鐵路貨車輪對(duì)軸徑自動(dòng)測(cè)量機(jī)研究及應(yīng)用

覃明毅（南寧鐵路局車輛處，工程師，廣西　南寧　530029）

鐵路貨車輪對(duì)軸徑自動(dòng)測(cè)量機(jī)研究及應(yīng)用

覃明毅
（南寧鐵路局車輛處，工程師，廣西南寧530029）

摘要：本文介紹了采用光幕測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)完成輪對(duì)的定位、旋轉(zhuǎn)、測(cè)量，具有測(cè)量精度高、速度快，測(cè)量數(shù)據(jù)可溯源、即時(shí)顯示打印、存儲(chǔ)、傳輸?shù)呢涇囕唽?duì)軸徑自動(dòng)測(cè)量機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、用途，以滿足貨車輪軸檢修線上快速、準(zhǔn)確測(cè)量軸徑的要求。

關(guān)鍵詞：貨車輪對(duì)；軸徑；光幕測(cè)量；自動(dòng)測(cè)量機(jī)

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.04.0016

隨著我國(guó)鐵路快速發(fā)展，貨車運(yùn)輸向重載發(fā)展，如何保障運(yùn)輸設(shè)備可靠運(yùn)行向鐵路行業(yè)提出新的課題。鐵路每天約有幾十萬(wàn)輛貨車輛在在鐵路線上日夜運(yùn)行，設(shè)備發(fā)生故障不可避免，據(jù)統(tǒng)計(jì)在貨車所發(fā)生的故障中軸承故障占比例最高。因此，保障貨車的可靠運(yùn)行的重點(diǎn)是保證輪對(duì)軸承制造質(zhì)量及裝配質(zhì)量，軸承的制造質(zhì)量主要由生產(chǎn)廠保證，軸承的裝配質(zhì)量是由車輛制造、維修工廠及鐵路局運(yùn)營(yíng)維修企業(yè)保證。貨車段級(jí)及以上修程時(shí)，達(dá)到退卸要求的軸承必須按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行退卸。按照原鐵道部頒布的《鐵路貨車輪對(duì)和滾動(dòng)軸承組裝檢修規(guī)則》的規(guī)定：貨車輪對(duì)軸承使用時(shí)間達(dá)到8年或里程達(dá)到80萬(wàn)km必須退卸，除貨車走行公里和使用時(shí)間規(guī)定退卸軸承外，貨車在運(yùn)用中發(fā)生熱軸、軸承密封失效、異音、卡滯以及車輪踏面缺陷超限等故障輪對(duì)均需退卸軸承。因此，貨車輪對(duì)檢修過程中需重新壓裝軸承的輪對(duì)數(shù)量較多，在輪對(duì)壓裝軸承過程中軸頸的檢測(cè)工作量很大，一般情況下，一個(gè)車輛段一天要檢測(cè)50~100個(gè)輪對(duì)軸頸。

軸承內(nèi)圈與軸頸的裝配是過盈配合，其過盈量在相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定。如果過盈量過大將造成軸承內(nèi)圈崩裂，如果過盈量過小將造成軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，軸承內(nèi)圈與軸頸的裝配是一個(gè)重要工序，并且這道工序質(zhì)量主要是在軸承的測(cè)量精度，而軸承內(nèi)圈制造出廠已精確測(cè)量并在軸承標(biāo)注，使用單位在壓裝軸承前必須復(fù)測(cè)。可見輪對(duì)軸徑測(cè)量是非常重要的工作。目前普遍采用人工使用外徑千分尺測(cè)量的方式，這種測(cè)量方式存在較多弊端，一是測(cè)量準(zhǔn)確度受到操作者熟練程度影響；二是工作者容易簡(jiǎn)化作業(yè)，沒有按照《鐵路貨車輪對(duì)和滾動(dòng)軸承組裝檢修規(guī)則》中的要求，進(jìn)行Ⅰ、Ⅱ兩截面和Ⅰ、Ⅱ兩截面均勻分布3個(gè)方向測(cè)量取算術(shù)平均值進(jìn)行軸頸直徑測(cè)量，造成軸頸直徑數(shù)據(jù)不精確，影響軸承內(nèi)圈與軸頸的裝配過盈量選配，從而出現(xiàn)軸承壓裝曲線不合格而返工或運(yùn)用中出現(xiàn)軸端螺栓折斷、軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)等情況；三是記錄的填寫容易出現(xiàn)錯(cuò)誤、漏項(xiàng)、涂改；四是效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適應(yīng)生產(chǎn)線速度。在此背景下，研制高精度軸徑自動(dòng)測(cè)量機(jī)是貫徹中國(guó)鐵路總公司提出的“以裝備保工藝、以工藝保質(zhì)量、以質(zhì)量保安全”的指導(dǎo)思想和輪軸“檢修及加工數(shù)控化、檢測(cè)及組裝自動(dòng)化、過程管理信息化、生產(chǎn)組織集約化”的思路，積極推進(jìn)輪軸技術(shù)及管理現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、工藝科學(xué)、裝備先進(jìn)、管理規(guī)范的目標(biāo)。

1　輪軸檢修技術(shù)要求

依據(jù)《鐵路貨車輪對(duì)和滾動(dòng)軸承組裝檢修規(guī)則》，輪對(duì)軸徑直徑主要有150 mm和130 mm兩種規(guī)格，如150 mm規(guī)格的檢修限度為：原型尺寸150+0.068+ 0.043 mm、圓柱度≤0.010 mm、圓度≤0.025 mm，廠修尺寸150+0.068 0.025+mm、圓柱度≤0.015mm、圓度≤0.025 mm，段修尺寸150+0.068 0+0.02、圓柱度≤0.015 mm，圓度≤0.025 mm，可見測(cè)量精度必須要達(dá)到0.005 mm，車輛的制造、維修企業(yè)軸頸測(cè)量工作量大、精度要求高，采用自動(dòng)化的測(cè)量方式勢(shì)在必行。

2　技術(shù)方案

2.1采用光幕測(cè)量技術(shù)光電傳感器是一種感應(yīng)其接收的光強(qiáng)度變化的電子器件，包含光學(xué)系統(tǒng)、放大器和開關(guān)量輸出裝置。所有光電傳感器都使用調(diào)制光以排除周圍光源可能的影響，工作時(shí)，發(fā)光器通道發(fā)出光脈沖而對(duì)應(yīng)的接收器同時(shí)來尋找該脈沖，當(dāng)找到后即完成一個(gè)通道的掃描，接著轉(zhuǎn)向下一個(gè)通道，直到所有的掃描都完成。當(dāng)一個(gè)周期掃描完成后，系統(tǒng)記錄那些通道通光，那些通道被遮擋，根據(jù)系統(tǒng)定義輸出一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)可以為模擬量信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)、也可以是RS 485通訊信號(hào)。測(cè)量光幕是一種特殊的光電傳感器，與普通的對(duì)射式光電傳感器一樣，包含相互分離且相對(duì)放置的發(fā)射器和收光器兩部分，但其外形尺寸較大，為長(zhǎng)管狀。測(cè)量光幕發(fā)射器產(chǎn)生的檢測(cè)光線并非如普通傳感器般只有一束，而是沿長(zhǎng)度方向定間距生成光線陣列，形成一個(gè)“光幕”，以一種掃描的方式，配合控制器及其軟件，實(shí)現(xiàn)測(cè)量物體外形尺寸的功能。光幕測(cè)量系統(tǒng)要正常工作需配備一個(gè)控制器，控制器使用軟件進(jìn)行編程設(shè)定，可提供多種掃描模式和檢測(cè)分析模式，而且可通過串行接口與PLC或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，傳遞控制或掃描結(jié)果，另外還可接入觸發(fā)信號(hào)控制掃描過程。光幕測(cè)量原理見圖1所示。

圖1　光幕測(cè)量原理示意圖

光幕測(cè)量的精度由光束密度決定（見圖2所示）。目前已有成熟產(chǎn)品可達(dá)0.001 mm的精度。

圖2　光幕測(cè)量的精度由光束密度決定示意圖

設(shè)計(jì)采用日本基恩士公司產(chǎn)的高速度、高精度數(shù)字測(cè)微儀產(chǎn)品，最大測(cè)量距離65 mm，測(cè)量精度± 0.003 mm。輪軸軸頸直徑最大是防塵板座直徑180 mm。因此采用2對(duì)測(cè)量傳感器的測(cè)量方案，見圖3所示。

圖3　采用2對(duì)測(cè)量傳感器的測(cè)量方案

測(cè)量采用對(duì)比測(cè)量的方法，即編制測(cè)量處理系統(tǒng)，建立數(shù)學(xué)模型和對(duì)比坐標(biāo)系，將標(biāo)準(zhǔn)的軸頸測(cè)量后，在坐標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)定，再將被測(cè)件測(cè)量后，在坐標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)出，進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理從而得出被測(cè)件的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2輪對(duì)定位測(cè)量采用機(jī)床加工輪對(duì)軸頸的定位方式，兩端采用高精度的頂尖對(duì)輪對(duì)進(jìn)行定位，以步進(jìn)電機(jī)通過絲桿驅(qū)動(dòng)測(cè)量模塊沿高精度的直線導(dǎo)軌向前移動(dòng)，測(cè)量出輪對(duì)軸頸兩個(gè)截面及防塵板座處的直徑。測(cè)量結(jié)構(gòu)形式類似于輪對(duì)軸頸加工，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量基準(zhǔn)和加工基準(zhǔn)的統(tǒng)一，有效保證了測(cè)量精度。測(cè)量裝置執(zhí)行部份采用液壓、氣動(dòng)方式，由工業(yè)計(jì)算機(jī)來進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的定位及測(cè)量。

2.3輪對(duì)的旋轉(zhuǎn)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)采用橡膠輪接觸車輪輪輞內(nèi)側(cè)面的方式驅(qū)動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)，以保證對(duì)軸頸、防塵板座進(jìn)行圓周方向上的多點(diǎn)測(cè)量，該裝置能夠按照計(jì)算機(jī)設(shè)定的角度進(jìn)行自動(dòng)定位旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中不會(huì)損傷輪對(duì)和軸頸等部位。

3　設(shè)計(jì)

3.1總體要求設(shè)計(jì)以滿足中國(guó)鐵路總公司《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》及《輪軸卡片（車統(tǒng)-51 C）》規(guī)定要求為原則，整機(jī)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、測(cè)量系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。實(shí)現(xiàn)輪軸定位、測(cè)量自動(dòng)化，測(cè)量數(shù)據(jù)管理微機(jī)化、測(cè)量精度高達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)備設(shè)有聯(lián)網(wǎng)功能，可將輪對(duì)參數(shù)及測(cè)量結(jié)果上傳給HMIS系統(tǒng)，也可將測(cè)量結(jié)果直接傳于軸承選配系統(tǒng)，與軸承內(nèi)徑數(shù)據(jù)進(jìn)行選配，并將選配數(shù)據(jù)輸送軸承立體倉(cāng)庫(kù)選配，并通過鐵路貨車滾動(dòng)軸承壓裝選配系統(tǒng)直接選出相應(yīng)的軸承送到壓裝工位進(jìn)行壓裝，提高選配及軸承壓裝生產(chǎn)效率。

3.2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1適用環(huán)境海拔≤1 000 m；溫度-10℃~ 45℃；工作相對(duì)濕度≤95%；工作制為連續(xù)。

3.2.2使用條件氣源為0.5~0.7 MPa；電源為AC 380 V 50 Hz三相五線；被測(cè)軸徑為130 mm、150 mm

被測(cè)輪對(duì)內(nèi)側(cè)距為1 353 mm；被測(cè)車輪滾動(dòng)圓直徑為790~920 mm；被測(cè)防塵板座直徑≤180 mm；被測(cè)車軸長(zhǎng)度≤2 286 mm；被測(cè)輪對(duì)重量≤3 t。

4.2.3設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見表1.

表1　設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

4　結(jié)構(gòu)

4.1設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)備主要由機(jī)架、輪對(duì)止推模塊、輪對(duì)舉升模塊、輪對(duì)頂尖定心模塊、輪對(duì)旋轉(zhuǎn)模塊、輪對(duì)軸頸測(cè)量模塊、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成，如圖4所示。

圖4　設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖

4.2測(cè)量模塊測(cè)量模塊見圖5，測(cè)量模塊裝在測(cè)量機(jī)的狀況見圖6所示。

圖5　測(cè)量模塊

圖6　測(cè)量模塊裝在測(cè)量機(jī)的狀況

由圖5、圖6可見，測(cè)量模塊由2對(duì)光電傳感器組成，測(cè)量摸塊可以沿車軸做軸向移動(dòng)，測(cè)量軸頸各位置。

4.3輪對(duì)舉升模塊在計(jì)算機(jī)控制下，通過液壓油缸將輪對(duì)舉到輪心頂尖位置見圖7所示。其工作過程是將輪對(duì)置于檢測(cè)臺(tái)位后，計(jì)算機(jī)控制液壓動(dòng)系統(tǒng)，油缸推動(dòng)軸頸托座沿升降導(dǎo)桿移動(dòng)，軸徑托座托住軸徑向上移動(dòng)至輪軸孔頂尖處，通過位置傳感器計(jì)算機(jī)控制軸徑頂尖孔對(duì)準(zhǔn)頂尖，頂尖在液壓系統(tǒng)控制下自動(dòng)頂入輪軸頂尖孔，使輪對(duì)定位。

圖7　輪對(duì)舉升模塊

4.4輪對(duì)旋轉(zhuǎn)模塊輪對(duì)的旋轉(zhuǎn)采用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)規(guī)定的角度，其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)見圖8。

圖8　旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

輪對(duì)旋轉(zhuǎn)模塊由輪對(duì)旋轉(zhuǎn)主動(dòng)橡膠輪，步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、驅(qū)動(dòng)氣缸、支架組成。在計(jì)算機(jī)控制下，氣缸推動(dòng)膠輪繞鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，靠貼靠輪對(duì)輪輞端面，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，膠輪驅(qū)動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)至計(jì)算機(jī)設(shè)定角度。

5　軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)工序

在計(jì)算機(jī)控制下，軸頸測(cè)量機(jī)通過液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)自動(dòng)完成以下工序：

輪對(duì)進(jìn)臺(tái)軸頸托座沿導(dǎo)桿上升托住軸頸軸頸托座上升使軸頸頂尖孔對(duì)準(zhǔn)頂尖處頂尖移動(dòng)頂住輪軸頂尖孔測(cè)量模塊移動(dòng)至軸頸測(cè)量處測(cè)量軸頸1輪對(duì)旋轉(zhuǎn)測(cè)量軸頸1完成測(cè)量測(cè)量模塊移動(dòng)測(cè)量軸徑2輪對(duì)旋轉(zhuǎn)測(cè)量軸頸2計(jì)算軸頸圓度、圓柱度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、打印、上傳HMIS系統(tǒng)。

6　結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，光膜測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用已成熟，應(yīng)用光幕測(cè)量技實(shí)現(xiàn)貨車輪對(duì)軸頸的自動(dòng)化測(cè)量已具有可行性。鐵路貨車輪對(duì)檢修已形成流水線的規(guī)?；瘷z修，軸頸測(cè)量項(xiàng)目多，要求精度高速度快，人工測(cè)量已不適應(yīng)，輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用可極大提高測(cè)量速度和精度，消除人為誤差確保軸承壓裝質(zhì)量，便于測(cè)量數(shù)據(jù)形成網(wǎng)絡(luò)化管理，通過軸承庫(kù)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)軸承自動(dòng)選配，顯著提高輪對(duì)檢修的工作效率。

文章編號(hào)：1006-8686（2015）0047-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U279.3+23