城轨内藏移门系统承载滚轮设计

刘建秋，徐海市

（1.中国铁路上海局集团有限公司南京车辆监造项目部，江苏 南京210038；2.南京康尼机电股份有限公司，江苏 南京210038）

1 研究背景

随着社会生活节奏的加快，轨道交通在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。电动双开内藏移门由于其结构简单、可靠性高、成本相对较低等特点在城市轨道中被普遍应用。

目前常用的内藏移门承载导轨主要有2种结构，一种是采用直线导轨，另一种是采用滚轮。综合考虑性能和维护的情况下，现有的大部分电动双开内藏移门系统均采用承载滚轮式结构作为上部导向，如图1所示。

图1 承载滚轮式上部导向结构

在内藏移门系统中，门系统上部的导向功能、承载功能以及防脱功能均通过滚轮和导轨之间的配合来完成。因此，内藏移门的可靠性中，滚轮的可靠性决定着门系统的可靠性，滚轮在整个门系统中起着无比重要的作用。

2 滚轮设计

2.1 尺寸初选

目前南京康尼公司所采用的城轨客室电动双开内藏移门和司机室手动单开内藏移门使用的上导轨结构主要有2种，如图2所示，其上导轨的间隙D1分别为50.5mm和47mm。考虑到承载滚轮的通用性，新设计的承载组件以导轨开口尺寸较小的47mm来进行设计。

图2 现有承载导轨开口尺寸

考虑到安装时的相关需求，所设计的承载轮外径需要比上导轨开口尺寸要小，同时，考虑其承载能力，理论上承载轮直径越大，承载滚轮的承载能力越高。因此，初步选定承载滚轮的外径D2为46mm。

2.2 承载力

城轨移门单个门扇质量一般在30～35kg之间，实际计算时取恶劣工况35kg计算，即每扇门重350N。根据IEC61373冲击振动试验标准，垂向需要承受3倍重力加速度，因此门扇承载轮所受承载力为1050N，即单个承载轮受力525N，根据EN12663标准，取安全系数1.15，单个承载滚轮受力为603.75N，取整为600N。

2.3 防脱力

根据现有客户的相关要求（选取较高标准），要求门系统在8.5kN/m2的情况下，门系统不得有脱轨现象。现有的内藏移门常用最大开度为1400mm，通过高为1900mm，则门系统最大受力为1.4×1.9×8500=22610N，每扇门最大受力为11305N，因此，每个滚轮需要承受的防脱力为11305/4=2826.25N。根据EN 12663《铁道应用—轨道车身的结构要求》标准，取安全系数1.15，则其防脱力为3250N。

2.4 成型方式选择

由于承载导轨一般都为铝型材，因此承载轮外圈材质需要选择非金属，以免在滚动的过程中对导轨造成破坏。根据相关经验和数据，暂定承载轮外圈材质为聚甲醛。

现有的承载滚轮成型方式有以下2种可选，分别为装配结构和整体成型结构。其中，装配结构主要是将非金属滚轮外圈通过机加工成型后，再进行装配处理；而整体成型结构，则是直接在轴承上注塑，从而使得滚轮成为一个整体。机装配式和整体成型的优缺点对比如表1所示。

表1 成型方式选择

根据以上分析，优先选用整体成型的结构。

滚轮与导轨的搭接量和滚轮的强度决定了其防脱力的大小，如图3所示，滚轮与导轨的搭接量定义为C。

图3 承载导轨搭接量

2.5 搭接量的选择

根据经验，预先设计2种滚轮，其与导轨的搭接量C分别为3mm和5mm，通过对2种结构进行防脱试验，得出其防脱力的大小。

经过试验，2种滚轮的防脱力大小如表2所示。

表2 滚轮的防脱力

2.6 滚轮和轴的连接方式

如图4所示，滚轮和轴的连接方式有多种可选，常用的为螺钉限位、轴用挡圈限位、铆接等，由于滚轮对可靠性要求较高，且承载机构处空间较为紧凑，因此需要优先考虑空间占用较小的结构。其次滚轮价格相对较低，为了防止更换过程中，人工操作的不规范导致螺钉松动、挡圈掉落等现象的发生，需要优先选择一致性较高的工艺操作方法。相对于螺钉限位、轴用挡圈限位等方法，铆接时采用工装或者专业设备操作，零部件质量的一致性能够较好地把控。

图4 承载滚轮结构示意图

综上，对于滚轮和轴的连接方式，优先选择铆接结构。

2.7 滚轮轴的选择

考虑到滚轮后续是通过铆接的方式和滚轮轴连接在一起的，因此材料含碳量不能太高，尽量选择中碳钢中碳含量较低或者类似的金属。考虑到相关材料的性能和防腐等需要，此处选择30Cr13，其屈服强度为540MPa，如表3所示。

表3 材料特性

根据上述承载力600N的要求，考虑到铆接工艺等需求，暂定滚轮轴的直径为10～12mm。

2.8 轴承选择

根据先前分析，承载滚轮的外径为46mm，搭接量为5mm，则其内圈直径为36mm。滚轮厚度19mm，则两侧壁厚为（19－5×2）/2=4.5mm。考虑到均匀的壁厚有利于注塑，则滚轮注塑壁厚S初定为2～3mm，如图5所示。

图5 滚轮注塑壁厚

已知滚轮外径46mm，内径36mm，壁厚S为4～6mm，则可知轴承外径为24～28mm，且滚轮轴的直径在10～12mm之间。根据以上条件，滚轮轴承的选择如表4所示。

表4 轴承选型表[1]

从表4可知，轴承型号6001承载能力最强，且相关参数完全能够满足设计需要。从理论计算，其单列轴承即可满足设计需求，但考虑到相关制造水平和轴承的稳定性以及防脱性，使用双列轴承可以有效地提高滚轮载荷和其径向窜动，且相关尺寸也能够完全满足设计需求。

3 试验和验证

车门系统为非民用产品，对可靠性和舒适性均有一定的要求。为了验证设计滚轮是否符合设计的预期，通过故障预估和分析表，针对滚轮较为重要的失效模式，对滚轮进行一系列的试验和验证。

3.1 蠕变试验

滚轮外圈由非金属构成，相对导轨较软。如果选择的滚轮材料不合适，则门系统长期静置不用的情况下，会导致滚轮外圈连续在一个点受力，从而产生微小的变形，称之为蠕变[2]。蠕变不会对门系统的功能产生影响，但其会使得门系统在来回运动的过程中产生有节奏的异响，降低客户体验。

通过对滚轮长期静置加载，模拟门系统在车辆上长期不适用的工况。该试验已经完成，且达到预期的设计效果。

3.2 寿命试验

在进行寿命测试时，通过2种方法来同时对滚轮的寿命性能进行评价。

第一，将滚轮安装在门系统上，让门系统模拟现场的实际使用状况进行不间断的开门和关门动作，以验证其在正常运行条件下的适应性。

第二，通过专用测试设备，对滚轮的寿命和承载进行验证和测试，如图6所示，该设备不但可以节约通过实际门系统试验所需的时间，还能在较短的时间内，收集到所需的相关性能数据。

图6 滚轮寿命测试设备

3.3 防脱试验

通过在携门架上施加一个力F，来验证门系统的滚轮是否会脱出导轨，从而导致故障。在F=3500N（设计数据3250）的情况下，门系统没有脱轨，滚轮相关性能符合设计预期。

3.4 试验小结

除了以上试验，还对滚轮进行了老化、高低温、撞击等多个维度进行检测，本次设计的滚轮顺利地通过全部测试，达到了设计的预期，满足现场的实际需求。

4 总结

承载轮组件作为内藏移门系统上一个重要的零部件，对门系统的可靠性起着极其重要的作用。综上所述，知晓了滚轮的相关结构来源以及其所需的主要技术指标。按照以上参数设计的滚轮也已经通过了相关内部试验，并投入了实际项目的使用之中，目前运行状况良好。