丁松

（河南開元?dú)怏w裝備有限公司技術(shù)部，河南 開封 475004）

B型地鐵構(gòu)架組裝工藝裝備側(cè)梁夾緊裝置力學(xué)分析

丁松

（河南開元?dú)怏w裝備有限公司技術(shù)部，河南 開封 475004）

主要對B型地鐵構(gòu)架組裝工藝裝備側(cè)梁夾緊裝置進(jìn)行力學(xué)分析。建立該裝置的力學(xué)模型，對其進(jìn)行受力分析，得到裝置夾緊力與液壓油缸的輸出力之間的關(guān)系，并說明其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；使用ADAMS軟件建立夾緊裝置的實(shí)體模型，對該裝置進(jìn)行仿真分析，并將理論計(jì)算和仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證兩種方法的正確性。

B型地鐵；側(cè)梁夾緊裝置；受力分析；ADAMS仿真

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的受力骨架，是用以聯(lián)系轉(zhuǎn)向架各組成部分和傳遞各方向力的基礎(chǔ)載體［1］。構(gòu)架在組裝時(shí)，側(cè)梁在工裝移動(dòng)部件的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)與橫梁的組裝，在此過程中由于側(cè)梁受到一定的阻力可能會(huì)出現(xiàn)偏斜的情況，使構(gòu)架無法組裝，從而影響了正常生產(chǎn)任務(wù)。因此，對構(gòu)架側(cè)梁夾緊裝置進(jìn)行力學(xué)分析是非常有意義的。

1 夾緊裝置結(jié)構(gòu)

B型結(jié)構(gòu)地鐵車輛構(gòu)架組裝工藝裝備側(cè)梁夾緊裝置結(jié)構(gòu)，力源裝置采用的是液壓驅(qū)動(dòng)方式，中間傳力裝置采用“鉸鏈-杠桿式”夾緊機(jī)構(gòu)。

四桿機(jī)構(gòu)的自鎖功能，當(dāng)連桿與曲柄共線時(shí)，若不計(jì)各桿的質(zhì)量，則連桿加給曲柄的力將通過鉸鏈中心，此力對鉸鏈中心不產(chǎn)生力矩，因此不能使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的這種位置稱為死點(diǎn)位置。鉸鏈杠桿夾緊機(jī)構(gòu)正是四桿機(jī)構(gòu)的這一位置來實(shí)現(xiàn)工件夾緊的，其自鎖位置就是四桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。

2 夾緊裝置受力分析

2.1 不考慮摩擦力情況

在不考慮各轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦力時(shí)，裝置夾緊力F與液壓油缸的輸出力H之間的關(guān)系為：

下面分析3個(gè)位置的實(shí)際受力情況：①當(dāng)壓桿的水平夾角為4°時(shí)，L1=140.2，L2=31.4，L3=49.7，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=0.68H；②當(dāng)壓桿的水平夾角為2°時(shí)，L1=136.7，L2=24.4，L3=50.5，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=0.87H；③當(dāng)壓桿的水平夾角為1°時(shí)，L1=132.2，L2= 15.6，L3=51.0，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=1.33H。

由受力式可得，當(dāng)壓桿的水平夾角越小，四桿機(jī)構(gòu)的桿a與桿b的夾角也越小，L2的數(shù)值也越小，從而壓桿作用于工件的夾緊力就越大。理論上說，當(dāng)壓桿趨向于水平位置時(shí)，夾緊力可以趨向無窮大。但實(shí)際上由于摩擦力的存在，夾緊力不會(huì)趨向于無窮大。

當(dāng)壓桿運(yùn)動(dòng)到水平位置時(shí)，四桿機(jī)構(gòu)的桿a和桿b的夾角為0，即兩桿共線，四桿機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)夾緊裝置的自鎖功能。

2.2 考慮摩擦力情況

該結(jié)構(gòu)主要涉及到的是轉(zhuǎn)動(dòng)副中的軸頸摩擦力。分析了軸頸摩擦的原理。設(shè)受徑向載荷G作用下的軸頸1，在驅(qū)動(dòng)力矩Md作用下，在軸承2中等速轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)副兩元素間必將產(chǎn)生摩擦力，以阻止軸頸相對于軸承的滑動(dòng)。軸承2對軸頸1的摩擦力Ff21=fVG，其中當(dāng)量摩擦系數(shù)fV=（1-π/2）f（對于配合緊密且未經(jīng)跑合的轉(zhuǎn)動(dòng)副取較大值，而對于有較大間隙的轉(zhuǎn)動(dòng)副去較小值）。摩擦力Ff21對軸頸的摩擦力矩為：

根據(jù)軸頸1受力平衡可得：G=-FR21，Md=-FR21ρ=-Mf，故可得：

式（3）中，r為轉(zhuǎn)動(dòng)副半徑，ρ為摩擦圓半徑。當(dāng)量摩擦系數(shù)fV=（1-π/2）f，摩擦圓半徑ρ=fVr。取fV=1.2f，查表得f=0.15。因此，該結(jié)構(gòu)的摩擦圓半徑為：

當(dāng)考慮各轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦力時(shí)，總反力應(yīng)與摩擦圓相切［2］。因此，各力的作用點(diǎn)及作用方向發(fā)生了變化，力的大小和力臂也發(fā)生了變化。

下面分析摩擦力情況下3個(gè)位置的實(shí)際受力情況：①當(dāng)壓桿的水平夾角為4°時(shí)，L1=138.4，L2=37.1，L3=50.7，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=0.58H；②當(dāng)壓桿的水平夾角為2°時(shí)，L1=134.9，L2=30.7，L3=51.7，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=0.70H；③當(dāng)壓桿的水平夾角為1°時(shí)，L1=130.3，L2=21.4，L3=52.5，L4=325.0，由式（1）可得壓緊力為F=0.98H。

3 夾緊裝置力學(xué)仿真分析

使用上面建立的模型進(jìn)行仿真分析，沿油缸的軸線施加作用力F，在壓桿頂端設(shè)置彈簧力模擬夾緊裝置施加在工件上的夾緊力，通過測量彈簧力H即可得到裝置的在不同位置時(shí)的夾緊力［3］。

例如，考慮摩擦力時(shí)的靜力平衡仿真分析?？紤]摩擦力時(shí)，就需要在各轉(zhuǎn)動(dòng)副中設(shè)置相關(guān)摩擦力參數(shù)。根據(jù)式（4）摩擦力的理論計(jì)算以及該裝置的實(shí)際尺寸，主要參數(shù)設(shè)置為：靜摩擦系數(shù)Mu Static=0.18，動(dòng)摩擦系數(shù)Mu Dynamic=0.18，摩擦圓半徑Friction Arm=1.8mm，轉(zhuǎn)動(dòng)副寬度Bending Reaction Arm=24mm，轉(zhuǎn)動(dòng)副半徑Pin Radi?us=10mm，其余參數(shù)按照默認(rèn)設(shè)置。主要分析壓桿在不同位置處，油缸輸出力H與工件夾緊力F之間的關(guān)系。將仿真結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行對比，兩者的結(jié)果可以相互驗(yàn)證。可得仿真結(jié)果與理論計(jì)算值十分接近，說明這個(gè)結(jié)果是可信的。

4 結(jié)論

本文通過對B型地鐵構(gòu)架組裝工藝裝備側(cè)梁夾緊裝置進(jìn)行受力分析，同時(shí)考慮摩擦力因素的影響，從而得到裝置夾緊力與液壓油缸的輸出力之間的關(guān)系，并說明其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，該夾緊裝置能夠達(dá)到所需要的夾緊力；使用ADAMS軟件建立夾緊裝置的實(shí)體模型，對該裝置進(jìn)行仿真分析，并將理論計(jì)算和仿真結(jié)果進(jìn)行對比，兩種方法得到了相互驗(yàn)證，得出主要結(jié)論如下。

①夾緊裝置在不同位置時(shí)對工件的夾緊力不同。壓桿的水平夾角越小，壓緊力越大；當(dāng)壓桿趨向于水平位置時(shí)，該裝置會(huì)產(chǎn)生最大的夾緊力，且最大夾緊力不會(huì)小于油缸的輸出力。說明該裝置在最佳工作位置處具有對力的放大作用。

②理論計(jì)算和仿真分析都說明了摩擦力對該裝置的夾緊力有較大的影響，摩擦力使夾緊裝置對工件的夾緊力降低了30%左右。說明在對夾緊裝置進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，要考慮摩擦力的影響。

③通過理論計(jì)算值與仿真結(jié)果的對比，說明使用ADAMS軟件對復(fù)雜夾緊裝置的夾緊力計(jì)算具有一定的可行性。

［1］趙洪倫.軌道車輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］劉蜀，朱莎，龐禮，等.運(yùn)動(dòng)副的摩擦自鎖原理在夾具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2006（4）：131-133.

［3］馬闖，吳洪濤，谷珂.基于ADAMS的夾緊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2006（4）：11-13.

The Side Beams Clamp Device Mechanical Analysis of the Assembly Tooling of B-type Metro Architecture

Ding Song
（Technical Department，Henan Kaiyuan Gas Equipment Co.Ltd.，Kaifeng Henan 475004）

This paper described the side beams clamp device of the assembly tooling of the B-type metro architec?ture.The device mechanical model was established and the force analysis was obtained.The relationship between the clamping forced and the output force of the hydraulic cylinder was obtained,and the rationality of the structure de?sign was explained.The solid model clamping device was established by ADAMS software,and the theoretical calcu?lation and simulation results were compared,to verify the correctness of the two methods.

B-type metro；side beams clamp device；mechanical analysis；ADAMS simulation

U270.6；TG44

A

1003-5168(2016)09-0065-02

2016-08-18

丁松（1986-），男，本科，助理工程師，研究方向：機(jī)械工程與自動(dòng)化。