傅祥波 徐東華 黃煦

摘 要：闡述了為實現(xiàn)車輛更高的卸貨效率，降低制造和運營成本，本文介紹了一種快卸式底門開閉機構(gòu)，車輛在卸貨過程為純機械式自動化開閉，不需要設(shè)置專門的氣控裝置，其卸貨過程連續(xù)不斷，并且無需專人針對單輛車進行操作。

關(guān)鍵詞：漏斗車；底門開閉機構(gòu)；原理；受力分析；仿真分析

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，各類散裝貨物的需求逐年增加。為了加快車輛周轉(zhuǎn)速度，對于一些貨流量大的港口和卸貨場，采用鐵路漏斗車運輸可以大大提高卸貨物效率。鐵路漏斗車通過貨物自重快速卸貨，不需要采用輔助機械進行卸貨，與傳統(tǒng)的罐車、敞車、棚車相比，可以有效降低車輛的運營成本。

底門開閉機構(gòu)是鐵路漏斗車的關(guān)鍵零部件之一，底門開閉機構(gòu)的性能對于鐵路漏斗車的運輸能力、卸貨效率等都有著重要的影響。為滿足粉狀、散粒貨物的運輸需要，提高鐵路漏斗車的卸貨效率和運輸?shù)目煽啃裕组T開閉機構(gòu)設(shè)計應(yīng)原理先進、結(jié)構(gòu)簡單、卸貨效率高、密封有效、作用安全可靠。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外鐵路漏斗車的底門開閉機構(gòu)可分為抽板式和重力作用式兩大類。

抽板式的底門一般應(yīng)用于糧食、木屑等漏斗車上，其機構(gòu)通過地面的風動或者人力扳手驅(qū)動底門開閉機構(gòu)齒輪的轉(zhuǎn)動來開閉底門，也可以通過在車輛底部設(shè)置驅(qū)動氣缸來驅(qū)動底門的開啟和關(guān)閉。

重力作用式的底門一般應(yīng)用于煤炭、道砟、礦石、集料等漏斗車上。該種底門開閉機構(gòu)在底門關(guān)閉狀態(tài)下一般是依靠機構(gòu)過“死點”或者自鎖裝置來保證底門關(guān)閉狀態(tài)下鎖閉的可靠性。在開啟過程中，只要開閉機構(gòu)越過“死點”位置或自鎖裝置解除，貨物就能依靠自重進行快速卸貨。不同類型的漏斗車對于其底門卸貨要求也有所不同。

為滿足粉狀、散粒貨物的運輸需要，減少貨物的泄漏量，提高底門的密封可靠性，在總結(jié)并研究國內(nèi)外漏斗車底門開閉機構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析得出，底門開閉機構(gòu)設(shè)計應(yīng)原理先進、結(jié)構(gòu)簡單、卸貨效率高、密封有效、作用安全可靠。故提出一種新型的快卸式底門及開閉機構(gòu)。

2 原理分析

快卸式底門開閉機構(gòu)的基本原理為兩組曲柄搖桿機構(gòu)組成，曲柄的轉(zhuǎn)動鉸點作為底門開閉機構(gòu)的驅(qū)動源

2.1 機構(gòu)“死點“自鎖原理

底門開閉機構(gòu)采用曲柄四連桿機構(gòu)，當?shù)组T與連桿連接點、連桿與雙聯(lián)桿連接點和雙聯(lián)桿轉(zhuǎn)動中心處在一條直線時，底門壓力F通過連桿作用到雙聯(lián)桿的轉(zhuǎn)動力臂e和轉(zhuǎn)動力矩M均為0，通常將該位置定義為機構(gòu)“死點”位置，如圖1所示。此時雙聯(lián)桿無法轉(zhuǎn)動。

當?shù)组T開閉機構(gòu)越過“死點”位置，底門壓力F通過連桿作用到雙聯(lián)桿上將產(chǎn)生一個逆時針轉(zhuǎn)動力矩，同時在越過 “死點”的位置設(shè)置有限位裝置來阻止底門的繼續(xù)逆時針的轉(zhuǎn)動，底門壓力F越大，底門關(guān)閉越可靠，同時底門開啟也越困難。若要將底門開啟，需要通過開門觸碰裝置給雙聯(lián)桿施加一個順時針的力矩來驅(qū)動底門的開啟，如圖2所示。

為了保證底門自鎖，一般應(yīng)選取合適的偏心矩e和底門壓力，使機構(gòu)處于過“死點”位置；偏心距e的值需綜合考慮底門自重、結(jié)構(gòu)強度、貨物壓力等因素。同時，由于空車時底門沒有貨物壓力，僅依靠底門的自重難以提供足夠的自鎖力，為保證底門在空車狀態(tài)下的鎖閉，故在底門上需增加預(yù)緊彈簧，并通過彈簧壓力來增加底門的自鎖壓力。

2.2 開啟觸碰臺

開啟觸碰臺為剛性，為增加底門開閉機構(gòu)開啟的可靠性，開啟觸碰臺布置的最大高度應(yīng)能保證底門開閉機構(gòu)越過死點位置并能使底門開閉機構(gòu)順利通過開啟觸碰臺。

2.3 關(guān)閉觸碰臺

關(guān)門觸碰臺為彈性，由于車輛的制造誤差，同時便于底門關(guān)閉的可靠性，所以將關(guān)門觸碰臺設(shè)計為彈性觸碰臺，并能提供足夠的關(guān)門力和便于底門關(guān)閉后，底門開閉機構(gòu)能順利通過關(guān)門觸碰臺。

2.4 底門打開過程

車輛向前運行，一側(cè)的開門臂滾輪與開門觸碰臺斜坡面逐步接觸，在斜坡面導(dǎo)向力作用下，開門臂帶動雙聯(lián)桿正向轉(zhuǎn)動，底門開閉機構(gòu)沖破自鎖“死點”位置，底門在貨物重力作用使得雙聯(lián)桿發(fā)生轉(zhuǎn)動，底門開啟，貨物從車輛內(nèi)卸出，

2.5 底門關(guān)閉過程

車輛卸完貨物向前慢速行駛時，另一側(cè)的關(guān)門臂上的滾輪與關(guān)門觸碰臺接觸，在關(guān)門觸碰臺斜坡導(dǎo)向力作用下帶動雙聯(lián)桿反向轉(zhuǎn)動，使底門逐步關(guān)閉，至越過自鎖“死點”位置，實現(xiàn)底門開閉機構(gòu)的自鎖。

3 空、重車的開門力計算

3.1 靜力學(xué)分析

（1）空車工況

根據(jù)底門開閉機構(gòu)基本結(jié)構(gòu)原理圖，如圖3所示：e1：連桿CA對點O的偏心距。e2：連桿DB對點O的偏心距。f彈簧預(yù)緊力，G底門自重。在空車狀態(tài)下，只考慮彈簧預(yù)緊力和底門重力的影響，根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡條件，分別對O點求轉(zhuǎn)矩得：ΣM0=0，可計算得出底門的空車開門力。依據(jù)快卸卸式底門開閉機構(gòu)的參數(shù)，其空車開門力理論計算值為1.42kN。

（2）重車工況

按靜水壓計算貨物對底門的壓力F，并且考慮，彈簧預(yù)緊力和底門重力的影響，根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡條件，分別對O點求轉(zhuǎn)矩得：ΣM0=0，可計算得出底門的空車開門力。依據(jù)快卸卸式底門開閉機構(gòu)的參數(shù)，其重車開門力理論計算值為7.28kN。

3.2 動力學(xué)計算

將簡化的三維原理模型導(dǎo)入ADAMS中，定義底門開閉機構(gòu)的材料屬性及約束條件。

采用最優(yōu)化設(shè)計理論，給建立的動力學(xué)模型在主軸開門臂的滾輪處采用STEP函數(shù)定義施加一個垂直向上的開門力，即0-0.9s開門力由零逐步遞增到DV_F，0.9-0.901s開門力由DV_F逐步遞減到零。在開門力逐步增加的過程中，當添加的力DV_F達到了開門力需求，主軸轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生角位移，底門開啟。由于主軸在底門關(guān)閉位置轉(zhuǎn)動4.5°到達“死點”位置，通過測量底門開閉機構(gòu)到達“死點”位置時，主軸轉(zhuǎn)動所需的時間節(jié)點對應(yīng)的開門力即為底門開閉機構(gòu)的開門力。

（1）空車工況

根據(jù)理論計算得出的空車開門力，設(shè)置開門力初始值為800N，范圍值為700N～2000N。

通過測量主軸轉(zhuǎn)動與時間的變化曲線來確定機構(gòu)通過死點的時間點，由圖4可以得出，機構(gòu)死點發(fā)生在0.624s時。

可以測量得出開門力（DV_F）與時間的曲線。如圖5，通過該曲線，得出在0.624s時，開門力為1165N。機構(gòu)死點位置所需的開門力最大。

（2）重車工況

根據(jù)理論計算得出的重車開門力，設(shè)置開門力初始值為5000N，范圍值為4000N～10000N。

底門開閉機構(gòu)開門力最大值發(fā)生在死點值位置，故通過測量主軸轉(zhuǎn)動與時間的變化曲線來確定機構(gòu)通過死點的時間點，由圖6可以得出，主軸轉(zhuǎn)動4.5°，機構(gòu)死點發(fā)生在0.81s時。

可以得出重車開門力（DV_F）與時間的曲線，如圖7所示。通過該曲線得知在0.81s時，開門力為7770N。機構(gòu)死點位置所需的開門力最大。

4 有限元計算

主要計算重車狀態(tài)下的作用工況，考慮車輛運行狀態(tài)下的貨物垂向壓力和縱向增載，由結(jié)構(gòu)的對稱性，為了有限元分析的模型簡化，取整個機構(gòu)的1/2模型進行有限元分析，應(yīng)力云圖如圖8所示：

5 實驗驗證

通過對底門開閉機構(gòu)物理樣機進行功能試驗、模擬循環(huán)試驗和振動泄露實驗來驗證底門開閉機構(gòu)的開關(guān)性能、接口匹配、底門卸貨流量、零部件強度及磨耗程度和底門關(guān)閉狀態(tài)下的密封性能。

6 結(jié)論

本文根據(jù)國內(nèi)外鐵路漏斗車的發(fā)展需求，分析國內(nèi)外現(xiàn)有底門開閉機構(gòu)的使基礎(chǔ)上，研究了一種運行安全可靠且卸貨效率高的快卸式底門開閉機構(gòu)。

通過對底門開閉機構(gòu)的原理研究、理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)及有限元仿真和實驗驗證，提供了底門研制的理論基礎(chǔ)，并通過對比分析底門開閉機構(gòu)的理論計算、仿真分析和試驗驗證的結(jié)果，為以后設(shè)計該類型的底門開閉機構(gòu)提供參考依據(jù)。

參考文獻

[1]何世球.煤炭漏斗車開閉機構(gòu)發(fā)展過程及趨勢研究[J].鐵道機車車輛，2008，28（6）：1-3.

[2]王春保，邱慶華.礦區(qū)鐵路煤炭漏斗車底門開閉機構(gòu)的改進[J].中州煤炭，2015，（3）：104-105.

（作者單位：中車長江車輛有限公司）