一种可调节升降的水平导向轮装置的设计及应用

李广良

中国航天空气动力技术研究院 北京 100074

摘 要：文中阐述了目前风洞设备运行支撑架车车轮啃轨的原因和对风洞试验造成的影响，对常规导向轮改进设计为可调节升降的水平导向轮装置，通过对导向轮装置的结构选型、装配定位以及与之配合的导轨等进行设计，消除啃轨、满足对接精度和躲避障碍物等风洞运行过程中的需求，结构简单，操作便利，在实际应用中大大减少了操作人员更换操作的难度，解决了更换风洞喷管试验段时定位不准等问题，提高了风洞运行效率和试验流场品质。

关键词：水平导向轮；风洞；支撑架车

中图分类号：TH218 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）15-0085-04

1 设计背景

在某大型风洞设备试验运行过程中，风洞喷管试验段为试验所需的核心装置，通过配置多个声速喷管来获得不同马赫数，对各种马赫数试验需求对应多个喷管试验段进行更换，以满足不同飞行器模型的试验需求。喷管试验段质量重、体积大，且其支撑架车跨距大，在正常运行过程中，支撑架车车轮轮缘与钢轨之间存在一定间隙，但由于某些原因导致支撑架车运行发生偏斜，车轮轮缘与钢轨侧面接触而产生水平侧向推力，进而致使轮缘与钢轨产生严重磨损，即啃轨现象[1]。

啃轨现象对喷管试验段的运行更换造成严重的影响，并产生严重的安全事故隐患。一方面，严重的啃轨会造成轮缘和钢轨的侧面金属啃蚀或轮缘变薄扭曲，降低车轮和钢轨的使用寿命，甚至造成脱轨；另一方面，支撑架车跨距大，行使过程发生偏斜并啃轨，会致使驱动电机等传动设备的负荷超载，引发烧坏电机、扭断传动轴以及喷管试验段与风洞其他设备发生碰撞干涉等事故，维护费用和试验成本增高。此外，喷管试验段在试验工位处与风洞其他设备通过法兰配合安装，并通过充气密封圈进行密封处理，喷管试验段的支撑架车行使偏斜，会导致对接精度和密封效果差，增大了风洞喷管试验段与风洞其他设备对接精度的调节难度，费时费力，且对风洞吹风试验流场品质产生不确定性和难以估量的干扰，进而严重影响飞行器测力测压数据的精准度。

为了消除啃轨现象，通常根据具体情况对支撑架车同一端轨道两侧或两端同时加装水平导向轮；然而，传统的水平导向轮装置并不能提高喷管试验段与风洞其他设备的对接精度，且在实际运行过程中，地面轨道、转向盘以及其他地面设备等交错布置，水平导向轮固定设置，不能升降，贴近地面运行过程中对钢轨附近的凸起物不能避让，经常会发生碰撞干涉，故需要设计一种可调节升降的水平导向轮装置，并对该装置的运行轨道进行改造设计，以消除啃轨、满足对接精度和躲避障碍物等风洞运行过程中的需求。

2 装置结构及特点

2.1 水平导向轮的结构原理

一种能调节升降的水平导向轮装置[1]，其结构特点如图1 所示，包括一个具有支承座13、升降调节部分和水平导向部分的主体，水平导向部分的导向轮16 通过轴承1（15）与轴12 相连并可自由旋转，升降调节部分的螺杆3 通过旋转能够调节轴12 和导向轮16 沿支承座13 的内通孔升降，导向块15 保证了轴12 沿轴向运动，限位销4 能够防止轴12 从支承座13 脱落，支承座13 固定在需要调节的钢轮周围，放下导向轮16 能够对钢轮进行对正纠偏，无需对正纠偏时可提起导向轮16。法兰11 通过轴承10 与螺杆3 相连，并与支承座13固连，螺杆3 与轴12 通过螺纹形式连接。导向轮16 具有弧形踏面，端盖I6 和法兰端盖17 将导向轮16 与轴承15 的外环固连，密封圈14 保证了轴承15 的良好运转。支承座13 具有升降轴12 的空腔、导向槽和限位孔，并具有一系列安装定位孔。

1. 轴承 2. 螺钉 3. 螺杆 4. 限位销 5. 导向块 6. 端盖I7. 螺钉 8. 螺钉 9. 锁紧螺母 10. 轴承 11. 法兰 12. 轴 13. 支承座 14. 密封圈 15. 轴承 16. 导向轮 17. 端盖

图1 可调节升降的水平导向轮装置的结构示意图

由于水平侧向力是以力偶的形式出现，故水平导向轮成对设置在支撑架车车轮同一端的轨道两侧。支承座13 通过调节水平导向轮与钢轨的间隙，运用螺钉和销钉固定在起重机车轮的轨道两侧。在电机的驱动下起重机车轮沿钢轨运行发生偏移的时候，水平导向轮的踏面会与钢轨发生滚动摩擦，传递水平侧向力对起重机进行纠偏；在不发生偏移时，通过棘轮扳手或内六角丝锥旋转螺杆3，并带动轴12 和水平导向轮16 提升到高于钢轨的高度。同时，对于支撑架车在不同方向的钢轨上运行时，水平导向轮的升降操作能够简化操作人员在换轨时的操作程序，不必拆除水平导向轮装置。

2.2 水平导向轮的结构特点

针对目前风洞厂房的配套设备布局，为了有效解决常规运行过程中的诸多问题，需要对传统的水平导向轮进行综合改进设计。

对于水平导向轮踏面形状，一般设计为与之发生摩擦作用的钢轨侧面相吻合的形状；为了满足喷管试验段在试验工位处的对接精度在0.1 mm 以内，水平导向轮需与试验工位处的钢轨侧面间隙控制在0.1mm 以内；对于有锥度和磨损程度不同的QU80 钢轨头部侧面，水平导向轮纠偏会产生瞬时水平侧向力，对钢轨和水平导向轮踏面均会造成严重磨损，进而很难控制精度。故通过对QU80 钢轨头部两侧面加工成两侧垂直且平行，并采用弧形设计的水平导向轮踏面，如图2 所示。当抵抗水平侧向力时，弧形踏面易吸收轴中心的变形，在与钢轨侧面接触非良好状态时，有助于减轻偏置负荷。

图2 弧形踏面与加工后的QU80 钢轨装配示意图

对于水平导向轮的位置，由于支撑架车偏斜运行产生的偏转力矩需要水平侧向力形成的力偶进行平衡，要减小水平导向轮承受的水平侧向力，可增大水平导向轮的轮距。由于支撑架车的结构尺寸和地面钢轨的跨距均已知，在最小限度地减少对支撑架车和风洞试验设备运行干扰的基础上，根据支撑架车车轮轮毂的结构形式，将水平导向轮置于端梁端头。此外，支撑架车的跨距大，水平导向轮的纠偏不能单纯靠同一钢轨车轮端梁两端头的导向轮承受水平侧向力，一方面导向轮需要承受的载荷非常大，另一方面会导致支撑架车的刚性变弱产生变形，进而很难保证所要求的0.1 mm 对接精度，故采用跨度大的两个车轮端梁的两端头分别安装水平导向轮，既增大了水平导向轮的轮距，也将水平侧向力分散，减少了对支撑架车刚性的影响，如图3 所示。

图3 水平导向轮在支撑架车上的位置布局示意图

对于水平导向轮结构，水平导向轮主要受支撑架车偏斜运动产生的水平侧向力作用，故水平侧向力应小于水平导向轮的许用轮压 PL ＝ kDlC，即Ps ≥ PL，则水平导向轮的直径为D ≥ Ps/klC，其中：k 为车轮的许用比压，l 为车轮与钢轨承压面的有效接触宽度，C 为计算系数，与转速和起重机的工作级别有关系[2，3]。水平导向轮选用圆柱滚子轴承，由于轨道采用类似方钢的结构形式，故轴承只承受径向力，通过水平侧向力即可对轴承进行选型或校核。另外，水平导向轮的轮轴、支承座及其柱销螺钉主要承受剪力（即水平侧向力）和水平侧向力传递产生的弯矩，通过材料力学第四强度理论或有限元分析对轮轴材料的应力进行校核[4]。

3 装置调试及效果

为了将所设计的导向轮满足消除啃轨、对接精度和躲避障碍物等风洞运行过程中的需求，除了对导向轮的调节升降功能进行设计以外，还需要结合地面导轨和风洞设备等进行布局、安装及调试。由于导向轮导向纠偏作用所选用的基准是地面导轨，需要对使用型号为QU80 的地面导轨进行再加工，以满足喷管试验段的试验工位处的对接精度。喷管试验段与现有风洞设备的对接精度之所以要保证在0.1 mm以内，是因为喷管试验段与现有风洞设备法兰配合处产生0.1 mm 以上的台阶，会对风洞试验流场品质产生较大干扰，进而影响试验测力测压数据的精准度。因此，通过对QU80 钢轨头部两侧面加工成两侧垂直且平行，将钢轨设计成等宽，公差控制在0.1 mm 以内，并将钢轨安装后的轨道直线度则保证在0.02°（=1 mm/ 3m）以内。

此外，由于支撑架车车轮比钢轨粗，为防止水平导向轮无法放下同轨道侧面接触，故在无定位精度需求的钢轨处对钢轨的宽度进行再加工，将钢轨宽度变窄，钢轨最窄处可放下或提起水平导向轮。为了减少冲击力，轨道宽度变化较缓。同时，为了将水平导向轮放入轨道，需根据水平导向轮踏面最大直径和钢轨的宽度，对轨道安放处的凹坑宽度进行改造。通过经纬仪对轨道安放高度进行调整并固定，通过激光或拉线对轨道安放角度进行调整及纠正并固定；将支撑架车置于试验工位处，喷管试验段与现有风洞设备精准对接配合后，调整水平导向轮与导轨的间隙控制在0.1 mm以内并将其拉紧定位。该装置在某风洞特种试验段支撑架车上应用了2 年多，如图4 所示，大大减少了操作人员更换试验段的难度，节省了大量更换操作的时间；解决了风洞特种试验段更换时定位不准，更换耗时较长等问题，提高了风洞更换试验段的效率，提高了风洞运行效率。

图4 可调节升降的水平导向轮装置在某风洞设备的应用

4 结语

通过实践和时间的证明，该装置通过螺杆的旋转连接，解决了水平导向轮的升降问题；通过水平导向轮踏面的弧形设计，解决了水平导向轮因侧向力过大造成严重磨损问题；同时，结构简单，装置不同部位的拆装自由方便，水平导向轮升降操作简易，能承受水平侧向力可达18 t，目前某风洞在轨道上行走的设备大部分均将安装该装置，并正在有序改造中。

参考文献

[1] 李广良, 董金刚, 魏忠武, 等. 一种能调节升降的水平导向轮装置[P]. 201620181675.5.

[2] GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].

[3] 张质文,王金诺,虞和谦,等. 起重机设计手册[M].北京:中国铁道出版社, 1998.

[4] 成大先. 机械设计手册[M]. 第5 版. 北京: 化学工业出版社, 2008.

来源：起重运输机械