单振凯

（广州市地下铁道总公司，广东广州 510310）

转向架升降工作台的设计及应用

单振凯

（广州市地下铁道总公司，广东广州 510310）

转向架升降工作台是地铁列车架大修必备的检修设备，安装于维修基地架大修库内，总结使用过程中的经验，分析其机械结构设计过程中常碰到的若干难点并给予解决方案，使设计者和操作人员得到启发。

转向架升降工作台；转向架；丝杆升降机；尼龙；联轴器；锥齿轮换向器

1 概述

转向架升降工作台广泛应用于地铁车辆段内，是地铁综合检修基地转向架及轮对轴承间内的必备设备，其主要用途为将地铁车辆转向架升高至适当高度，以便于对转向架上各安装部件进行拆卸、清洁、安装、测量、检查等各项工作。

2 设计方案的技术难点

以广州地铁某车辆段转向架升降工作台为例，其机械部分的结构设计难点主要有以下几个方面。

（1）四个升降支点的同步性问题。由于提升转向架时四个轮子的平面必须保持一致，才能保证提升及定位时的稳定性，从而保证设备的安全性能。

（2）传动比及电机功率的确定。

（3）举升到最高点时升降支点的稳定性问题。工作最高举升高度为1 600 mm，涉及操作人员的人身安全，必须对举升的稳定性进行校核。

（4）转向架在举升过程中，防止转向架滑动的止挡的结构设计问题。由于转向架在上升或下降过程中，必须有机构防止转向架滑动。同时又必须保证在转向架被提升时止挡自动升起，转向架修理完毕降落时止挡也自动回落。

（5）转向架被举升后，四个升降支点在轨平面留下的空位需要进行补充，从而防止修理时螺丝刀、扳手等工具落下地坑。

（6）螺母磨损超过一定程度要能够自动停机。

3 设计方案

（1）针对四个升降支点的同步性问题提出解决方案。方案1：采用每个升降支点都使用一个动力源，从而通过电气控制来实现四个升降支点的同步；方案2：采用一台双输出轴的电机作为动力源，将动力向左右两边传递，然后通过两台锥齿轮换向器将动力分别向上下传递，最终电机的运动传递到四个立柱，如图1所示。显然，方案2无论是从经济角度还是设计复杂程度着想都优于方案1，由于四个立柱的升降是采用一个电机来带动，因此可以保证升降的同步性，从而解决了同步性问题。

图1 方案2

（2）传动比及电机功率的确定

1）传动比的确定：根据图1的方案，选择电机的转速为960 r/min，锥齿轮换向器带减速功能其减速比为3.6∶1，再经过丝杆升降机，其减速比为10.67∶1，最终从电机到丝杆升降机的转速为：960÷3.6÷10.67=25 r/min，由于丝杆升降机丝杆的螺距为16 mm，因此最终丝杆升降机的上升/下降速度为25×16=400 mm/min，从而满足技术要求。

2）电机功率的确定。采用负载处反推法，单个升降支点举升转向架所需驱动功率：P1= Fa×v/（60×η），其中Fa=22 kN，v=0.4 m/min，η= 0.21，P1=22×0.4÷60÷0.21=0.7 kW，其间从电机到负载经过了：2+0.5+0.5=3个联轴节，2+0.5+0.5=3个滚动轴承，1个锥齿轮换向器和蜗轮螺杆升降机，其功率损耗为：0.993×0.993×0.975=0.92，所以单个升降支点电机需传递的功率为：0.7÷0.92= 0.76 kW，所以四个升降柱需要的电机功率为：0.76×4=3.04 kW，再加上其他的功率损耗，选取7.5 kW的电机。

（3）转向架举升到最高点时，四个立柱的稳定性问题。由于采用的试验转向架是8 t，当举升至1 600 mm的高度时，四个立柱的承受垂向压载荷和横向载荷，其稳定性是个不可忽视的因素，因此必须要对每个立柱进行稳定性和刚度校核。单个支柱的结构如图2所示。

图2 单个支柱的结构

稳定性校核如下：

1）丝杆大径 D=90 mm；

2）小径：d=74 mm；

3）45＃钢材料特性/弹性模量：

4）长度系数（根据结构选取）：μ＝2；

5）丝杆最大工作高度：l＝1 710 mm；

6）螺杆危险截面轴惯性半径：

7）螺杆危险截面轴惯性矩：

8）垂向压载荷（每根）：F=22 000 N；

9）水平载荷：P=2 200 N。

由以上条件，可以得到：

（μ·l）÷I=185＞40必须进行压杆稳定性校核临界载荷：

Fc/F＝11.8＞4 满足要求，安全。

刚度检查：从图2可知，丝杆的刚度不是研究的对象，因为升降柱的四面与滑动套的尼龙紧密贴合，完全升起后滑动套起到了升降柱和丝杆组成的“长杆”的侧向支撑的作用，因此这里只需校核升降柱受到侧向力F=2.2 kN后，绕滑动套最低点转距对尼龙产生的压力，简化受力图如图3所示。

FB=2.2×2370÷450=11.6 kN，Fc=2.2×1920÷ 450=9.4 kN，所以取FB=11.6 kN来校核尼龙所受的压强P=11.6÷S，其中S=0.075×0.075=0.005 6 m2，即P=11 600/0.005 6=2.1×106 Pa=2.1 MPa，远小于尼龙的抗压强度210 MPa。所以通过计算，刚度也满足要求[1]。

图3 简化受力图

（4）止挡的结构设计。止挡要能够与转向架的升降实现互锁，即提升转向架前，先提起止挡，降落后，止挡下降，采用纯机械的方法来实现此目的，如图4所示。

图4 止挡示意图

原理：当转向架未升起时，机构处于左图状态。设计时将上止挡的重心置于前部，因此，当上止挡和下止挡未啮合时，上止挡由于重力作用会落到轨平面以下，而下止挡的重心相对转动中心也有一定的偏心，当未啮合时，下止挡的位置由提耳决定，在升降平台的架体上设计一个提钩机构，利用提钩机构来勾住提耳，使下止挡上升，从而避免下止挡由于自重旋转而与上止挡啮合。当转向架上升和下降时，机构处于右图状态，此时上、下止挡啮合，如果转向架有滚动的趋势，会对上止挡的斜面施加作用力（见受力示意图），从而使上止挡有绕其转动中心旋转的趋势，力传递到啮合面，此时设计时将啮合时上止挡对下止挡的压力的作用方向通过下止挡的转动中心，从而使传递到啮合面的力通过转轴，避免下止挡的转动，最终阻止转向架的滑动。

（5）转向架升起后，升降支点留下的空位的补充问题。由于举升转向架的同时不可避免的会在轨平面上留下空位，为了防止在修理转向架时工具或零件掉入地坑内，需要将空位弥补。采用弹簧补位，原理为：提升转向架前，弹簧补板与止挡装置由于弹簧弹力作用紧密贴合，此时止挡装置与轨平面平齐；当转向架开始升起时，弹簧补板由于弹簧的回弹和止挡装置一起向上升起，到补板上平面与轨平面齐平时，由于安装在弹簧导向柱末端的螺母环的作用，使弹簧补板停止在与轨平面同一高度，从而弥补了止挡装置留下的空位，当下降时，止挡装置与补板接触后，再逐渐的压缩弹簧直至与轨平面平齐，如图5所示[2]。

图5 弹簧补板受压状态

（6）螺母磨损超过一定程度要能够自动停机。设计时参考了固定式架车机的保护螺母设计，在主螺母与保护螺母之间安装接近开关，控制磨损量，当超过一定的磨损量时，关闭主电机。结构如图6所示。

连接板上端是圆孔，下端为腰圆孔，腰圆孔尺寸为8.2×16（mm×mm），当主螺母未磨损时，依靠连接板带动保护螺母来上升和下降，主螺母与保护螺母同时绕丝杆转动，不发生相对运动，因此距离不会发生变化；当主螺母发生磨损后，主螺母下降，由于保护螺母与连接板采用上下方向腰圆孔连接，因此他们之间的距离就会发生变化，从而接近开关能够检测到距离的变化，从而使电机停止动作。

图6 保护螺母设计

4 总结

结构设计过程中的若干难点，希望能给设计者和操作人员一些启发。在生产过程中转向架升降工作台将列车转向架举升1 600 mm，操作人员在旁边作业，故需特别重视其安全性、可靠性，保证操作人员的人身安全。设计者可考虑将沿轨道方向的两个独立支撑点连为一体，四个支撑点变为两个通长整体托头架，增加支撑立柱的刚性；所有紧固螺栓采用8.8级以上；重要部件采用调质处理，并进行发黑防锈处理等应对措施。

［1］机械设计手册编委会.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］江牧，徐庭丽.基于使用心理的机械产品工业设计研究［J］.机械设计与制造，2011（05）：12-15.

Design and Application of the Bogie Lifting Platform

SHAN Zhen-kai
（Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou510310，China）

Bogie lifting platform is a necessary maintenance equipment for five-year overhaul and major overhaul of metro vehicles and it is installed in the workshop of comprehensive repair depot.This paper sum up experiences during use，analysis of some difficulties often encountered during the design of mechanical structure and give solutions,so that designers and operators inspired.

bogie lifting platform；bogie；lead screw lifter；nylon；coupling；bevel gear commutator

U231+.94

A

1009－9492(2014)05－0185－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.047

单振凯，男，1981年生，湖南平江人，大学本科，助理工程师。研究领域：地铁车辆检修设备技术维护与管理。已发表论文1篇。

(编辑：王智圣)

2013－12－02

本文通过提出和解决转向架升降工作台机械