不锈钢地铁空调平顶托举平台改进设计

邵庆文 张振 王坤 王忠平 盛源

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 青岛 266111）

摘要：为增强不锈钢地铁空调平顶托举平台的通用性和稳定性，提出了一种柔性托举平台。对原托举平台进行受力分析，在受力方向上增加柔性支撑装置，控制托举平台竖直方向上的位移。增加中间过渡板，提供水平移动自由度，使托举平台能够适应不同车型空调平顶的安装使用。利用有限元软件对改进后的托举平台进行仿真分析，结果表明，改进后的托举平台满足空调平顶安装平面度的要求，以及自身结构强度的要求。改进后的托举平台能够更灵活的适应不同车型空调平顶的组焊工作，其性能有较大的提升。

关键词：不锈钢地铁；空调平顶；平面度；柔性工装

1 引言：

随着轨道交通行业的快速发展，对地铁车辆的质量提出了更高的要求。地铁顶棚在组焊过程中如果出现尺寸超差会直接影响整车的总组，甚至出现漏雨现象。因此在顶棚的组焊过程中应通过工装严格控制其尺寸。在实际生产过程中，由于工期较长，空调平顶托举平台（简称：托举平台）中的螺栓易产生松动，托举臂下移，导致空调平顶的支撑点不在同一平面，影响空调平顶的平面度。

目前对于托举平台松动的问题有两种解决方案，一是将托举平台与工装底座焊接固定，当组装不同批次车型时需要将焊点切除，调整托举平台位置，并重新进行焊接固定；二是在托举平台上焊接垫片以改变空调平顶的安装位置，如图1所示。以上两种解决方案均需在原有工装上进行焊接，操作不灵活。

不同车型的空调平顶上的部件（如空调排水管、冷凝水管）位置不同，通常会与工装发生相抗，安装时需要调节整个工装的水平位置，费时费力。因此亟需设计一个结构稳定、方便灵活的柔性托举平台。

图1 托举平台焊接固定

2 原因分析

2.1 托举平台结构分析

图2为空调平顶托举工装，由图可以看出，螺栓约束了托举臂的六个自由度，螺栓松动会释放一个Z方向上的自由度，使托举臂在竖直方向上移动。因此当螺栓松动时，托举臂会在重力和外力的作用下向下移动。

图2 空调平顶托举工装

2.2 托举平台所受外力分析

通过现场调查分析得知，空调平顶置于托举平台上受到的外力主要来自以下3方面：（1）在焊接空调平顶与波纹板时，工人需在空调平顶上进行焊接，对托举平台施加垂向力。（2）空调平顶置于托举平台后需要用夹具固定，夹具对空调平顶施加一个垂向力。（3）在顶棚组焊过程时需要用皮锤锤击部件，以减小焊接间隙，皮锤敲击对空调平顶施加垂向力，同时锤击震动也可使托举平台固定螺栓松动。

3 解决方案

3.1 设计目标

（1）通过对托举平台的结构和所受的外力分析可知，当托举平台受到较大外力或螺栓松动时，螺栓对托举臂的摩擦力小于托举臂受到的外力，会释放一个Z方向上的自由度，托举臂沿竖直方向上移动，因此需要在原工装的基础上增加竖直方向上的约束，以阻止托举臂的下滑。

（2）托举平台应有较强的通用性，通过对托举平台结构改进，实现托举臂的水平位移，以防止工装与空调平顶零件相抗。因此改进后的托举平台应在X方向上增加一个移动副，提高托举平台的通用性，使其满足不同车型的使用。

3.2 设计方案

应用柔性工装技术，通过定位装置的位移来满足空调平顶的定位尺寸变化对柔性托举平台的定位要求^[1]，其结构如图3所示。

图3 柔性托举平台

①Z方向自由度控制：在工装底座上安装支撑座，支撑座上安装止推螺栓，通过止推螺栓来控制托举臂在Z方向上的平移自由度。同时每个螺栓上装有对顶螺母，对顶螺母适用于平稳、重载工况，同时具有结构简单、防松动的特点^[2]，因此可以防止止推螺栓的松动。

②X方向自由度控制：在托举臂与托举平台座之间增设中间过渡板，中间过渡板上设有T型槽，托举臂通过螺栓与中间过渡板的T型槽连接，使托举臂可在X方向上移动，以此满足不同车型空调平顶的安装要求。

3 方案验证

3.1 有限元模型建立

建立托举平台结构有限元分析模型是托举平台结构进行静力学分析的基础。 在平台结构主体受力性质不变的前提下，根据实际情况对托举平台三维模型非关键特征进行简化，如倒角特征^[3]。利用HyperMesh有限元软件对结构进行网格离散，最终生成983152个网格单元，1163564个节点。有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型

3.2 有限元分析

（1）材料选取 托举平台所用的材料为Q235结构钢，其参数如表1所示。

表1 Q235结构钢材料参数

（2）设置约束和载荷 根据实际约束情况，对工装底座施加6自由度约束。根据实际载荷情况，对改进后的托举平台施加极限载荷，其中包括，取所生产车型中体积最大的空调平顶（约620 kg）和两个成年人的体重（取80 kg/人），其中空调平顶的质量平均施加在8个托举臂的上表面，人的质量施加在两端托举臂的上表面。本次模拟选取两个极限工况，如表2所示。

表2 有限元分析工况

3.3 结果分析

利用OptiStruct求解器进行求解计算，得到了两个工况的位移云图和应力云图，如图5、图6所示。由图可以看出，当托举臂位于中间过渡板端部位置时的变形量最大，其值约为0.38 mm，满足空调平顶平面度≤2 mm/m的要求。在两工况下，托举平台受到的最大应力值约为37 Mpa，远小于平台材料和螺栓的最大许用应力值，因此结构设计合理。

图5 工况一的位移云图和应力云图

图6 工况二的位移云图和应力云图

4 结论

本文对原有托举平台的结构进行了改进设计，通过在托举平台下安装止推螺栓，实现托举平台竖直方向上的可调性。通过加装过渡板，实现托举臂在水平方向上的可调性，增强了装置的通用性。最后利用有限元软件对改进后的工装进行校核，结果表明，改进后的工装满足平面度和强度的要求，改进后的结构合理。

参考文献

[1] 王瑞典,邓望红,罗美清.地铁车辆构架横梁组装柔性工装设计[J].电力机车与城轨车辆,2017,40(03):64-66.

[2] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计（第九版）[M].北京：高等教育出版社，2013：70-71.

[3] 司癸卯,常旭,张琳钊,马得力.摆臂式锚杆钻车臂架结构设计及有限元分析[J].煤矿机械,2021,42(03):92-95.