地铁车辆空气弹簧通用性能检测台机械结构设计

地铁车辆空气弹簧通用性能检测台机械结构设计

姜延哲

深圳市地铁集团有限公司运营总部广东深圳518000

摘要：本文介绍了一种新型地铁空气弹簧通用性能检测台的机械结构设计，对三大关键受力部件（压力加载横梁、滚珠丝杠和下底座）进行了有限元分析和强度校核。所设计的空气弹簧通用性能检测台能够为检修部门提供对应的参考，在地铁车辆的日常保养和维修过程中，能够为判断空气弹簧系统的性能情况提供有效的试验过程和可靠的试验结果。

关键词：地铁车辆；空气弹簧；通用性能监测台；机械结构设计

引言

空气弹簧在地铁车辆的振动噪声控制当中是一种不可或缺的部件。空气弹簧与其他车辆所使用的弹性元件相比而言，优点十分明显，具体的有质量轻、刚度和承载力可调、内摩擦较小以及能够很好的隔振消声等，能够极大地提升车辆运行过程的稳定性以及乘客乘坐的舒适性。在长期的发展中，人们对设备减振、噪音控制以及低频振动的控制的重视程度越发重要起来，因此，空气弹簧的使用也逐渐增多，逐渐成为了交通运输行业中隔振降噪效果最佳的设备之中的一种。

一、空气弹簧系统概述

地铁车辆空气弹簧系统的结构主要有空气弹簧本体、高度控制阀、附加空气室、滤尘器和差压阀。其中，高度控制法可以确保空气弹簧在空载和重载两种情况下都能维持在同一高度，除此之外还能确保地铁车辆的地板和站台也处于同一水平线上。该系统的具体结构划分图如图1所示，其中1为储风缸，2为止回阀，3为截断塞门，4为支管，5为列车主管，6为连接软管，7为附加空气室，8为差压阀，9为高度控制阀，10为空气弹簧。

二、空气弹簧通用性能检测台概述

2.1检测台的功能介绍

以车辆空气弹簧检修现场的实际需求为基础，并结合相关的国内外铁路标准文件（如TB/T2841-2010《铁道车辆空气弹簧》）设计而成的地铁车辆空气弹簧通用性能检测台必须具备以下四点功能：（1）能够模拟列车空气弹簧的实际荷载和工作状况，可以实现多种形式饿空气弹簧的装夹和加载；（2）能够完成空气弹簧系统的气密性检测工作，并具有一定的精度和准确性；（3）能够完成空气弹簧系统的垂向静刚度试验工作；（4）能够测量空气弹簧系统的高度，并具有一定的准确性和精度。

2.2检测台的组成结构

检测台的主要组成结构有机械系统、测控系统以及气路系统三大部分，各个部分都有各自的功能和作用。其中，机械系统的主要作用是施加空气弹簧的垂向静载荷，该载荷的数值则由车辆的实际运行状况下空气弹簧的实际承载载荷通过计算得到的。气路系统的主要功能是实现附加空气室，使用集成化和紧凑型的设计理念，主要组成部分为附加气室、承载机架和电磁阀。在性能测验过程中，通过将不同容积的附加空气室组合，基本能够满足我国地铁车辆内所有型号的空气弹簧的测试需求。测控系统的主要作用是依据试验的内容，控制伺服电机的工作、气路系统的充排气，同时还需收集传感器的信号，并显示处理数据，进而对空气弹簧系统的高度、气密性和垂向静刚度等性能内容进行相应的检测，并反馈出检测结果。

三、检测台机械结构的设计

本文所述新型检测台主要由机械结构、数据采集系统和计算机控制系统三部分构成，但本文仅对机械结构部分的内容进行介绍。根据调研得知，该地的现有地铁车辆的最大满载载荷工况在64t以内，轴重16t，因此，从机械结构的安全性能方面考虑，可以将最大加载力设为20ⅹ9.8KN。在此次设计过程中，使用了从整体到局部、从下到上逐层叠加的方式，设计的范围涉及到同步链轮动力传动系统、压力加载机构、下底座、通用性夹具以及空气弹簧附加气室等部分。根据车辆维修间的实际情况，该检测台的机械结构的外形尺寸应当设计成1.6mⅹ1.3mⅹ2.2m，质量大约设计为1.9t，并设置了4根高度可调的减振垫铁，以调整检测台的机体水平度。另外，将安装平台的高度定位0.95m，以便操作人员操作。其整体结构图如图2所示。

3.1同步链轮动力传动系统的设计

该系统处于检测台的底架下方，被螺钉固定在底框的槽钢内部。直流伺服电机被固定在点击的安装板之上，在电机轴端的两个主动链轮能够通过子链条把扭矩单独传送到两个从动链轮之上。但是，由于该检测台的实际空间情况，自笔者行设计了较为特殊的链条张紧机制，链条的松弛度可以由旋转链条张紧的方式来调整，以确保同步传动机构的工作效率和工作精度。

3.2通用性夹具的设计

在该地，当前使用较为频繁的空气弹簧有Φ500型、7140N10P11型和SYS500B型以及684N4.100P17型等，根据充气口的位置进行分类，可以将这些常用的空气弹簧分为偏心充气式和中心充气式两种。下面笔者将要设计一种通用的空气弹簧夹具。由于偏心式空气弹簧之间的主要区别是空气口与空气弹簧盖板中心的距离和充气口的高度不一致，为此各自对这类型的空气弹簧设计了对应的充气座。而中心充气式的空气弹簧的主要区别是充气口的外径和高度不一致，为此分别设计了各自的可更换式充气嘴，检测人员就可以根据实际需求选择适合的充气嘴，并安装在充气座内。另外，在空气弹簧通用型下夹具的独特设计能够让这四种空气弹簧正确安装与定位，再与上夹具搭配适用后，能够确保不同空气弹簧的检测工作都能够正常且顺利地进行。

3.3空气弹簧压力加载机构的设计

在该机构之中，两根滚珠丝杠同时转动，进而带动压力加载横梁进行垂向运动，而浮动板通过螺栓与压力加载横梁连接在一起，并在个横梁的带动之下，沿着四根支撑导向立柱上下浮动，同时还要对横梁起到导向和支撑的作用。当横梁向下方移动时，对空气弹簧进行压力加载，那么控制了横梁的垂向位移和运动速度，就可以检测空气弹簧的性能。

3.4下底座和空气弹簧附加气室的设计

在下底座中设有6个安装孔，用于固定4根机架支撑和2根滚珠丝杠。下底座使用内部筋板交叉的方法，以承担空气弹簧在压力加载过程中产生的反作用力。将空气弹簧附加气室中国的3个高压储风缸的容积分别设计为25L、50L和75L。而且每个储风缸都单独设计了独立的阀门，可以实现任意切换和任意并联使用。

四、有限元分析结果

下底座有限元分析结果得知，其下底座和加载横梁都由Q345B钢板（屈服力为220.6MPa）制成，都可以满足受力要求（下底座表面最大应力未26.4Mpa，最大位移量为0.04mm；压力加载横梁最大应力未26.4Mpa，位移量为0.07mm）。对滚珠丝杠进行了选型和强度校核的计算，选择规格型号6310-5，额定静负荷定为200.7KN，并按照40Cr材料的条件进行校核计算，计算结果为：丝杠的轴向作用下的正应力为40.21Mpa，小于110Mpa；丝杆扭转的作用下的切应力最大为8.2Mpa，小于66Mpa；接触应力为213.6Mpa，小于550Mpa，均满足应力要求。所以，该设计的结构能够满足检测台的基本工作需求。

五、结语

综上所述，本次设计通过设计一种通用性夹具与附加空气室系统，并配合对应的压力加载横梁机构，并通过有限元分析表明其能够满足稳重所述使用频率较高的四种空气弹簧的基本性能检测需求。

参考文献：

[1]朱晓娟.地铁车辆空气弹簧通用性能检测台机械结构设计[J].城市轨道交通研究，2012-01-10.

[2]张国富.地铁车辆空气弹簧通用性能检测台的研制[J].城市轨道交通研究，2014-11-10.

[3]袁裕华.地铁车辆空气弹簧性能检测系统研究[D].上海工程技术大学，2012-02-01.