地铁车辆落车旋转顶升设备设计及分析

摘要：地铁车辆转向架回装过程中，需要将复合弹簧顶入牵引梁内，以保证中心销与牵引梁的密切贴合。由于地铁车辆牵引梁与中心销安装座之间未设置垂向止挡，所以在顶升复合弹簧过程中，牵引梁会随着复合弹簧一同上升，无法顺利的将复合弹簧顶入牵引梁内，本文设计了一款旋转顶升设备用来防止牵引梁跟随复合弹簧上升，该设备结构简单、操作方便，可以降低复合弹簧顶升工作的劳动强度，最后利用Solidworks建立其三维结构模型。

关键词：复合弹簧；牵引梁

1 绪论

在车辆落车过程中，如果没有垂向止挡，牵引梁会随着复合弹簧的顶升而跟随上升，达不到将复合弹簧顶入牵引梁使其与中心销密切贴合的效果，如果将固定长度的支撑体放置在中心销安装座与牵引梁之间，则在复合弹簧顶升完毕后，由于复合弹簧挤压变形，中心销安装座与牵引梁会将支撑体紧紧夹住，造成支撑体难以取出[1]。而牵引梁与中心销之间空间较为狭小，其他可升降设备的尺寸又难以满足要求，其价格又过高。基于此种情况本文设计了一款旋转顶升设备。

2 设计及分析

旋转顶升设备的原理主要借鉴丝杠螺母传动，结构主要包含旋转支撑体、旋转体、单向推力棍子轴承、防护罩四部分。旋转支撑体主要用来与牵引梁接触，直接承担载荷，旋转体主要提供设备升降，单向推力球轴承主要用来承担作用力及改变运动方式，防护罩主要用来防止推力轴承分离。

（1）设计条件。

根据地铁车辆目前情况，动车整体重量约35t，拖车整体重量约30t，动车转向架重量约6.9t，拖车转向架重量约4.6t，所以动车车体重量约为22t，拖车车体重量约为21t，考虑旋转顶升设备的通用性，将车体重量考虑为22t，则每个转向架承载的重量约为11t。为保证顶升过程的平衡性和提高设备的可靠性，落车过程中每个转向架采用2套旋转顶升设备。每套设备分担的重量为5.5t，选取6t。牵引梁与中心销之间的垂直工作距离L1约为80cm，牵引梁与构架两侧附加气室的水平距离L2约为80cm。

综上所述，旋转顶升设备的最小承载力大于等于6t，最大尺寸小于等于80cm3。

（2）设计计算。

根据实际情况，将设备设计为螺旋传动，支撑体的材质为45号钢，回火处理，旋转体材质为青铜，牙型为梯形螺纹[2]。

a.支撑体螺纹中径：

d2≥0.8FΨρp（1）

查表得螺纹副许用压强ρp为20MPa，旋转体采用整体式，Ψ=2，将数据带入公式（1）可得：d2≥21.9mm。查梯型螺纹基本尺寸表，选取d2=31mm，螺距P=10mm。

b.旋转体高度：

H=Ψd2（2）

将数据代入公式（2）可得：H=62mm，考虑空间限制，将旋转体高度：H=40mm。

c.旋合圈数：

n=Hp≤10～12（3）

将旋转体高度、螺距代入公式（3）可得：旋合圈数，n=4圈。

d.基本牙型高度：

H1=0.5P（4）

将螺距代入公式（4）可得：基本牙型高度，H1=5

e.工作压强计算：

ρ=Fπd2H1n≤ρp（5）

将轴向作用力、螺纹中径、基本牙型高、旋合圈数代入公式（5）可得：工作压强ρ=15.04MPa，因此ρ<ρp，满足要求。

f.螺纹牙根部宽度：

b=0.65P（6）

将螺距代入公式（6）可得：螺纹牙根部宽度，b=6.5。

g.螺纹强度校核。

支撑体螺纹强度校核

τ=Fπd3bn≤τpσb=3FH1πd3b2n≤σbp（7）

查机械设计手册可得τp=35.4MPa，σbp=59MPa将上述计算所得到的数据代入公式（7）可得τ=14.69MPa，σb=33.92MPa，因此τ<τp，σb<σbp满足要求。

旋转体螺纹强度校核

τ=FπD4bn≤τ′pσb=3FH1πD4b2n≤σ′bP（8）

查机械设计手册可得τ′p=35Mpa，σ′bP=50MPa，将上述计算所得到的数据代入公式（8）可得τ=13.6MPa，σb=31.4MPa，因此τ<τ′p，σb<σ′bp，满足要求。

h.旋转支撑体受压稳定性

45号钢临界载荷，a=461MPa，B=2.568MPa，λ1=100，λ2=60

λ=μli（9）

查机械设计手册可得旋转支撑体长度系数为μ=2，工作长度为l=60mm，危险截面半径i=d34=254=6.25，将数据代入公式（9）可得：旋转支撑体柔度为，λ=19.2。

由于λ<λ2，所以小柔度可以不进行压杆稳定性验算。

（3）底座尺寸。

底座主要由单向推力球轴承构成，由于推力轴承在本设备中主要承受压力，在选取轴承时，主要选取其结构尺寸及承载载荷，根据机械设计手册单向推力球轴承参数表及设备旋转体尺寸，选取轴承内径为40mm，12系列的单向推力球轴承。

3 三维模型建立

利用Solidworks分别建立支撑体、旋转体、底座、防护罩三维模型，并对其进行装配[3]，旋转顶升设备底座的尺寸根据牵引梁的宽度和单向推力球轴承国标来选取，满足每个牵引梁可以存放两个旋转支撑体，旋转体和支撑体尺寸根据上述计算进行确定；旋转体满足安装单向推力球轴承的安装、预留扳手操作空间及上述计算进行确定。

4 结论

本文通过设计一款结构简单，价格低廉，易于加工的旋转顶升设备，满足了落车时复合弹簧顶升过程中的工艺要求，最后利用Solidworks建立其三维结构模型。

参考文献：

[1]宴红文，郭红锋.新型地铁车辆转向架研究[J].机车电传动，2006（2）：3639.

[2]成大先，王德夫，姬奎生.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]谷德桥，张潇文，刘海见.Solidworks2011中文版快速入门实例教程[M].北京：机械工业出版社，2011.

作者簡介：赵昆志（1990），男，现就职于天津市地下铁道运营有限公司，研究方向：车辆架大修检修工艺。