轮对压装机扩能设计及挡板有限元分析

乔砚斌，王廷和，张善彬，童 伟

QIAO Yan-bin, WANG Ting-he, ZHANG Shan-bin, TONG Wei

（青岛理工大学 机械工程学院，青岛 266033）

0 引言

我国铁路新线建设十二五规划发展目标每年增加8,000公里，一线、二线城市大力发展地铁、轻轨交通，中国动车、地铁走出国门，各机车、车辆制造厂商扩大产能势在必行。轮对作为机车、车辆的关键运行部件，其制造能力制约整个机车、车辆制造进度，原有轮对压装设备采用天津YA92-315A轮对压装机如图1所示，压装时，将轮对安装在托举小车上，轮对升降需要人工转动底部螺杆，小车带着轮对沿着导轨移动至车轮与马鞍挡板完全贴合，活塞杆伸出与轴左端接触时开始压装，活塞杆推动轴右移，压装至准确位置，活塞杆后退，压装完毕。该压装机功能单一，只能实现轮对压装，且小车只能在与压装机的轴线平行的导轨上移动，不能实现将轮对移除至压装机外侧的位置，即安装时只能在压装机的顶部实现吊装，操作空间狭小，不能实现高效生产，不能满足快速增长的机车车辆市场需求，因此增加设备拆卸功能，拓展作业空间，提高生产率势在必行。本文在研究、分析传统压装设备的基础上，提出了轮对压装机扩能设计方案。

图1 YA92-315A压装机

1 总体方案设计

带齿轮箱及刹车盘的轮对最大重量为1.5吨左右，选取SWL5系列减速比为1∶24的蜗轮螺杆升降机，采用带刹车功能的1.5kW伺服电机，保证两个举升机构同时升降的联动功能要求及单个举升机构点动0.2mm的精度要求；支撑部分采用箱型梁结构，小车随动选用EGW30SB台湾上银的线性导轨；整车移动选用0.55kW带刹车的三相异步电机，FA67斜齿轮减速器直接与动力轴连接，带动小车以5m/min的速度沿着导轨移动，地面支撑导轨采用22kg/m的轻型导轨，设计电器联动及互锁装置，扩能设计方案原理如图2所示。

图2 扩能后的YA92-315A压装机

2 马鞍挡板的设计及有限元分析

增加设备的拆卸功能，就需要在靠近油缸侧增加马鞍挡板，使用时马鞍挡板固定不动，活塞杆伸出与轴左端贴合后，推动轮对沿着直线导轨右移，轮对内侧面与马鞍挡板左侧面接触时，拆卸开始，油缸继续推动轴右移，轮对与轴颈开始脱离，直至轮对完全脱离轴颈，压装过程结束。

为保证马鞍挡板有足够的强度、刚度，理想的受力模型应设计为等刚度的两侧纺锥形，由于纺锥形两端厚度尺寸小，刚度严重不足，更改为等厚度板类形状，由于轮对的轮子与齿轮箱间隙较小约200mm左右，为保证小车横向进出时轮对和齿轮箱与马鞍挡板不发生碰撞干涉，要求设计时，力求将马鞍挡板的厚度优化至最佳值。

马鞍挡板（如图3所示）采用42CrMoA中碳合金钢。42CrMoA的弹性模量E为2.1×1011Pa，泊松比μ为0.28，密度ρ为7850Kg/m3，屈服极限σs为930MPa。为保证足够的强度和韧性，毛坯采用自由锻造，粗加工后进行调质的热处理要求。提高材料的综合性能，精加工后进行探伤检查。

图3 马鞍挡板

YA92-315A型压装机最大压装力为3150kN吨，实际最大压装力2800kN，设计、计算时按照3000kN设计，采用ABAQUS分析软件，厚度分别取120mm，130mm两种规格进行应力及变形的有限元分析。

1）厚度120mm，应力及变形的有限元分析结果图4、图5所示。

图4 应力云图σmax= 634.2Mpa

图5 变形云图umax=1.209mm

安全因数ns=1.5，材料的许用应力[σ]= σs/ns=930/1.5=620MPa。

厚度为120mm时最大应力为： 最大应力σmax= 634.2Mpa ＞[σ] =620MPa。

2）厚度130mm，应力及变形的有限元分析结果如图6、图7所示。

图6 应力云图σmax= 583.6Mpa

图7 变形云图umax=1.022mm

安全因数ns=1.5，材料的许用应力[σ]= σs/ns=930/1.5=620MPa。

厚度为130mm时最大应力为：最大应力σmax= 583.6Mpa＜[σ] =620MPa。

综上所述，厚度为120mm时，最大应力大于材料的许用应力，为防止材料变形后不能完全恢复至原位，不予选取；厚度为130mm时，最大应力小于材料的许用应力，故强度足够，最大变形量1.022mm出现在局部点，不影响拆卸接触面积，且外力解除后，变形恢复至原位置，符合使用要求。

3 结束语

该设备扩能设计，结构紧凑，运载系统能够运动至设备外侧，拓展操作空间，提高生产率5倍以上，举升、运载小车采用电动，减轻劳动强度，马鞍挡板设计，增加设备的拆卸功能，挡板厚度优化设计，保证整车有较好的通过能力。

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