摘 要 简要介绍城市轨道 交通 中磁浮、跨坐式轨道交通等梁整体移动式道岔的驱动方式,主要阐述用齿轮齿条传动、曲柄摇杆机构、液压油缸传动,以及滚珠丝杠副、凸轮机构、偏心机构和直线电机等驱动方式的特点和利弊。
关键词 城市轨道交通 梁整体移动道岔 驱动 讨论
与人们常见的铁路道岔相比,城轨中的磁浮交通、跨座式轨道交通等使用的道岔有所不同:前者只动尖轨和心轨,基本轨保持不动,后者则是整个道岔梁一起移动,道岔的驱动装置结构复杂,需较大的驱动力。道岔驱动装置的作用是推动道岔梁使其以道岔固定端转动轴为固定点,各驱动点移动不同的距离,达到预定要求的线型曲线,从而实现线路换位,因此驱动装置是道岔的主要组成部分。可根据道岔的具体情况,选择不同的驱动方式来保证道岔驱动的正确、可靠、安全和 经济 。
一般整体移动式道岔可采用的驱动方式有:齿轮、齿条传动,曲柄摇杆机构驱动,液压或机械推、拉杆驱动,凸轮或偏心机构驱动,直线电机驱动等,下面就各种驱动方式的特点进行讨论。
1 齿轮、齿条驱动
该驱动方式是由电动机(带制动器)带动蜗轮减速器,将动力传给齿轮、齿条直接驱动而实现道岔梁的位移(齿条平置,见图
1),设计难点在于齿轮和齿条机构,特别是齿条的外形曲线和齿条设计,具体 分析 如下。
(1)为了便于加工,齿轮采用渐开线标准直齿圆柱齿轮的参数。
(2)因为驱动点走的是一条既非直线也非圆弧的曲线,所以齿条的外形曲线(见图
2)在设计上有一定的难度。在设计时可以模拟驱动点的近似曲线,适当加宽齿条宽度,以保证齿轮不会脱离齿条。
(3)齿条的齿形用空间曲面包络不难通过数学的 方法 计算 出来,利用渐开线齿轮的啮合原理可以定性分析如下:一是齿槽的方向互不平行,外侧槽距要大些,且各槽距随位置的变化而变化;二是齿面的压力角在齿条的内外侧端面上是不一样的,因为外侧走行的弧长大,内侧走行的弧长小,当齿圈基圆半径一定时,外侧压力角要大一些(α>20°),内侧压力角要小一些(α<20°),中线处压力角α=20°。
通过以上分析,说明也可以采用近似设计,而不一定非要用繁杂的空间曲面包络算法。齿槽方向变化在机加工方面利用数控机床还是可以实现的,难度不算太大;但是要加工出压力角连续变化的齿形,难度就大了。因此,还可以更近似一步,用仅变化齿槽、加大齿侧间隙的方法来构成齿轮、齿条传动副,满足驱动装置的要求。但是,这种方法因齿面接触状况不好,在设计时要充分考虑满足强度条件的要求。
(4)对于是弹性变形的道岔梁,齿轮在传动中总是紧靠齿条的一侧,所以在齿条间隙适当放大后,在传动的平稳性变差时,对道岔转换运动的 影响 不大。
(5)挡块和导轮的作用是保证齿轮、齿条啮合位置正确,并防止由于列车侧向通过道岔时产生的侧倾力对驱动装置的影响。
(6)该方案的优点是传动平稳、可靠,缺点是齿条的机加工工艺性差,齿形的加工难度大。
(7)为了降低齿条的加工难度,可将齿轮与传动轴的联结设计成球面副联结,使齿轮自适应于齿条,保证啮合要求。
(8)亦可采用立式齿轮、齿条传动(见图
3),此方式的动力来源和制动方式均与平置的齿轮、齿条传动方式相同,其特点是齿轮、齿条可采用标准齿形,大大降低了齿条的机加工难度。
2 曲柄摇杆驱动
曲柄驱动装置工作时,通过蜗轮减速器带动摆臂沿蜗轮减速器中心轴回转,摆臂端导轮在导槽转动、滑移,从而实现道岔梁的转位。驱动装置由带有制动的电机摆线减速器、蜗轮减速器、传动轴、连轴器、摆臂、导轮、导槽等零部件构成(见图
4)。驱动装置的安装分为两种方式:一是动力部分安装在地面基础的钢板面上,导槽安装于道岔梁底部;二是动力部分安装在道岔梁底部,导槽安装于地面基础的钢板面上。各个驱动点可分别驱动,或用双输出电机两点同步输出。
1)优点
(1)结构简单,制造加工工艺简单。
(2)电器控制简单。
(3)运动性能好,慢—快—慢(近似曲柄摇杆机构,因为道岔梁需变形)。采用摆臂回转的形式,该机构具有道岔梁转辙缓慢加速、减速的特性,在道岔处于锁定位置时,道岔移动速度接近于0。
(4)机构对环境要求低,对因温度变化所引起的道岔梁长短变化不敏感,有利于实现道岔的锁定。
(5)摆臂式道岔在道岔处于侧向位置时,道岔的反弹力主要作用于摆臂的轴线位置,有利于减小电机的输入转矩要求。
(6)驱动系统分别采用独立的电机驱动,通过控制系统,可简易实现道岔的时序控制。
(7)参数容易调整,如曲柄的长度、导槽的宽度等,都可以根据需要进行调整。
(8)可实现单电机驱动(电机双向输出轴),保证同步转动。
(9)维修、维护方便,使用寿命长。
2)缺点
(1)占用空间大。
(2)驱动部分采用大规格的减速器,制作费用高。
(3)摆臂式驱动装置安装于地面,制作三开道岔时摆臂过长需要输出过大的转矩;如果安装于道岔梁则会 影响 道岔梁的回转刚性,不利于实现道岔的线型。
3 液压油缸驱动
随着数控技术和液压技术的 发展 ,液压活塞杆的精确位移控制技术已经成熟。因此,在液压缸上加位移检测设备来用于道岔驱动,具有设计简单、结构简单、控制方便、运转平稳等优点。驱动系统由液压泵、液压阀、执行元件、液压附件、安装支架、行程控制开关组成(如图5所示)。液压驱动型道岔液压系统、液压驱动油缸安装于基础上,液压缸活塞杆端头通过螺栓铰接于支撑台车上。在油压的作用下,活塞杆带动台车移动,实现道岔的转辙;在转辙完成后,通过基础上安装的死挡铁进行定位,通过液压系统的保压实现道岔的锁定。
1)优点
(1)液压系统通过调节液压油的容积来调节机构的运动,各部分之间是通过管道连接的,因此其布局和安装具有很大的灵活性,而其体积重量比、重量功率比都比机械传动要小得多,能构成用其他传动方式难以组成的复杂系统。
(2)与机械传动相比,传递扭矩大,易于实现无级调速、过载保护、自动控制和平稳的频繁往复运动等。
(3)易于实现速度、方向控制,控制功率小,损耗少。
(4)液压传动是封闭式传动,液压件可由工作介质自行润滑, 因此磨损小、使用寿命长。
(5)液压元件体积小、重量轻、标准化程度高,便于批量化生产,因此成本低、便于安装和调试,与电气传动、机械传动相比是一种 经济 的选择。
(6)液压传动与机械、电气联锁,可实现报警、紧急停止和锁紧等多种、多重安全控制。锁紧回路是使执行元件在突然断电或系统故障、停机时,将执行机构锁紧在要求的位置上,以免发生意外。
2)缺点
(1)液压系统的维护、安装需要专门的技术人员。
(2)需要定期进行液压油的更换、滤油器的检查。
(3)对环境清洁度、温度要求较高,使用磨损后的漏油 问题 较难处理。
(4)对于道岔末端位移较长的驱动点,活塞行程过长,不利于设计、制造、安装。
4 其他方式驱动
滚珠丝杠副是一种常用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反覆作用力,它具有传动效率高、定位精度高、传动可逆性好、使用寿命长、同步性能好等优点。根据道岔梁的结构和受力等特点,设计非标形式的滚珠丝杠传动副,就可以组成一套结构简单、承载能力强、传动定位精度高、控制方便的驱动装置。滚珠丝杠传动副对环境清洁度和润滑要求比较高,需要增加防尘、防护装置和润滑装置(见图
6)。
对于距道岔梁根端较近的驱动点,由于位移量较小,可采用凸轮或偏心等机构来驱动,并可考虑将驱动和锁紧机构合二为一。对于磁浮道岔的驱动,在结构不太大、驱动力足够的情况下,也可以考虑直线电机驱动。
5 结语
总的来说,道岔的驱动可用多种方式来实现。可以根据不同道岔的具体要求,选择不同的驱动方式,或多种驱动方式相结合,保证道岔驱动的正确、可靠、安全和经济。在驱动装置的设计中还要注意:要有足够的驱动力;各驱动点运动需要同步和协调;注意各驱动点在位移过程中受力的变化,对于弹性变形的道岔梁,在驱动过程中有的驱动点不是在“驱动”而是“反驱动”,其作用力是负值;在前述各个驱动方案中设置手动驱动方式是可行的,可从使用和必要性方面考虑是否有必要设置手动驱动方式。
参考 文献 [2]孙桓,陈作模.机械原理[M].北京:高等 教育 出版社,1995.
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