陆轨两用车陆轨转换系统设计

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第 10期2013年 1O月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 45陆轨两用车陆轨转换系统设计沈永峰 ，郑松林 ，一，朱本雨 ，冯金芝lI2，王 成3(1．上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2．机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室，上海 200093；3唐山科技职业技术学院，河北 唐山 063000)摘 要：基于自主研发的陆轨两用工程维护车的快速陆轨转换功能的需求，阐述 了陆轨两用车的功能与总体结构，根据其轨道和陆面间转换的运行方式的特点，进行该系统的结构设计，构造出陆轨转换系统形态并建立三维模型。并根据平移导轨在陆轨转换过程中所受的载荷特征，对其进行可靠性设计，通过有限元方法对其刚度和强度进行校验，验证设计的合理性。在满足工作可靠性前提下，该系统特殊的结构形式及功能特点，具有广阔的市场前景。

关键词：陆轨转换系统；结构设计；平移导轨；可靠性分析中图分类号： rHl6 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)m-oo45—03ROad—RaiI—Shifting System Design for Dual-Purpose VehiclesSHEN Yong-~ng ，ZHENG Song-lin。 ，ZHU Ben-yu ，FENG Jin-zhi ，WANG Cheng(1．ColegeofMechanicalEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China；2．MachineryIndustry Key Laboratory for Mechanical Strength& Reliability Evaluation of Auto Chassis Components，Shanghai 200093，China；3．Tangshan Vocational Colege of Science and Technology，Hebei Tangshan 063000，China)Abstract：An en~neenng maintenance vehicle withfast road-rail-shiftingfunction is se veloped，and thefunctionality andconfiguration ofdual-purpose vehicles ale i~roduced According to the characteristics ofthe operation mode，it designs thestructure ofthe systemfol~wed thefunctional requirements．constructs thefo ofroad-rail-shifting system and establishes the3DmodelBasedontheload characteristicsoftheguide beaminthe conversionprocess，the reliabilitydesignoftheguide beamand its stiffness and strength check analyzed through FEA software．which verifed the rat~nality ofthe desig,~In theconditions ofoperational reliability，the special structure and，eatures ofthe system，has a wide marketprospect.

Key Words：Road-Rail-Shifting System；Structure Design；Guide Beam；Reliability Design1引言当前国内在地铁线路或机车出现故障时，首先要将机车牵引出故障点，工程车辆才能驶往目的地点进行检修或抢修，影响正常运营。因此，研发具有快速陆轨转换功能的用于轨道线路和机车检修及抢修的工程维护车具有重要的现实意义。本课题组经多年的研究，设计了一种具有陆轨转换功能的陆轨两用车【l-4]。其陆轨转换系统是实现轨道与站台间快速转换的关键部分，为了确保该系统具有足够的工作可靠性和性能稳定性，必须在设计时保证其主要运动部件具有足够的支撑刚度和结构强度。将结合整车陆轨转换过程中的运行方式对此系统的结构设计及平移装置中平移导轨的可靠性设计与校验进行分析研究。

2陆轨转换系统结构设计原则2．1整车设计性能要求所设计的陆轨两用工程车由动力系统、转向系统、制动系统、行走系统 、陆轨转换系统以及车体等兀 目成。对整车要求为：以蓄电池为动力驱动车辆行走；—般使用镁合金、铝合金和钢为车辆主要制造材料，整车设计质量为(4 )t；平时停靠在站台或轨道备停区；在枷萱E能依鞲冼遭行走系统快速行驶，携带专用工具，到达目的地进行抢修或检修；在陆面上能依靠公路行走系统缓慢平稳运行，至指定位置充电或停靠备停区域；陆轨转换过程安全、平稳、快速。

2．2轨道和陆面间快速转换的运行方式轨道向陆面转换：整个车体在油缸推力下向上顶起至轨道轮下缘高于站台台面；平移导轨向站台方向平移至指定位置，导轨上安装的支撑油缸下压至支撑住车体；平移导轨固定不动后将之前油缸收起，车体在与平移导轨平行安装的平移油缸提供的侧向力驱动下沿平移导轨移动，至车身投影整体在站台空间部分为止；前后公路轮下压至陆面，支撑住车体后，平移导轨上支撑油缸收起，平移油缸牵引平移导轨回复至初始位置，即完成从轨道向陆面的转换。陆面向轨道转换过程即为车辆从轨道向陆面转换的反过程，在此不做赘述。整车由轨道向站台转换过程中，如图1所示。平移导轨受竖直方向大载荷是从平移导轨的平移结束，固连在导轨上的油缸起到支撑作用后，车体重量完全作用于两根平移导轨上开始，至车体移动至陆面指定位置处结束。

来稿 日期：2012—12—05基金项目：国家“十二五”863重大项 目(2011AA11A265)；上海市科委基础研究重点项目(10JCI411600)作者简介：沈永峰，(1975一)，男，辽宁朝阳人，博士在读，讲师，主要研究方向：车辆结构可靠性；郑松林，(1958一)，男，河南温县人，教授，博士生导师，主要研究方向：车辆载荷特陛、结构强度、振动及可靠性评估方法沈永峰等：陆轨两用车陆轨转换系统设计 第 l0期轴，牵引油缸伸缩就可带动短导轨的转动。两平移油缸反向安装，一 个与车架底部固定，另一个通过连接板与平移导轨固连，平移置 油缸伸缩即可给车体或平移装置的侧向移动提供动力。

平移导轨与车架连接形式，如图4所示，每根平移导轨上有1所示固定支架 4个，跟车架用螺栓连接；固定支架下端安装 5所示卡槽滑轮，在导轨上表面安装如2所示支撑滚轮，平移导轨恰好从支撑滚轮与卡槽滑轮之间穿过，如此结构设计满足了平移导轨与车体的相对转动。

图 1整车由轨道向陆面转换过程Fig．1 Road-Rail—Shifting Process2．3陆轨转换系统的结构设计原则根据前文所述陆轨转换系统在工作过程中的运行方式和载荷特征，可确定此系统的结构设计的原则：平移导轨垂向变形尽量小，满足车体快速平稳进行陆轨转换的功能；各零部件之间空间安装位置合适，在陆轨转换工作过程中不出现干涉；整车各部件尽量轻量化，并满足长时间工作的可靠性；零部件结构简单，强度和刚度满足使用要求。

3陆轨转换系统结构设计该系统结构包括升降装置、平移装置组成，其结构形式，如图 2所示。

图2陆轨转换系统总成Fig．2 Road—Rail—Shifling System Assembly3．1升降装置升降装置主要由升降油缸、车架横臂及车架组成 ，油缸在横臂端部固定，而横臂与车架固连 ，故 4个升降油缸在陆轨转换过程中起到支撑整个车体升降的作用。

3．2平移装置图3平移装置总成Fig．3 ShiRing Device Assembly平移装置，如图3所示。受地铁限界约束，每根平移导轨由 1根长导轨铰链连接 2根短导轨的形式组成。牵引油缸一端固定在长导轨内，短导轨上伸出固定支架与油缸活塞杆通孔之间穿过销1．固定支架 2．支撑滚轮 3．连接销 4．螺栓 5．卡槽滑轮6．平移导轨 7．车架底板 8．升降油缸安装座 9．牵引油缸图4平移导轨与车架连接形式Fig．4 Connection Type of Guide Beam and Frame4平移导轨可靠性设计与校验在陆轨转换系统结构设计中，平移导轨是系统中最重要承载部件，其载荷特征有其特殊性，因此首要对其进行可靠性设计。

4．1可靠性设计基本理论可靠性设计是将材料性能、强度、零部件尺寸等与设计有关的参数、变量认为是服从某种规律的随机变量，并以应力一强度分布干涉理论为基础进行设计计算i6-7~。设 ，Y分别表示应力和强度随机变量 ( )和 ，，)分别为相应的分布密度函数。当应力和强度随机变量都服从正态分布时：)：—— e一(X-[Zx)2／o-~ (1) V2
耵g( )=——— e一(y] )2／2o-： (2)。 V'2cr式中 ， 力和强度的均值；orx， ’_一应力和强度的标准差。

可靠度：= — L j e ／2dt (3)、／21r(4)V cr=+cr=联结方程(4)将应力与强度联系起来，／, 称为可靠度系数。

根据目标可靠性指标，即可靠度值的大小确定时，查表可求得 “值，应力与零件尺寸建立关系，即可求得所设计零件尺寸。

4．2平移导轨的尺寸设计与校核平移导轨在结构上要求内侧安装牵引油缸 ，上表面安装支撑滚轮。且车体移动到不同位置对其有不同影响，因此考虑形状和抗弯扭作用，根据《机械设计手册》所列型材，选取“H”型钢作为平移梁。“H”型钢截面图，如图5所示。

根据对尺寸大小的要求，结合手册中型材基本尺寸，设 =-； ：争；等=击。

No．10Oct．2013 机械设计与制造 47应力： = graax (5)梁的截面惯性矩：，-告3一吉( )^ (6)梁截面的中性轴至外纤维的距离：c=等由以上三式可得出，应力o'=-32· (舌为宽的均值)。

(7)图5?H’型钢截面图Fig．5 H-Beam Cross Section基于站台限界的尺寸约束，确定平移导轨的总体尺寸：导轨完全展 开全长 4836mm，两端固定支撑油缸之间 的距离 为4576mm，起平移作用的长度为4326mm；导轨上两支撑滚轮间距为 1000ram。

通过 CAD建模可知，去除平移装置后车体质量约为5500kg。假设实际使用中因装载设备不同造成整体质量变化服从正态分布，取其均值为初始设计质量6t，从而平移导轨受载也服从均值为 1．5x10~N的正态分布，故对导轨的最大弯矩均值及其标准差可计算得：( ， )=(3．9×10’．4．2×10 )，单位为rflm。

应力的标准差与截面尺寸有关，取曰的尺寸公差为0．03B。

因正态分布中数据偏离三倍标准离差的概率为0．3％，几乎可忽略，因此强度设计中假设公差为其标准差O"X的3倍围， ：—0．0 3一B-
--4)．01B，的标准差 为插 O-x=0．03吾。应力及其标准差为：， )=32· (8)【 ．0．o3~J型钢大多选用普通碳素钢作为加工材料，查表可知四，材料的屈服极限均值为／~r-443MPa，其屈服极限的标准差为 =27．5MPa／mm 。

在R=0．99时查表可得 为2．326，应用联结方程(4)求得=126．6ram，其公差为 3．8ram，故在保证可靠度R-0．99时，所设计的普通碳钢“H”型梁宽船 (126．6+3．8)mm。

在满足可靠性设计要求，并结合实际尺寸需要的条件下，选用材料为Q235。型号为HW125x125“H”型钢作为导轨。

车体在平移导轨上移动过程中，明显可知移动至长导轨中间位置处，对平移导轨的垂向变形影响最大。故在此位置处对平移导轨进行静力学分析，边界条件及载荷工况如图6所示导轨受载情况来确定，取其质量均值6t，平移装置中每个支撑滚轮对平移导轨的作用力为 1．5×104N，得到在车体移动到不同位置处的导轨最大应力及最大位移值，如图7所示。验证选用的“H”型钢是否满足工作要求。

图6车体在中间位置处平移导轨受力图Fig．6 The Loading Diagram of Guide Beam underthe Body in the Neutral Position(a)应力云图(b)位移云图图 7车体在中间位置处平移导轨应力与位移变形图Fig．7 The Stress and the Displacemem Nephogramof Guide Beam under Neutral Position在有限元分析软件中对“H’，型梁划分2D网格，在支撑油缸与平移导轨连接位置的节点上，约束除 向转动自由度外其余自由度。经过计算最大应力是79．49MPa，小于其材料屈服极限许用应力；导轨的最大变形位移为0．48mm，挠度变化很小，满足平移导轨在陆轨转换过程中尽量不发生垂向变形的设计原则，从而有利于工作过程的平稳。对整个陆轨转换系统工作过程的安全、快速、平稳的实施提供有力保障。

5结论(1)设计的陆轨两用车陆轨转换系统，充分考虑了车辆运行时尺寸限界，具有独特的结构形式，同时对平移导轨进行可靠性设计与校验，满足快速陆轨转换功能需求，为后续对该系统及整车的深入研发奠定基础。 (下转第5O页)50 机械设计与制造No．1OOct．20l31雪篝位置l2 一J图7比较一阶振动的幅度和立柱的垂直集中载荷静挠度Fig．7 Comp~e the Amplitude of Order Vibration and StaticDeflection of the Vertical Concentrated Load for Colunm4结论在此项研究中，设计了一种混合材料的高速立式加工中心的床身。混合材料即钢板焊接骨架外包裹聚合物混凝土。通过实验和计算得到了聚合物混凝土的最佳配合比。然后，对聚合物混凝土的静力性能和阻尼特 进行了测试。再对床身进行建模的基础上，利用有限元分析软件ANSYS12．0对床身结构进行了静力学分析和模态分析。并且通过应变能法对立柱部分的阻尼进行了计算。结果表明，此种混合材料的高速立式加工中心床身，完全可以满足高速加工的需要，具有很好刚度和强度，并且很大程度的降低了高速切削时的振动对加工精度的影响。因此，聚合物混凝土与钢板焊接的复合结构完全可以满足高速加工中心的支承大件的性能要求。

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