平車側門鎖固結構改進研究

衛利軍，李 立，李 珣，武會芳

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 北京科技分公司，北京 100072)

平車主要用于運送鋼材、木材、汽車、機械設備、軍用裝備等體積或質量較大的貨物。為提高平車的經濟性和適用性，在平車兩側安裝一定高度的活動側門，以滿足礦石、沙土、石渣等散粒貨物以及接觸網線桿等材料的運輸要求。平車裝載散粒貨物時，需要將側門直立鎖固在平車上；在卸貨時，需將側門打開并翻落，且翻落后需限位以阻止其擺動侵入車輛限界內。國內帶側門的貨車主要是N17型平車，各型平車的側門結構除了高度不同外，鎖固結構和原理基本相同，都是在鎖閉位置以擋鐵作為鎖閉關鍵件實現側門的可靠鎖固。本文將以既有平車側門鎖固結構建立力學模型，對鎖固結構進行改進設計，以提高鎖固能力設計裕量，確保其運用安全可靠。

1 鎖固結構的組成及工作原理

側門鎖固結構主要由折頁座、折頁、擋鐵和銷軸組成(圖1)。折頁座固定在平車側梁上；折頁固定在側門上；擋鐵通過銷軸安裝在折頁和折頁座的凹形槽內，將側門與側梁連于一體。

圖1 側門鎖固結構及擋鐵幾何形狀示意圖

擋鐵是用于鎖固側門的關鍵零件，擋鐵沿著擋鐵長圓孔上下移動實現對側門的鎖固和解鎖。從圖1可以看出，擋鐵在自重作用下，沿著擋鐵長圓孔與銷軸配合面自然楔入折頁座斜面，直至擋鐵頭部與側門緊貼，擋鐵尾部與折頁座緊貼，此時擋鐵長圓孔與銷軸緊貼實現對平車側門的鎖固；解鎖時，需要克服擋鐵自重及其與銷軸、折頁和折頁座間的摩擦力才能將擋鐵提出折頁座凹形槽，此時擋鐵解除鎖固，側門可以打開并翻落。擋鐵除具有鎖閉功能外，還具有緩沖功能和限位功能。圖2為擋鐵的3個功能位：側門直立時鎖閉位、側門翻落時緩沖位、側門翻落后防擺限位。

圖2 擋鐵3個功能位

2 力學模型分析

建立側門鎖固結構力學模型，以鎖固結構中的擋鐵作為研究對象，進行鎖固能力裕量分析，以研究鎖固結構可靠性。

2.1 力平衡分析

在平車使用過程中，存在車上貨物對側門擠壓、沖撞等沿側門法向的作用力，該力通過側門整體鋼結構和折頁傳遞給擋鐵，同時擋鐵還受到銷軸和折頁座的反作用力，以及阻止擋鐵向上移動趨勢的靜摩擦力，圖3為擋鐵受力分析。

圖3 擋鐵受力分析

由圖3可得力平衡方程式：

F1+F3×cosβ=F2×cosα+f2×sinα+f3×sinβ

(1)

F2×sinα=G+f1+f2×cosα+f3×cosβ+F3×sinβ

(2)

F1×L1=F3×L2+f1×L3+f3×L4+f2×R+G×L5

(3)

f1=μF1

(4)

f2=μF2

(5)

f3=μF3

(6)

式中：F1、F2、F3——分別為側門受力傳導給擋鐵的水平方向正壓力、銷軸對擋鐵的正壓力和折頁座對擋鐵的正壓力，N；

f1、f2、f3——分別為F1、F2、F3引起的靜摩擦力，N；

μ——摩擦副表面摩擦因數(鋼與鋼之間)，一般取值0.15；

L1——F1對銷軸中心點的力臂，取值170 mm；

L2——F3對銷軸中心點的力臂，取值60 mm；

L3——f1對銷軸中心點的力臂，力作用線通過銷軸，取值0；

L4——f3對銷軸中心點的力臂，取值54 mm；

L5——擋鐵重心對銷軸中心點的力臂，力作用線通過銷軸，取值0 ；

R——銷軸半徑，取值16 mm；

α——F2與水平方向夾角，取值27°；

β——F3與水平方向夾角，取值10°；

G——擋鐵自重，取值38 N。

由側門水平方向受力F和F1力矩平衡可得方程(側門重力作用線和f1作用線通過銷軸，力矩忽略)：

F1×L1=F×L

(7)

式中：L——F對銷軸中心點的力臂，依圖樣取值263.5 mm；

將各參數帶入式(1)～(7)可得：F=135 N，側門可承受最大水平力為135 N，鎖固能力裕量較小。

2.2 F值影響因素分析

由上述靜力平衡方程式可知，影響F大小的因素主要有α、β和μ。以這些影響因素作為變量，分別對側門可承受最大力F進行計算，結果見表1。

表1 α、β和μ作為變量時側門水平方向受力F最大值

由表1可知，α、β作為變量對側門承受的F最大值有改善，但受折頁座及擋鐵結構限制，角度難以變化；以摩擦副的摩擦因數μ為變量時，對F最大值的影響最為敏感，當表面摩擦因數超過0.17后，鎖固結構達到絕對可靠。由于擋鐵接觸面摩擦副經常在較短時間內磨損，接觸面趨于光滑，摩擦阻力衰減，影響鎖固結構的可靠性，所以有必要提高鎖固能力的安全裕量。

由圖3受力分析可知，擋鐵受F2在垂直方向的向上分力是唯一影響鎖固能力的力，因此需要減小F2向上分力或增加反作用力。

3 改進方案

通過把擋鐵與折頁接觸面由立面改變為斜面，即將F1由水平方向改變為斜面向下方向，以增加垂向向下作用力，如圖4所示。

圖4 改進方案受力分析

由圖4可得改進方案靜力平衡方程式：

F1×cosθ+F3×cosβ=F2×cosα+f2×sinα+
f3×sinβ+f1×sinθ

(8)

F2×sinα=G+F1×sinθ+f1×cosθ+f2×cosα+
f3×cosβ+F3×sinβ

(9)

F1×L11=F3×L2+f1×L12+
f3×L4+f2×R+G×L13

(10)

式中：L11——改進方案斜面受力F1對銷軸中心點的力臂，取值160 mm；

L12——改進方案斜面摩擦力f1對銷軸中心點的力臂，取值77 mm；

L13——改進方案擋鐵重心對銷軸中心點的力臂，取值1 mm；

θ——F1與水平方向夾角，改進方案取值20°。

根據式(8)～(10)計算可得：F2=-605 N，表明擋鐵在無主動施加向上外力而移動的情況下鎖固結構仍可靠。

4 結束語

本文通過對鎖固結構中的擋鐵進行力學分析，將折頁和擋鐵的接觸面從現有直立結構改變為帶20°斜角的方案是可行的。