跨座式单轨车半永久车钩便捷式更换工装设计

孙亚洲，岳译新

（1.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 412001；2.中车株洲电力机车有限公司 产品研发中心，湖南 株洲 412001）

单轨交通属于中运量城市轨道交通的一种，具有结构简单、轴重较轻的特点，易于融入城市景观，且由于多采用高架对地形要求较低等特点，正在越来越多的被一些地形复杂的中型城市采用[1-3]。国内某跨座式单轨列车，在车间半永久式车钩的检修过程中，由于车体跨坐在轨道梁上，车钩安装位置受风挡影响，半永久车钩检修作业空间不足，若在拆装作业过程中采用传统更换方法，则首先拆卸风挡，为更换车钩提供足够的工作空间，然后更换半永久车钩，最后完成风挡的安装工作。更换过程中采用传统方法产生的附加工作任务——拆装风挡，会导致整体工作量巨大、工作流程繁复、工作进程缓慢，且风挡的二次拆装极有可能发生因安装及打胶问题导致风挡因密封性不良而泄漏。

本文针对上述问题，采用剪叉式机构[4-5]，设计了可用于跨座式单轨车半永久车钩便捷式更换的工装，对工装进行了三维建模，并对工装的两个独立装置分别在其最大载工况下，进行了强度校核[6]，分析结果显示该工装满足设计和使用要求。

1 工装结构设计

该工装主要用于跨座式单轨车半永久车钩的更换，其作用是辅助拆卸及将拆下的半永久车钩搬运到车下，再从车下搬运至指定安装位置，免去了传统更换方法中风挡的拆装工作。按要求该工装需具有结构设计简单、安装方便、操作简单、工作行程大、升降速度快[7]、可实现悬停[8]、性能安全可靠等优点，在提高工作效率的同时，能有效避免风挡因二次拆装发生密封性不良漏雨问题。

鉴于上述考虑，跨座式单轨车半永久车钩便捷式更换工装设为上下两部分相互辅助配合的独立装置，采用类似骑跨式的导轨滚轮配合。工装下部为双剪叉式升降台，上部为车钩承载平台，如图1（a）、（b）所示。

双剪叉式升降台主要由底盘、滚轮、叉臂、液压油缸、工作台等组成。其机械部分的底盘、叉臂、工作台主要起传递动力和稳定支撑的作用；叉臂作为剪叉式升降台的主体，也是主要的承力构件；工作台的升降功能由机械和液压共同作用实现，主要驱动力由液压部分提供，为了保障作业安全，增设了防护围栏，用以防止重物翻坠砸人砸物危及人身及财产安全。

另外，为实现车钩承载平台90°转角换向，实现半永久车钩的位移变换，特增设了符合850 mm×1 500 mm尺寸轨道梁的延伸渡板及换向盘等部件。车钩承载平台主要由驱动螺杆、剪叉臂、车钩支撑座和小车升降平台等组成，此机构升降行程设计较小，主要用作实现高度微调，并设计了工作台换向及旋转的附加功能，其主要作用为在两车厢端部狭小的工作空间中支承搬运半永久车钩，其具有结构紧凑、体积小、重量轻及可实现自锁等优点。跨座式单轨车半永久车钩便捷式更换工装三维模型及基本结构如图1（c）所示。

图1 跨座式单轨车半永久车钩便捷式更换工装

2 有限元仿真分析

为确保双剪叉式升降台及车钩承载平台在最大负载工作状况下能安全工作，通过有限元软件对组装完成的车钩承载平台模型和双剪叉式升降台主体承力模型分别施加其各自对应的最大负载工作状况下的垂向静载荷，对受力情况进行仿真分析并校核其强度。

2.1 车钩承载平台的有限元分析

车钩承载平台整体材料选用AISI 1020（铝合金），用有限元软件对车钩承载平台模型划分网格，对其轮子施加约束；按最大负载工作状况（承载半永久车钩质量，约250 kg）对其工作台施加2 500 N垂向静载荷，仿真分析应力图和位移图如图2和图3所示，最大应力σmax=139.7 MPa，远小于AISI 1020（铝合金）的屈服极限351.6 MPa，最大位移约为0.2 mm，因此，车钩承载平台的设计强度满足要求。

图2 仿真分析应力图

图3 仿真分析位移图

2.2 双剪叉式升降台的有限元分析

双剪叉式升降台整体材料选用AISI 1020（铝合金），用有限元软件对双剪叉式升降台主体承力模型划分网格，对其轮子施加约束；按最大负载工作状况下（50 kg的车钩承载平台及250 kg的半永久车钩）对其工作台施加3 000 N垂向静载荷，仿真分析应力图和位移图如图4和图5所示，最大应力σmax=210.8 MPa，远小于AISI 1020的屈服极限351.6 MPa，最大位移约为2.19 mm。在最恶劣工况条件下，即所有载荷均处于升降台边缘时，其仿真分析应力图与位移图如图6和图7所示，最大应力为321.8 MPa，小于AISI 1020的屈服极限351.6 MPa，最大位移约3.3 mm，因此，双剪叉式升降台的设计强度满足要求。

图4 仿真分析应力图（正常工况）

图5 仿真分析位移图（正常工况）

图6 仿真分析应力图（极限工况）

图7 仿真分析位移图（极限工况）

图7 系统能量变化曲线

3 操作步骤

利用工装进行跨座式单轨车半永久车钩的更换操作如下。

（1）首先拆卸两车厢端部车钩正下方的隔音板，用双剪叉式升降台将车钩承载平台运送至靠近两节车厢端部处，固定好车轮。

（2）工作人员将双剪叉式升降台工作台上部护栏上的手轮安装好，并将升降台延伸板固定绳的另一端在升降台延伸板上系紧，缓慢转动手轮将升降台延伸板放至水平位置。

（3）地面上的工作人员将双剪叉式升降台的工作台升起到与轨道梁上平面同一水平高度处，松开车轮，将双剪叉式升降台装置向前推进至延伸渡板前端平置于两车厢车端电气连接线正下方的轨道梁上。

（4）由工作人员解开延伸渡板的固定牵引拉绳，妥善盘放好并撤掉曲轴。

（5）地面工作人员将双剪叉式升降台向前推至延伸渡板整体平置于轨道梁上，然后将车钩承载平台推至延伸渡板上，通过延伸渡板上的换向盘实现车钩承载平台的90°转向后，继续沿导轨向前推进。

（6）将车钩承载平台沿着轨道梁通过车钩下方的隔音板安装处向前方推进，直至到达需更换的半永久车钩安装处。

（7）将其工作台升起（列车空载时车钩中心距轨道梁上平面高度为760 mm），以便用半永久车钩锁环将需更换的半永久车钩固定承接好，工作人员打开对应位置的裙板进入到其安装处拆下半永久车钩。

（8）车钩承载平台承运半永久车钩后将其搬运到地面，并搬运到指定安装位置，由工作人员完成后续的安装工作。

4 结束语

本文针对跨座式单轨车半永久车钩的更换设计了工装，为确保该工装能在最大负载工作状况下安全工作，对其两部分独立装置双剪叉式升降台及车钩承载平台分别进行了有限元分析，结果表明该工装满足设计和使用要求。跨座式单轨车半永久车钩便捷式更换工装的操作步骤简单，可实现跨座式单轨车半永久车钩的便捷式更换，免去传统更换方法中的拆装风挡工作，在提高工作效率的同时，能有效避免风挡因二次拆装发生密封性不良漏雨问题。