一種鐵路漏斗車底門開閉機(jī)構(gòu)受力及強(qiáng)度分析

陳雙喜

（成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610106）

鐵路漏斗車是一種散裝貨物（煤炭、糧食、熟料等）專用車輛，可固定編組、循環(huán)使用、定點(diǎn)裝卸，實(shí)現(xiàn)裝卸作業(yè)的自動(dòng)化［1］。漏斗車在國外發(fā)展較早，上世紀(jì)70年代，聯(lián)邦德國的燃煤電廠已經(jīng)廣泛采用煤炭漏斗車運(yùn)煤［2］。我國于上世紀(jì)70年代開始煤炭漏斗車的研制，定型為K18，但問題較多，隨后該型號(hào)漏斗車不斷改進(jìn)。2005年，中車太原機(jī)車車輛有限公司研制了新型KM70漏斗車。本世紀(jì)中車公 司 又開發(fā)了KM80、KM82、KM98、KM100等型號(hào)的漏斗車［3-4］。

底門開閉機(jī)構(gòu)是漏斗車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸貨的關(guān)鍵裝置。我國運(yùn)營的漏斗車目前采用2種底門開閉機(jī)構(gòu)，即“大刀式”開閉機(jī)構(gòu)和頂鎖式開閉機(jī)構(gòu)。這2種機(jī)構(gòu)在使用過程中暴露出可靠性較差的問題，如KM18煤炭漏斗車底門自動(dòng)開發(fā)故障，KM70煤炭漏斗車底門開度和鎖閉不良問題［5］。目前，國內(nèi)對(duì)底門開閉機(jī)構(gòu)的研究較少。大連交通大學(xué)的李培行、李文成對(duì)“大刀式”底門開閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，并運(yùn)用ADAMS軟件建立了模型，研究了該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠性［6-7］。

文中以目前國內(nèi)煤炭漏斗車大量使用的頂鎖式底門開閉機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，從該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)原理角度出發(fā)，建立力學(xué)方程組及矩陣求解方法、構(gòu)架強(qiáng)度校核方法，為該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供技術(shù)手段參考。

1 頂鎖式底門開閉機(jī)構(gòu)

目前我國運(yùn)用的KM70、KM80等系列煤炭漏斗車均采用了頂鎖式開閉機(jī)構(gòu)，如圖1、圖2所示。該機(jī)構(gòu)采用兩級(jí)傳動(dòng)，可同時(shí)開關(guān)兩側(cè)4個(gè)（或6個(gè)）底門，具有兩級(jí)鎖閉裝置。該種機(jī)構(gòu)的鎖體與底門銷接觸面為一圓弧面，機(jī)構(gòu)開門時(shí)只需克服鎖體與底門銷之間的滾動(dòng)摩擦力，鎖體不必壓縮底門即可轉(zhuǎn)出，使開啟底門所需的作用力較小，風(fēng)動(dòng)或手動(dòng)開關(guān)底門時(shí)，啟閉裝置傳動(dòng)平穩(wěn)、輕便、靈活。為了確保鎖閉可靠，防止鎖體在空車運(yùn)行時(shí)振動(dòng)自開，在兩級(jí)傳動(dòng)的上、下傳動(dòng)軸之間，設(shè)計(jì)了一個(gè)過死點(diǎn)才可以開啟的連桿組成，將下傳動(dòng)軸和鎖體鎖在指定的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，形成了二級(jí)鎖閉狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速卸車，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，裝有頂鎖式底門開閉機(jī)構(gòu)的漏斗車一般都設(shè)置了風(fēng)控裝置來控制底門的開閉，手動(dòng)開閉機(jī)構(gòu)作為一種輔助手段在無風(fēng)源的情況下使用。

圖1 頂鎖式底門開閉機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 上、下部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡及力學(xué)模型

2.1 運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法

該底門開閉機(jī)構(gòu)的上部四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示，設(shè)定下部傳動(dòng)軸中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，則上部輸入軸中心坐標(biāo)點(diǎn)O′；O點(diǎn)到上曲拐鉸點(diǎn)A距離為La；上下曲拐通過連桿為一個(gè)整體，其下端點(diǎn)B，A點(diǎn) 到B點(diǎn) 距 離為Lb；點(diǎn)B到 下 部傳 動(dòng)軸 距離為Lc。設(shè)桿O′A與水平軸角度為α，桿OB與水平軸角度為β，則點(diǎn)A、點(diǎn)B的坐標(biāo)分別為式（1）、式（2）：

圖3 上部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力圖

下部左側(cè)四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4、圖5所示。設(shè)雙聯(lián)桿OC長度為Ld，與水平軸角度為γ；鎖體點(diǎn)F到點(diǎn)D長度為Lf，與水平軸角度為θ，則點(diǎn)C、點(diǎn)D的坐標(biāo)分別為式（4）、式（5）：

圖4 下部雙聯(lián)杠桿尺寸與受力圖

圖5 左鎖體受力示意圖

左側(cè)底門頂桿長度為式（6）：

下部右側(cè)四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖6所示。設(shè)雙聯(lián)桿OF長度為Lg=Ld；右鎖體點(diǎn)G到點(diǎn)H長度為Li，與水平軸角度為φ，則點(diǎn)F、點(diǎn)G的坐標(biāo)分別為

圖6 右鎖體受力示意圖

式（7）、式（8）：

右側(cè)底門頂桿長度為式（9）：

若已知上下傳動(dòng)軸中心O′、O坐標(biāo)，鎖體旋轉(zhuǎn)中心E、H坐標(biāo)，3個(gè)四桿機(jī)構(gòu)各個(gè)桿的長度La、Lb、Ld、Le、Lf、Lg、Lh、Li。通過設(shè)定桿O′A角度α，雙杠桿水平角γ，則可根據(jù)方程（3）、（6）、（9）求解出整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.2 力學(xué)分析模型及計(jì)算方法

根據(jù)理論力學(xué)的受力平衡和力矩平衡原理，列出下部左側(cè)機(jī)構(gòu)部件的靜力學(xué)方程如下。左右鎖體承受的外力為底門銷的壓力P1、P2，該壓力方向在理論上通過鎖體旋轉(zhuǎn)中心。

下部傳動(dòng)軸聯(lián)桿Ld受力方程為式（10）：

左側(cè)頂桿Le受力方程式（11）：

左側(cè)底門鎖體Lf受力方程式（12）：

式中：xsp1、ysp1分別為底門銷壓力作用點(diǎn)位置坐標(biāo)；P1X、P1Y鎖體受到的外力為底門銷傳遞的壓力在x、y軸的分量。

將式（10）～式（12）方程組改為矩陣形式為式（13）：

同理，上部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)力平衡矩陣為式（14）：

需首先求解下部矩陣式（13），得到雙聯(lián)杠桿受力（矩）數(shù)值，然后帶入矩陣式（14）可求解輸入扭矩及各個(gè)鉸接點(diǎn)的受力。

3 算例與結(jié)果分析

已知底門開閉機(jī)構(gòu)固定在車體上的鉸接點(diǎn)O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；上部傳動(dòng)軸中心坐標(biāo)：xO′=-50，yO′=2 457；左側(cè) 鎖 體 旋 轉(zhuǎn)中 心坐 標(biāo)：xE=-1 306，yE=505；左側(cè)鎖體旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)：xH=-1 690，yH=50。各個(gè)連桿長度分別為：La=180 mm，Lb=847 mm，Lc=180 mm，Ld=160 mm，Le=1 348 mm，Lf=188 mm，Lg=160 mm，Lh=1 733 mm，Li=188 mm。然后根據(jù)前述第2節(jié)公式可計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡和受力情況。對(duì)于散裝顆粒貨物對(duì)側(cè)墻、端墻、漏斗脊背、底門等車體鋼結(jié)構(gòu)的壓力計(jì)算，國內(nèi)外都有相關(guān)研究［8-13］。而漏斗承受動(dòng)壓力的計(jì)算通常采用離散單元法建立散粒體仿真模型求解，但過于復(fù)雜且計(jì)算成本高。為簡化計(jì)算，本研究根據(jù)GB 5007-2003計(jì)算底門單位面積上的法向壓力。漏斗車內(nèi)煤炭密度γ=13 kN/m3，內(nèi)摩擦角α=53°，摩擦系數(shù)0.35，漏斗底部距車頂高度s=3.5 m，動(dòng)態(tài)放大系數(shù)γq=1.3，則底門受到法向壓力計(jì)算公式為式（16）：

底門長度2.8 m，寬度0.8 m，可計(jì)算出底門銷作用在鎖體上的力P1、P2。

3.1 運(yùn)動(dòng)軌跡

設(shè)定驅(qū)動(dòng)桿La的初始角度α=80°，下部傳動(dòng)軸雙杠桿初始角度γ=8°，則下曲拐Lc的角度β、左鎖體Lf轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ、左鎖體Li轉(zhuǎn)動(dòng)角度Φ隨上曲柄La角度α的變化曲線如圖7所示。底門完全打開 過 程 中，α從80°增 加 到241°；β角 從122°增 加 到262°，γ角從8°增加到148°，θ角從48°增加到160°，Φ角從132°變化到28°。由于下曲柄和雙聯(lián)杠桿在連接在下部傳動(dòng)軸上，因此β角和γ角的變化趨勢相同，且變化量是一樣的。左側(cè)鎖體θ角增加的同時(shí)右側(cè)鎖體Φ角減小，直到底門完全打開。

圖7 機(jī)構(gòu)部件角度變化曲線

3.2 受力分析

底門開閉機(jī)構(gòu)在緩慢開啟過程中，機(jī)構(gòu)的輸入扭矩與阻力矩隨上曲拐角度變化如圖8所示。當(dāng)角度小于87°時(shí)，由于機(jī)構(gòu)的自鎖功能，需要初始啟動(dòng)力矩才能轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄。隨著角度增大，所需的啟動(dòng)力矩逐漸減小。當(dāng)上曲拐La角度α大于86°后，所需扭矩小于零，表示整個(gè)機(jī)構(gòu)不再需要外力矩即可完成底門打開運(yùn)動(dòng)。可以看出，只需要轉(zhuǎn)動(dòng)上曲拐7°，即可克服該機(jī)構(gòu)鎖死狀態(tài)時(shí)刻的阻力矩，打開車體的底門。還可以看出，漏斗車滿載工況下底門承受阻力矩很大，但打開底門所需的驅(qū)動(dòng)力矩比阻力矩要小的多。

圖8 機(jī)構(gòu)阻力矩與驅(qū)動(dòng)力矩曲線

典型的機(jī)構(gòu)構(gòu)件受力絕對(duì)值隨上曲拐角度變化曲線如圖9所示。上曲拐La、頂桿Le和頂桿Lh受力隨角度α增加而增大，上曲拐受力甚至大于下部的左右兩側(cè)的頂桿。

圖9 機(jī)構(gòu)部件受力變化曲線

3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

常用的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析方法有2種：一是在有限元軟件里面建立完整的機(jī)構(gòu)模型；二是在剛體動(dòng)力學(xué)軟件中建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型［14-15］。第一種方法對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較高，如果機(jī)構(gòu)復(fù)雜，模型網(wǎng)格數(shù)量非常巨大。第二種方法只對(duì)關(guān)心的部件建立有限元模型，其他部件假定為剛體，能大幅降低計(jì)算成本。本研究采用另外一種更為簡便的方法：建立單個(gè)零部件的有限元模型，從力學(xué)方程組得到機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)的支反力（矩），根據(jù)作用力與反作用力原理，將該支反力（矩）作為載荷條件輸入模型。計(jì)算結(jié)果與前2種方法一致。典型的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10所示，在初始最大扭矩作用下，下曲拐Lc最大應(yīng)力83.8 MPa，位置在曲拐根部。

圖10 下曲拐Lc應(yīng)力云圖

整個(gè)機(jī)構(gòu)各個(gè)部件的應(yīng)力和安全系數(shù)見表1，可以看出曲拐連桿Lb和下部左側(cè)頂桿Le應(yīng)力超過180 MPa，安全系數(shù)低，分別為1.2、1.3，是整個(gè)機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

表1 機(jī)構(gòu)部件應(yīng)力及安全系數(shù)

4 結(jié)論

本研究對(duì)鐵路漏斗車頂鎖式底門開閉機(jī)構(gòu)各部件的空間幾何關(guān)系進(jìn)行分析，建立關(guān)鍵鉸接點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡函數(shù)方程組；求解方程組，獲得曲拐、雙聯(lián)杠桿、底部傳動(dòng)軸、鎖體等關(guān)鍵部件的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、鉸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)理論力學(xué)的受力平衡和力矩平衡原理，列出下部左側(cè)、右側(cè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和上部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力學(xué)方程組。首先求解下部左、右兩側(cè)機(jī)構(gòu)力學(xué)方程矩陣，得到雙聯(lián)杠桿受力（矩），然后帶入上部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)力學(xué)方程矩陣，得到輸入扭矩及各個(gè)鉸接點(diǎn)的受力隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化情況。建立關(guān)鍵零部件的有限元模型，根據(jù)作用力與反作用力原理，將從力學(xué)方程組得到的鉸接點(diǎn)支反力（矩）作為載荷條件，計(jì)算得到關(guān)鍵部件的應(yīng)力、應(yīng)變及安全系數(shù)。通過對(duì)典型算例分析，得到如下結(jié)論：

（1）給出的計(jì)算方法能有效地對(duì)底門開閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)分析，可用于指導(dǎo)頂鎖式底門開閉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（2）曲拐連桿和下部頂桿是頂鎖式底門開閉機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度薄弱點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注，可有針對(duì)性地對(duì)該機(jī)構(gòu)薄弱點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)。