昆明地铁3号线车门锁闭杆连接轴轴强度计算

汪红兵

摘要：针对昆明地铁3号线客室双扇电动塞拉门旋转立柱上摆臂与锁闭弯杆之间的连接轴强度薄弱，存在应力集中断裂的隐患问题，对旋转立柱连接轴进行强度校核分析，数据结果表明： 锁闭杆连接轴的安全系数能够满足强度要求。

关键词：地铁;塞拉门;旋转立柱连接轴

引言

昆明地铁3号线电客车客室车门具有密封性好、噪声低、美观等特点，但因电动塞拉门结构复杂，调整变量多，缺乏装配、调整指标的唯一性，致使车门故障率一直较高。目前，由于昆明地铁 3 号线的旋转立柱上摆臂与锁闭弯杆之间的连接轴强度薄弱，存在应力集中断裂的隐患问题，因此对该旋转立柱连接轴进行强度校核，消除潜在的故障隐患，保证电客列车正线运营的安全可靠。

1. 计算评定标准

根据 DIN EN 12663《铁道车辆车体结构要求》规定，门板结构各个部件应在各个工况的载荷综合作用下，材料许用应力与计算等效应力之比应不小于 DIN EN 12663 第3.4.2 节中规定的安全系数 S （规定中若材料的屈服应力作为许用应力值，取 S1 为 1.15，若用材料的抗拉强度作为许用应力值，取 S2 为 1.5）。即：

2. 计算工况

根据《昆明 3 项目车门系统采购技术规范》和《EN_12663 铁道车辆车体结构要求》的要求，确定分析工况。采购技术要求为：

从内向外施加在一个门扇上 1500N 的力，均匀地加在车门一半高度上 200mm 宽的区域内，门扇挠度变形不超过 8mm。

施加在整个门宽度范围的车门一半高度上 200mm 宽的区域内 3500N 的力并持续 5 分钟。门扇不产生永久变形。

门关闭后应能保持在正确位置。门页能承受乘客在内部施加的 2000N 的力，且不会对车门的驱动及运动机构造成影响。

门板在三个加速度工况（X=3g，Z=-g;Y=g，Z=-g;Z=-3g）下的强度和刚度达到功能正常的要求。

根据昆明地铁3号线客室塞拉门系统的结构，当力的方向垂直门板向里时，门板周边的胶条贴紧门框，不论从变形还是受力来说，都比力的方向垂直门板向外要好的多。因此Y 向只计算垂直门板向外方向。

因此工况定为：

工况 1： Y=-g，Z=-g

工况 2： Z=-3g

工况 3： X=3g，Z=-g

工况 4：Fy=1750N（垂直门板向外）Z=-g

所用坐标系见下图：

x-轴（相应于车辆纵轴）的正方向是运动方向。y-轴（相应于车辆横轴）

在水平面内。z-轴（相应于车辆垂直轴）的正方向是向上。

单位：长度/mm，力/N，应力/MPa

计算模型

3.1模型单位

有限元分析过程中的单位制如表 1 所示：

3.2材料参数

锁闭杆连接轴的材料参数如表 2 所示：

3.3有限元模型

有限元模型是对真实结构的简化模拟，不完全等同于真实结构，是基于力学特性和计算的目的，对真实结构实际的受力及约束的抽象和简化，对锁闭杆连接轴分析模型简化如图 2 所示。锁闭杆连接轴组件的结构模型均采用 4 节点四面体与 8 节点六面体混合实体单元模拟，划分单元 5623 个，节点 10982 个;

3.4载荷与约束

通过对昆明 3 号线门机构的动力学仿真分析，提取不同工况下，锁闭弯连杆与旋转立柱球铰连接处的载荷。即可得到不同工况下，锁闭弯连杆连接轴处的载荷如表 3 所示：

在锁闭状态下，锁闭结构受门板经由上摆臂传来的力，由球铰连接传到锁闭连接轴上。选取每个工况下左右球铰最大的受力状态，根据实际的约束方式和受力情况，对模型进行约束，由于目前的关键部件为锁闭弯连杆相关组件，且整体的载荷工况在动力学软件中已分析完成并导出结果，因此有限元模型只需要对简化后弯连杆组件进行分析校核即可。

4. 计算结果

工况一锁闭杆连接轴的最大变形是 0.16342mm，最大应力为 113.5MPa;

工况二锁闭杆连接轴的最大变形是 0.1142mm，最大应力为 13.15MPa;

工况三锁闭杆连接轴的最大变形是 0.38549mm，最大应力为 226.8MPa;

工况四锁闭杆连接轴的最大变形是 0.36055mm，最大应力为 220.6MPa。

5. 结论

上述四个工况下锁闭杆连接轴计算结果如表 4 所示，可知四种工况下，工况 3 为最大工况，按标准 EN12663 的要求，当通过计算进行强度校核时，单个工况下零件的安全系数需大于 1.15。最大工况下，锁闭杆连接轴的安全系数大于 1.15，因此零件能够满足强度要求。

结束语

车门系统是地铁列车中关系到乘客安全的重要子系统，它的设计形式、机械结构、电气控制以及维修保养等诸多方面均直接影响着地铁列车的运营状况和广大乘客的人身安全。由于车门数量多且动作频繁，因此也经常出现故障。通过对旋转立柱连接轴进行强度校核分析，确保锁闭杆连接轴的安全系数能够满足强度要求，确保地铁运营时的安全可靠度，同時也为车门系统其他部件的故障分析与优化提供了参考。

参考文献：

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