動(dòng)車轉(zhuǎn)向架檢測(cè)線多功能小車運(yùn)動(dòng)分析及仿真

楊凡， 朱玉川， 吳洪濤， 林志勇， 鄭衛(wèi)星

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016；2.江蘇速升自動(dòng)化裝備股份有限公司 江蘇省軌道車輛生產(chǎn)裝備

工程技術(shù)研究中心，江蘇 無錫214112）

1 引 言

由于國外國情不同，動(dòng)車型號(hào)單一、數(shù)量較少，所以目前動(dòng)車轉(zhuǎn)向架檢測(cè)主要采用地面輸送設(shè)備和空中行車配合的方式，無流水生產(chǎn)線；但不少國家已引起重視，加快發(fā)展動(dòng)車，必將加快發(fā)展動(dòng)車檢測(cè)行業(yè)和檢測(cè)輸送技術(shù)。

國內(nèi)地廣人多，動(dòng)車需求量龐大且品種型號(hào)繁雜，按照1～1.5 年的強(qiáng)制檢測(cè)要求，檢測(cè)量巨大，現(xiàn)有動(dòng)車生產(chǎn)廠家產(chǎn)能有限，貨車檢測(cè)線水平低下，無法滿足動(dòng)車轉(zhuǎn)向架檢測(cè)需求和技術(shù)工藝要求。軌道車輛轉(zhuǎn)向架檢測(cè)輸送線采用先進(jìn)的上部懸掛式輸送方式，能適應(yīng)各型動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的同線檢修，滿足提速轉(zhuǎn)向架的檢修工藝需求，全面提高檢修作業(yè)效率。檢修線采用空中多功能小車，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的運(yùn)輸、上下升降、水平旋轉(zhuǎn)，配合地面專機(jī)對(duì)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的檢修?？捎糜趧?dòng)車轉(zhuǎn)向架三級(jí)～五級(jí)檢修，通過抓爪的前后左右調(diào)節(jié)，來實(shí)現(xiàn)CRH1、CRH2、CRH3、CRH5構(gòu)架的自動(dòng)吊掛作業(yè)。

2 多功能小車的三維實(shí)體建模

圖1 多功能小車結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)線多功能小車可以分為行走托盤組件、小車主體升降組件、旋轉(zhuǎn)裝置組件、轉(zhuǎn)向吊組件、小車電控系統(tǒng)和集電裝置。其中小車主體升降組件和旋轉(zhuǎn)裝置組件是小車的主要運(yùn)動(dòng)部分，如圖1 所示。

3 多功能小車的運(yùn)動(dòng)分析及仿真

3.1 多功能小車的升降運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈

多功能小車的升降由小車的主體升降組件完成。主體升降組件由兩個(gè)嵌套在一起的絲桿螺母構(gòu)成，通過一組離合器完成兩級(jí)對(duì)接。內(nèi)層絲桿與大鏈輪固定完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最外層螺母與升降套筒固定完成升降運(yùn)動(dòng)。圖2、圖3 分別為升降運(yùn)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和運(yùn)動(dòng)示意圖。

圖2 升降運(yùn)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 升降運(yùn)動(dòng)示意圖

3.2 多功能小車的升降運(yùn)動(dòng)仿真分析

圖4 升降組件約束

主要技術(shù)參數(shù)：總升降行程為2.4m；小車升降速度2.4m/min。把建立的多功能小車Pro/E 三位模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS 中進(jìn)行仿真，在實(shí)心絲桿和大地之間添加旋轉(zhuǎn)副，絲桿與螺母直接添加接觸和圓柱副，離合器與實(shí)心絲桿之間添加平動(dòng)副和彈簧,在實(shí)心絲桿上加上916°/s 的驅(qū)動(dòng)。由于兩級(jí)絲桿螺母模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了得到兩級(jí)絲桿螺母運(yùn)動(dòng)情況，減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算量，本次仿真在無負(fù)載無重力情況下做運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算。圖4 為升降組件加了約束之后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖5、圖6 為內(nèi)螺母豎直方向位移曲線和速度曲線，圖7 為離合器豎直方向位移曲線。

圖5 內(nèi)螺母豎直方向位移曲線

圖6 內(nèi)螺母豎直方向速度曲線

圖7 離合器豎直方向位移曲線

圖8 內(nèi)螺母轉(zhuǎn)速曲線

由圖5、6 可知內(nèi)螺母運(yùn)動(dòng)曲線可分為兩段，第一段做近似勻速運(yùn)動(dòng)，第二段螺母與離合器嚙合，豎直方向位置基本不變，有小幅振動(dòng)。分析第一段曲線可得，此段速度在2.3m/min 左右波動(dòng)，基本滿足升降運(yùn)動(dòng)技術(shù)要求。由圖7 可得離合器豎直位移圖可分為兩段，第一段是未嚙合前，穩(wěn)定在一個(gè)位置。第二段運(yùn)動(dòng)剛開始嚙合，離合器豎直位移有大幅波動(dòng)，最后穩(wěn)定于另一個(gè)水平位置，并帶有小幅度的振動(dòng)。圖9、10 說明外螺母以比較穩(wěn)定的速度往下運(yùn)動(dòng)，在離合器對(duì)接處速度有波動(dòng)。

3.3 多功能小車的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈

轉(zhuǎn)向架的水平旋轉(zhuǎn)由多功能小車的旋轉(zhuǎn)裝置完成，旋轉(zhuǎn)裝置由一個(gè)帶輪機(jī)構(gòu)和一個(gè)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)組成。電機(jī)、帶輪機(jī)構(gòu)與蝸桿固定在轉(zhuǎn)向吊機(jī)構(gòu)上,轉(zhuǎn)向吊通過一個(gè)軸承與內(nèi)層升降套筒聯(lián)接。蝸輪通過鍵固定于內(nèi)層升降套筒上。這樣在旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)下，電機(jī)、帶輪組件與蝸桿一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖11。

圖9 外螺母位移曲線

圖10 外螺母速度曲線

圖11 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D

3.4 多功能小車的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真分析

主要技術(shù)參數(shù)：水平旋轉(zhuǎn)角度0°～180°；旋轉(zhuǎn)速度（可調(diào)）3.1r/min。把三維模型導(dǎo)入ADAMS 進(jìn)行仿真，運(yùn)用ADAMS2012 的帶輪模塊，創(chuàng)建一個(gè)同步帶組件，在小帶輪的旋轉(zhuǎn)副上加上大小為5880°/s 的驅(qū)動(dòng)，大帶輪用固定副與蝸桿固定，蝸輪蝸桿之間添加一個(gè)齒輪副，蝸桿用固定副與一級(jí)套筒固定，旋轉(zhuǎn)電機(jī)用固定副與整個(gè)轉(zhuǎn)向吊組件固定，轉(zhuǎn)向吊組件與蝸輪之間設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)副。圖12 為旋轉(zhuǎn)組件加了約束之后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖13 為旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速曲線，圖14 從左到右從上到下依次為蝸桿上X 軸、Y 軸、Z 軸方向上和X^2+Y^2+Z^2上的轉(zhuǎn)矩曲線圖。圖15 從左到右從上到下依次為大帶輪上X 軸、Y 軸、Z 軸方向上和X^2+Y^2+Z^2 上的轉(zhuǎn)矩曲線圖。

圖12 旋轉(zhuǎn)組件約束

圖13 旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速曲線

圖14 蝸桿上的轉(zhuǎn)矩曲線

圖15 大帶輪上的轉(zhuǎn)矩曲線

由圖可知旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速由零開始快速上升到一個(gè)比較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，在3.3r/min 左右波動(dòng)?；緷M足旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)技術(shù)要求。

4 結(jié) 語

運(yùn)用ADAMS 虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)多動(dòng)能小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，檢查機(jī)構(gòu)有無干涉情況，驗(yàn)證是否滿足技術(shù)參數(shù)要求，還可以找出噪音源，為改進(jìn)優(yōu)化產(chǎn)品提供了數(shù)據(jù)支持，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

［1］ 鄭衛(wèi)星.上海動(dòng)車客車段轉(zhuǎn)向架檢修生產(chǎn)線上使用的多功能小車的研制［J］.中國制造業(yè)信息化，2012，41（13）：99-100.

［2］ 鄭曉亞，尤軍峰，張鐸，等.ADAMS 和ANSYS 在機(jī)構(gòu)分析中的應(yīng)用［J］.固體火箭技術(shù)，2010，33（2）：201-204.

［3］ 郝云堂，金燁，季輝.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS 中的實(shí)踐［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2003（3）：16-18.