領(lǐng)域多有研究。潘相楠等[6,7]總結(jié)了國(guó)外齒軌鐵路的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)根據(jù)國(guó)內(nèi)特有地形展開(kāi)一定研究，分析了國(guó)內(nèi)發(fā)展齒軌鐵路的可行性，但這類多為綜述性質(zhì)的研究對(duì)齒軌道岔等關(guān)鍵技術(shù)研究較少。蔡向輝等[8]在總結(jié)張家界七星山軌道特點(diǎn)時(shí)，結(jié)合傳統(tǒng)平移式道岔，發(fā)明了一種新型旋轉(zhuǎn)圓盤式齒軌股道轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)主要用于無(wú)砟軌道。

本文在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉桿槽道岔基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套齒軌道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，解決了該道岔結(jié)構(gòu)類型在工作時(shí)必需多臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)同時(shí)牽引的問(wèn)題，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。

1 道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文基于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉桿槽結(jié)構(gòu)道岔，設(shè)計(jì)了一種新型齒軌道岔轉(zhuǎn)換裝置，三維模型如圖1所示，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)同時(shí)牽引2組可動(dòng)齒軌運(yùn)動(dòng)分別完成其密貼的目標(biāo)，整體體積小、占地面積小，克服了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉桿道岔對(duì)于轉(zhuǎn)轍機(jī)數(shù)量要求多的弊端，工作過(guò)程如圖3所示。

圖1 齒軌道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)三維模型

圖2 齒軌道岔轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)

圖3 新型齒軌道岔轉(zhuǎn)換裝置工作圖

整套裝置主要為連桿結(jié)構(gòu)，連桿鉸接處采用銅石墨自潤(rùn)滑軸套進(jìn)行保護(hù)。滑床板通過(guò)焊接和螺栓連接2種方式固定在鋼軌枕上，用于提供齒軌在運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的支撐力。L形長(zhǎng)連桿和調(diào)節(jié)頭B實(shí)現(xiàn)了外側(cè)2條可動(dòng)齒軌的同步運(yùn)動(dòng)。中間連桿和調(diào)節(jié)頭A組成中間連接機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整套裝置的串聯(lián)作用。調(diào)節(jié)頭A、B的設(shè)計(jì)除了起連接功能外，也具有消除系統(tǒng)誤差的作用。當(dāng)車輛由直行換道時(shí)，動(dòng)作桿收縮，帶動(dòng)內(nèi)側(cè)齒軌逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，L形連桿帶動(dòng)中間連桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而使外側(cè)齒軌逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，完成上部?jī)蓷l齒軌密貼；當(dāng)車輛換道時(shí)，各個(gè)部位運(yùn)動(dòng)相反。

2 系統(tǒng)的耦合性分析

為了消除桿件可能存在的加工和裝配誤差，通過(guò)設(shè)計(jì)2個(gè)調(diào)節(jié)頭來(lái)消除誤差對(duì)密貼的影響，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠度。由于整體為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，還需要分析調(diào)節(jié)點(diǎn)之間是否會(huì)發(fā)生耦合作用。

2.1 自由度分析

自由度分析可以檢驗(yàn)整個(gè)體系是否具有確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 機(jī)構(gòu)自由度簡(jiǎn)圖

自由度計(jì)算公式為

由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖可知，機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件n=11，低副Pl=16，其中包含3個(gè)移動(dòng)副和13個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，高副Ph=0。帶入式（1）平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算可得機(jī)構(gòu)自由度F＝1，與原動(dòng)件數(shù)目相同，故機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件具有確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.2 調(diào)節(jié)過(guò)程

為了校核在實(shí)際裝配過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生耦合，在Solidworks中進(jìn)行裝配。經(jīng)過(guò)裝配發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)轍機(jī)的提前安裝不利于整個(gè)裝置的調(diào)節(jié)，由于轉(zhuǎn)轍機(jī)位置和行程可調(diào)，提前安裝或最后安裝并不影響最終的模擬結(jié)果。

為了檢驗(yàn)2個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的耦合問(wèn)題，將所有桿件進(jìn)行連接安裝，轉(zhuǎn)換裝置處于初始狀態(tài)。將齒軌3移動(dòng)至密貼線處，拉動(dòng)L形長(zhǎng)連桿從而使齒軌1同樣到達(dá)密貼線位置，固定調(diào)節(jié)頭A。同理，將齒軌2置于密貼線處，而調(diào)節(jié)頭B可在L形長(zhǎng)連桿上橫向移動(dòng)，且只控制齒軌4運(yùn)動(dòng)，故能使齒軌1、2密貼，且容易得到改變調(diào)節(jié)頭B的位置參數(shù)不影響調(diào)節(jié)頭A的位置參數(shù)，故調(diào)節(jié)頭之間不存在耦合。

3 系統(tǒng)的仿真分析

3.1 動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

運(yùn)用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件能對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到各種速度、加速度和受力等特性曲線。齒軌道岔轉(zhuǎn)換裝置需要帶動(dòng)齒軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題尤其重要，運(yùn)行過(guò)程中的不平穩(wěn)或出現(xiàn)死點(diǎn)可能導(dǎo)致齒軌密貼不到位，引發(fā)重大安全事故，故有必要對(duì)轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

在Solidworks中將三維模型另存為Parasolid格式，導(dǎo)入ADAMS生成動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際條件添加約束和載荷設(shè)置重力加速度和材料密度。為完整分析桿件在運(yùn)動(dòng)中的受力情況，以齒軌3、齒軌4密貼為初始狀態(tài)，齒軌1、齒軌2完成密貼為一個(gè)工作周期，仿真工況為轉(zhuǎn)轍機(jī)在5 s完成動(dòng)作。建立的動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖5所示。

圖5 ADAMS仿真

通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真，齒軌道岔在轉(zhuǎn)換過(guò)程中中間連桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度及角速度如圖6所示。由運(yùn)動(dòng)曲線可知，在0～5 s工作時(shí)間內(nèi)中間連桿保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)平緩，未出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，故設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)不存在死點(diǎn)。

圖6 中間連桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度、角速度

在仿真中，通過(guò)建立接觸對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)可動(dòng)齒軌在滑床板處摩擦阻力的模擬。接觸力采用基于Impact函數(shù)的接觸算法，動(dòng)摩擦系數(shù)取值0.2，靜摩擦系數(shù)取值0.3[8]，仿真結(jié)果如圖7所示。由受力曲線可知，單根齒軌在滑床板一側(cè)的摩擦阻力平均大小為83.4 N，單根齒軌總摩擦力為166.8 N。為了分析運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)構(gòu)輸入力的大小，需要研究轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作杠的受力情況。齒軌道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程中動(dòng)作桿受力如圖8所示，因可動(dòng)齒軌慣性大，故在轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)時(shí)動(dòng)作桿受力較大，為900 N左右。運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)后受力減小，動(dòng)作桿平均受力大小為685 N，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)化力最大可達(dá)6 000 N，故轉(zhuǎn)轍機(jī)輸出力能滿足設(shè)計(jì)要求。L形連桿受力如圖8所示，轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)時(shí)，受力最大為400 N左右，轉(zhuǎn)換過(guò)程中平均受力大小為340 N。

圖7 滑床板摩擦阻力

圖8 動(dòng)作桿、L形連桿受力

3.2 靜力學(xué)分析

通過(guò)Ansys進(jìn)行靜力學(xué)仿真，來(lái)檢驗(yàn)關(guān)鍵零件是否滿足強(qiáng)度要求。將三維模型另存為.x—t格式，導(dǎo)入Ansys Workbench15.0，完成網(wǎng)格劃分，設(shè)置好材料等參數(shù)，連桿材料均定義為45號(hào)鋼[10]。根據(jù)查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，大鐵道岔密貼力最大為1 500 N，則調(diào)節(jié)頭B處施加大小為1 500 N的固定載荷，分析連桿機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，Ansys應(yīng)力云圖如圖9所示。

由圖9可知，整套裝置的最大應(yīng)力為13.7 MPa，位于短連桿鉸接處。鋼材的屈服強(qiáng)度為235 MPa，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，安全系數(shù)取1.5，則許用應(yīng)力[σ]=157 MPa，連桿機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為13.7 MPa，小于鋼材的屈服強(qiáng)度，不會(huì)造成破壞，滿足強(qiáng)度要求。

圖9 系統(tǒng)應(yīng)力云圖

L形連桿通過(guò)螺母固定調(diào)節(jié)頭B，主要受力點(diǎn)為螺母，故需對(duì)螺紋連接強(qiáng)度進(jìn)行校核。轉(zhuǎn)轍機(jī)最大轉(zhuǎn)換力為6 000 N，在有限元分析中，對(duì)螺母施加6 000 N的軸向載荷，固定螺桿的位置，建立接觸約束，應(yīng)力云圖如圖10所示。可知最大應(yīng)力點(diǎn)位于螺紋連接的第1圈，最大應(yīng)力為24.3 MPa，低于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

圖10 螺母受力云圖

4 結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套新型道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。首先采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)理念完成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再通過(guò)耦合性分析、自由度計(jì)算和軟件仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的合理性。新型道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，利用一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)即達(dá)到傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉桿槽結(jié)構(gòu)下必須使用多臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)才能完成的工作任務(wù)。整套系統(tǒng)不存在死點(diǎn)，設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)頭之間不會(huì)發(fā)生耦合現(xiàn)象。工作時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，強(qiáng)度剛度符合工作要求。