轨道车辆转向架翻转机的设计研究

李 昊 刘凯坤

沈阳地铁集团有限公司运营分公司

1、翻转机的国内发展现状

翻转机在近几年已成为国内制造装备行业的一种必不可少的生产、制造和加工的辅助机械。在汽车、冶金、核电等许多行业都有所应用，一般涉及大型零部件的装配、焊接等生产制造工序的工厂均对翻转机有需求和应用。随着各行业技术的发展进步，以及工厂对高效率和自动化趋势的契合，国内市场设计开发的翻转机类型有十余个，规格近百种。

2、转向架翻转机的设计

本文设计的翻转机的整体结构如图1(为方便表现，省去了其中一个小齿轮箱)所示，主要包括动力与传动系统、翻转执行机构、锁止装置、蓄能缓冲装置以及电控系统。

图1转向架翻转机总体结构图

2.1 翻转机的工作原理

启动开关，蓄能缓冲装置释放弹簧的势能推动滑块，锁止杆在对心滑块机构的推动下翻转180度与翻转架锁合形成闭合框架。与此同时触动行程开关1，行程开关1发送信号使电机启动，电机动力通过减速传动机构由大齿轮通过螺杆连接带动翻转架，进而带动工件和锁止杆整体逆时针翻转，直到翻转至180度之时，锁止杆与工作台贴合处于一个状态(此时蓄能装置的弹簧已被压缩完毕，蓄能完成)，同时触发行程开关2，发送信号使电机反转(在此前翻转架带动工件翻转175度至180度的过程中，自动锁已渐渐打开并保持打开的状态)进而大齿轮带动翻转架顺时针旋转180度回至最初位置触发行程开关，使电机停止。一次完整的翻转过程完成，等待下一次的放置工件和翻转。

2.2 翻转机的动力与传动系统

此翻转机的动力传动系统包括电机和减速器。动力传动系统的作用是提供给翻转架足够的力矩，使翻转架能完成正转和反转。另外，传动部分的蜗轮蜗杆具有自有自锁能力，使翻转架的正转和反转均有自锁能力。

本文所设计的翻转机采用的电机是永磁同步电机，因为待翻转的工件有很大的重量和尺寸，需提供给翻转架很大的转矩。另外翻转机在翻转过程中要求速度平稳，而工件在翻转的过程中负载不断变化。因此本文选用机械特性较硬的永磁同步电机，带有制动装置，因此电机的停止会十分迅速。选用永磁同步电机能保持恒速，因此只需要控制电机的启停和正反转即可，所以对电机的控制也变得相对简单。

3、转向架翻转机分析

3.1 大齿轮的受力分析

大齿轮主要有三个受力区域：大齿轮与小齿轮啮合齿面受到小齿轮的接触力，大齿轮端面的螺孔受到螺杆的挤压力，大齿轮的中心区域受到轴的支撑力。对大齿轮的力学模型进行简化，在翻转的过程中，可建立如下方程。

F1·l1=F2·d=G·l2cosθ

其中l1为中心螺孔至翻转中心的距离，d为大齿轮的分度圆直径，F1、F2分别为等效螺孔点的受力和大小齿轮啮合处的受力。G为工件与翻转架的总重力的一半(因为此处分析单边齿轮的受力)。l2为工件与翻转架整体的重心到翻转中心的距离，θ为整体重心与翻转中心O的连线与水平线夹角。在翻转过程中l1、l2和d为定值，由公式可知，F1、F2成正比，且cosθ最大时，F1、F2最大。因此可求得F1、F2的最大值分别为19045N、11760N。

在翻转的过程中，小齿轮施加于大齿轮的啮合力的作用力和大小一直在变化，端面的受力螺孔的受力方向在翻转90度左右后发生变化。可见大齿轮在翻转180度的过程中受力状态复杂多变，这意味着大齿轮并不一定在受到的小齿轮和螺杆的力为最大时为最危险状态。因此还需对可能的危险状态下的大齿轮进行有限元应变和应力分析。

3.2 模态分析

翻转机整机的模态分析不仅跟各组成零件的模态有联系，更与各个组成部分的连接方式有关联。如果在翻转机正常工作时引起共振现象，则很可能会导致翻转机在运行时工件破坏翻转架而滑落，也有可能造成动力系统的损坏，总之，若发生共振，不仅会造成翻转机的损坏而且有可能造成安全事故。为了避免翻转机在实际运行时共振现象的发生，必须对翻转机整机进行模态分析以得出翻转机的整机固有频率。

对翻转机进行模态分析主要有两个目的：一是测得整机的固有频率，使具体工况的频率与其避开，或者为改变整机和部分关键零件的结构和频率而提供依据，总之是为了避免翻转机在具体工作时发生共振现象；二是可以得出翻转机的动态特性。

总之，目前，高铁技术快速地发展和普及，对于人们生活甚至国家战略都有举足轻重的地位。而高铁的转向架在焊接加工过程中需多次翻转但目前的翻转方式粗陋、效率低下。能设计一种满足功能需求的自动翻转机，将对工厂的加工效率有很好的提升，对高铁行业有积极的意义和应用价值，因此需要重点加强研究。

[1]李海龙.大工件翻转设备翻转过程力学分析及180度翻转机方案设计[D].燕山大学，2014.