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摆动式踏板的结构设计与仿真分析.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2024 年 01 月 04 日 作者简介:朱其豹(1988),男,江苏宿迁人,硕士学历,中级工程师,现工作于南京康尼机电股份有限公司,主要从事机械设计相关工作。-78-摆动式踏板的结构设计与仿真分析 朱其豹 陈 辉 胡聪聪 南京康尼机电股份有限公司,江苏 南京 210000 摘要:摘要:针对现有摆动踏板的补偿距离小、占用空间大等不足,创新设计了一套摆动式踏板机构。在构建踏板机构的整体设计方案并完成结构设计的基础上,通过连杆结构、承载踏板、驱动机构等创新结构设计在满足强度的基础上提高了踏板补偿距离同时降低占用空间,结合 ANSYS 仿真软件对踏板承载结构
2、及相关重要部位的强度进行校核。结果表明,踏板整体强度满足标准要求,在不同工况下,踏板最大整体弹性形变量为 6.24mm,未出现非弹性形变;关键零部件所受的最大应力均小于材料屈服强度,安全系数大于 1.1,满足踏板使用强度需求。关键词:关键词:摆动式踏板;结构设计;ANSYS 仿真 中图分类号:中图分类号:U266 随着轨道交通不断发展,传统的在市内运行的地铁车辆已无法满足人们日益增长的出行需求,列车的运营范围逐渐扩大,发展成为区间车。但由于基础设施差异,不同城市及不同区域,可能存在多种站台高度。为了弥补站台差异,列车通常配备有踏板作为台阶,方便乘客上下车。当站台位置较低时,踏板需要设置在车外。
3、根据踏板特点,常见的踏板有固定式和活动式两种,其中固定结构踏板,由于占用车外空间大,存在超出限界1的风险,且影响车辆气动外形,主要用于低速车辆。活动踏板目前越来越多的被采用,常见的有摆动踏板2-3和伸缩踏板,其中摆动式踏板是一种很好的解决方案4。在使用时,踏板向外摆出,作为乘客蹬车台阶,行车前,踏板收回到车辆限界之内。现有的摆动式踏板,通常用于单开塞拉门,以气动踏板为主,并且补偿宽度和补偿距离偏小,占用车下空间较大。随着区间车的发展,双开塞拉门使用范围越来越广泛,同时其对大开度踏板的需求也不断增加。同时为了提升产品控制性能、可靠性等,电动踏板是现阶段发展趋势之一。本项目设计了一款电动摆动踏板,
4、不仅补偿宽度和补偿距离大,能满足双开塞拉门的使用,同时占用空间小,能够很好的满足客户需求,具有广阔的市场前景。本文主要进行了电动摆动式踏板承载结构设计,同时使用 ANSYS 仿真软件对该踏板整体结构及相关重要部件进行强度分析,验证其是否满足设计要求。1 摆动式踏板结构组成 摆动式踏板通常由以下部件组成:安装框架、驱动机构、连杆机构、承载踏板等组成,其中安装框架用于集成安装踏板其它部件,并用于与车体连接固定。驱动机构通常包括电机、传动机构等,用于驱动连杆机构运动。也有采用气缸进行驱动,但气缸控制精度差,需要气源及相关气动元件,可靠性较差。连杆机构是用于实现踏板特定运动的主要部件,对于摆动踏板通常
5、采用四连杆机构,该结构简单可靠,并具有良好的承载性能。承载踏板通常安装于连杆机构一端,用做台阶,方便乘客上下车,乘客载荷主要作用于承载踏板上。图 1 踏板结构简图 1.1 踏板工作原理 本文所设计的电动摆动踏板,主要工作原理如下:当踏板控制器收到列车打开的信号时,控制器控制电机转动,电机通过传动系统及连杆机构驱动承载踏板中国科技期刊数据库 工业 A-79-向车外方向摆出。当承载踏板摆出到位后,通过连杆机构过死点及自身重力作用,实现踏板锁定,防止其反向摆动。当踏板控制器收到列车门关闭的信号时,电机通过传动系统及连杆机构驱动承载踏板反向摆动,收回到车体下方,收回后通过电机制动器将踏板锁定。1.2
6、踏板整体设计要求 电动摆动踏板为了满足区间车使用,需要满足相关要求:(1)踏板补偿宽度需要与门系统净通过宽一致,双开塞拉门净通过宽通常为 1300mm,因此踏板补偿宽度需要满足 1300mm。(2)踏板补偿距离,根据 EN14752 标准要求,踏板打开后,踏板前端距离车体外表面“L”不小于 150mm。但150mm是最低要求,根据车辆结构及站台位置情况,客户往往提出更大补偿距离需求。因此为了适应更多使用场景,本踏板的补偿距离目标要求不低于 300mm。(3)承载强度需求,根据 EN14752 标准要求,踏板打开状态在承载踏板上任意100200mm区域内加载2000N 载荷,踏板不会发生失效。另
7、外,在踏板整个表面上,承载 4000N/m 载荷,踏板不会发生失效。除了上述要求外,由于踏板安装于车下,环境恶劣,还需要考虑踏板密封及防腐等问题。其中为了满足防腐要求,踏板材料通常选择不锈钢或者铝合金。另外,踏板还对占用空间有较高要求,占用空间小,能够节省车辆空间,并且降低车辆运行时的风阻。表 1 整体设计要求 补偿宽度 1300mm 补偿距离 300mm 整体重量 100kg 驱动要求 电动 部件材料 不锈钢+铝合金 强度要求 2000N 集中载荷及 4000N/m 均布载荷 2 踏板连杆结构设计 连杆机构尺寸是决定踏板补偿距离的关键,另外承载踏板在受力后,会通过连杆机构传递到踏板框架上,其
8、强度直接影响到踏板整体的强度,因此连杆机构的设计是该踏板的重点。2.1 踏板连杆位置参数的设计 为了满足补偿距离 L300mm,需要对连杆长度进行合理选择。为了方便理解,将各个连杆名称命名如下:图 2 连杆名称 通过 CAD 草图建立连杆机构运动位置,并确定连杆长度及旋转中心,具体步骤如下:(a)根据车体外表面的位置,放置承载连杆 L1及驱动连杆 L2 初步位置。在放置连杆位置时,在打开状态,为了保证踏板过死点定位,驱动连杆旋转中心 1与两个连杆的铰接中心 2 连线,需要高于承载连杆与吊装连杆的铰接点 2,如下图所示。(b)根据车体外表面的位置,将承载连杆 L1 收回到车体内侧,同时使驱动连杆
9、 L2 绕旋转中心 1 转动。(c)分别以铰接 1 和铰接点 2 为圆心,画相同半径的圆并使其相交。其交点即是吊装连杆 L3 的旋转中心。(d)根据吊装连杆 L3 的旋转中心既可以确定连杆 L3 的位置及长度。(a)(b)中国科技期刊数据库 工业 A-80-(c)(d)图 3 连杆参数设计草图 上述步骤只是初步确定连杆位置参数,考虑安装空间及受力,还需要多次重复上述步骤,以得到相对较优的连杆位置参数。经过相关步骤,最终得到连杆参数如下:表 2 连杆参数 承载连杆 L1 520mm 驱动连杆 L2 205mm 吊装连杆 L3 260mm 驱动杆旋转中心与铰接点 1 距离 L4 370mm 连杆参
10、数确定后,既可以进行踏板整体方案设计,为了减小踏板占用空间,将踏板驱动机构单独安装于一个密封盒中,驱动机构上的驱动轴与两端四连杆机构相连接,并能够通过驱动轴控制连杆机构运动。承载踏板两端固定于两端四连杆机构上,可以随着四连杆机构一起运动。驱动机构、密封盒以及四连杆机构一起固定于踏板框架上,根据上述连杆位置参数,得到踏板总体方案如下:图 4 踏板总体结构(踏板收回状态)2.2 踏板三维结构设计 根据连杆位置参数,对其进行三维建模,为了降低踏板重量,同时提高防腐性能,踏板材料主要采用不锈钢及铝合金。踏板关键受力部件建模如下:(a)吊装连杆,采用铸钢 ZG12Cr18Ni9,具有良好的耐腐蚀性能,同
11、时具有较高强度。吊装连杆两端采用叉型结构,提高连接稳定性。连杆转弯部分采用变截面处理,提高承载强度,同时,侧面带有凹槽,降低重量。(b)驱动连杆,同样采用铸钢 ZG12Cr18Ni9。连杆一端采用叉型结构,提高受力稳定性,另一端采用方孔与驱动轴连接,同时安装后通过螺钉紧固,用于传递驱动力。连杆侧面同样带有减重凹槽。(c)承载连杆,采用铸铝 ZL101A,铝合金材料不仅重量轻且强度高,经过表面氧化处理后具有良好的耐腐蚀性能。连杆前端为了便于与承载踏板连接,带有安装平面,主体承载部分,大量采用镂空结构进行减重。(d)承载踏板,尺寸较大,长度达到 1300mm,采用 6061 铝型材。型材表面带有防
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