司机室铰链门耐久试验气缸选型设计

郑海 薛杨

摘 要：铰链门是常见的城轨车辆司机室侧门系统，在试验台架上对门系统进行耐久试验是充分检验门系统可靠性的必要手段。驱动门扇开闭的气缸是试验系统的关键，气缸的类型、缸径、行程以及铰接点位置是试验台架设计的重中之重。本文对铰链门耐久试验的气缸选型及铰接点设计展开探究，得出气缸各参数最优算法，并以一个项目实例阐明此方法的可行性。

关键词：铰链门;耐久试验;气缸选型设计

1 概述

国内的城轨交通事业发展十分迅速，为避免产生重大财产损失及人员伤亡等严重后果，必须严格遵循“安全第一”的原则[1]。而车门系统是城轨车辆运营安全的关键系统之一，车门系统的故障占车辆系统总故障的30%以上[2]。为验证门系统的耐久性，将门系统安装到专用台架上进行模拟实际工况进行重复开闭试验，也是《EN14752铁路车辆的车身侧门系统》[3]提出的要求。

铰链门耐久试验原理如图1所示，气缸尾端与台架在M点铰接固定，活塞杆前端与门板在N点处铰接;当气缸活塞杆缩回时带动门板绕铰链中心点O旋转打开;而后活塞杆伸出将门板推回至关闭位置，实现一个开闭循环。

2 选择气缸类型

气缸种类有：标准气缸、无杆气缸、摆动气缸、气爪、迷你气缸，薄型气缸等。本试验气缸尾端摆动、顶端伸缩，故选择标准气缸;若试验台架尺寸受限，可选择迷你气缸以减小气缸长度。

气缸的操控方式分为双作用、单作用弹簧压出及单作用弹簧压回三种方式。由于单作用气缸的弹簧存在不可控性因素，本试验应选择双作用气缸以保证开关门两个状态可控，若附带磁性开关可进一步加强可控性。

3 选定气缸规格

气缸规格的两个重要参数——缸径D与行程L，缸径决定了气缸的输出力F，而行程与试验台架的设计参数相关。

3.1设计气缸铰接点位置

气缸存在两个铰接点，一是气缸前端与门板铰接点N，一是气缸尾端与台架铰接点M，见图2。点N与点O竖直距离为e，把手中心到点O水平距离A，由门系统确定;初设水平距离a，|ON|=r，F与|ON|垂线夹角为θ，则气缸驱动力矩T可由式（1）确定：

可见，在相同的输出力情况下，θ越小则气缸驱动力矩越大;即θ越小，气缸的缸径可以选得越小。以点O为圆心，r为半径作圆弧， 1与 2形成的夹角α为试验所定开门角度。令关门状态时的夹角为θ1，开门状态下的夹角为θ2。

连接N1与N2延长至M点，使|NM|略大于气缸完全伸出时长度（为消除安装角度误差需采用浮动接头），此时：

再考虑点M两侧的典型铰接点M与M。 以点N为圆心，|NM|为半径作圆弧， 作ON1垂线与圆弧相交于点M'，作ON2垂线与圆弧相交于点M''。

当气缸铰接于点M' 时， ;当气缸铰接于点M'' 时，;因此，应设置M为气缸尾端铰接点以获得最大的驱动力矩，从而选择更小的缸径。

3.1确定气缸行程

由3.1章节可知，气缸行程L应稍大于|N1N2|，即：

行程L可根据式（3）计算结果在气缸标准行程中选取，随之即可确定|N1M|以確定M点位置。若L的计算值与标准行程相差较大，可通过调整初定的a值来改变L值使其贴近标准行程。

3.2计算气缸缸径

设气缸的缩回力矩（开门）为T1，伸出力矩（关门）为T2，则：

比较式（4）与式（5），显然T2>T1。由于门扇自重、铰链阻尼以及胶条压缩力等因素的存在，存在一个门系统固有开关门力F0，型式试验要求F0不大于某个确定值——设为Fmin，对应，须使T1>Tmin才可保证气缸驱动力矩足够开关门扇，而T1>Tmin因不含d值可作为初选公式。

依据D的最终计算结果选取标准缸径。

4 项目实例

某国内地铁项目司机室铰链门耐久性试验参数：①Fmin=60N;②α=30°;③e=80mm;④A=640mm。

4.1气缸类型

如第2章节所述，选择MA迷你气缸，双作用，标准缸径与行程见图3。

4.2气缸行程

①尽可能将a值设置得大一些，依据门扇宽度，初定a=580mm。由式（3）计算L值：，由图3可知，L值超出标准行程范围。

②适当缩小a值，令a=560mm，再次计算L值：

选定L=300mm。

4.3气缸缸径

①由式（7）计算D值： ，依据图3，初定D=20mm;

②再由图4中气缸尺寸，图中V即d，查得d=8mm;

③按照式（5）再次计算：

可确定D=20mm。

4.3气缸铰接点位置

气缸前端与门板铰接点N已由a=560mm确定，只需确定气缸尾端与台架铰接点M位置。由图3可知：

|N1M|=[B+（C+行）+S]+行程+（PE-PD）=[40+（76+300）+12]+300+（36-16）=748mm，确定后的台架各尺寸如图5所示，按此尺寸设计的台架已完成本项目耐久试验。

5 结语

设计铰链门耐久试验台架时，选出最合适的气缸，设计出最优的尺寸，是科学的台架设计方法。先选择气缸类型，再计算气缸行程及缸径，根据计算结果微调修正初设尺寸，再次进行计算并确定最优解，既保证了试验系统的可靠性，也提高了其经济适用性。

参考文献：

[1]刘涛，杨帆.浅谈我国地铁发展现状及展望[J].中小企业管理与科技旬刊， 2014（4）：129.

[2]任金宝. 城轨车辆车门系统可靠性分析与维修决策研究[D]. 2016.

[3]EN 14752： 2015，Railway applications-Bodyside entrance systems for rolling stock[S].2015.

[4]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].第八版.北京：高等教育出版社.2016.

（南京康尼机电股份有限公司，江苏 南京 210038）