关于止轮器自动收放的研究与设计

2021-07-28胡晓顺王燕玲张建武

轨道交通装备与技术 2021年2期

胡晓顺王燕玲贾庆张建武游城

(1.资阳中车电力机车有限公司四川资阳 641300；2.昆明中车轨道交通装有限公司云南昆明 650000)

0 引言

止轮器是铁道车辆作业中的重要防溜工具，它能有效避免机车溜逸事故的发生，是一种安全可靠、方便灵活、运用成熟的防护工具。目前市面上的止轮器大多需要在列车停稳后人工放置，这种操作方式在车辆外部空间狭小时并不适用，正如资阳中车电力机车有限公司(以下简称“资机公司”)用移车台转运机车时的情形。下文介绍一种专门用于移车台转运机车时，防止机车溜逸的自动止轮器。

1 当前使用概况

(a)金属杆 (b)两车空隙图1 止轮器及机车转运现状

目前，资机公司在不同轨道间转运机车需通过移动车台实现。转运前待机车停稳后，由调运人员手持止轮器上的金属杆(见图1-a)将止轮器放置到位。该操作方式主要存在以下两个缺点：(1)操作可行性差。移车台上机车停放部分宽度仅为3.7 m，而HXD1C和HXD1两种型号的机车宽度均为3.1 m，停放机车后移车台两侧空间狭小(见图1-b)，操作不便。目前的解决办法是选择在止轮器上加装金属杆，由作业人员在移车台一侧的平台上安放止轮器，但此平台高度达1.22 m，操作时极为不便。其次，当机车在转运过程中发生轻微溜逸时，车轮会将止轮器卡紧，止轮器难以取出。(2)机车安全得不到可靠保障。主要表现为：①现行方式不易确保止轮器放置到恰当位置，防溜可靠性大大降低；②生产任务繁重时，易发生简化甚至忽略机车防溜保护的情况；③目前移车台上所使用的2个止轮器均为木质，相较于金属止轮器，可靠性方面有所欠缺。且查阅TB/T 3162.3—2007《铁道车辆停车防溜装置第3部分：防溜铁鞋》可知，目前所使用的木质止轮器在尺寸和造型上并不符合安全规范。

针对第1种缺点，本文研究设计了一种高效便捷的止轮器自动收放装置。而针对第2种缺点，则使用合乎安全规范的止轮器，提升防溜可靠性。

2 方案分析

2.1 方案1

方案1的传动简图如图2所示。

图2 方案1传动简图

该方案为一连杆机构，工作时按压推杆上部，推杆与气动撑杆共同作用，把止轮器推动到钢轨上对机车实施防护。撤回止轮器时向上推动推杆。这种方案的优点如下：(1)结构简洁，占用空间极小；(2)安装方便，操作简单；(3)成本较低。但是，缺点也很明显：(1)止轮器与车轮的间距调整能力较弱，对机车停放位置精度要求较高，若机车实际停放位置与规定位置偏差较大，则止轮器的正常功能难以发挥；(2)需要人工操作，有一定的劳动强度。

2.2 方案2

方案2的传动简图如图3所示。

图3 方案2传动简图

该方案的运行模式有2个步骤：(1)当机车到达移车台既定位置后，电机M3正转，M1和M2以及与之相连的丝杠1、2获得垂直于轨道的速度V1，到达规定位置触发行程开关后M3停止；(2)M3停止后M1和M2正转，止轮器1、2获得平行于轨道的速度V2，当位于2个止轮器上的接近开关分别感应到车轮时M1和M2停止运转。

止轮器收回时运动步骤与上述过程相反。

方案2的优点：(1)止轮器的横向运动能消除其与车轮的间隙，防溜可靠性高；(2)机车实际停放位置与既定位置允许存在一定偏差，停放快速便捷；(3)采用电力驱动，可降低作业人员劳动强度；(4)工作时产生的冲击小。

缺点：(1)整体尺寸偏大；(2)运行步骤稍多；(3)成本偏高；(4)需移除移车台的部分组成，对移车台存在潜在危害。

2.3 方案3

方案3的传动简图如图4所示。该方案工作方式分为两种情况：

图4 方案3传动简图

(1)机车从移车台Ⅰ端(见图4)驶上移车台

步骤1：当把机车牵引至移车台上适当位置时，M1正转，止轮器1以速度V1运动到铁轨上，行程开关触发后M1停止运转。

步骤2：当机车车轮触发位于止轮器1上的接近开关后，M2正转，驱动止轮器2对另一个车轮进行防溜保护，当止轮器到达限定位置触发行程开关后M2停止运转。

步骤3：止轮器撤回。M1、M2同时反转，止轮器1、2同时离开轨道回到原定位置。

(2)机车从移车台Ⅱ端(见图5)驶上移车台

在该种情况下，各部件的运动逻辑与上述情况类似，不同点仅在于电机M2在M1之前启动。

图5 方案3三维结构图

方案3优点：(1)结构形式简单，易于安装调试；(2)运行步骤少，效率高；(3)空间占用小，无须对移车台进行较大改造；(4)适用范围广，调整两个止轮器之间的安装距离即可适应不同轴距的车型。

缺点：机车只有受到其中一个止轮器的止挡才停止牵引，该过程存在冲击，对丝杠要求较高。

2.4 方案比选

综合以上叙述，将各方案优劣点从结构、操作便捷性、不同车型适应性、空间占用、成本、安装调试等方面进行比较，最终选用了方案3。

下面针对方案3对其进行机械结构的设计和关键零部件选型，并对电气原理图进行设计，对线缆进行排布。

3 结构设计

3.1 设计参数

止轮器移动速度(V)：15 m/min；

丝杠负载：10 kg；

丝杠行程(Lk)：1 100 mm；

丝杠转速(n)：3 000 r/min；

丝杠定位精度：0.02 mm；

导轨静摩擦因数(μ0)：0.2；

动摩擦因数(μ1)：0.1；

取止轮器与轨面动摩擦因数(μ2)：0.25；

额定寿命(Lh)：10年，每天累计工作约2 h，共计7 300 h。

3.2 滚珠丝杠副选型计算

(1)丝杠导程Ph

此处，取Ph=5 mm[1]。

(2) 当量载荷Fm：由于止轮器加减速阶段极为短暂，整个运动过程可近似为匀速运动，所以其当量载荷Fm≈F=μ2mg=12.25 N。

式中：m为单个止轮器的质量，m=5 kg。

(3)预期额定动载荷Cam：

式中：因为伴有冲击或振动，故取载荷性质系数fw=2，精度系数fa=0.9，可靠性系数fc=0.44。因止轮器运动过程中电机转速不变，故当量转速nm=n=3 000 r/min。

(4)允许的最小螺纹底径d2m

式中：取支承方式系数a=0.078；导轨静摩擦力F0=μ0W=19.62 N；W为丝杠负载，W=98.1 N；

δm为最大径向变形量，取δm=5 μm;两轴承支撑点间距离L=1.2Lk+14Ph=1 380 mm。

(5)滚珠丝杠副的规格：根据以上计算，确定滚珠丝杠选用内循环固定反向器式，单螺母G型2005-3。基本参数为：公称直径d0=20 mm,丝杠底径d2=16.2 mm>d2m=6 mm，额定动载荷Ca=9.309 kN>Cam=508.23 N，钢球直径Dw=3.175 mm，螺母长度为46 mm。

(6)丝杠的设计高速极限值Dn校验

Dn=Dpwnmax≈(d2+Dw)nmax=60 225

式中：Dpm为节圆直径，经校验，Dn=60 225 mm·r/min，对于普通丝杠要求其值小于70 000 mm·r/min，因此，该值合格。

3.3 导轨选型

导轨选用线性滑轨，使用滚动导引，与传统的滑动导引相比较，滚动导引的摩擦因数可大幅降低，还能同时承受上下左右等各个方向上的负荷。将该类型滑轨与滚珠丝杠配合使用，可大幅提升设备的机械性能和效率[2]。查阅《HIWIN线性滑轨技术手册》可知，在本方案中选用EG系列中负荷型式即可满足使用条件，故选用EGH15SA型滑轨，其基本额定动负荷C=5.35 kN。