車輛輪對注油退卸原理及應(yīng)用

孫建軍，吳衛(wèi)紅，戴俊，李紅林

(1.晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西太原030027;2.馬鞍山馬鋼晉西軌道交通裝備有限公司，安徽馬鞍山 243000)

現(xiàn)代鐵路運輸要求列車運行必須安全可靠。輪對是列車行走最關(guān)鍵的部件之一，其強度直接關(guān)系到列車運行的安全。車輪和車軸是輪對最重要的組成部分，防止車軸疲勞折損是保證鐵路運輸安全的有效措施之一。輪對在壓裝和退卸過程中長期存在著難以避免的拉傷問題。為了防止車軸輪座在壓裝或退卸過程中產(chǎn)生拉傷，避免過早產(chǎn)生疲勞源，杜絕切軸事故發(fā)生，國內(nèi)外專家研究出了輪對注油壓裝和注油退卸工藝。

應(yīng)用注油壓裝和注油退卸技術(shù)最早的是瑞典SKF公司，早在20世紀(jì)50年代，SKF公司就將它應(yīng)用于大型軸承的安裝和退卸中。60年代，德國和日本將該項技術(shù)應(yīng)用于鐵路機車輪對上。我國應(yīng)用此項技術(shù)始于60年代，80年代后，隨著高壓油泵技術(shù)的發(fā)展，注油壓裝和注油退卸技術(shù)在鐵路機車、動車、城軌、地鐵輪對壓裝和退卸過程中得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在我國已經(jīng)制定了注油相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范。

由于輪對在壓裝曲線、壓裝尺寸不合格、輪對檢修退輪等情況下，帶注油孔的輪對需要用到注油退卸法，因此針對以上情況，對采用注油法退卸輪對的可行性進(jìn)行了分析并通過試驗進(jìn)行驗證。

1 原理分析

1.1 注油退卸原理

輪對冷壓退卸的缺點是容易在裝配面處產(chǎn)生拉傷，拉傷主要是在沒有潤滑劑的狀態(tài)下退卸而產(chǎn)生的，采用注油退卸方式可解決這一問題。

采用注油退卸方式的輪對，其車輪上設(shè)計了注油孔，退卸時通過注油孔向車輪輪轂孔環(huán)形油槽內(nèi)注入高壓油，可在輪座與輪轂孔配合面間形成一層油膜，將輪座與輪轂孔的過盈配合連接轉(zhuǎn)化為間隙連接，使摩擦阻力減小，這樣只要在軸向施加較小的壓力(一般小于100 kN)就可以把車軸退出，從而減少了裝配面間的擦傷。

這種注油退卸法從原理上講，主要是通過高壓注油使車輪輪轂孔與車軸輪座間的配合狀態(tài)發(fā)生變化，具體可以通過以下4個步驟進(jìn)行說明:

第1步，不供給油壓時，在環(huán)形油槽附近車軸裝配面發(fā)生變形，如圖1所示;

第2步，進(jìn)行注油退卸時，用高壓油泵向環(huán)形油槽供給壓力油，裝配面逐漸壓縮，如圖2所示;

第3步，進(jìn)一步供給油壓時，壓力油在環(huán)形油槽附近逐漸向軸向擴大，如圖3所示;

第4步，當(dāng)油壓達(dá)到極限油壓時，在接近裝配面的全長上，油膜將裝配面分開。這時，在裝配面的兩端，由于端部效應(yīng)，即使油壓一直供給，在裝配面兩端的正壓力也比中間部位高，所以油膜呈圖4所示的狀態(tài)，也就是兩端成封閉狀態(tài)，暫時停滯在裝配面上。在這種狀態(tài)下，用很小的軸向力就可以把車軸與車輪分離。

圖1 不供給油壓時的配合狀態(tài)

圖2 注油退卸時的配合狀態(tài)

圖3 進(jìn)一步注油退卸時的配合狀態(tài)

圖4 油壓達(dá)到極限時的配合狀態(tài)

1.2 注油退卸結(jié)構(gòu)示意圖

注油退卸時，用行車將輪對吊運起來，放置在輪對退卸機的軸頸支撐機構(gòu)上，用退卸擋板擋住車輪輪轂，通過高壓油泵、高壓油管輸入高壓油，在輪座與輪轂孔裝配面間形成一層油膜，通過輪對退卸機提供軸向推力，壓頭壓緊車軸軸端，使車軸軸向移動，直至將車輪退下。注油退卸結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 注油退卸結(jié)構(gòu)

2 工藝參數(shù)計算

2.1 過盈量

TB/T2202-1991《車輪與車軸注油壓裝技術(shù)條件》規(guī)定:注油壓裝時輪座與輪轂孔的過盈量應(yīng)在輪轂孔值0.8‰～1‰之間。作者進(jìn)行的注油退卸試驗，輪座與輪轂孔之間的過盈量δ可按下式進(jìn)行計算:

最小過盈量δmin=0.8‰·d=0.159 mm;

最大過盈量δmax=1‰·d=0.199 mm。

式中:d為輪轂孔直徑，φ199 mm。

2.2 接觸應(yīng)力

輪對退卸時，要形成液體潤滑油膜，注油油壓就必須高于輪座與輪轂孔配合面上的接觸應(yīng)力，在材料的彈性限度內(nèi)，輪座與輪轂孔表面的接觸應(yīng)力pk可按下式進(jìn)行計算:

式中:δ為過盈量最大值為0.19 mm;E為彈性模量，2.06×105MPa;d為輪轂孔，直徑φ199 mm;ξW為系數(shù)，實心軸時為1;ξN的值由下式可得:

式中:D為車輪外徑，φ851 mm;d為輪轂孔直徑，φ199 mm。

計算可得pk=93.0 MPa。

2.3 拆裝油壓

拆裝油壓px一般比接觸應(yīng)力pk大10%，px的值由下式可得:

px=1.1·pk

計算可得px=102.3 MPa。這個壓力就是理論計算的過盈量為0.19 mm時注油退卸的極限油壓，注油退卸時，油膜建立起來以后若再提高油壓，多余的油就會從輪座的兩端溢出。

2.4 壓出力

式中:px為拆裝油壓，102.3 MPa;dm為結(jié)合面平均圓錐直徑，φ199 mm;lf為結(jié)合長度，156 mm;μ為拆卸時結(jié)合面的摩擦因子，因結(jié)合面有油膜，一般取μ=0.02;C為結(jié)合面錐度，取0.02。計算可得Pxe=99.7 kN。由于μ較小，所以拆卸時并不需要很大的軸向力。

3 實施過程

3.1 注油退卸準(zhǔn)備

3.1.1 高壓油泵

根據(jù)計算出的拆裝油壓px，對注油退卸需要的高壓油泵進(jìn)行了選型，采用了國內(nèi)最先進(jìn)的高壓泵。選擇的高壓油泵 (圖6)由齒輪泵、電機、高壓壓力表、換向閥、溢流閥、增壓器、油路、油箱等組成，可輸出較大流量，實現(xiàn)高壓泵供油，高壓油泵具有帶壓換向、停機保壓等性能，可滿足帶注油孔車輪輪對的壓裝與退卸的需要。

圖6 高壓油泵

高壓油泵參數(shù)如下:增壓比1∶10，最大輸入壓力20 MPa，最大輸入流量12 L/min，最小輸出流量0.2 L/min;齒輪泵額定工作壓力20 MPa，最大工作壓力25 MPa，排量4 mL/r;系統(tǒng)最大輸出壓力200 MPa，流量0.2～5.5 L/min。

3.1.2 壓力油

注油退卸的壓力油可采用機械油、液壓油、發(fā)動機油、壓縮機油等，但是不允許油中含有酸、水、樹脂等化學(xué)雜質(zhì)成分，防止油污染。在注油退卸時不能采用輪對冷壓裝時常用的植物油，因為植物油有樹脂氧化的可能，會影響高壓油泵的工作。

注油退卸時，油不僅作為壓力媒介，同時還起著潤滑劑的作用，為了使裝配面盡可能減少突發(fā)性泄漏，最好采用運動黏度在32～46 mm2/s(40℃)范圍內(nèi)的黏滯油，如果結(jié)合面漏油，可以適當(dāng)提高油的黏度。本次作者選用了32號機油進(jìn)行試驗。

3.2 注油退卸過程

(1)準(zhǔn)備高壓油泵、輪對退卸機、高壓油管、油管接頭、軸頸保護(hù)套、退卸擋板等設(shè)備、材料及工裝。

(2)連接高壓油泵管路，接通高壓油泵。

(3)根據(jù)計算出的拆裝油壓px，將高壓油泵的輸出油壓調(diào)節(jié)為105 MPa。

(4)安裝輪對退卸機退卸擋板，在需要退卸的輪對兩端套上軸頸保護(hù)套，用行車將輪對吊在輪對退卸機軸頸支撐機構(gòu)上。

(5)將高壓油管接頭接在車輪注油孔上，擰緊螺母以確保安全。

(6)啟動高壓油泵，油壓逐漸升高，當(dāng)油壓升高接近105 MPa時，油從輪座兩端結(jié)合處滲出，輪座與輪轂孔配合表面形成油膜，使摩擦阻力減小，這時啟動輪對退卸機，壓頭軸向頂緊車軸，只用很小的力就將車軸與車輪分離。

3.3 注油退卸結(jié)論

(1)此次注油退卸時壓力達(dá)到90～95 kN時車軸即與車輪產(chǎn)生位移，而非注油退卸時至少需要1 000 kN。退卸后車軸輪座表面和輪轂孔內(nèi)表面狀態(tài)較好，只有輕微的痕跡，未損傷表面。

(2)此次注油退卸試驗過程中實際拆裝油壓px與壓出力Pxe等數(shù)據(jù)均與工藝參數(shù)理論計算數(shù)值接近。實踐證明:理論與實踐相結(jié)合，起到了理論指導(dǎo)實踐的作用，保證了工藝技術(shù)要求和產(chǎn)品的穩(wěn)定性，達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

注油退卸技術(shù)是一項日趨成熟的技術(shù)，具有操作方便、維護(hù)簡單、合格率高等優(yōu)點，在當(dāng)今機車、動車、城軌、地鐵輪對領(lǐng)域被廣泛推廣和應(yīng)用。由于輪對在退卸時不會擦傷輪座和輪轂孔，因此輪座和輪轂孔不需二次加工即可重新進(jìn)行壓裝，顯著延長了車軸的使用壽命。

應(yīng)用注油退卸原理進(jìn)行理論與實踐，對工藝參數(shù)進(jìn)行分析與計算，對相關(guān)設(shè)備、工裝進(jìn)行選型與設(shè)計，實施了注油退卸試驗并得到了可靠的驗證，不僅完善了輪對注油退卸的工藝，也為今后進(jìn)行輪對注油退卸工作提供了可靠的依據(jù)。

［1］TB/T 2202-1991車輪與車軸注油壓裝技術(shù)條件［S］.

［2］成大先.機械設(shè)計手冊［M］.5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］GB/T15755-1995圓錐過盈配合的計算和選用［S］.

［4］廣重巖.鐵路機車車輛輪對［M］.俞展猷，譯.北京:中國鐵道出版社，1981.