论文部分内容阅读
[摘 要]本文主要就地铁车辆车门无源锁闭装置——LS制动器设计及其原理进行分析，摸清其设计思想和工作原理，还原其关键零部件的设计特点，从而为运迅速判定故障原因，采取有效措施提供技术支持，确保地铁车辆安全正点运营。
[关键词]地铁车辆 内藏车门 锁闭机构 LS制动器
中图分类号：F840.61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0289-02
1.绪论
随着我国城市化进程的深入，全国各大中型城市掀起了修建地铁的高潮，城市轨道交通产业迅猛发展。地铁车辆车门的锁闭装置是地铁车辆的重要部件，由于其频繁动作，装配精度要求较高，机构间关联较强，在运用中常出现锁闭不到位，或频繁报出虚假故障信息等问题，关系到乘客的生命安全，影响地铁车辆正常运行。
目前成都地铁2号线地铁车辆采用双扇电控电动内藏车门，客室车门数量较多，运用频繁而成为乘客界面至关重要的部件。车门的结构与控制在设计上必须保证安全可靠，否则将会影响正线运营，严重的甚至可能直接危害到乘客的人身安全。
目前国际国内车门锁闭机构制动器的形式主要有：Faiveley（法维莱）公司于2004年申发明的JB（机摆）制动器。IFE公司（德国克诺尔远东有限公司（Knorr-Bremse Far East Ltd）旗下的一家跨国公司）于2001年发明的DL（单向离合器）制动器。KN公司（康尼）自主研发的内藏车门无源锁闭装置——35C制动器，简称LS制动器。
本文结合成都地铁车辆客室车门的锁闭机构的设计结构、工作原理对LS制动器进行阐述与分析，为车辆生产过程中的精益制造和载客运营中相关故障的安全有效解除提供技术支持。
2.LS制动器设计分析及工作原理
2.1 LS制动器设计分析
针对丝杆螺母传动的特点，设想利用千斤顶螺旋锁闭的原理，将螺母锁住，实现“无锁而闭”的目标。
在LS制动器方案设计过程中，重点考虑以下问题：
满足门锁闭与解锁的功能要求：可以实现电动开关门、手动解锁与手动关门。
锁闭可靠：防止门打不开或锁不住的现象，所以锁闭可靠是首先要保证的要求。
结构简单：在满足功能要求的基础上，使零件数量越少越好，以提高锁闭可靠性。
原来设计更改尽可能少：新型制动器要能够安装到现有的门系统上，设计更改太多，将增加不可靠的因素，不利于新型制动器的应用。
应用范围尽可能广： LS制动器应适用于所有螺旋传动开关门的门系统。
挑战极限：在振动环境下，门打不开，并能实现在2秒以内开、关门。
2.1.1 丝杆结构设计
丝杆螺纹部分分为三段：螺旋升角大传动效率高的工作段，螺旋升角等于零的锁闭段，介于这两段之间的过渡段，即升角由近45度过渡到升角为零的一段。在过渡段，丝杆的导程是由64mm逐渐过渡到导程为零的鎖闭段，所以称该丝杆为变导程丝杆，如图1所示。
2.1.2 自适应螺母的设计
为了实现上述目的，提供了一种变导程自适应螺旋传动装置。该传动装置包括：变导程的螺杆、自适应螺母。自适应螺母由滑套与伸出物联接而成，由滚动销、轴承、滑套组装而成。因滚动销可以在丝杆的螺旋槽中滚动，不受丝杆导程变化的限制，因此这样组装而成的螺母具有自适应功能，故称其自适应螺母。其与丝杆构成的螺旋副如图2所示。
伸出物在螺杆的螺旋槽内相对运动而形成螺旋副，该螺旋副可以是滑动摩擦或者是滚动摩擦，伸出物可以沿变导程的螺旋槽运动实现传递动力和运动。因此，有效地解决了变导程螺旋传动问题。
变导程螺旋传动的数学模型：将变导程运动的螺旋副展开并投影到二维平面上，如图6所示。在二维平面上，螺旋面的投影曲线，伸出物的投影圆和曲线之间是点接触，在空间是线接触。伸出物上受驱动力矩M和合力R。因此，作用在螺旋副上的驱动力，通过接触线（点）传递动力和运动。所以只要螺旋槽的宽度不小于伸出物投影圆直径，自适应螺母就可以和任意变导程螺杆完成变导程螺旋传动。
变导程螺旋传动的数学模型：将变导程运动的螺旋副展开并投影到二维平面上，如图5所示。在二维平面上，螺旋面的投影曲线，伸出物的投影圆和曲线之间是点接触，在空间是线接触。伸出物上受驱动力矩M和合力R。因此，作用在螺旋副上的驱动力，通过接触线（点）传递动力和运动。所以只要螺旋槽的宽度不小于伸出物投影圆直径，自适应螺母就可以和任意变导程螺杆完成变导程螺旋传动。
下面结合附图，说明本锁闭机构的结构原理和实施方式。
2.2 LS制动器结构原理及实施方式
LS制动器的结构原理图如图3所示，机构包括：变导程螺杆3、滑套2、伸出物1。其中滑套2、伸出物1装配成自适应螺母；变导程螺杆3如图4所示。伸出物1在螺杆的螺旋槽内相对运动而形成螺旋副，伸出物1可以沿变导程的螺旋槽运动实现动力和运动的传递。当伸出物1与滑套2是转动联接时，螺旋副是滚动摩擦。
2.2.1 自适应螺母的锁闭
摩擦角A为静摩擦力f为最大时全反力R与接触面的法线间的夹角。
因为tgA=f/N，f=μN
所以 tgA=μ
μ为材料的静摩擦系数，N为正压力。当作用力的合力与接触面的法线间的夹角小于摩擦角A时，无论其有多大，物体处于平衡状态，此现象称为自锁。
对于丝杆与螺母，当螺旋升角不大于摩擦角时，螺纹具有自锁能力。一般情况下，钢与钢滑动摩擦时，螺旋升角应小于3°4`。本锁闭机构取丝杆螺旋升角由非自锁角逐渐过渡到自锁角（几乎零升角），因此锁闭作用是绝对可靠的。
2.2.2工作原理
当螺纹的螺旋升角小于等于磨擦角时，螺纹具有自锁功能。本锁闭机构应用该原理，设计了变导程丝杆与自适应螺母。自适应螺母与携门架相连，通过自适应螺母的滚动销进入、退出丝杆的锁闭段，来实现门的锁闭、解锁。
2.3 手动解锁机构设计
只要自适应螺母的滚动销退出丝杆的锁闭段即可实现解锁。拉线轮空套在丝杆上，在拉线轮上刚性连接左拨杆，与老螺母刚性连接右拨杆，拉动钢绳带动拉线轮转动，从而实现左拨杆带动右拨杆即老螺母的转动，老螺母带动丝杆转动，使滚动销退出丝杆的锁闭段，完成手动解锁。手动解锁装置的工作原理如图7所示
2.4 防止丝杆表面被拉毛的结构设计
将滚动销的工作段（滚动销与螺旋槽构成螺旋副的一段）与轴肩之间倒圆角，使滚动销的轴肩下底面内侧与丝杆表面接触，而滚动销的轴肩下底面外侧有30分的倾斜，使销的运动不受干涉。这样即使丝杆表面有微观不平度，在销的滚压作用下，丝杆表面也会越光滑，硬度越高，越耐磨，即销对丝杆进行了冷作硬化处理。
参考文献
[1] 刘颖，机械设计基础，中国广播电视大学出版社，2006.8.
[2] 成大先， 机械设计手册单行本 机构，2004.1.
[3] 成大先， 机械设计手册单行本 机械传动，2004.1.
[4] 机械设计手册编委会，机械设计手册单行本 机电一体化系统设计，2007.3.
[5] 机械设计手册编委会，机械设计手册单体本，弹簧摩擦轮及螺旋传动轴，2007.8.
[6] 秦娟兰，城市轨道车辆电机，2012.1.
[7] 姚承刚，机电传动与控制技术，2009.9.
[8] 董玉红、徐莉萍，机械控制工程基础，2006.4.
[9] 南京康尼机电新技术有限公司，双开微动塞拉门简介，2003.
[10] 南车青岛四方机车车辆股份有限公司，成都地铁2号线地铁车辆使用维护说明书，2012.7.
[关键词]地铁车辆 内藏车门 锁闭机构 LS制动器
中图分类号：F840.61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0289-02
1.绪论
随着我国城市化进程的深入，全国各大中型城市掀起了修建地铁的高潮，城市轨道交通产业迅猛发展。地铁车辆车门的锁闭装置是地铁车辆的重要部件，由于其频繁动作，装配精度要求较高，机构间关联较强，在运用中常出现锁闭不到位，或频繁报出虚假故障信息等问题，关系到乘客的生命安全，影响地铁车辆正常运行。
目前成都地铁2号线地铁车辆采用双扇电控电动内藏车门，客室车门数量较多，运用频繁而成为乘客界面至关重要的部件。车门的结构与控制在设计上必须保证安全可靠，否则将会影响正线运营，严重的甚至可能直接危害到乘客的人身安全。
目前国际国内车门锁闭机构制动器的形式主要有：Faiveley（法维莱）公司于2004年申发明的JB（机摆）制动器。IFE公司（德国克诺尔远东有限公司（Knorr-Bremse Far East Ltd）旗下的一家跨国公司）于2001年发明的DL（单向离合器）制动器。KN公司（康尼）自主研发的内藏车门无源锁闭装置——35C制动器，简称LS制动器。
本文结合成都地铁车辆客室车门的锁闭机构的设计结构、工作原理对LS制动器进行阐述与分析，为车辆生产过程中的精益制造和载客运营中相关故障的安全有效解除提供技术支持。
2.LS制动器设计分析及工作原理
2.1 LS制动器设计分析
针对丝杆螺母传动的特点，设想利用千斤顶螺旋锁闭的原理，将螺母锁住，实现“无锁而闭”的目标。
在LS制动器方案设计过程中，重点考虑以下问题：
满足门锁闭与解锁的功能要求：可以实现电动开关门、手动解锁与手动关门。
锁闭可靠：防止门打不开或锁不住的现象，所以锁闭可靠是首先要保证的要求。
结构简单：在满足功能要求的基础上，使零件数量越少越好，以提高锁闭可靠性。
原来设计更改尽可能少：新型制动器要能够安装到现有的门系统上，设计更改太多，将增加不可靠的因素，不利于新型制动器的应用。
应用范围尽可能广： LS制动器应适用于所有螺旋传动开关门的门系统。
挑战极限：在振动环境下，门打不开，并能实现在2秒以内开、关门。
2.1.1 丝杆结构设计
丝杆螺纹部分分为三段：螺旋升角大传动效率高的工作段，螺旋升角等于零的锁闭段，介于这两段之间的过渡段，即升角由近45度过渡到升角为零的一段。在过渡段，丝杆的导程是由64mm逐渐过渡到导程为零的鎖闭段，所以称该丝杆为变导程丝杆，如图1所示。
2.1.2 自适应螺母的设计
为了实现上述目的，提供了一种变导程自适应螺旋传动装置。该传动装置包括：变导程的螺杆、自适应螺母。自适应螺母由滑套与伸出物联接而成，由滚动销、轴承、滑套组装而成。因滚动销可以在丝杆的螺旋槽中滚动，不受丝杆导程变化的限制，因此这样组装而成的螺母具有自适应功能，故称其自适应螺母。其与丝杆构成的螺旋副如图2所示。
伸出物在螺杆的螺旋槽内相对运动而形成螺旋副，该螺旋副可以是滑动摩擦或者是滚动摩擦，伸出物可以沿变导程的螺旋槽运动实现传递动力和运动。因此，有效地解决了变导程螺旋传动问题。
变导程螺旋传动的数学模型：将变导程运动的螺旋副展开并投影到二维平面上，如图6所示。在二维平面上，螺旋面的投影曲线，伸出物的投影圆和曲线之间是点接触，在空间是线接触。伸出物上受驱动力矩M和合力R。因此，作用在螺旋副上的驱动力，通过接触线（点）传递动力和运动。所以只要螺旋槽的宽度不小于伸出物投影圆直径，自适应螺母就可以和任意变导程螺杆完成变导程螺旋传动。
变导程螺旋传动的数学模型：将变导程运动的螺旋副展开并投影到二维平面上，如图5所示。在二维平面上，螺旋面的投影曲线，伸出物的投影圆和曲线之间是点接触，在空间是线接触。伸出物上受驱动力矩M和合力R。因此，作用在螺旋副上的驱动力，通过接触线（点）传递动力和运动。所以只要螺旋槽的宽度不小于伸出物投影圆直径，自适应螺母就可以和任意变导程螺杆完成变导程螺旋传动。
下面结合附图，说明本锁闭机构的结构原理和实施方式。
2.2 LS制动器结构原理及实施方式
LS制动器的结构原理图如图3所示，机构包括：变导程螺杆3、滑套2、伸出物1。其中滑套2、伸出物1装配成自适应螺母；变导程螺杆3如图4所示。伸出物1在螺杆的螺旋槽内相对运动而形成螺旋副，伸出物1可以沿变导程的螺旋槽运动实现动力和运动的传递。当伸出物1与滑套2是转动联接时，螺旋副是滚动摩擦。
2.2.1 自适应螺母的锁闭
摩擦角A为静摩擦力f为最大时全反力R与接触面的法线间的夹角。
因为tgA=f/N，f=μN
所以 tgA=μ
μ为材料的静摩擦系数，N为正压力。当作用力的合力与接触面的法线间的夹角小于摩擦角A时，无论其有多大，物体处于平衡状态，此现象称为自锁。
对于丝杆与螺母，当螺旋升角不大于摩擦角时，螺纹具有自锁能力。一般情况下，钢与钢滑动摩擦时，螺旋升角应小于3°4`。本锁闭机构取丝杆螺旋升角由非自锁角逐渐过渡到自锁角（几乎零升角），因此锁闭作用是绝对可靠的。
2.2.2工作原理
当螺纹的螺旋升角小于等于磨擦角时，螺纹具有自锁功能。本锁闭机构应用该原理，设计了变导程丝杆与自适应螺母。自适应螺母与携门架相连，通过自适应螺母的滚动销进入、退出丝杆的锁闭段，来实现门的锁闭、解锁。
2.3 手动解锁机构设计
只要自适应螺母的滚动销退出丝杆的锁闭段即可实现解锁。拉线轮空套在丝杆上，在拉线轮上刚性连接左拨杆，与老螺母刚性连接右拨杆，拉动钢绳带动拉线轮转动，从而实现左拨杆带动右拨杆即老螺母的转动，老螺母带动丝杆转动，使滚动销退出丝杆的锁闭段，完成手动解锁。手动解锁装置的工作原理如图7所示
2.4 防止丝杆表面被拉毛的结构设计
将滚动销的工作段（滚动销与螺旋槽构成螺旋副的一段）与轴肩之间倒圆角，使滚动销的轴肩下底面内侧与丝杆表面接触，而滚动销的轴肩下底面外侧有30分的倾斜，使销的运动不受干涉。这样即使丝杆表面有微观不平度，在销的滚压作用下，丝杆表面也会越光滑，硬度越高，越耐磨，即销对丝杆进行了冷作硬化处理。
参考文献
[1] 刘颖，机械设计基础，中国广播电视大学出版社，2006.8.
[2] 成大先， 机械设计手册单行本 机构，2004.1.
[3] 成大先， 机械设计手册单行本 机械传动，2004.1.
[4] 机械设计手册编委会，机械设计手册单行本 机电一体化系统设计，2007.3.
[5] 机械设计手册编委会，机械设计手册单体本，弹簧摩擦轮及螺旋传动轴，2007.8.
[6] 秦娟兰，城市轨道车辆电机，2012.1.
[7] 姚承刚，机电传动与控制技术，2009.9.
[8] 董玉红、徐莉萍，机械控制工程基础，2006.4.
[9] 南京康尼机电新技术有限公司，双开微动塞拉门简介，2003.
[10] 南车青岛四方机车车辆股份有限公司，成都地铁2号线地铁车辆使用维护说明书，2012.7.