平车侧门锁固结构改进研究

卫利军，李 立，李 珣，武会芳

(中车齐齐哈尔车辆有限公司 北京科技分公司，北京 100072)

平车主要用于运送钢材、木材、汽车、机械设备、军用装备等体积或质量较大的货物。为提高平车的经济性和适用性，在平车两侧安装一定高度的活动侧门，以满足矿石、沙土、石渣等散粒货物以及接触网线杆等材料的运输要求。平车装载散粒货物时，需要将侧门直立锁固在平车上；在卸货时，需将侧门打开并翻落，且翻落后需限位以阻止其摆动侵入车辆限界内。国内带侧门的货车主要是N17型平车，各型平车的侧门结构除了高度不同外，锁固结构和原理基本相同，都是在锁闭位置以挡铁作为锁闭关键件实现侧门的可靠锁固。本文将以既有平车侧门锁固结构建立力学模型，对锁固结构进行改进设计，以提高锁固能力设计裕量，确保其运用安全可靠。

1 锁固结构的组成及工作原理

侧门锁固结构主要由折页座、折页、挡铁和销轴组成(图1)。折页座固定在平车侧梁上；折页固定在侧门上；挡铁通过销轴安装在折页和折页座的凹形槽内，将侧门与侧梁连于一体。

图1 侧门锁固结构及挡铁几何形状示意图

挡铁是用于锁固侧门的关键零件，挡铁沿着挡铁长圆孔上下移动实现对侧门的锁固和解锁。从图1可以看出，挡铁在自重作用下，沿着挡铁长圆孔与销轴配合面自然楔入折页座斜面，直至挡铁头部与侧门紧贴，挡铁尾部与折页座紧贴，此时挡铁长圆孔与销轴紧贴实现对平车侧门的锁固；解锁时，需要克服挡铁自重及其与销轴、折页和折页座间的摩擦力才能将挡铁提出折页座凹形槽，此时挡铁解除锁固，侧门可以打开并翻落。挡铁除具有锁闭功能外，还具有缓冲功能和限位功能。图2为挡铁的3个功能位：侧门直立时锁闭位、侧门翻落时缓冲位、侧门翻落后防摆限位。

图2 挡铁3个功能位

2 力学模型分析

建立侧门锁固结构力学模型，以锁固结构中的挡铁作为研究对象，进行锁固能力裕量分析，以研究锁固结构可靠性。

2.1 力平衡分析

在平车使用过程中，存在车上货物对侧门挤压、冲撞等沿侧门法向的作用力，该力通过侧门整体钢结构和折页传递给挡铁，同时挡铁还受到销轴和折页座的反作用力，以及阻止挡铁向上移动趋势的静摩擦力，图3为挡铁受力分析。

图3 挡铁受力分析

由图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——分别为侧门受力传导给挡铁的水平方向正压力、销轴对挡铁的正压力和折页座对挡铁的正压力，N；

f1、f2、f3——分别为F1、F2、F3引起的静摩擦力，N；

μ——摩擦副表面摩擦因数(钢与钢之间)，一般取值0.15；

L1——F1对销轴中心点的力臂，取值170 mm；

L2——F3对销轴中心点的力臂，取值60 mm；

L3——f1对销轴中心点的力臂，力作用线通过销轴，取值0；

L4——f3对销轴中心点的力臂，取值54 mm；

L5——挡铁重心对销轴中心点的力臂，力作用线通过销轴，取值0 ；

R——销轴半径，取值16 mm；

α——F2与水平方向夹角，取值27°；

β——F3与水平方向夹角，取值10°；

G——挡铁自重，取值38 N。

由侧门水平方向受力F和F1力矩平衡可得方程(侧门重力作用线和f1作用线通过销轴，力矩忽略)：

F1×L1=F×L

(7)

式中：L——F对销轴中心点的力臂，依图样取值263.5 mm；

将各参数带入式(1)～(7)可得：F=135 N，侧门可承受最大水平力为135 N，锁固能力裕量较小。

2.2 F值影响因素分析

由上述静力平衡方程式可知，影响F大小的因素主要有α、β和μ。以这些影响因素作为变量，分别对侧门可承受最大力F进行计算，结果见表1。

表1 α、β和μ作为变量时侧门水平方向受力F最大值

由表1可知，α、β作为变量对侧门承受的F最大值有改善，但受折页座及挡铁结构限制，角度难以变化；以摩擦副的摩擦因数μ为变量时，对F最大值的影响最为敏感，当表面摩擦因数超过0.17后，锁固结构达到绝对可靠。由于挡铁接触面摩擦副经常在较短时间内磨损，接触面趋于光滑，摩擦阻力衰减，影响锁固结构的可靠性，所以有必要提高锁固能力的安全裕量。

由图3受力分析可知，挡铁受F2在垂直方向的向上分力是唯一影响锁固能力的力，因此需要减小F2向上分力或增加反作用力。

3 改进方案

通过把挡铁与折页接触面由立面改变为斜面，即将F1由水平方向改变为斜面向下方向，以增加垂向向下作用力，如图4所示。

图4 改进方案受力分析

由图4可得改进方案静力平衡方程式：

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——改进方案斜面受力F1对销轴中心点的力臂，取值160 mm；

L12——改进方案斜面摩擦力f1对销轴中心点的力臂，取值77 mm；

L13——改进方案挡铁重心对销轴中心点的力臂，取值1 mm；

θ——F1与水平方向夹角，改进方案取值20°。

根据式(8)～(10)计算可得：F2=-605 N，表明挡铁在无主动施加向上外力而移动的情况下锁固结构仍可靠。

4 结束语

本文通过对锁固结构中的挡铁进行力学分析，将折页和挡铁的接触面从现有直立结构改变为带20°斜角的方案是可行的。