移动式架车机结构设计

目录

摘要..........................................................I

Abstract..............................................................................................................................II

引言.............................................................1

1设计目标.......................................................2

1.1研究的目的与意义..............................................2

1.2国内外研究现状和发展趋势...................................3

1.2.1国内研究现状..........................................3

1.2.2国外研究现状..........................................4

2设计要求.......................................................6

2.1目前架车机方案的比较.......................................6

2.2动车组的各参数分析........................................7

2.2成果要求...................................................9

3设计方案......................................................11

3.1产品结构设计..............................................11

3.2架车机工作原理............................................13

3.3丝杆螺母的选型............................................16

3.3电机的选型................................................20

3.4机架的设计...............................................20

3.4.1机架的总体尺寸.......................................20

3.4.2机架的受力分析.......................................21

343机架强度的验算........................................23

3.5托架的设计................................................24

3.5.1托架主轴的尺寸设计..................................24

4架车机辅助装置设计.............................................28

4」托架横移装置的设计.....................................28

4.2安全保护装置的设计....................................28

4.3架车机的移动装置......................................30

5实物制作.......................................................32

结论.........................................................34

致谢..........................................错误!未定义书签。

摘要

架车机是列车临修库、定修库、架修库中的基本设备。移动式架车机是

国内外高速铁路列车检修维护基地最常见的重要设备。架车机的作用是在

整列动车组列车在不解编的情况下将车体同步架起，可以进行转向架的更

换，以及根据需要将车体同步举升到任意的高度对其底部进行检修作用。

由于不需要对动车组列车进行解编和编组作业，降低了作业时间，节约了

检修成本，提高了动车组列车的利用率。随着我国铁路第六次大提速顺利

实施,以及客运专线不断的建成通车，国产CRH系列200-300km/h的动车

组列车已分批投入运营，并开始进入转向架更换检修期，且数量不断增加。

采用何种方式安全高效地实现动车组列车的整体架车并且快速更换转向

架，保证动车组列车运营的安全已成为当务之急。移动式同步架车机其优

点在于它的造价便宜，对于不同类型的动车组兼容性好，在使用过程中可

移动，使用时能灵活的控制数量。

关键词：动车组；移动式架车机；机架；承载能力

Abstract

Theliftingjackisthebasicequipmentofthetrain,andtemporaryrepairin

theframe.Themobileliftingjackisthemostcommonandimportant

equipmentofhigh-speedrailwaytrainmaintenancebaseathomeandabroad.

TheliftingjackisintheentirecolumnofEMUtrainsingroupunderstandthe

bodyworkissynchronous,cancarryoutsteeringframereplacement,and

accordingtotheneedtobesynchronizedliftingbodytoanarbitraryheighton

thebottommaintenancerole.Becauseitdoesnotneedtosolvethetrainand

marshallingoperation,theoperationtimeisreduced,themaintenancecostis

saved,andtheutilizationrateofthetrainsetisimproved.Withthesmooth

implementationofthesixthrailwayspeed-up,andpassengerdedicatedline

continuouslyopenedtotraffic,EMUtraindomesticCRHseries200-300km/hof

thebatchesoperational,andbegantoenterthebogiereplacementandrepairof

theperiod,andthenumberisincreasing.Whichwaytoachievethesafetyand

efficiencyofEMUtrainandtherapidreplacementofbogieframe,toensurethe

safetyofthetrainoperationsafetyhasbecomeapriority.Theutilitymodelhas

theadvantagesthattheutilitymodelhastheadvantagesoflowcost,good

compatibilitywithdifferenttypesofmotorcars,andcanbeusedintheprocess

ofusing.

Keywords:TheEMUtrain；Themobileliftingjack；machineframe；carrying

capacit

引言

近半个多世纪以来，世界各国都在努力进行铁路的技术装备和现代化

管理的研究，努力推进铁路运输技术的进步，在很多方面取得了突破性的

进展。与此同时，随着世界各国经济的发展和人民生活水平的提高，人们

对于出行条件、旅行环境的要求越来越高。高速铁路的出现，无疑对铁路

复兴产生了积极影响。

从2008年我国第一批动车组投运以来，经过一段长时间的线上运行，

大部分的动车组列车都即将或者已经进入了三级以上的修程，而架车机对

于动车及三级修来说，是一个必不可少的设备。在我国的动车组检修的初

期，出于对于检修设备安全性以及可靠性相关方面的考虑，以及考虑到当

时我国在这方面发展的的实力，这些设备大部分都是依赖于从高铁较为发

达的国家进口。

本次设计的移动式架车机参考了许多实际工程中使用的架车机资料，所

有参数力求设计合理，更加贴近工程实际，提供了一种较为合理的移动式

架车机的的设计方法。

1设计目标

1.1研究的目的与意义

从1825年世界上第一辆实用火车出现，火车从最开始的蒸汽机车到现

在的动车组列车，在全世界范围内已经使用了180多年。在这180多年的

发展和使用的过程中，为全世界的客运以及货运发展做出了不可磨灭的贡

献。随着科技的日新月异，对于火车运行要求也越来越高。列车的车体朝

着安全、经济、环保、高速以及重载等方向发展。这种条件下，也对列车

的检修装备提出了更高的要求。对于检修装备的高可靠性以及高效率性有

了更加严格的要求。架车机作为列车检修中的关键设备，在列车的库检中

广泛运用，它的各方面的性能决定了对于列车检修的质量⑴。

目前，铁路运输行业进入了飞跃式的发展阶段，机车作为列车维修的必

备设备之一，广泛应用于日检、月检段。一套行车起重机可利用多个支承

头将单节或长组多节车体提升至最多3米，方便转向架和车辆底盘的维护

和更换。目前，常见的汽车类型可分为两大类：固定型和移动型。固定

式车厢机是专门为某类车辆设计的车厢机，适用于列车维修的高频率；移

动式架车机由于它可以按需求布置的特点，可以适用于不同类型的列车类

型。高速动车组为了使得在运行过程中的舒适度以及安全性，车要求密封

严密，车厢之间的连接结构较为复杂。因此，在一至三级的维修中，动车

组的列车储存维修工作是不可拆卸的。三级修复更换转向架工作时，首先

车体同步升起或移动，拆除转向架，然后再将好的转向架装配在车体上。

我国客运专线网规模大，总公里数长，线路的规定行使速度不同并且数

量大，因此出现了多种型号的动车组列车和转向架。有时会在一个动车维

护基地内出现多种不同的车型，因此对架车机的兼容性要求较高。

动车组有8辆编组方式和16辆编组方式，因此整个设备在横向上要满

足不同编组长度和不同类型列车的长度，还要满足更换转向架、运输拆卸

部件和其他作业的要求，以避免框架单元与周围结构的相互干扰，起重机

的上部空间要满足桥式起重机的吊装作业，下部空间在吊机安装和两侧自

由通过后有工作人员的下部拆装作业空间。移动式架车机每4台为一个单

元，多个架车机单元可以组成一组，满足8节编组以及16节编组的动车组

列车的架车需求。架车机都可在地面任意移动，以满足不同车型对架车作

业的需求。架车作业以前，工作作人员必须将转向架从沟中的车体中分离

出来。移动运输机操作灵活多变，对于不同型号的列车都能适应，而且额

定起升重量大，在国内外的整体架车作业中使用范围广。尤以德国、法国、

韩国等为代表。移动式架车机缺点是在作业时效率低下，每组架车机在架

车机作业之前，都需要工作人员对架车机进行对准操作，而且它在工作工

程中需要人全程监控。所以，移动式架车机通常适用于作业量小或者车型

较多的检修库。

图1.1移动式架车机实物图

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.2.1国内研究现状

目前我国现有高铁里程位居世界第一，高速列车、动车的数量增加，与

此同时城市地铁也快速发展，城市轨道交通车辆需求量也增多。上述情况

使得高速列车、动车、地铁车辆的在维修检测方便性方面提出一定要求。

架修工程车维修作业大多需要移动式架车机，方便维修、更换车体转向架

及其它部件、对车底部进行检测清理作业，避免了在修理棚内开挖狭长阴

暗地坑的必要，同时大幅提升了工作效率。

目前，随着机车车辆的现代化，国内机车车辆的制造、检修和维修逐渐

接近国际水平。在机车车辆的制造、检修和维护中，无地坑同步举升机，

俗称同步架车机车，已逐渐取代传统的地坑式同步举升机，为了更好地实

现单节、双节、多节车辆的举升。

现有的同步车架机是由以车辆为单元、以车辆转向架部分为单元的电

机和计算机控制的车架机械单元组成的机械系统组成。同步框架电机的框

架机械单元数一般与单、双、多节机车提升时的转向架相同。每个机械单

元由盖板单元、转向架提升单元和车体提升单元组成。在不需要提升机车

时，采用盖板单元覆盖基坑内的转向架提升单元和车体提升单元，盖板单

元与地面平齐⑵。

1.2.2国外研究现状

综合国内外架车机的发展状况，架车机的同步升降方式分以下几种⑶：

(1)气缸同步控制升降的架车机：这种架车机的同步升降由四个单独

作用的气虹、两个充气阀、两个节流阀、两个排气阀和连接管路组成。在

机架上，首先打开充气阀，经过压缩空气通过节流阀进入两个平行的气虹，

两个气虹同时升起一端的车辆。下车时，打开排气阀，气虹在车辆自重下

排出内部压缩空气，车辆落回地面。具有成本低、维护成本低的优点，但

是由于气缸的经常使用，气缸会受到腐蚀或者磨损，使得它们的气密性都

不相同，所以它很难保证架车过程中的的同步率，而且这种架车方式也很

不可靠。这种方式的同步精度较低，在10mm左右，而且在工作过程中需要

有人值守，目前只有少量用于货车架车中。

(2)液压同步控制升降的架车机：液压油泵由电机驱动，经油泵加压

后的液压油通过油管到顶进活塞，通过活塞使得架车机进行升降。

在作业过程中，现场工人需要同时连上所有架车机的电源来确保它们可

以同步升降，同步精度控制在8mm以内，如果在工作过程中出现某几台架

车机升降不同步的情况，那么这时需要立即断开电源并进行检查。这种架

车机由于其监控装置的缺失以及有液压油有泄露的风险，所以目前已经很

少使用这种架车机了

(3)机械同步控制升降的架车机：该类型架车机的丝杠螺母机构是使

用轴连接的，即保证了同步升降的同时也满足了机械锁定，可以有效的防

止列车翻车事故。它一般是通过主控台来控制架车机的升降，并且通过监

视画面来观察架车机的工作情况。这样的架车机不用控制就可以完成同步

升降，并且精度很高，在2mm以内。但以这种方式控制同步升降的架车机

较为昂贵，是普通电动移动架车机的3-4倍。由于其装置是固定的，不需

要人工进行对位等工作，因此可靠性较高。同时，由于它的位置不能改变,

所以它只能适应一种车体。

(4)电机同步控制升降的架车机：每台架车机都由单独的电机驱动其

进行升降，它的同步升降是由已经编好码的PLC控制器控制，这种架车机

一般都为电动式移动架车机。架车机同步升降精度在5毫米以内。与地坑

式架车机相比，成本较低。但是在完成任务之前需要做大量的准备工作，

例如，地面移动和人工调整，所以说这种架车机受人为影响较大，需要投

入的人力成本较高，安全性较低。为了有较高的同步升降精度，所以会有

较多的位置检测装置，而且控制程序比较复杂。

2设计要求

2.1目前架车机方案的比较

目前市面上的架车方案有地坑式与移动式两种，两种方案各有优缺点。

地坑式架车机如图2.1所示，移动式架车机如图2.2所示。

图2.1地坑式架车机

图2.2移动式架车机

地坑式架车机与移动式架车机相比，它的设备前期投入大，当它是单

一类型的架车时，它的价格约为移动式架车机的3倍〜4倍左右，若地坑式

架车机可以兼容多种车体架车，它的各种设备价格大约为移动式架车机价

格的5倍〜6倍，如果兼容的车型变多、车与车之间的结构参数差距变大,

地坑式架车机与移动式架车机的价格的差距也会更大。而在库房的基础设

施等的建设上，对于移动式架车机来说，通常情况下检修库内需要有通长

的轨道桥或检修地沟，但地坑式架车机只要按照转向架的数量安置相应的

地坑，如果不考虑兼容多种车体，两者在土建整体投资方面的相差不大。

但对兼容多种车体的地坑式架车机来说，它在土建基础方面的投入将比移

动式架车机有很大程度的增加⑻。

对于架车效率来说，地坑式架车机相对于移动式架车机而言所用的人

力资源少，而移动式架车机在作业之前需要进行大量的对位等工作，所要

的的人力资源较多，并且它作业消耗的时间也较多。以起升8辆编组的动

车组列车为例，若使用移动式架车机，它所需的人力资源大概为使用地坑

式架车机时的人数的4倍〜5倍。使用地坑式架车机进行作业时，设备固定,

因此，车辆和架车机间的对位简单，架车作业、替换转向架的工作时间短。

使用移动式架车机更换转向架时，转向架和车体之间的对位操作复杂，尤

其是对于动车列车来说，它们的转向架的数量多而且结构复杂，安装与拆

卸不易，如果使用移动式架车机替换整列转向架，那么作业耗费的时间大

概是使用地坑式架车机的1.5倍〜2倍。

2.2动车组的各参数分析

从表2.1中可以看出各型动车组列车的主要技术参数差距比较明显，所

以要求架车机拥有良好的兼容性，可以适应以上4类的动车组列车。

表2.1动车组参数

车体车轮相邻辆车

编组列车总车辆定距固定轴

车型车辆长度/mm宽度直径转向架中车体架车点

型式质量/t/mm8E/mm

/mm/mm心距/mm

头车：2695033319000枕梁中心线位

CRH18辆420.427009157600

中间车:26600118800置架车垫板

头车：25700338枕内580mm架

CRH28辆3451750025008607500

中间车:250000车孔

头车:25675326枕内1145mm架

CRH38辆380173乃25009157450

中间车：247755车垫板

头车：28050320枕内1350mm架

CRH58辆4511900027008906900

中间车：259000车垫板

4类动车组列车的重量都不相同，其中最重的为CRH5型为451吨，所

以架车机的单机额定起重能力应该以CRH5型为准。各型的车体宽度其中

CRH2型最宽为3380mln,CRH5型最窄为3200mm,所以对于托头来说，应能

横向移动，来适应不同的车宽。由表2.1中所示，最重的动车组列车为CRH5

型，为451吨，一列动车组列车为8节，共需要32个架车机，那么单台架

车机的举升能力至少为14.1吨，根据起重机手册中的介绍，推荐的最大举

升重量有16吨或者20吨，考虑到安全以及余量等问题，架车机的单机额

定举升能力定为20吨。

目前我国的动车组列车共有4种，车宽、车体架车点等各不相同，所以

如果架车机的托架只有单一一个形式的话，那么一种架车机只能用于一种

动车组列车，这对资源无疑是一种浪费。

对于这种情况，架车机的托架部分必须能够做横向运动，可以根据不同

的车型来调节托架的位置，来适应不同车型的不同车宽以及架车点。

托架的横向移动依靠的是托架横移装置，如图2.3所示。

1—托头；2一滚轮；3—减速器；4—手动减速器；5一丝杠；6—螺母

图2.3托架横移装置

架车机的托头由上下滚轮支撑，并且能在滚轮上做横向运动。横向移动

电机实现托头在无载情况下横向移动，横向移动手柄可完成托架在承载状

态下横向移动。横移手柄直接接在丝杠上，通过人力旋转手柄来使架车机

的托架进行横向移动，电机通过带动齿轮的旋转来带动丝杠的旋转，从而

带动托头的横向移动。

电动移动式同步架车机是一个高度自动化的复杂系统的机械设备，需要

有完备的电气联锁保护功能以及故障故障监测与恢复功能，以保证作业安

全⑼。移动式同步架车机有总控电钥匙开关、主升降上下限位、托头横向伸

缩前后限位、障碍物保护、同步超限、急停等多种保护装置。主控计算机

具备各种保护信息的提示功能，便于系统故障监测与恢复。

动车组列车在进行架车作业时，要求动车组列车入库后能够准确的开到

预定的位置停车。在现在的架车作业中，停车的位置精度要求较高，以往

以人经验来判断停车位置的方法已经不能适用于现在的情况，所以在架车

作业时，需要一套激光测距定位装置来辅助加，如图2.4所示。

控制计算机，-

F-------J|数据乎求屏|

、................激光测距仪卜T运算上制阡-

'1111A

图2.4激光测距定位装置示意图

激光测距仪安装在由电动机驱动的伸缩杆上，在动车组入库前，伸缩杆

伸出到位，让激光测距仪位于轨道中部的正上方，在不作业时，可方便的

收回，不影响到轨道的通行能力。对CRH1型动车组来说，在首次使用激光

测距装置时，通电后激光测距装置就可以开始工作。被测车体由左至右不

断运动，距离Lx的值时刻变化，当被测量车体到达预定停车位置时，Lx=Ll,

激光测距仪的主控端会自动根据主控计算机设定的车型，记下CRH1型动车

组所对应的L1的值。在平常使用时，被测车体由左至右不断移动，距离Lx

值随着它的移动而变化，激光测距装置实时计算Lx-L1值，如果LxTl>500

mm,那么显示屏上则显示EEE,即超过了预定停车位；若Lx-Ll<-500mm,

显示屏显示--，即未到预定停车位；如果-500mm<Lx-Ll<500mm,那么测

距仪会提示司机与预定停车位的距离。对其余类型的动车组列车来说，尽

管列车头车曲面形状都不相同，但只需记下1次相对应的L1的值，那么在

平常使用时，激光测距装置根据选择的不同的车型，实时计算Lx-L1的值

并在显示屏上显示出来，提示司机列车与预定停车位之间的距离这样

就提高了停车的准确性。

2.2成果要求

（1）毕业设计说明书：1本；

（2）移动式架车机的零件三维造型及装配，电子文件，一套；

（3）移动式架车机的所有非标零件图（标准CAD图电子文件）电子

文件：一套；

（4）移动式架车机的装配图（标准CAD图电子文件）：1张；

(5)相对最复杂的非标零件打印图纸：3张，A3图幅;

(6)移动式架车机的装配图打印图纸：1张，A1；

(7)移动式架车机实物模型：1件。

3设计方案

3.1产品结构设计

架车机是一种新概念、新结构的专用设备，它车体平动稳定和悬臂力在

受力工况下较为恶劣，其主要组成部分是车架、底座、传动装置、行走装

置和电子控制系统。总体结构如图3.1所示。

图3.1架车机总体结构图

(1)机架

机架采用门式双立柱的结构，所有钢板和型钢表面都经抛丸预涂底漆处

理，并且在焊后经由闷火消除内应力处理后，并经过一体加工后在与底座

焊接成型。架车机机架的强度刚度耐磨性等符合要求。顶部与传动装置联

接采用止口螺栓，形成门式结构，受力情况好，拆装方便，维护与保养方

便。

(2)传动装置

传动装置由电机、减速器、丝杠螺母机构组成，电机减速器直联丝杠带

动丝杠转动，再通过螺母带动架车机托架进行升降，传动构造与原理简单,

噪音低，作业过程中吊挂体受力情况良好，维护保修方便。丝杠螺母传动

系统采用了主螺母与安全螺母的双螺母设计，两螺母设计可以保证承载能

力满足要求，当作业过程中出现意外例如主螺母磨损以及其它情况时，安

全螺母将会承受所有的载荷以保证安全避免意外情况的发生。为了防止在

电器控制失灵的情况下螺母突破行程限制遭到破坏，在丝杠上安装有安全

死挡环。丝杠的材质是具有很高强度韧性的40CrNiMoo

(3)托架

托架的主要组成为左右主立板、主轴、托头、托头架、滚轮、主螺母、

安全螺母等。在作业过程中左右主立板为重要的受力部件，它不仅自身受

力并且它的结构形式决定了滚动轮以及主轴的受力模式，还影响滚动轮对

机架立柱的力的大小，因此，把左右主立板的结构形式设计为钩型的结构

以对滚动轮组进行分散，在最大程度上的改善左右主立板、滚动轮、机架

双立柱、托头、托头架的受力状态。托架装在主螺母上并用螺栓固定，构

造紧凑，散热良好，更换方便。

(4)走行装置

走行装置为3吨手动液压插车。如果需要移动架车机工作，工作人员使

用液压叉车来移动架车机到工作地点。

(5)托头横移系统

架车机的托头上装有横移装置，由减速电机、丝杠、螺母等组成。为了

保证架车机在负载情况下能够进行横向的移动，需要使车架与转向架的对

准。调整方便，装置安全性好。在作业过程中，能很好的实现车体的横向

移动而车体不发生任何变化。

横移装置中的限位系统的作用是为防止横移过程中，丝杠螺母机构进入

死点而使得电气及机械的损坏以及防止人手被挤伤。

(6)电控系统

本设计中的架车机在工作过程中成组使用，为联动移动式架车机，4台

单体架车机为一组，32个单体架车机为一套，一套架车机便可以满足一列

整编的动车组列车的举升需要。

一组架车机组由统一控制柜控制，可随意移动。供电线路、控制线路

等与控制柜之间的连接采用航空插头连接，便于安装单元移至其他检修线

路。综合控制柜的移动方便灵活。框架单元（共32个单框架单元）运行时,

每8个控制柜连接到另一个控制柜（以区分单个控制柜），然后连接8组连

杆机构。各组可以进行单独的操作，从而能够进行单组框架的操作，实现

联动框架的要求。

3.2架车机工作原理

先将整个列车推送或自行运行至整列架车机顶部，并使各个转向架停放

于整列架车机的对应位置，也即整列架车机中与其对应的转向机举升机构

上⑸。

然后通过电气控制系统同步集中控制，控制各个转向架举升机构的电机

驱动丝杠螺母副的螺栓转动，从而通过带动固设在丝杆螺母副的承载螺母

上的轮对举升横梁而使轮对举升臂上升至适合的高度。然后，将各个转向

架中与车体连接的部件拆卸，也即，将转向架与车体连接的牵引拉杆、抗

蛇形减震器、高度阀杆等部件和连接导线拆卸。

再次利用电气控制系统同步集中控制，通过控制各个车体举升机构的电

机带动托头上升至列车吊车位或顶车位的位置。如果此时托头不与吊车位

或顶车位水平纵向正对，通过行走驱动电机驱动平台小车的轮对在两钢轨

中运动，也即沿列车的纵向前移或后退，使托头与吊车位或顶车位正对对

准,并伸入吊车位。

再利用电气和计算机同步集中控制，使各个转向架举升单元连同转向架

一起下降到地面，使转向架举升机构内兼作钢轨的支承纵向梁和与地面钢

轨对齐。此时,整列车的各车体由与其对应的车体举升机构支撑。

通过控制各个车体举升单元中的电机带动各个车体举升臂继续上升

2.7m左右，以避免人工在车底下推转向架时碰到底架上的设备，并保持该

高度不变,直到检修后的转向架重新回位。

人工推动转向架沿着支承纵向梁运动至地面钢轨，并推送出列车车体底

部。在转向架滚动前进过程中，是利用车轮踏面接触的方式通过转向架举

升机构中的支承纵向梁和。

当检修合格的各个转向架需要与车体重新组装时，先将各转向架与按先

前顺序推送至车体底部对应位置，各转向架举升机构在电气和计算机控制

系统的控制下，将转向架举升至离轨面适合人工操作高度范围内。同时利

用车体举升机构将车体下降至便于和转向架组装的合适位置，进行转向架

与对应的车体的连接。

当连接完成后，使各转向架举升机构略升起，以便托头从吊车位或抬车

位离开。

随后将各车体举升机构下降至地面。再下降各转向架举升机构和列车至

地面，此时整列动车组就可出去了。

每台架车机都由电动机驱动丝杠螺母机构来控制它的上升下降，在电动

机的轴端安装有编码器，它的目的是为了实现控制架车机的同步升降。它

是使用PLC或者微机来实时采集编码器所发出的脉冲信号来控制每台架车

机的电机的转速进而实现控制架车机托头的升降速度来实现近似的同步架

车。

一般情况下在每台架车机旁都有单独的一个控制箱，如图3.2所示。这

个控制想的的作用是控制单台架车机的运行并且实时进行监测这台架车机

的托头的高度，若出现两台架车机的托头的高度差较大或者主控制柜发生

故障时可通过每台架车机单独的控制柜对每台架车机进行控制，避免事故

的发生。

主控制柜是作业时所有的架车机的控制终端，实现了架车机的同步控

制，如图3.3所示。它的内部主要是主断路器、接触器、继电器、熔断器

来完成电机的配电及相关保护工作；核心部件为PLC,拥有手动架车与自动

架车两种方式。操作面板上设置有电压、电流、高度的显示以及紧急停止、

上升、下降、停止按钮等，方便操作。

电动移动式架车机的同步控制的精度在5mm内。价格与机械同步地坑式

架车机相比较来说较为低廉，但当它在架车时，需要地面移动、对位等大

量工作，人对它的影响较大，作业时需要人力较多，人力成本高，安全性

较低；但移动式架车机在使用过程中灵活，可兼容不同类型的车体的架车

需求；为了实现同步控制精度，需要较多位置检测装置，控制程序复杂。

架车机控制箱

西门子

总控台

PLC中

文液品

图3.3架车机主控制柜

3.3丝杆螺母的选型

架车机在工作过程中，传动装置作为架车机的主要机构之一，它主要包

括了主丝杠，出主传动螺母，安全螺母以及轴承等部件。架车机托头的升

降都是由丝杠螺母机构来完成的为了保证传动过程中的平稳以及机车架车

过程中的安全性，机构中配有安全螺母来防止主传动螺母发生破坏而造成

意外。而且在举升过程中，由丝杠螺母机构承载列车的全部重量，所以丝

杠螺母的承载能力是重中之重。

螺母机构的主要失效形式为螺纹面磨损、螺杆断裂、螺杆破碎或切断、

螺纹根部断裂。一般来说，螺丝和螺母机构的主要尺寸।⑵是通过耐磨性和

强度计算来确定的。因此，螺母机构的设计需要明确实际需要，并在此基

础上进行相关计算，然后确定螺母机构的尺寸参数。

在架车举升的过程中，为了保证丝杠螺母具有自锁性，丝杠螺母采用单

线梯形螺纹。

丝杠螺母的尺寸确定

由于是单线螺纹，所以螺距片导程S,架车机托架的升降运动的速度为

150mm/min=0.0025m/s,许用压强[P]=15MPa,按耐磨性计算丝杠螺纹的中

径，查表得0=4

d2>\^(31)

■\7l(ph[P](3T)

式中：尸轴向力；

右螺距；

0-丝杠结构系数；

〃螺纹工作高度；

[刃-许用压强。

梯形螺纹h=0.5p,d2^46.07mm,查表得：

0t80mm

p=5=10mm

ac=0.5

Z6=0.5/7=5mm

历="=0.5p+ar=5.5mm

dhD^d-Q5p=75mm

心d2力L69mm

A^MAx=-Timax=O.25nlm

&1ax=2%ax=0.5mm

螺母尺寸：

Di=d-p=70mm,

D,=d2=75mm

〃产/2%=81mm

〃=〃+<Sc=5.5mm

验算分析：

自锁性验算：

由于是单头螺纹，贝I」，

螺纹升角

A-arctan—^―=2.43°(3-2)

7id2

式中：铲导程；

4-螺纹中径

可得：

p-arctan-5=5.33°(3-3)

cos—a

2

式中：螺纹压力角，a=20°；

4-当量摩擦系数，钢对青铜的当量摩擦系数查表取0.09o

因止匕：Z</?；

所以丝杠螺母机构的自锁性可靠。

丝杠螺母机构的材料选用及强度验算：

丝杠选用40CrNiMo,查表得*=860MPa,需用应力团=卫，取

3~5

［。］=215MPa。

螺纹摩擦力矩

Mf]尸tan（2+夕）(3-4)

螺旋传动轴向支撑面的摩擦力矩

1Dl-dl

M=-UFrT——7(3-5)

t"73VDl-dl

式中：D。、-承压面直径；

从-当量摩擦系数；

代入&=75mm,72=2xio5N,4=2.43°,夕=5.33°到公式3-4中得:

Mtl=^d2Ftan(2+p)=1022038^.mm

代入4=80mm,d°=69mm,",.=0.09,尸=2xl()5N到公式3-5中得:

M,,=-必/=676000N”〃加

03从D生l-―dl

又由于：

Wc=Mli+Ml2(3-6)

代入，MI2到公式3-6中得：

叱=M„+M,2=16980387V.mm

丝杠强度的当量应力：

(3-7)

式中：尸螺杆所受的正压力；

叱-螺杆所受的扭矩；

4-螺杆小径

代入尸=2xl（）5N,叱=1698038N・〃WI,4=69m加到公式3-7中得：

端）=急）2=68.”团

根据上述计算，所设计的丝杠符合强度要求。

螺母强度验算“3

由于螺母材料强度低于螺杆，故只计算螺母的螺纹强度，根据要求:

丝杠螺母啮合行程/尸1800mm；螺纹圈数上4180圈；

r=」一(3-8)

rcdhn

.粤(3-9)

7rdirn

式中：孑螺纹大径；

从螺纹牙底宽度；

h螺母旋合长度

代入尸:？'1。'7,d=SOmm>。=0.634〃=6.34/〃，〃，〃=180圈，g=5〃?加到

公式3-8>3-9中得：

r=------=0.69MP。<[T]

Ttdbn

3FH

a.=^-^=1.65MPa<[a]

h7idb2nhh

根据上述计算，所设计的螺母符合强度要求。

稳定性计算：

-^>2,5(3-11)

F

式中：心-螺杆的稳定临街载荷；

斤螺杆材料的弹性模量，氏209Gpa；

/-螺杆危险截面的轴惯性矩，/=等；4-长度系数；

代入F209GPa,/=风=1553155.5机机**,0=\,/=3050/%找至IJ公式3—10、

642

3-11中得：

7r2pj

%=(〃)2=538X]()7N

*>2.5

根据上述计算，丝杠螺母机构的稳定性符合要求。

丝杠螺母机构的效率计算：

丝杠与机架间用滑动推力轴承，效率为0.95,2=2.43°,p=5.33°

则,

〃=0.95x0.95x―‘an4.-=().33(3-12)

tan(A+p)

3.3电机的选型

已知需要的推力为2XION,托架上升时的速度为尸0.0025m/s,

〃=2x105〃那么:

%=1.515AW(3-13)

IOOO77

考虑中间还有减速器的以及其它的损耗，所以电机的额定功率选为

2.2kWo

3.4机架的设计

机架的尺寸对于架车机的性能以及举升过程的安全性有着直接的影响，

所以机架的截面尺寸对于整机的性能有着决定性的影响。机架采用门式双

立柱形式，主立柱由型钢外加支护板焊接成型，采用Q345-A材料。

3.4.1机架的总体尺寸

架车机作为列车检修的最常用的设备这一，它的总体尺寸在检修过程中

是关系到检修过程中的列车的举升高度以及在使用过程中的安全问题，其

中机架总体尺寸最关键的地方就在于架车机机架截面尺寸的设计，好的截

面尺寸，不仅能够更好的承载力，有更高的强度与刚度，并且拥有良好的

稳定性，而且能够最大程度的减轻架车机的重量，减少架车机在移动过程

中的工作强度用。

机架的总体尺寸由使用时的要求定出，其中托架的行程要求为1800mm。

根据实际的要求，以及从查阅的资料中得出了机架的总体尺寸，其中架车

机总高为3262mm，底座的宽为906nlm,底座的长为1320mm,底座的高为

250mm。架车机的立柱高度为3030mm。

\电机减速需

吊If托架丝杠

横梁护罩

丝杠螺母副

润滑装置

电气分控箱、(f

托头机构I

架车垫板

分

控

箱

传动机杓丝包蜷外副/

图3.4结构图

机架的总体尺寸确定之后，架车机基本结构也确定下来，架车机上每个

部件的尺寸也即有了确定的规格。

3.4.2机架的受力分析

机架按强度条件选择型钢截面，所需要的净截面抗弯模量，其中

[cr]=345MPa:

M

W.>——(3-14)

7㈤

托架和机架的受力如下图所示，其中乙=2xl()5N：

h=4O0rnm

根据图中的受力进行受力计算：

L尸b尸(3-15)

F^+F.-=FXC

(3-16)

6=(3-⑺

根据上三个式子得出:

工=片=2xl()5N

6=/^=2.36xlO57V

单个立柱受力:

F=1f；=1.18X105A^(3-18)

5(3-19)

Mo=Foa=1.5xION・m

代入尸=1.18x10"，J=3050mm到公式3T4中得:

,,,、MFl__3

W.>——=——=8o55cm'

'同

按照刚度条件选取型钢截面，其中查机械设计手册得钢的弹性模量

^206Gpa,[rj=50mm,因此最小惯性矩：

PS3

1>(3-20)

48仇纥］

式中：/-对Y轴的惯性矩;

P-主立柱上的载荷；

Q-S-主立柱的长度；

R-比弹性模量；

S-J]-许用静挠度

代入P=2.36xl()5N,S=3000加到公式3-20中得:

pq3

/>---=474cm4

48砒]

根据型钢表，架车机的立柱选用板厚5为10mm的40a槽钢，槽钢的开

口一侧加焊钢板用以增加刚度。

3.4.3机架强度的验算

刚度是指零件在载荷作用下抵抗变形的能力，对于主立柱而言不能有过

大的变形，刚度取决于材料的弹性模量。强度是指零件在承受载荷和变形

后，恢复原有形状和抵抗断裂的能力。它是机械零件的基本能力，也是衡

量零件质量的重要指标。

通过对主立柱的强度以及刚度的验算来校核主立柱的尺寸是否符合设

计的要求。

根据上面所选用的型钢截面尺寸对机架进行刚度与强度的校核。主立柱

的材料选用Q345,其[。]=345MPa,[T]=200MPao

CT=\w[cr](3-21)

式中：c-主立柱受到的正应力；勿-主立柱受到的力矩；叫-抗弯截面系

数；

[cr「许用应力

7=&4⑺(3-22)

15

式中：7-主立柱受到的剪切应力；尸•主立柱受到的最大剪切力；

S-主立柱的最大静矩；⑶-许用剪切应力；尸惯性矩；3-板厚

代入M=bxL=L18xl()5Nx2500mm=2.95xIO8N»mm,吗=879c加到公式

3-21中得:

M

a=—=335Mpei<[a]=345Mpa

44

代入尸=1.18X1()5N,SY=592cm,Zv=176000cm,6=10加必到公式3-22

中得：

FSV

T=-jy=198MP4<[r]=200MP。

由公式3-20得：

P53

Ys=^8n=24mm<[^]=50mm

根据上述的计算，架车机的主立柱符合设计的强度和刚度的要求。槽钢

的开口一侧焊接钢板，以增加主立柱的强度与刚度。下面对于架车机的稳

定性进行验算：

在最大刚度平面受弯的轧制的型钢的稳定性验算如下⑺：

b="*<[b](3-23)

必叫

式中：c-主立柱的静强度；绕主立柱强轴的最大弯矩；

处-绕主立柱强轴弯曲所确定的梁侧向屈曲稳定系数；

弘-主立柱最大抗弯截面系数；

代入M=23600000N•加m，%=1,W,=879cm3到公式3-23中得：

er==5?>.1MPa<L<T]

0M

根据上述公式中得到数据，主立柱的稳定性符合设计要求。

3.5托架的设计

托架作为承载列车重量的主要装置，其重要性不言而喻，而对于托架而

言托架的主轴是承受载荷的关键，当架车机在举升车体的过程中，托架主

轴可视为一个纯弯梁。主轴在架车机作业过程中，受力复杂，但是它主要

受到机架对它的反力，次要的受力比如说在举升过程中受到的摩擦力所产

生的力矩等网。

3.5.1托架主轴的尺寸设计

托架主轴作为托架的主要受力部件，它的结构尺寸直接关系到在架车作

业中的安全性与稳定性，它的主要受力形式为受弯，所以它的主要失效形

式为弯曲变形，所以在这里我主要对主轴的强度与刚度进行分析，根据其

强度与刚度的要求来确定主轴的主要尺寸，再根据实际的需要来确定出主

轴的相关尺寸参数。

将托架主轴进行受力简化分析以后，将其视为一个两边固定，两端受力

的一个梁，在这里主要对它的强度进行分析，最后确定它的最小直径。

图3.7托架左视示意图

在机架的设计计算中得到单边的机架受力为兄=8=2.36x105%。对于托

架来说《与尸2作用在主轴1与主轴2上，现在对主轴1进行受力分析。

对主轴1进行受力简化分析，如下图：

F

A

图3.8受力分析

其中尸=1.18x105%；

现在计算器支反力以及画出弯矩图：

图3.9主轴1受力分析

2F=心|+FR2(3-24)

Fa+FRZ•(〃+b)—F•(2a+Z?)=0(3-25)

F>(a+b)-FRib-Fa=0(3-26)

求解上述方程式得到：

得到的主轴弯矩图如下:

M1mx=-Fa=-7080N・m(3-27)

对轴的直径进行设计:

主轴材料选用45钢，调质处理，其中。]=370MPa；[(T_16]=0.49MPa；

[o-,J=343MPao

>1.33/^^-(3-28)

式中：4而-主轴的最小直径；M“ax-主轴受到的最大弯矩；6*]-弯曲

疲劳极限

计算得出：dmin277.3mm,取户80mm。

主轴2与主轴1的受力相同，所以不再分析，主轴2的尺寸也和主轴1

相同。

4架车机辅助装置设计

架车机的辅助装置对于架车机来说具有重要意义，它能拓宽一种类型架

车机的适用范围，通过调整托架的横向位置来使架车机兼容不同类型的动

车组列车。通过增设安全螺母来增强架车机在作业过程中的安全性，同时

在托架上设置压力传感器，如果在架车过程中，发生列车两侧升降距离的

不一致时，如果两侧的高低差过大时，就会导致列车的倾覆，所以当有这

种情况产生时，就要要求架车机停止工作。对于架车机的纵向移动，这里

使用外购的3吨移动液压叉车移动1⑼。

4.1托架横移装置的设计

为了能兼容多种型号的动车组以及方便动车组车体与转向架的组装和

检修，在架车机上装有横移电机和横移手柄，如下图所示。架车机的托架

通过上下滚轮支托，并可以在滚轮上横向移动加。电动机可以实现托头在

无载荷情况下的横向移动，横移手柄可实现托头在承载状态下横向移动。

在无载情况下，由电动机带动的托头的最大横移量为194nlm,在有载情况

下由横移手柄带动的托架的横向移动量为168mm。

1—托头总成；2—电机横向移动螺母；3一手动横向移动螺母；4—托架滚动轮；

5—横向移动手柄；6—电动机；7—托架

图4.1架车机托架横移装置示意

4.2安全保护装置的设计

架车机托架托头的举升动作是由电动机带动丝杠螺母机构来完成的，每

台架车机受载的均匀性，直接关系到架车过程中的安全。架车机中的安全

螺母是架车机的安全保护装置，以及在托头上安装的压力传感器。如果列

车两侧的架车机未能同步工作，那么架车机的控制器上所显示的压力数值

就不一致，那么此时架车机的控制装置就会进行自动的调整，确保架车过

程的安全⑵］。装置如下图所示。

1一托头；2一丝杠；3一工作螺母；4—压力传感器；5—托头载荷显示器

图4.2智能数控器

架车机的传动装置是由减速器直联带动的