牵引钩装置 篇1
随着人们生活水平的提高,汽车已经成为人们日常生活中不可或缺的交通工具。近年来,我国汽车保有量迅猛增长,故障车、事故车等车辆阻碍交通的现象频发;汽车牵引装置作为车辆的安全结构件,在车辆救援及售后维修中起着关键的作用;牵引装置的规格、强度等差异很大,给车辆救援及售后维修带来困难。国家标准化管理委员会针对汽车牵引装置制定出适合中国汽车行业需求的强制性标准。
本文在国家标准的前提下,利用CAE辅助分析手段,对某微车牵引钩螺母连接结构进行优化设计,优化后得出满足国家标准强度要求的结构,为今后前牵引钩装置的结构设计提供参考。
1 背景
某微车前牵引钩装置的连接结构包括牵引钩螺母、前防撞梁焊合件、车架纵梁等,牵引钩螺母通过CO2保护焊与防撞梁内外板连接,前防撞梁焊合件与车架纵梁翻边通过电阻电焊形成Y方向上的连接,在车架纵梁内部,再通过一个“L”形的加强板将前防撞梁焊合件与车架纵梁连接,利用加强板的翻边与车架纵梁
内壁焊接(如图1所示)。
1.1 CAE分析加载条件
按照国家标准要求,牵引装置应能承受的最小静载荷F:
F=m×g/2
其中,F为牵引装置承受的最小静载荷,N;m为最大允许总质量,kg;g为重力加速度,9.8 m/s2。
为了给予一定的安全裕度,CAE分析中加载力均是在法规要求的基础上乘以1.2。该车型在拖钩处的加载力如下:
CAE分析过程中,对该车型车身截断处6个自由度进行约束,对牵引装置分别沿水平方向(与车辆纵向中心线平行)、垂直方向±5°及水平方向±25°施加拉伸和压缩静载荷(如图2所示)。
1.2 评价标准
国家标准要求:安装在车辆上的每一个牵引装置在完成试验后,牵引装置及其固定件不应损坏、失效、断裂或产生影响正常使用的变形;安装在牵引装置附近的其他部件(如车辆的灯具、信号装置、制动系统、转向系统等)不应损坏或无法正常工作。
卸载后永久变形及塑性应变没有明确要求,在CAE分析中,一般要求永久变形量小于经验值(10 mm),最大塑性变应小于0.2。
1.3 分析结果
在水平方向±25°的工况下,该车型实际永久变形量达16 mm,大于经验值(10 mm)(如图3所示)。最大应变在水平方向右偏25°的工况下,产生在防撞梁上,值为0.038,小于0.2 (如图4所示)。
综上2个评价标准,该车型牵引装置在水平方向±25°工况下,永久变形较大,存在断裂风险,影响牵引装置及其固定件的正常使用,不能满足国家标准中对强度的要求。
2 原因分析
该车型的牵引装置中,车架纵梁采用的材料为B280VK,厚度为1.8 mm;防撞梁内、外板材料均为BLD,厚度为1.0 mm;“L”形加强板的材料为SAPH370酸洗,厚度为1.8 mm。牵引钩装置受到载荷力时,通过牵引钩螺母传递到防撞梁,再通过防撞梁传递到车架纵梁,车架纵梁将力传到车身。而防撞梁焊合件与车架纵梁翻边的连接刚度和强度不足,不能有效地将载荷力传递给纵梁,导致该区域应力集中,随着载荷力加大,防撞梁与纵梁连接区域发生塑性变形,导致牵引装置永久变形量不达标。如果设计出合理的连接结构,将所受载荷有效地分担到车架纵梁,降低防撞梁处的应力,则有望解决牵引装置永久变形大的问题。
3 解决方案的制订和确认
3.1 方案的制订
为解决以上问题,需要针对连接牵引钩螺母的加强板设计出新的结构,方案如下。
方案一:纵梁内部新增一个“几”字形支架代替原来的加强板,利用支架翻边与纵梁内壁通过电阻点焊连接,牵引钩螺母内外径保持不变,长度由45 mm改为95 mm。牵引钩螺母通过CO2保护焊固定在支架上,并与前防撞梁焊合件连接。其中,加强板采用SAPH370酸洗材料,厚度为2.0 mm (如图5所示)。
方案二:纵梁内部增加2个加强板,形成一个闭合的腔体结构,通过CO2保护焊及电阻点焊将加强板焊接在纵梁侧面及底面,牵引钩螺母内外径保持不变,长度由45 mm改为60 mm,利用CO2保护焊焊接。其中,加强板均采用SAPH370酸洗材料,厚度为2.0 mm(如图6所示)。
方案三:纵梁内部新增一个“U”形加强板,与纵梁侧面通过电阻点焊连接。该加强板在牵引钩螺母至大梁侧壁的过渡面增加横向筋条,提高连接刚度及强度。更改牵引钩螺母外径为直筒圆,并将长度由原来的45 mm改为85 mm,内径由Φ14 mm改成Φ18 mm。用CO2保护焊将牵引钩螺母固定在加强板上。加强板采用SAPH370酸洗材料,厚度为2.0 mm(如图7所示)。
3.2 方案的确定
在零件结构及工艺上,方案一及方案三的结构简单,与车架纵梁采用电阻点焊连接,工艺易于实现;方案二中的2个加强板需通过CO2保护焊连接形成闭合腔体,与车架纵梁也需要通过CO2保护焊进行焊接,工艺复杂。
通过运用CAE分析软件对以上3个方案在水平方向、垂直方向±5°及水平方向±25°5种工况下进行仿真分析,从永久变形量和最大应变量2个角度进行对比,分析结果见表1、表2。
从表1中发现,方案一在水平左偏25°的工况下,实际永久变形量达21 mm,水平右偏25°时达12mm,塑性变形均大于10 mm,存在断裂风险;方案二在水平左偏25°及水平右偏25°工况下,实际永久变形量均在10 mm左右,刚好达到标准临界值,但安全裕度不足;方案三在5种工况中,最大实际变形量为6mm,小于10 mm,认为材料安全,满足标准要求。从表2中,3个方案的实际应变量在5种工况中均小于0.2,认为材料安全,满足标准要求。
4 方案验证
结合结构、工艺分析及CAE仿真分析结果,最终采取方案三:在纵梁内侧增加一个“U”形支架,采用的材料为SAPH370,材料厚度为2.0 mm,同时在牵引钩螺母至大梁侧壁的过渡面上增加加强筋强化零件结构。牵引钩螺母加大内外径且增加长度,增大与牵引钩的接触面积。该方案经实车验证后,牵引装置及其固定件未出现损坏、失效、断裂及产生影响正常使用的变形,满足标准要求。
5 结论
在牵引装置结构设计中,需有效利用力学原理,根据零件边界条件及材料强度等,合理地设计结构,将牵引装置所受载荷有效地分担到车身本体,有效地减少牵引装置的永久变形量,从而减少破坏变形。对设计者来说,充分借助CAE分析软件进行理论分析,是设计中的一个重要手段,有效地解决设计中的问题,找到结构与成本的最佳结合点,从而输出更高质量的车身结构设计。
参考文献
[1]黄天泽,黄金陵.汽车车身结构与设计[M].北京:机械工业出版社,1997.
[2]张小虞.汽车工程手册[M].北京:人民交通出版社,2001.
[3]成艾国,沈阳,姚佐平.汽车车身先进设计方法和流程[M].北京:机械工业出版社,2011.
牵引钩装置 篇2
摘要：为提升机车牵引电机齿轮的可靠性，长沙机务段对原中频感应电源进行升级改造，增加带显示屏的PLC控制器；设计微型液压站，降低齿轮拆卸的劳动强度，提高作业效率。
关键词：中频感应电源；带显示屏的PLC；预置加热方案；微型液压站
中图分类号：U269 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0021-02
我段承担多种内燃、电力机车检修生产任务，在对牵引电机临修、小修过程中，需要先拆卸电机传动端轴伸上的小齿轮，才能对电机进行解体修理。原电机齿轮的拆卸方式一直采用人工手动，无专用的工装设备，拆卸效率低，遇到难以拆卸的齿轮，改用普通中频感应加热的方式，造成小齿轮表面退火而报废。为此，我段研制一种机械液压装置替代目前人工拆卸齿轮的设备，改变原人工手动和普通中频感应加热的拆卸方式，达到高效率和高可靠性的目的。本文介绍的一种电机齿轮液压拆卸装置，是我段近期潜心研究开发的成果。
1 设备总体结构
牵引电机小齿轮液压拆卸装置由一台中频感应加热电源和一台微型液压站组成。
新改造中频感应加热电源，在原来设计的中频感应加热电源基础上，增加的PLC编程控制功能，可以储存13套“预制加热方案”并在实际使用过程中选择使用。
微型液压站由小车、储油箱、电机/柱塞泵一体机、各种阀块、油管、滤油器、轴头连接管螺纹和防护挡板组成。电机/柱塞泵一体机由2.2kW电机和轴向柱塞泵一体机组成。
2 设备工作原理
2.1 中频感应加热电源主电路工作原理
如图2所示：来自电网三相工频交流电经过整流电路形成电压可调的脉动直流电，经过滤波器滤波为平滑的直流电送至单相逆变器，从逆变器输出高于工频几倍的中频单相交流电至负载。中频感应加热电源的负载是由感应线圈（包括加热工件）及中频电热电容器组成的LC并联振荡电路，该电路对负载的适用性较强，运行稳定可靠。
图2 主电路原理图
2.2 带显示屏PLC控制器
原有的中频感应加热电源，不带显示屏PLC控制器。实际使用该电源，必须先输入各项工作参数，再开机使用。当在工作中出现多种产品需要感应加热时，经常需要不断更换输入的各项工作参数，工作量比较大，而且容易出现参数输错造成工件过热退火或者加热不足的情况。
在原有中频感应加热电源上，增加带显示屏PLC控制器，并对内部电路进行改造。现在，通过带显示器的PLC控制器，可以方便地设置13套工作参数并贮存。实际使用过程中，根据具体情况调出所需要的参数进行工作。
图3 预制加热方案设置界面
2.3 微型液压站工作原理
图4 液压系统原理图
启动电机工作，通过滤油器，轴向柱塞泵一体机把油箱里面的液压油抽到轴向柱塞泵内。在轴向柱塞泵的作用下，液压油进入高压腔形成高压液压油。通过手动转换阀门，高压液压油进入高压油管，经过轴头连接管螺纹、电机轴伸注油孔进入环形油槽，产生强大的膨胀压力。在该压力的作用下，与电机轴伸锥面过盈连接的小齿轮沿锥面滑动，从而完成拆卸过程。
为检测液压压力和保护柱塞泵，在柱塞泵的高压出油口处安装有十字四通接头，分别连接显示油压表和溢流阀。溢流阀的过载保护压力设置为31.5MPa。
3 设备研发技术
机车牵引电机轴伸上安装有小齿轮，牵引电机的检修和小齿轮的检修都需要拆卸小齿轮，所以小齿轮的拆卸频率比较高，工作量比较大。
在没有液压拆卸装置之前，我段基本靠人工拆卸小齿轮。拆卸时，一边通过中频感应电源给小齿轮表面加热；同时往电机轴伸的注油孔添加一定的锂基油脂，在一个M20的螺栓上缠绕生胶带并拧进注满锂基脂的注油孔，拧紧螺栓依靠人工加压锂基油脂达到一定的膨胀压力，最终拆洗安装在电机轴伸锥面的小齿轮。但是，人工拆卸小齿轮的方式，油脂经常泄漏而达不到所需要的膨胀压力，或者是小齿轮与轴伸结合太紧而人力不够，或者是小齿轮加热过度造成表面退火报废。
综上所述，普通的中频感应加热配合人工拆卸的工艺方式不可靠，浪费大量的人力和时间，并且可靠性差、效率低。
通过研究分析，我段设计制造一种新型的电机小齿轮液压拆卸装置，大幅度提高电机小齿轮拆卸的成功率，极大地降低了劳动强度，作业时间明显缩短。该装置根据预存在PLC控制器中的工艺参数，启动中频感应加热电源给小齿轮表面加热；同时轴头连接管螺纹与电机轴伸注油孔拧紧密封后，液压油由油泵加压形成高压，通过轴头连接管螺纹、注油孔流进电机轴伸环形油槽并膨胀，推动小齿轮沿电机轴伸锥面滑动，从而拆卸小齿轮。采用液压油泵加压的液压油可产生高达30MPa的压力，远远超过原来人力所能够达到的压力，所以很轻松地拆卸各种配合公差的小齿轮。
4 结语
机车牵引电机齿轮的拆卸一直是我段检修工艺过程中的一个问题。未设计专用微型液压站之前，我段完全靠人工来完成电机小齿轮的拆卸，投入大量的人力和时间，也造成部分电机轴伸和齿轮损坏。特别是面对齿轮发生弛缓事故需要检修时，根据当时的工艺装备条件就只能破坏性拆卸。
这种改进型的中频感应加热电源配合微型液压站的新型电机齿轮液压拆卸装置，在我段使用后，效果显著，极大解决我段以上问题，该装置具有值得机务段设备换代推广应用的价值。
参考文献
[1] 赵叔东.韶山8型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，1998.
[2] DF型内燃机车[M].北京：中国铁道出版社，1998.
[3] 朱国敏.过盈热装齿轮拆卸方法[J].现代冶金，
2010.
[4] 杨晓静.数字化中频感应加热电源关键技术研究