空氣彈簧效能檢驗機械結構論文
目前上海地鐵共有運營車輛２０００多輛，車型複雜，相應空氣彈簧也有多種不同的形式，給上海地鐵的車輛檢修工作帶來很大的困難。目前，上海地鐵車輛維修部門對大部分空氣彈簧的檢修，採用目測的方式來判斷空氣彈簧氣囊外表面是否有裂紋、外傷，無法從根本上判斷空氣彈簧是否滿足繼續使用的要求。而現有空氣彈簧生產廠家所使用的試驗檯面向物件和功能單一，且價格昂貴，不適用於車輛維修部門對已經使用過的空氣彈簧進行效能檢測的需要［１］。因此，開發新型的適用於地鐵車輛多種形式空氣彈簧的通用型效能檢測臺具有十分重要的意義。此檢測臺的使用有望有效提高地鐵車輛空氣彈簧系統檢修質量，在確保列車運營安全前提下，將大幅降低車輛維修成本。
本文主要介紹了該新型檢測臺的機械結構設計，其中包括同步鏈輪傳動系統、通用型上下夾具、壓力載入機構、下底座及空氣彈簧附加氣室等主要部件；並對壓力載入橫樑、下底座和滾珠絲槓等三大關鍵受力部件進行了有限元分析和強度校核。
１新型檢測臺整體方案設計
該新型檢測臺由機械結構、資料採集系統和計算機控制系統三大部分組成。本文主要對機械結構部分的設計進行重點介紹。該新型檢測臺的空氣彈簧壓力載入效能按照上海地鐵車輛的軸重進行設計。調研得知，上海地鐵現有車輛最大滿載載荷（ＡＷ３）工況不超過６４ｔ，軸重為１６ｔ，即單個空氣彈簧承受最大壓力負載為１６ｔ。從機械結構安全方面考慮，最終確定以最大可實現對空氣彈簧進行２０×９．８ｋＮ的載入力作為該檢測臺的關鍵設計指標之一。該檢測臺的設計目前尚屬於單件產品設計，非大批次流水製造，因此對成本控制的要求相對較低；而且從檢測臺的特殊功用、可靠性和壽命等多方面綜合考慮，在結構設計過程中普遍採取了適當放大設計餘量的處理方法［１－３］。
該新型檢測臺可模擬上海地鐵車輛在不同工況下空氣彈簧的負載形式，從而實現以下檢測功能：①試驗檯自診斷功能；②空氣彈簧系統高度測量功能；③空氣彈簧系統氣密性檢測功能；④空氣彈簧系統垂向靜剛度試驗功能；⑤橡膠應急簧垂向靜剛度試驗。通用型空氣彈簧檢測臺除可對上海地鐵車輛目前使用的４種空氣彈簧進行效能檢測以外，考慮到未來上海地鐵的空氣彈簧型號還可能增加，在設計過程中已經留出相應的介面以方便檢測臺功能的後續二次開發。
２檢測臺機械結構設計
該檢測臺機械結構部分採用從整體到部分、從下到上逐層疊加的設計方法，主要包括同步鏈輪動力傳動系統、通用型夾具、壓力載入機構、下底座及空氣彈簧附加氣室等部件。從檢測臺使用現場的特殊空間環境考慮，該檢測臺的設計尺寸為１．６ｍ×１．３ｍ×２．２ｍ，質量為１．９ｔ；同時，在４根支撐腳底部還分別設計了４個高度可調式減振墊鐵，以實現檢測臺在不同安裝環境下的`機體水平度調整。另外，從人機工程學方面考慮，將空氣彈簧的安裝平臺高度設計為０．９５ｍ，以方便檢測人員的操作。空氣彈簧通用檢測臺的整體結構如圖１所示。
２．１同步鏈輪動力傳動系統設計
同步鏈輪動力傳動系統位於檢測臺底架下方，透過螺釘固定在底框槽鋼內側。其中，直流伺服電機透過電機安裝螺釘固定在電機安裝板上，位於電機軸端的兩個主動鏈輪透過精密滾子鏈條將扭矩分別傳遞至兩個從動鏈輪。考慮到本檢測臺特殊的空間狀況，該同步鏈條傳動系統擯棄了傳統的鏈條張緊輪機構，自主設計了特殊的鏈條張緊機構，可以透過旋轉鏈條張緊調節螺釘來調節鏈條的鬆弛度，從而保證該同步傳動機構的傳動效率和精度。
２．２通用型夾具設計
上海地鐵車輛目前正在使用的空氣彈簧主要有５００型、ＳＹＳ５００Ｂ型、６８４Ｎ４．１００Ｐ１７型和７１４０Ｎ１０Ｐ１１型４種不同型號。按照充氣口位置分類，這４種空氣彈簧可分為偏心充氣式和中心充氣式，如圖２所示。由於這４種空氣彈簧的外觀尺寸、安裝方式和充氣方式均不相同，因此，為了實現同一檢測臺對４種不同空氣彈簧進行測試這一功能，設計了一種通用型的空氣彈簧夾具，如圖３、圖４所示。如圖２所示，６８４Ｎ４．１００Ｐ１７型和７１４０Ｎ１０Ｐ１１型兩種偏心充氣式空氣彈簧的主要區別在於充氣口距空氣彈簧上蓋板中心的距離和充氣口的高度不相等。因此，針對這兩點差異，分別為兩種空氣彈簧設計了不同方位和型號的充氣座（如圖３所示）。
５００型和ＳＹＳ５００Ｂ型兩種中心充氣式空氣彈簧的充氣口均位於空氣彈簧上蓋板中心，其主要區別在於充氣口的外徑和高度不同。因此，針對上述特點，分別為兩種空氣彈簧設計了不同尺寸的可更換式充氣嘴（如圖３所示）。檢測人員可根據試驗需求選擇不同充氣嘴，透過螺釘安裝於ＳＹＳ５００Ｂ型、５００型空氣彈簧通用充氣座內。考慮到高壓充氣軟管接頭的通用性問題，上夾具上３個充氣座側壁充氣孔設計為相同尺寸，可實現同一充氣管為不同空氣彈簧進行充氣。如圖４所示，空氣彈簧通用型下夾具的獨特設計可實現４種空氣彈簧的正確安裝和定位，其與通用型上夾具配合使用，可保證不同空氣彈簧的檢測工作順利進行。
２．３空氣彈簧壓力載入機構設計
空氣彈簧壓力載入機構主要由支撐導向立柱、滾珠絲槓副、壓力載入橫樑、直線滑軌、定位滑塊等組成。該機構中，２根滾珠絲槓同步轉動，帶動壓力載入橫樑作垂向運動。浮動板與壓力載入橫樑透過螺栓連為一體，在橫樑帶動下沿４根支撐導向立柱上下浮動，浮動過程中主要對載入橫樑起導向和支撐作用。橫樑向下運動，當空氣彈簧上夾具緊壓空氣彈簧上蓋板時，實現對空氣彈簧的壓力載入。透過控制橫樑的垂向位移和速度，可以實現對空氣彈簧不同效能資料的檢測。
２．４下底座設計
下底座設計有６個安裝孔，用來固定和安裝４根機架支撐和２根滾珠絲槓。另外，下底座採用內部筋板縱橫交叉的箱體設計，主要目的是承擔壓力載入過程中來自空氣彈簧的反作用力。２．５空氣彈簧附加氣室設計如圖５所示，空氣彈簧附加氣室主要包括３個高壓儲風缸和輸氣管路、手動閥門等。其中，３個高壓儲風缸容積分別為２５Ｌ、５０Ｌ、７５Ｌ（是根據上海地鐵車輛常見的３種附加氣室容積和耐壓規格進行標準件選型設計的）。另外，每個儲風缸設有獨立的閥門，可以實現不同檢測物件下相應儲風缸的任意切換和多個儲風缸的並聯使用。
３檢測臺關鍵部件的有限元分析
該檢測臺的下底座、壓力載入橫樑和２根滾珠絲槓為主要受力部件。其中：下底座和壓力載入橫樑受力屬於作用力與反作用力，均為２０×９．８ｋＮ；２根滾珠絲槓承受軸向拉力，各１００ｋＮ。為了保證檢測臺的設計安全，對下底座和壓力載入橫樑的應力和位移作了有限元分析，對滾珠絲槓進行了強度校核。
３．１下底座有限元分析
下底座採用Ｑ３４５Ｂ鋼板焊接而成，其應力分析結果如圖６所示，位移分析結果如圖７所示。由圖６中應力分佈雲圖可知，當下底座上表面承受２０×９．８ｋＮ的正壓力時，其最大應力為２６．４ＭＰａ。而Ｑ３４５Ｂ鋼板的屈服力為２２０．６ＭＰａ，所以下底座可以滿足受力要求。由圖７中位移分佈雲圖可知，當下底座上表面承受２０×９．８ｋＮ的正壓力時，其座體最大變形點位於上表面，位移量為０．０４ｍｍ，屬於微小變形，且不會影響檢測臺整體效能，所以下底座設計可以滿足要求。
３．２壓力載入橫樑有限元分析
壓力載入橫樑同樣採用Ｑ３４５Ｂ鋼板焊接而成，應力分析結果如圖８所示，位移分析結果如圖９所示。由圖８中應力分佈雲圖可知，當位於壓力載入橫樑底部中間位置的鋼板承受２０×９．８ｋＮ的正壓力時，其橫樑最大應力點出現在柱套與橫樑的焊接部位，最大應力為２６．４ＭＰａ；而Ｑ３４５Ｂ鋼板的屈服力為２２０．６ＭＰａ，所以橫樑可以滿足受力要求。由圖９中位移分佈雲圖可知，當橫樑承受２０×９．８ｋＮ的正壓力時，其梁體最大變形點位於底板中部；該點位移量為０．０７ｍｍ，屬於微小變形，不會影響檢測臺整體效能，所以壓力載入橫樑設計可以滿足要求。
３．３滾珠絲槓選型及校核
根據試驗檯的特殊結構及受力情況，對滾珠絲槓進行了選型和強度校核計算。按照機構軸向力２０×９．８ｋＮ的設計要求以及滾珠絲槓的選型要求，初步選擇了規格型號６３１０－５，其基本的額定靜負荷為２００．７ｋＮ。由於滾珠絲槓特殊的運動情況，其校核內容按軸向許用拉應力、扭轉許用切應力以及滾珠與絲槓的許用接觸應力等進行校核。按４０Ｃｒ材料進行校核計算，計算結果如下：絲槓軸向作用下的正應力σ＝４０．２１ＭＰａ＜［σＰ］＝１１０ＭＰａ；絲桿扭轉作用下的切應力ｍａｘ＝８．２ＭＰａ＜［Ｐ］＝６６ＭＰａ；滾珠與絲槓的接觸應力σｍａｘ＝２１３．６ＭＰａ＜［σＨＰ］＝５５０ＭＰａ。綜上所述，絲槓的軸向正應力、扭轉切應力及接觸應力均滿足許用應力要求。
４結語
透過設計一種特殊的通用型夾具和附加空氣室系統，配合最大載入能力為２０×９．８ｋＮ的壓力載入機構，新型的地鐵車輛空氣彈簧通用效能檢測臺可以滿足上海地鐵車輛已有４種空氣彈簧的可靠夾裝和多項效能引數的檢測需求。另外，對下底座、壓力載入橫樑和滾珠絲槓３個關鍵部件的有限元分析和強度校核結果表明，３個部件的強度、剛度資料全部符合設計要求，安全可靠。該新型空氣彈簧通用檢測臺的研製可以有效提高地鐵車輛空氣彈簧的效能檢測、日常維護、保養等工作的工作效率，大幅節約維修成本。