地鐵車輛客室塞拉門旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂故障分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　摘 要：針對某地鐵車輛在運(yùn)營及檢修中出現(xiàn)的客室塞拉門旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂開裂問題，從驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)行為機(jī)理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性兩方面對故障原因進(jìn)行分析。針對故障原因，分析指出旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂最佳起始角度 14°為關(guān)鍵尺寸位置，該角度有效保證了門扇開閉前后連接部件長度一致。從結(jié)構(gòu)受力角度進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，在不影響結(jié)構(gòu)整體功能的前提下，應(yīng)力集中問題得到很大改善，局部應(yīng)力降低 57%，有效提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命。

　　關(guān)鍵詞：地鐵車輛;塞拉門;旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂;運(yùn)動(dòng)學(xué);結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　0 引言

　　塞拉門具有外轉(zhuǎn)幅度小，開啟、關(guān)閉時(shí)間短，密封性能好等特點(diǎn)，廣泛用于地鐵和城市車輛。由于此類機(jī)械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，安裝調(diào)整部位較多，開關(guān)門難度高于其他內(nèi)藏門、外掛門，故障率也因此較高。此外地鐵車輛客室開關(guān)門頻率高，門扇數(shù)量多，在長期運(yùn)行過程中結(jié)構(gòu)裝配位置容易出現(xiàn)松動(dòng)移位，同時(shí)由于檢修空間小，細(xì)微故障不易發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致薄弱零部件經(jīng)常損壞。

　　根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)及地鐵運(yùn)營部門相關(guān)故障案例，地鐵車輛客室塞拉門故障主要表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂與門扇干涉接觸摩擦，旋轉(zhuǎn)立柱導(dǎo)向輪脫落破裂，鎖閉彎連桿開口銷脫落。李建明[1]針對客室塞拉門旋轉(zhuǎn)立柱導(dǎo)向輪破裂故障提出改進(jìn)措施，劉開勇[2]改進(jìn)塞拉門鎖閉彎連桿結(jié)構(gòu)后，鎖閉轉(zhuǎn)軸開口銷脫落故障率明顯降低。針對此類結(jié)構(gòu)存在的普遍性問題，以某地鐵車輛客室塞拉門為研究對象，針對旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂導(dǎo)向輪連接處在運(yùn)營及檢修中出現(xiàn)的焊縫裂紋斷裂失效現(xiàn)象，從運(yùn)動(dòng)學(xué)行為機(jī)理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性兩方面分析故障原因，從結(jié)構(gòu)受力角度優(yōu)化轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，確定旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂最佳起始位置及相關(guān)結(jié)構(gòu)部件尺寸關(guān)系，在不影響整體功能的前提下，改善應(yīng)力集中問題，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，為實(shí)際運(yùn)用維護(hù)提供參考。

　　1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

　　地鐵車輛客室塞拉門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成如圖1所示，通過吊架組成與車體連接，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置為中置直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，拉桿組成-鎖閉彎連桿-旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)門扇外塞和內(nèi)拉運(yùn)動(dòng)。輥式滑車組成起到連接和承載門扇重量作用，齒帶傳動(dòng)輥式滑車帶動(dòng)門扇實(shí)現(xiàn)與列車外壁平行的橫向動(dòng)作。

　　2 故障現(xiàn)象

　　車輛客室塞拉門旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂原始結(jié)構(gòu)如圖2a所示，轉(zhuǎn)臂上部連接軸與下部導(dǎo)向輪同軸心，由于在運(yùn)營過程中相關(guān)連接部件頻繁故障，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)連接軸與導(dǎo)向輪同軸心導(dǎo)致鎖閉彎連桿開關(guān)門前后長度不一致，將此關(guān)鍵轉(zhuǎn)臂部件優(yōu)化為當(dāng)前結(jié)構(gòu)如圖2b所示，上下兩部件偏心6.2 mm后，故障率明顯降低。

　　地鐵運(yùn)營部門對當(dāng)前轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)在運(yùn)營壽命周期內(nèi)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)立柱上轉(zhuǎn)臂導(dǎo)向輪連接處焊縫出現(xiàn)裂紋甚至斷裂失效現(xiàn)象，導(dǎo)向輪與門導(dǎo)軌嚴(yán)重?cái)D壓磨損，開關(guān)門阻力增大。裂紋位于上轉(zhuǎn)臂與焊接組成的接合處，起始于焊縫內(nèi)側(cè)端部并沿周向擴(kuò)展，裂紋位置如圖3所示。

　　3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)故障分析

　　3.1 運(yùn)動(dòng)原理

　　門扇運(yùn)動(dòng)過程如圖4所示，在門扇關(guān)閉狀態(tài)(圖4a)，鎖閉轉(zhuǎn)桿與鎖閉彎連桿處于過死點(diǎn)位置，系統(tǒng)處于鎖閉狀態(tài);在門扇開啟動(dòng)作中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)架推動(dòng)拉桿組成，鎖閉轉(zhuǎn)桿越過死點(diǎn)位置，鎖閉彎連桿推動(dòng)旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂向外擺動(dòng)，在外擺運(yùn)動(dòng)中(圖4b)輥式滑車連接組成的導(dǎo)向輪在機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌的圓弧段滑動(dòng)，鎖閉轉(zhuǎn)桿到達(dá)限位后，門扇外擺運(yùn)動(dòng)過程結(jié)束;電機(jī)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)，輥式滑車組成帶動(dòng)門扇實(shí)現(xiàn)與列車外壁平行運(yùn)動(dòng)，此時(shí)輥式滑車連接組成的導(dǎo)向輪在機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌直線段平行滑動(dòng)(圖4c);在每個(gè)門扇的框架側(cè)面固定安裝有旋轉(zhuǎn)立柱，旋轉(zhuǎn)立柱上下端部焊接轉(zhuǎn)臂，鎖閉彎連桿通過轉(zhuǎn)臂上端部連接軸推動(dòng)轉(zhuǎn)臂以立柱為軸心的圓弧運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臂下部導(dǎo)向輪在門扇導(dǎo)軌內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)臂使兩扇門的外擺運(yùn)動(dòng)同步，保證鎖閉力傳遞給門扇。

　　3.2 故障原因

　　從塞拉門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)理對故障原因進(jìn)行分析，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖5所示：其中o為旋轉(zhuǎn)立柱固定支座，p為鎖閉轉(zhuǎn)桿固定支座，在此四桿機(jī)構(gòu)中，a為鎖閉轉(zhuǎn)桿，b為鎖閉彎連桿，c為旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂，進(jìn)一步對驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)定位尺寸、相對位置以及運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行對比分析。

　　如圖5a所示，旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂c的上連接軸與下部導(dǎo)向輪同心，旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂為67.5 mm，機(jī)構(gòu)從abc位置運(yùn)動(dòng)至a′b′c′位置，運(yùn)動(dòng)前后鎖閉彎連桿長度應(yīng)為恒定值。對連桿機(jī)構(gòu)開啟和鎖閉過程模擬分析，得出車門鎖閉狀態(tài)下，鎖閉彎連桿b長度為255.6 mm，小于車門開啟狀態(tài)長度258.3 mm，致使車門開啟時(shí)旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂外擺動(dòng)量小于 56 mm，車門在開啟狀態(tài)時(shí)鎖閉彎連桿受到較大的拉力。在鎖閉狀態(tài)，鎖閉彎連桿長度偏小，車門鎖閉時(shí)鎖緊力較大，旋轉(zhuǎn)立柱上轉(zhuǎn)臂導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌擠壓力變大，導(dǎo)向輪提前破損、導(dǎo)軌嚴(yán)重變形。

　　鑒于此分析，地鐵相關(guān)部門對驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了如圖5b所示的優(yōu)化。旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂連接軸與導(dǎo)向輪焊接組成的偏心量為 6.2 mm ，保證鎖閉彎連桿在門扇開啟前后長度基本一致的要求：鎖閉時(shí)為 254.3 mm，開啟時(shí)為254.5 mm。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)圖5b所示結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂的理論軌跡應(yīng)為n弧線，為保證門扇外擺尺寸56 mm恒定值，旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂實(shí)際軌跡為m弧線，門扇在開啟和鎖閉狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂長度不一致，門扇開啟后比閉合時(shí)大2.5 mm，因此轉(zhuǎn)臂下部導(dǎo)向輪會(huì)受到較大拉力被強(qiáng)迫向外拉伸2.5 mm，此狀態(tài)將直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)臂下部導(dǎo)向輪連接處焊縫拉應(yīng)力過大，導(dǎo)向輪異常受力、磨損，焊縫出現(xiàn)裂紋甚至斷裂失效、導(dǎo)向輪脫落故障的發(fā)生。

　　為使旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂、鎖閉彎連桿在門扇開閉前后長度一致，門扇外擺56 mm，優(yōu)化機(jī)構(gòu)各部件最佳尺寸關(guān)系及運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5c所示：在門扇鎖閉狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂與水平線夾角為14°，開啟過程中鎖閉轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)95°到達(dá)限位處，此時(shí)旋轉(zhuǎn)立柱轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)76°，門扇被向外推出56 mm。此狀態(tài)下鎖閉彎連桿門扇鎖閉時(shí)長度為252.1 mm，門扇開啟后為252 mm。

　　推薦閱讀：《鐵路技術(shù)創(chuàng)新》(雙月刊)創(chuàng)刊于2003年，由中國鐵道科學(xué)研究院主辦。綜合報(bào)道和傳播國內(nèi)外鐵路行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新成果，重點(diǎn)展示和推廣鐵路新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝備，引領(lǐng)和推動(dòng)鐵路技術(shù)創(chuàng)新。