中车南京浦镇车辆有限公司 江苏南京 210031
摘要：针对部分地铁项目客室中部扶手安装工序，经常出现接头处缝隙过大，需要特制过多加长接头的问题，通过现场调研、仿真分析等手段，进行研究分析，查找问题产生原因，控制安装过程中公差的累积，优化安装方式及结构，从而解决接头缝隙超差的问题，节约成本，后续可以将优化方案推广到其他项目中去。
关键词：扶手接头；公差累积；仿真优化
Abstract：Aiming at the problem of excessive gap at the joints and excessive lengthening joints in the armrest installation process in the middle of passenger rooms of some railway projects,this paper conducts research and analysis by means of on-site investigation and simulation analysis,finds out the causes of the problems,controls the accumulation of tolerances in the installation process,optimizes the installation mode and structure ,so as to solve the problem of excessive gap of joints and save the cost.In the future ,the optimization scheme can be extended to other projects.
Key words：handrail joint; tolerance accumulation ; simulation optimization
1.问题描述
部分地铁项目扶手接头连接方式为连接杆形式，此处经常出现缝隙过大的情况，超过（0-1）mm的工艺要求，结构如图1所示。前期处理方法为特制加长接头，但此方法增加了项目成本，采购周期长，严重影响生产进度。此处缝隙过大会出现运行中乘客手扶时夹手的情况，而且严重影响客室内装美观程度。故对现场进行了大量的调研分析，尺寸链追溯，不同工况下的仿真分析，查找问题产生的原因。
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图1 客室中部扶手接头出现缝隙过大处
2.原因分析
2.1 客室中部扶手结构介绍
客室中部扶手上部结构如图2所示，立扶手杆下部安装座结构与上部类似，立扶手与上部安装座为销连接。工艺装配过程为：上部扶手安装座安装在横梁上→定位安装下部安装座→立扶手杆安装→连接杆安装→横扶手安装→罩杯紧固。
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图2 客室中部扶手上部结构
2.2 装配公差分析：
针对上述问题，分析产生该问题的尺寸链公差，影响因素如下：
1.上部横梁的间距公差：图纸与实测公差均为±1mm；
2.上部安装座定位公差：安装座通过4个M8的螺钉紧固，横梁C型槽宽度为9mm，故安装座在沿车长方向会有±0.5mm的浮动，如图3所示；
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图3 上部安装座与横梁的装配浮动
3.安装座与立扶手之间配合公差：安装座与立扶手通过销钉穿过两个定位孔实现高度方向的紧固，如图4所示，安装座的外径、立扶手杆的内径公差设计理论值现有各项目也有差异，他们之间有±0.25mm的浮动。现场安装时销钉需要敲击，会导致立扶手与安装座有可能会不同轴，偏向某一侧，最终会影响接头缝隙；
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图4 定位销与立扶手的配合 图5 定位销垂直度误差导致下部
呈放大效应
4.上部安装座底座与紧固销的垂直度影响，具体示例见图5所示，设计未注垂直度公差要求，由于定位销到横扶手距离较长，存在一定放大效应，会影响扶手接头缝隙，未注公差参照ISO2768，后期仿真按照0.5mm设定；
5.横扶手长度设计公差：针对现有项目调研结果显示某A项目、某B项目为（0，+0.5）mm，某C项目、某F项目、某G项目为（-0.5,0）mm，还有的项目如某D项目、某E项目设计公差为（-2,0）mm；后期仿真按照（-0.5,0）mm设定；
6.扶手接头连接杆与立扶手之间的间隙公差：现有的某D项目、某E项目此处设计理论值无间隙，某G项目、某F项目、某C项目等此处存在设计理论缝隙，实际情况安装时此处无缝隙，将公差累积到了与横扶手连接的缝隙（理论间隙为0.25mm）处，故产生缝隙超差处的理论值即为0.75mm，与（0-1）mm的要求非常接近，易出现间隙超差；
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图6 连接杆与立扶手理论间隙
2.3 仿真分析：
2.3.1初次仿真
通过上述对客室扶手结构及装配工艺的介绍，以及现有项目的现场调研，统计分析数据如下表1所示，零件的线性尺寸公差与形位公差参考设计图纸及ISO2768标准，横梁间距、安装座定位销外径、立扶手外径参考工艺师实测数据。现利用西门子VSA尺寸分析软件进行仿真分析，建立仿真模型如图7所示，选取车体中间部分的四个连接杆、三根立扶手、两根横扶手、在上下左右四个方向建立16对测量点，监测5000次仿真过程中这些测量点的间隙变化情况。
表1 各项目影响因素数据分布
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图7 仿真模型
对三维尺寸进行仿真，间隙部分仿真概率分布、影响因子如图8、9所示，间隙的超差率（小于0或者大于1mm的情况，负值表示干涉状态）在42.29％和50.59％之间，CP值在0.34和0.66之间，间隙范围在-0.65mm和2.41mm之间，容易出现超差现象。
间隙的影响因子主要有：横梁间距、安装座与横梁之间的浮动、安装座与立扶手配合的定位销精度、安装座与立扶手配合的定位孔精度、连接杆和横扶手的长度公差、安装座与横梁的安装孔精度、立扶手与安装座之间的浮动、横梁C型槽的平面度，其余公差的影响程度均在1％以下。
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图8 部分仿真目标概率分布
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图9 部分仿真目标影响因子
针对上述影响因子仿真结果，扶手接头出现间隙超差的概率很大，有必要变更连接杆或横扶手的名义值或公差带：（1）将横扶手1450（-0.5,0）mm更改为1450.5±0.1mm，或将连接杆23mm（未注公差）更改为23.375±0.1mm；（2）横梁间距公差在±1mm，再加上C型槽的宽度误差、安装座紧固孔的位置误差，因此此处配合公差之和不降到±0.5mm以下的话，势必会出现超差；（3）统一各种车型横扶手和连接杆的缝隙理论值；（4）连接杆的尺寸标注，23mm、18mm、41mm尺寸形成的闭环都要标注，23mm尺寸应当作为关键尺寸，如图10所示；（5）该尺寸链公差累积较多，没有吸收公差的结构，考虑实际加工与装配能力，缝隙目标值（0-1）mm较难实现。
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图10 连接杆尺寸标注
2.3.2二次仿真
根据初次仿真结果显示，出现缝隙超差概率极大，最主要的影响因子为扶手安装座与横梁的相对精度、横梁相对位置间距，且考虑变更连接杆或横扶手的名义值或公差带，进行补充分析，在初期分析基础上考虑新增3组工况：
工况1：更改横扶手长度名义值，缩小公差。将横扶手长度名义值1450mm改为1451mm，间隙名义值由0.75mm改为0.25mm；
工况2：基于工况1假设扶手安装座在工装辅助装配的理想情况下，横梁间距1532.5的公差由±1mm改为0；
工况3：对扶手立杆内径及扶手座外径进行更改。在工况1、2的基础上，更改扶手立杆内径，由29.5（-0.2，0）mm改为29（0,0.2）mm，同时更改扶手座外径，由29（0,0.2）mm改为29（-0.2，0）mm；
仿真模型与初次仿真相同，见图7，选取车体中间部分的四个连接杆、三根立扶手、两根横扶手，在上下左右四个方向建立16对测量点，监测20000次测量点的间隙变化情况。为客观反应装配情况取16个结果中的最大值作为最终分析结果。初次仿真结果为间隙超差率约为46.63％，均值为0.9122mm，出现间隙过大的概率较大。
工况1仿真结果见图11所示，间隙的超差率约为26.04％，相对于初次仿真结果来说，工况1有所改善。均值为0.3594mm，相对于（0-1）mm的检测标准来说，均值偏小，但出现干涉概率仍较大，影响因子最大的为扶手安装座与横梁安装孔的相对精度及横梁相对位置关系。
工况2仿真结果见图12所示，间隙的超差率约为19.58％，相对于工况1来说有所改善。均值为0.3694mm，相对于（0-1）mm的检测标准来说，均值偏小。因提高了横梁间位置精度，超差率相对工况1有所改善，影响因子最大的为安装座与横梁之间的浮动。
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图11 工况1仿真目标概率分布
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图12 工况2仿真目标概率分布
工况3仿真结果见图13所示，间隙的超差率约为19.62％，与工况2结果接近。均值为0.3701mm，相对于（0-1）mm的检测标准来说，均值仍偏小，影响因子最大的为安装座与横梁之间的浮动。
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图13 工况3仿真目标概率分布
根据此次仿真结果，均值偏移情况，做了工况4仿真分析，假设扶手安装座在工装固定装配的理想情况下，横梁间距1532.5mm的公差由±1mm改为0，同时更改横扶手长度名义值由1450mm改为1450.5mm，间隙名义值由0.75mm改为0.5mm，分析结果如图14所示：间隙的超差率由工况2的19.28％和工况3的19.62％，提高至16.74％。均值由0.37提高至0.5377，相对于（0-1）mm的检测标准来说更为合理，出现干涉和间隙过大的概率明显下降，更有利于现场装配，提高产品质量。分析结果对比见表2。
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图14 工况4仿真目标概率分布
表2 分析结果对比
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结合以上分析结果可以看出：
工况1，更改横扶手长度名义值（1450mm→1451mm），最大位置超差率明显减小，由46.63％→26.04％；
工况2，减少横梁间距公差，最大位置超差率明显减小，由26.04％→19.58％；
工况3，减小扶手立杆内径与扶手座外径公差，超差率无明显改变；
工况4，更改横扶手长度名义值（1450mm→1450.5mm），最大位置超差率明显减小，由19.58％→16.74％；
故建议更改横扶手长度名义值为1450.5mm，制作控制横梁及扶手安装座间距工装。
3.结论及解决方案
通过上述仿真分析及补充仿真分析得出，影响缝隙超差的最主要影响因子为：
1.易超差缝隙处的设计理论值；
2.横扶手或连接杆的名义长度；
3.横梁间距公差；
4.扶手上部安装座与横梁C型槽之间的浮动；
由此建议：（1）设计统一各项目横扶手和连接杆间的缝隙名义值，参照工况4，可统一为0.5mm；
（2）更改连接杆或横扶手长度名义值，缩小设计公差，可将横扶手设计公差由1450（-0.5,0）mm→（1450.5±0.1）mm，连接杆长度尺寸23mm（未注公差）→（23.375±0.1）mm设为关键尺寸；
（3）对横梁间距公差带缩小至少一半至±0.5mm，制作一套整体工装或使用精密的测量工具来保证横梁间距尺寸，如图15、16所示；
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图15 横梁安装结构
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图16 横梁工装示意
（4）上部安装座沿车长方向增加精确定位：修改安装座定位孔为长圆孔，增加工装保证间距定位，如图17所示。
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图17 扶手安装座定位工装
（5）上部安装座的定位销增加垂直度要求，尽可能保证在0.5mm以下，并且装配时增加操作人员的质量意识，敲击销钉时尽量朝向一端，让浮动偏往一侧；
（6）工人在作业时，提高质量意识，禁止任意更换成长接头，将一根横扶手两侧缝隙尽量调匀，避免出现一端缝隙已贴紧，另一端缝隙较大；
目前这种连接杆结构，无吸收公差的结构，全部累积到了缝隙处，除了加强上述公差控制，只能从结构上进行改善，可以降低缝隙检查要求或者更改为HALF卡式结构。
参考文献
[1] 李晓东，宋雷雷，姜子晗,东莞R2线扶手装配尺寸仿真分析V1.0,2014.11.
[2] 李晓东，宋雷雷,东莞R2线扶手装配尺寸仿真分析V2.0,2015.04.