張小軍 宋自帥

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

前端開閉機(jī)構(gòu)是動(dòng)車組的重要部件，按操作方式分為自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)和手動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)。自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，一般需要集成機(jī)械構(gòu)件、氣缸和電控系統(tǒng)，由電控系統(tǒng)操作邏輯指令控制氣缸來驅(qū)動(dòng)機(jī)械構(gòu)件實(shí)現(xiàn)動(dòng)作[1]。由此可見，氣缸是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)動(dòng)作的最終執(zhí)行部件，也是自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。

自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)打開和關(guān)閉的功能，同時(shí)還具有打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的自動(dòng)鎖定和自動(dòng)解鎖的功能；現(xiàn)有的動(dòng)車組前端開閉機(jī)構(gòu)一般的實(shí)施方案是通過一組氣缸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打開或關(guān)閉，通過另外一組氣缸實(shí)現(xiàn)打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的自動(dòng)鎖定和自動(dòng)解鎖或者通過2組氣缸分別實(shí)現(xiàn)打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的自動(dòng)鎖定和自動(dòng)解鎖。

本文介紹了一種端鎖氣缸及其在動(dòng)車組自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，端鎖氣缸的使用簡(jiǎn)化了自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)的氣缸，減少了自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)的氣缸使用數(shù)量，也簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，取消了一組獨(dú)立的機(jī)械鎖定和解鎖機(jī)構(gòu)，大大減少了自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)的故障點(diǎn)。

1 端鎖氣缸在自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用實(shí)例

端鎖氣缸的自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)如圖1、圖2所示，包括艙門、樞轉(zhuǎn)臂、端鎖氣缸、底座等部件，樞轉(zhuǎn)臂的一端固定連接導(dǎo)流罩的內(nèi)側(cè)，另一端與底座樞轉(zhuǎn)連接；端鎖氣缸固定安裝在底座上，端鎖氣缸驅(qū)動(dòng)下樞轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)艙門打開或關(guān)閉。端鎖氣缸的前端蓋和后端蓋分別設(shè)置有鎖定裝置，分別用于打開和關(guān)閉狀態(tài)的鎖定；自動(dòng)開閉機(jī)構(gòu)的端鎖氣缸可以自動(dòng)完成開閉機(jī)構(gòu)的開閉、鎖定和解鎖，無須單獨(dú)設(shè)置鎖定機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。

圖1 自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)

圖2 自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)實(shí)物

2 端鎖氣缸

2.1 端鎖氣缸的結(jié)構(gòu)

端鎖氣缸如圖3所示，包括主氣缸和前、后端部鎖定機(jī)構(gòu)，前、后端部鎖定機(jī)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)單作用氣缸。在主氣缸的活塞桿上設(shè)置有前鎖槽和后鎖槽，前、后端部鎖定機(jī)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)活塞桿的前、后鎖槽設(shè)置。當(dāng)前端部鎖定機(jī)構(gòu)的鎖銷落入前鎖槽時(shí)可以實(shí)現(xiàn)氣缸全伸出狀態(tài)的鎖定，當(dāng)后端部鎖定機(jī)構(gòu)的鎖銷落入后鎖槽時(shí)可以實(shí)現(xiàn)氣缸全縮回狀態(tài)的鎖定。

圖3 端鎖氣缸結(jié)構(gòu)及工作示意圖

2.2 端鎖氣缸的工作過程

端鎖氣缸全伸出鎖定狀態(tài)的解鎖過程為，壓縮氣體通過設(shè)置在前端蓋上的小腔進(jìn)氣口進(jìn)入主氣缸內(nèi)，壓縮氣體瞬間填充工作腔，首先驅(qū)動(dòng)負(fù)載較小前部鎖定機(jī)構(gòu)解鎖，再驅(qū)動(dòng)負(fù)載較大的活塞桿向缸體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)端鎖氣缸的自動(dòng)解鎖到活塞收縮；當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)到達(dá)全縮回狀態(tài)時(shí)，后端部鎖定機(jī)構(gòu)的鎖銷落入后鎖槽，實(shí)現(xiàn)全縮回狀態(tài)的自動(dòng)鎖定。

端鎖氣缸全縮回鎖定狀態(tài)的解鎖過程為，壓縮氣體通過設(shè)置在后端蓋上的大腔進(jìn)氣口進(jìn)入主氣缸內(nèi)，壓縮氣體瞬間填充工作腔，首先驅(qū)動(dòng)負(fù)載較小的后端部鎖定機(jī)構(gòu)解鎖，再驅(qū)動(dòng)負(fù)載較大的活塞桿向缸體外運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)端鎖氣缸的自動(dòng)解鎖到活塞伸出；當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)到達(dá)全伸出狀態(tài)時(shí)，前端部鎖定機(jī)構(gòu)的鎖銷落入前鎖槽，以此實(shí)現(xiàn)全伸出狀態(tài)的自動(dòng)鎖定。

2.3 端鎖氣缸應(yīng)用的注意事項(xiàng)

首先，端鎖氣缸解鎖時(shí)，要保證解鎖側(cè)具有背壓，以鎖定側(cè)鎖銷在解鎖時(shí)只承受鎖彈簧的負(fù)載，從而順利解鎖；如果在解鎖時(shí)，解鎖側(cè)的氣體已經(jīng)排完而失去背壓，進(jìn)入氣缸鎖定側(cè)的壓縮氣體會(huì)同時(shí)驅(qū)動(dòng)鎖銷和活塞桿移動(dòng)導(dǎo)致鎖銷和活塞桿相互卡死，無法解鎖。

其次，在使用端鎖氣缸的場(chǎng)合避免使用三位電磁閥對(duì)氣缸進(jìn)行操作控制，因?yàn)槿浑姶砰y在工作結(jié)束后會(huì)回到中位，可能會(huì)由于電磁閥內(nèi)部的泄漏，使壓縮氣體進(jìn)入鎖定側(cè)的工作腔，驅(qū)動(dòng)鎖銷脫離活塞桿的鎖槽而鎖定失效。

再者，避免在同一個(gè)工件上使用多個(gè)端鎖氣缸，這樣可能會(huì)導(dǎo)致邏輯混亂，從而使其中某一個(gè)端鎖氣缸無法解鎖。

最后，在端鎖氣缸的氣路接口上安裝調(diào)速閥時(shí)，應(yīng)采用排氣節(jié)流的調(diào)速閥，因?yàn)椴捎眠M(jìn)氣節(jié)流的調(diào)速閥會(huì)使端鎖氣缸的排氣速度快于進(jìn)氣速度，可能會(huì)出現(xiàn)在端鎖氣缸解鎖前就失去了背壓而無法解鎖的情況，反之，采用排氣節(jié)流調(diào)速閥可以減緩端鎖氣缸的排氣速度，可以較好地保證端鎖氣缸在解鎖時(shí)氣缸內(nèi)有背壓。

3 端鎖氣缸應(yīng)用仿真計(jì)算

3.1 計(jì)算工況

在自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)正常運(yùn)用時(shí)，艙門區(qū)域承受的最大氣動(dòng)載荷定為13.9 kPa，最小載荷值為該最大值的50%，且假設(shè)氣動(dòng)載荷分布由艙門最前端開始至尾端進(jìn)行線性衰減[2]；考慮到自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)可能遇到的高寒地區(qū)運(yùn)用環(huán)境，自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)艙門附加50 kg的冰雪質(zhì)量載荷；綜合以上情形，對(duì)自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行如表1所示的5種工況的仿真計(jì)算。

表1 自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)仿真計(jì)算工況設(shè)置

根據(jù)自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)應(yīng)用工況的仿真計(jì)算結(jié)果[3]，端鎖氣缸最大受力工況為工況1，此時(shí)開閉機(jī)構(gòu)處于關(guān)閉狀態(tài)，端鎖氣缸處于全伸出狀態(tài)，位于前端部鎖定機(jī)構(gòu)的鎖銷處于鎖閉狀態(tài)。

3.2 計(jì)算模型

以鎖頭和活塞桿為建模對(duì)象,如圖4所示，研究在正常使用工況中鎖頭和活塞桿強(qiáng)度的可靠性。

圖4 仿真分析模型

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)自動(dòng)開閉機(jī)構(gòu)仿真計(jì)算工況1的載荷條件進(jìn)行端鎖氣缸計(jì)算的載荷條件設(shè)置，即自動(dòng)開閉機(jī)構(gòu)處于關(guān)閉狀態(tài)，端鎖氣缸為全伸出狀態(tài)，位于前部鎖定機(jī)構(gòu)的鎖銷處于鎖閉狀態(tài)，自動(dòng)開閉機(jī)構(gòu)前端受到大氣動(dòng)載荷約為13.9 kPa，換算為載荷力約為20 kN，通過仿真計(jì)算得到此時(shí)端鎖氣缸前部鎖定機(jī)構(gòu)受到的載荷力約為2 900 N。

仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示，鎖頭側(cè)的最大應(yīng)力為368 MPa，活塞桿側(cè)受到擠壓應(yīng)力為294 MPa。

圖5 仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)EN12663-1—2000《鐵路設(shè)施—鐵路車輛車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求》標(biāo)準(zhǔn)，端鎖氣缸在載荷作用下，材料的許用應(yīng)力與計(jì)算等效應(yīng)力之比應(yīng)不小于標(biāo)準(zhǔn)中第3.4.2節(jié)規(guī)定的安全系數(shù)s1(標(biāo)準(zhǔn)中取s1為1.15)，即

(1)

其中：Rp0.2為材料屈服強(qiáng)度，σc為計(jì)算應(yīng)力。

最終計(jì)算安全系數(shù)：依據(jù)JB/T 6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鍛鋼件 技術(shù)條件》，要求熱處理為調(diào)質(zhì)處理；試樣毛坯尺寸不大于100 mm，活塞桿與鎖頭材質(zhì)均選用40Cr，屈服強(qiáng)度為540 MPa。

(1)鎖銷的安全系數(shù)為：

(2)活塞桿的安全系數(shù)為：

由此理論仿真計(jì)算，端鎖氣缸的鎖銷和活塞桿的強(qiáng)度滿足要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法

自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)的靜載試驗(yàn)(見圖6)，通過在自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)的艙門上施加一定的縱向載荷，模擬列車前進(jìn)時(shí)自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)所受的載荷，來驗(yàn)證端鎖氣缸的鎖閉可靠性。

圖6 自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)靜載試驗(yàn)

4.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，將自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)安裝在試驗(yàn)工裝上，接通氣源和電源，開閉機(jī)構(gòu)開關(guān)動(dòng)作5次，檢查開閉機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)是否正常；檢查完畢后，保持自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)的氣源和電源不關(guān)閉，在正前方對(duì)自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)逐步施加縱向載荷到20 kN后，保持1 min，然后卸載壓力，試驗(yàn)完成后，對(duì)自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)執(zhí)行自動(dòng)開關(guān)動(dòng)作3次，手動(dòng)開關(guān)3次，檢查自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)動(dòng)作和鎖定是否正常、順暢，鎖定是否可靠。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)的靜載試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)開閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了3次自動(dòng)開閉動(dòng)作及3次手動(dòng)開閉動(dòng)作，開閉機(jī)構(gòu)動(dòng)作順暢，端鎖氣缸的解鎖及鎖定動(dòng)作反應(yīng)靈敏，鎖定可靠有效。

5 結(jié)束語

采用了端鎖氣缸的自動(dòng)前端開閉機(jī)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)裝車，并已完成了30萬km的裝車考核，端鎖氣缸鎖定可靠，并順利通過了考核；為端鎖氣缸在動(dòng)車組及其他軌道車輛自動(dòng)開閉機(jī)構(gòu)中的運(yùn)用提供了依據(jù)。