姜云海

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心,266111,青島∥工程師)

城軌車輛客室側(cè)頂板氣動(dòng)撐桿的設(shè)計(jì)

姜云海

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心,266111,青島∥工程師)

作為客室側(cè)頂板開閉的輔助裝置,氣動(dòng)撐桿在城軌車輛上的應(yīng)用越來越廣泛。然而,氣動(dòng)撐桿固定支點(diǎn)位置的確定和主要技術(shù)參數(shù)的選擇一直是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。從側(cè)頂板的開閉過程機(jī)理入手,通過力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,摸索出了氣動(dòng)撐桿的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,并通過輔助幾何建模和計(jì)算的方法,快速地確定出氣動(dòng)撐桿的固定支點(diǎn)位置和主要技術(shù)參數(shù)。通過設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

城軌車輛;側(cè)頂板;氣動(dòng)撐桿

Author's addressCSR Qingdao Sifany Locomotive and Roling Stock Co.Ltd.,266111,Qingdao,China

城軌車輛客室側(cè)頂板內(nèi)部一般都設(shè)置了側(cè)門機(jī)構(gòu)、電子地圖、揚(yáng)聲器、門控器等需要經(jīng)常檢修的設(shè)備。傳統(tǒng)側(cè)頂板設(shè)計(jì)中沒有設(shè)置氣動(dòng)撐桿,維修人員檢修時(shí),需要人工托住側(cè)頂板,勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低。近年來,氣動(dòng)撐桿以其操作輕便、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)成功運(yùn)用到客室側(cè)頂板上。由于氣動(dòng)撐桿能幫助側(cè)頂板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟和手動(dòng)關(guān)閉功能,因此,受到了越來越多城軌車輛用戶的青睞。然而,氣動(dòng)撐桿的固定支點(diǎn)位置及技術(shù)參數(shù)受設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)影響較大,用常規(guī)設(shè)計(jì)辦法很難把握。本文從力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面入手,通過分析計(jì)算,摸索一種快速確定氣動(dòng)撐桿支點(diǎn)固定位置和選擇主要技術(shù)參數(shù)的方法。

1 側(cè)頂板開閉過程機(jī)理

1.1 氣動(dòng)撐桿簡介

氣動(dòng)撐桿是一種可通過氣缸內(nèi)氣體體積的變化來控制活塞桿伸展和壓縮的設(shè)備,包括氣缸、活塞桿、端部接頭、密封件等部件。氣動(dòng)撐桿的結(jié)構(gòu)外形如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)撐桿結(jié)構(gòu)外形示意圖

1.2 側(cè)頂板自動(dòng)開啟機(jī)理

從運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)的角度分析,在不考慮摩擦力時(shí),側(cè)頂板只受到重力矩和氣動(dòng)撐桿的推力力矩作用。

·當(dāng)打開鎖閉機(jī)構(gòu)后,重力矩大于撐桿力矩,側(cè)頂板沿著重力矩的方向自動(dòng)開啟;

·當(dāng)側(cè)頂板開啟到一定角度后,重力矩變?yōu)榱?側(cè)頂板沿著撐桿力矩的方向繼續(xù)開啟;

·當(dāng)側(cè)頂板開啟到規(guī)定角度后,重力矩與撐桿力矩相等,但方向相反,側(cè)頂板停止繼續(xù)開啟。

1.3 側(cè)頂板手動(dòng)關(guān)閉機(jī)理

當(dāng)關(guān)閉側(cè)頂板時(shí),用手按壓提供關(guān)閉力矩,克服撐桿和重力共同作用產(chǎn)生的開啟力矩,側(cè)頂板逐漸關(guān)閉,達(dá)到鎖閉位后利用鎖閉機(jī)構(gòu)將側(cè)頂板進(jìn)行限位固定。

2 幾何位置對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)氣動(dòng)撐桿力矩的作用

根據(jù)側(cè)頂板的開閉過程機(jī)理和初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),可建立氣動(dòng)撐桿的受力分析模型(見圖2)。

圖2 氣動(dòng)撐桿受力分析模型

圖2中:

H——側(cè)頂板固定鉸接點(diǎn);

A——?dú)鈩?dòng)撐桿的安裝支點(diǎn);

B1——?dú)鈩?dòng)撐桿在側(cè)頂板上的安裝支點(diǎn);

B2——?dú)鈩?dòng)撐桿力矩零位;

B3——?dú)鈩?dòng)撐桿垂直位;

B5——?dú)鈩?dòng)撐桿規(guī)定最大開啟位;

α——H A與HB3的交角;

β——AB1(關(guān)閉位置)與 HB3的交角;

θ——側(cè)頂板開度角。

假設(shè)B4點(diǎn)是側(cè)頂板任意開啟位置時(shí)氣動(dòng)撐桿的受力位,φ為H A與HB4(開啟位置)之間的夾角,δ為HB1與 HB4(開啟位置)之間的夾角。

根據(jù)圖2及上述參數(shù)可計(jì)算出撐桿作用力臂及反作用力矩Mb。

假設(shè)H A=a,HB4=HB1=b,AB4=c,HD=d;則:

從式(3)可以看出,Mb是F 、a 、b、c、θ、α、β的函數(shù),變化關(guān)系比較復(fù)雜,必須根據(jù)其與重力力矩之間的相互約束關(guān)系來確定氣動(dòng)撐桿的固定位置。

3 幾何位置對(duì)重力矩作用

根據(jù)側(cè)頂板的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)要求的側(cè)頂板最大開啟角度θmax,可建立側(cè)頂板重力受力分析模型(見圖3)。

圖3中:

H——側(cè)頂板的轉(zhuǎn)軸位置;

C1——側(cè)頂板關(guān)閉位重心位置;

C3——重力矩零點(diǎn)位置;

C4——側(cè)頂板最大開啟位重心位置。

圖3 重力受力分析模型

假設(shè)C2是側(cè)頂板開啟任意幾何位置時(shí)的重心,根據(jù)圖3,可計(jì)算出重力產(chǎn)生的力矩Mc。

假設(shè)HC2=L,EC2=h,γ是側(cè)頂板轉(zhuǎn)軸位置H與C1、C3的交角,θ為側(cè)頂板轉(zhuǎn)軸位置 H 與C1、C2的交角。

則:

式中:

γ、L ——常數(shù);

θ——側(cè)頂板開度角,可隨側(cè)頂板的開閉變化(一般情況下,θ的取值范圍從0～90°)。

從式(4)可以看出,Mc是θ的函數(shù):在 θ的取值區(qū)間內(nèi),當(dāng) θ＜γ時(shí),Mc＞0,重力產(chǎn)生逆時(shí)針方向力矩;當(dāng) θ=γ時(shí),Mc=0,重力力矩為零;當(dāng) θ＞γ時(shí),Mc＜0,重力產(chǎn)生順時(shí)針方向力矩。

4 氣動(dòng)撐桿設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(1)剛打開側(cè)頂板鎖閉機(jī)構(gòu)時(shí),氣動(dòng)撐桿推力力矩不能阻礙側(cè)頂板開啟。打開鎖閉機(jī)構(gòu)后,側(cè)頂板在重力矩作用下可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟。此時(shí),氣動(dòng)撐桿的推力力矩不能大于重力產(chǎn)生的逆時(shí)針方向力矩;同時(shí),為了防止側(cè)頂板開啟力矩過大,盡量將氣動(dòng)撐桿的推力力矩設(shè)計(jì)成與重力矩相反的方向,即順時(shí)針方向。

(2)當(dāng)側(cè)頂板重力力矩減小為零時(shí),氣動(dòng)撐桿推力力矩應(yīng)產(chǎn)生開啟力矩。當(dāng)側(cè)頂板開啟到C3位置時(shí),重力力矩變?yōu)?,側(cè)頂板失去了開啟力矩。因此,為了保證側(cè)頂板繼續(xù)開啟,應(yīng)將該位置氣動(dòng)撐桿的推力力矩設(shè)計(jì)成開啟力矩,即逆時(shí)針方向力矩。

(3)氣動(dòng)撐桿推力力矩零點(diǎn)位置應(yīng)設(shè)計(jì)在HC1與HC3之間的區(qū)域。根據(jù)上述(1)、(2)分析可知,氣動(dòng)撐桿推力力矩從關(guān)閉位置到C3位置應(yīng)有一個(gè)方向變化,即從順時(shí)針方向變化為逆時(shí)針方向。

(4)當(dāng)重力力矩阻礙側(cè)頂板開啟時(shí),氣動(dòng)撐桿推力力矩應(yīng)大于重力力矩。在側(cè)頂板開啟位置超過重力矩零點(diǎn)位置C3之后,重力產(chǎn)生阻礙側(cè)頂板繼續(xù)開啟的力矩;為了保證其繼續(xù)開啟并達(dá)到規(guī)定的最大開啟角度,氣動(dòng)撐桿推力力矩必須大于重力力矩。

(5)氣動(dòng)撐桿推力力矩不能大于側(cè)頂板設(shè)計(jì)最大開度角度位置的重力矩。側(cè)頂板運(yùn)行到規(guī)定的最大開啟角度時(shí),需要保持靜態(tài)平衡。因此,氣動(dòng)撐桿推力力矩不能過大,否則會(huì)破壞側(cè)頂板。

5 氣動(dòng)撐桿固定位置的確定及參數(shù)核算

5.1 氣動(dòng)撐桿固定位置的確定

由于氣動(dòng)撐桿的主要功能是保證側(cè)頂板自動(dòng)開啟和定位,因此,不妨假設(shè)側(cè)頂板開啟方向力矩為正方向力矩,那么阻礙側(cè)頂板開啟方向的力矩就為負(fù)方向力矩。

根據(jù)上節(jié)(1)和式(3)可知,在側(cè)頂板關(guān)閉位置Mb＜0,即當(dāng) θ=0時(shí),β＞α;也就是說 HB1應(yīng)設(shè)計(jì)在 HA的左側(cè)。根據(jù)上節(jié)(1)和式(3)、(4)可知,在重力矩的零點(diǎn)位置,Mb＞0,Mc=0。即可得:當(dāng)θ=γ時(shí),β＜γ+α。

當(dāng)側(cè)頂板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,γ為常數(shù),因此可得:0＜α＜γ(α在HC1與 HC3之間的區(qū)域),α＜β＜γ+α。

根據(jù)上述分析,再結(jié)合側(cè)頂板具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和側(cè)門機(jī)構(gòu)空間關(guān)系,利用二分法和一定的假設(shè)即可將氣動(dòng)撐桿的固定位置A點(diǎn)和B點(diǎn)確定下來。

5.2 撐桿工作行程和推力計(jì)算

5.2.1 氣動(dòng)撐桿工作行程

氣動(dòng)撐桿工作行程是指氣動(dòng)撐桿活塞桿從伸展?fàn)顟B(tài)壓縮到最小安裝尺寸時(shí)的軸向位移,即工作行程

根據(jù)式(1)和圖2可知:當(dāng)θ=β-α?xí)r,c=cmin;當(dāng) θ=θmax時(shí) ,c=cmax。假設(shè) AB5=S2,AB2=S1,氣動(dòng)撐桿工作行程:

5.2.2 氣動(dòng)撐桿公稱力

氣動(dòng)撐桿公稱力Fa是指氣動(dòng)撐桿最小伸展力和最小壓縮力的平均值。由于本文忽略活塞與氣缸之間的摩擦力,因此,公稱力Fa是指活塞桿處于最大伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)測得的伸展力Fmin。

由于撐桿固定位置區(qū)域已經(jīng)確定,不妨假設(shè)α=γ/2,β =γ,HA=a(常數(shù)),HB1=b(常數(shù));同時(shí) ,根據(jù)上節(jié)(5),當(dāng)θ=θmax時(shí),Mb=Mc;可得氣動(dòng)撐桿公稱力

5.2.3 氣動(dòng)撐桿推力

由于活塞與氣缸之間的摩擦力一般較小,可忽略不計(jì),因此可以假設(shè)氣動(dòng)撐桿的最小伸展力和最小壓縮力相等,最大伸展力和最大壓縮力相等。因此氣動(dòng)撐桿的推力-行程特性曲線可簡化為如圖4所示,于是可得撐桿推力

其中,K為常數(shù),主要受氣動(dòng)撐桿氣缸內(nèi)徑、活塞桿外徑、氣缸內(nèi)工作介質(zhì)等因素影響,由生產(chǎn)廠家根據(jù)設(shè)計(jì)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定。

結(jié)合式(5)、(6)可得任意位置撐桿推力

圖4 F與S之間的關(guān)系

6 氣動(dòng)撐桿結(jié)構(gòu)核算與驗(yàn)證

氣動(dòng)撐桿的固定位置區(qū)域確定后,需要對(duì)氣動(dòng)撐桿關(guān)門力矩進(jìn)行驗(yàn)證,以確定氣動(dòng)撐桿設(shè)計(jì)是否合理。

根據(jù)式(1)、(4)、(7)做出ΔM與θ的關(guān)系曲線(見圖5)。ΔM越小,氣動(dòng)撐桿作用效果越好。

ΔM如果太大,一方面說明側(cè)頂板開啟力矩較大,開啟速度會(huì)較快,容易傷人;另一方面說明側(cè)頂板受力狀態(tài)不佳,不利于側(cè)頂板的安裝及縫隙調(diào)整。此時(shí)需要重新設(shè)計(jì)氣動(dòng)撐桿的固定支點(diǎn)位置,直到單人可以輕松關(guān)閉側(cè)頂板。

圖5 開啟力矩ΔM與開度角θ之間的關(guān)系曲線

7 氣動(dòng)撐桿設(shè)計(jì)運(yùn)用實(shí)例

根據(jù)上述分析與計(jì)算,可以快速完成北京地鐵4號(hào)線側(cè)頂板氣動(dòng)撐桿的設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)步驟如下:

側(cè)頂板初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完成后,可以確定出下列數(shù)據(jù) :重力 G=150 N,夾角 γ=8°,HC1=120 mm,最大開啟角度 θmax=66°(變化范圍 0～66°)。根據(jù)式(4)可以計(jì)算出Mc max=11082 N·mm。

利用二分法確定氣動(dòng)撐桿固定支點(diǎn)位置。由于0＜α＜γ,α＜β＜γ+α,可假設(shè) α=γ/2=14°,β=γ=28°;同時(shí)根據(jù)邊界條件,進(jìn)一步假設(shè)HA=a=40 mm,HB1=b=160 mm,則根據(jù)式(6)可計(jì)算出氣動(dòng)撐桿公稱力Fa=152 N;根據(jù)式(1)及式(5)可計(jì)算出氣動(dòng)撐桿工作行程S=19 mm。

根據(jù)式(3)、(4)及上述已知條件,可做出開啟力矩ΔM與θ的關(guān)系曲線。對(duì)該曲線圖進(jìn)行分析計(jì)算后可知:Δ Mmax約為 4650 N·mm,而關(guān)閉側(cè)頂板時(shí),手推力的作用力臂約為160 mm。因此只需要不大于30 N推力即可關(guān)閉側(cè)頂板,滿足氣動(dòng)撐桿關(guān)門力矩不宜過大的設(shè)計(jì)要求。

目前,該氣動(dòng)撐桿已經(jīng)成功運(yùn)用到北京地鐵4號(hào)線車輛上,經(jīng)實(shí)際運(yùn)用驗(yàn)證,效果良好。

8 結(jié)語

在側(cè)頂板氣動(dòng)撐桿設(shè)計(jì)過程中,由于側(cè)頂板所受重力力矩和氣動(dòng)撐桿的推力力矩都隨側(cè)頂板不同的開度而變化,用常規(guī)方法很難設(shè)計(jì)出完全滿足設(shè)計(jì)要求的氣動(dòng)撐桿。本文從力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面入手研究,從各種變化中找出重力力矩和氣動(dòng)撐桿推力力矩二者之間的內(nèi)在聯(lián)系,并通過幾何建模和力學(xué)分析,快速準(zhǔn)確地確定出了氣動(dòng)撐桿的固定支點(diǎn)位置和公稱力、工作行程等技術(shù)參數(shù)。

[1]周衍柏.理論力學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2]黃天澤,黃金陵.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

Design and Development of Stay Bar in Urban Railway Vehicle

Jiang Yunhai

As an auxiliary part of the side roof's action(on or off),the pneumatic stay bar has been used widely on rail transit vehicles.However,to define the fixed location and the main technical parameters of the stay bar is still difficult.This article uses both mechanics and kinematics analysis to design the stay bar,defines its location and the main technical parameters quickly with methods of geometry modeling and calculation,and finally verifies the design principles through a practical design example.

urban railway vehicle;side roof;pneumatic stay bar

U 270.38

2009-02-17)