不落輪車床定位技術(shù)的研究和應(yīng)用

俞國根

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司機(jī)務(wù)部，上海 200071）

0 引言

列車運(yùn)營一段時(shí)間后，輪對(duì)會(huì)產(chǎn)生擦傷、外部輪廓磨損等情況，造成輪對(duì)運(yùn)行失圓?，F(xiàn)在對(duì)失圓輪對(duì)的修復(fù)主要采用不落輪車床鏇修方式進(jìn)行輪對(duì)鏇修恢復(fù)。目前國內(nèi)列車不落輪對(duì)加工時(shí)對(duì)車輪定位大部分采用以設(shè)備的主傳動(dòng)摩擦輪與加工列車車輪踏面外圓徑向隨動(dòng)的定位方式，是以待加工已經(jīng)失圓的車輪輪廓外圓踏面為基準(zhǔn)的定位技術(shù)，會(huì)使加工車輪外圓輪廓隨動(dòng)出現(xiàn)不規(guī)則多邊形的現(xiàn)象。

1 現(xiàn)有定位技術(shù)的不足

徑向隨動(dòng)定位方式在工作狀態(tài)下（圖1），設(shè)備的摩擦輪在Fx.z 作用下緊緊貼附在車輪的踏面上，開始貼附長度L1隨著刀具切削加工逐漸縮短至L2直至消失的過程中，主傳動(dòng)摩擦輪在Fx.z 作用下隨著切削加工過程填充切削留下的切削間隙量，其機(jī)床與輪對(duì)（加工件）踏面外圓作徑向隨動(dòng)定位。在隨動(dòng)定位過程中，輪對(duì)（加工件）的軸心線始終隨著切削的間隙量隨動(dòng)跳動(dòng)，由于機(jī)床的X（徑）、Z（軸）向坐標(biāo)是固定的，這樣車輪外部踏面切屑間隙的隨動(dòng)跳動(dòng)量與機(jī)床固定的X（徑）、Z（軸）向坐標(biāo)始終處于輪軸不同心的跳動(dòng)狀態(tài)中，所以會(huì)導(dǎo)致加工的輪對(duì)踏面外圓出現(xiàn)失圓的狀況。

圖1 現(xiàn)有不落輪車床摩擦輪與輪對(duì)踏面外圓隨動(dòng)定位工作原理

根據(jù)金屬切削機(jī)床加工原理，機(jī)床與加工工件的回轉(zhuǎn)中心必須固定，中心線保持不變，且工件回轉(zhuǎn)中心線必須與機(jī)床中心線平行或重合。需要加工的輪對(duì)本身就是其外部輪廓經(jīng)過輪軌相互磨損，已使其踏面外圓具有相當(dāng)?shù)氖A程度，如擦傷、剝離、磨損等，因此利用已經(jīng)失圓的踏面作徑向隨動(dòng)定位，失圓的列車輪對(duì)踏面外圓存在著長短的徑差。車輪的多邊形是車輪外圓至圓心的徑距偏差導(dǎo)致，以車輪圓心至車輪外圓失圓呈不規(guī)則多邊形的一種狀態(tài)。在輪對(duì)的車削旋轉(zhuǎn)中，失圓的車輪與驅(qū)動(dòng)摩擦輪的受力臂存在長和短的現(xiàn)象，那么在輪對(duì)加工過程中，驅(qū)動(dòng)摩擦輪與輪對(duì)之間就會(huì)存在波磨或間隙，造成輪對(duì)中心線上下浮動(dòng)，輪對(duì)在加工切削過程中就形成了多邊形，必然會(huì)進(jìn)一步加大加工輪對(duì)踏面外圓的同心精度失圓的誤差。所以目前國內(nèi)鐵路機(jī)務(wù)段、車輛段以及動(dòng)車使用不落輪車床加工的列車車輪的精度始終存在著加工同心精度偏差呈多邊形失圓的問題，這就造成列車運(yùn)行一段時(shí)間后車輪存在失圓多邊形擴(kuò)大的必然現(xiàn)狀。

不落輪鏇修設(shè)備采用輪對(duì)（工件）徑向隨動(dòng)定位的方式使加工后的列車輪對(duì)踏面外圓失圓，失圓的外圓至圓心的半徑距離必定存在著長短的徑差，那么失圓的徑差列車車輪在運(yùn)行中與軌道的著力臂存在長和短的現(xiàn)象。

2 向心力與離心力原理

2.1 向心加速度

其中a 為向心加速度，單位m/s2；r 為圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，單位m；υ 為線速度，單位m/s；ω 為角速度，單位rad/s。

2.2 向心力（離心力）

其中F 為向心力（離心力），單位N（圖2）。

圖2 向心力

2.3 失圓踏面的影響

根據(jù)以上物體在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的向心力與離心力理論可知道“旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的物體受力臂越長（圓周運(yùn)動(dòng)半徑長），其向、離心力矩越大；受力臂越短（圓周運(yùn)動(dòng)半徑短），其向、離心力矩越小”，輪對(duì)動(dòng)靜平衡中去重即采用該理論。不規(guī)則踏面外圓的輪對(duì)在列車牽引力作用下作勻速運(yùn)動(dòng)，同速而失圓踏面在軌道上長期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不同的頻率使輪軌相互產(chǎn)生波磨，輪軌高頻振動(dòng)與列車轉(zhuǎn)向架固有頻率產(chǎn)生的共振，造成轉(zhuǎn)向架走行部件故障。

3 不落輪車床定位技術(shù)優(yōu)化研究

對(duì)不落輪車床與列車輪對(duì)加工工件定位技術(shù)研究的重點(diǎn)是對(duì)加工列車車輪的不圓度（多邊形）通過加工進(jìn)行消除，也就是對(duì)失圓輪對(duì)進(jìn)行切削加工，使輪對(duì)的徑向跳動(dòng)恢復(fù)至正常的范圍之內(nèi)，達(dá)到消除車輪多邊形的目的。

3.1 軸箱支撐定位回轉(zhuǎn)中心技術(shù)結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)

不落輪車床屬金屬切削加工機(jī)床范疇，根據(jù)GB/T 9061—2006《金屬切削機(jī)床通用技術(shù)條件》要求，金屬切削機(jī)床主軸在加工過程中“加工件的軸心線與機(jī)床的軸中心線保持一致且不變”，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，不落輪車床的軸心線在輪對(duì)加工過程中應(yīng)使加工輪對(duì)軸心線保持不變。因此采用支撐輪對(duì)軸箱回轉(zhuǎn)中心的技術(shù)定位結(jié)構(gòu)，能夠滿足金屬切削機(jī)床車削的加工要求。

3.2 軸箱支撐定位技術(shù)加工輪對(duì)的應(yīng)用實(shí)施及效果

在機(jī)務(wù)段安裝了1 臺(tái)采用軸箱支撐定位的不落輪車床，對(duì)其加工的車輪的不圓度進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果為“鏇輪前，所測(cè)試車輪圓周非均勻磨耗主要表現(xiàn)為16～24 邊形，其中18～22 邊形尤為明顯，2 軸和5 軸車輪多邊形最為明顯，表現(xiàn)為18 邊形，各車輪同時(shí)還表現(xiàn)出偏心；鏇輪后，所測(cè)車輪原始多邊形均已消除，且偏心現(xiàn)象得到改善”。經(jīng)過跟蹤，發(fā)現(xiàn)利用該不落輪加工的機(jī)車投入運(yùn)行半年，機(jī)車及輪對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均正常，無需進(jìn)行鏇修。而過去未使用該臺(tái)不落輪車床加工的輪對(duì)一般在不到2 個(gè)月左右就會(huì)要求鏇修，否則機(jī)車就會(huì)出現(xiàn)多項(xiàng)報(bào)警等故障，無法滿足機(jī)車運(yùn)行的要求。因此，采用軸箱支撐定位回轉(zhuǎn)中心技術(shù)結(jié)構(gòu)的不落輪車床，其加工輪對(duì)的利用率得到了大大提高，同時(shí)也增加了機(jī)車的利用率，節(jié)約了大量的檢修和維護(hù)成本，并能取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 利用不同定位技術(shù)的不落輪車床使用情況分析

采用機(jī)床主傳動(dòng)摩擦輪與車輪外圓輪廓踏面接觸的徑向隨動(dòng)定位，其加工列車車輪的不圓度（高階多邊形）無法消除至規(guī)定的正常值范圍內(nèi)，這樣的列車輪對(duì)在運(yùn)行中會(huì)對(duì)鋼軌造成波磨，會(huì)發(fā)生輪軌高頻振蕩并與列車轉(zhuǎn)向架等固有頻率發(fā)生共振，造成列車慣性振動(dòng)，使走行部件的砂管支撐、腳蹬、齒輪箱合口螺絲、軸頭端蓋螺栓、一系圓簧等部件發(fā)生裂損故障，造成走行部件質(zhì)量問題，危及列車行車安全。而采用了軸箱支撐定位回轉(zhuǎn)中心的不落輪車床加工的列車輪對(duì)能夠?qū)④囕喌牟粓A度（高階多邊形）控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而在投入運(yùn)行后，不會(huì)發(fā)生上述故障現(xiàn)象。

4 結(jié)語

解決列車車輪存在失圓多邊形問題，首先要使設(shè)備加工后的輪對(duì)輪廓精度及其同心圓跳動(dòng)偏差處在輪對(duì)規(guī)定指標(biāo)內(nèi)。列車不落輪車床加工車輪宜采用軸箱支撐固定定位方式，滿足車輪回轉(zhuǎn)中心固定不變，且車輪回轉(zhuǎn)中心線必須與機(jī)床回轉(zhuǎn)軸心線平行或重合。依據(jù)GB/T 9061—2006《金屬切削機(jī)床通用技術(shù)條件》，對(duì)列車不落輪車床定期進(jìn)行最大切削抗力試驗(yàn)，參考重型機(jī)床最大切削抗力參數(shù)，建議該機(jī)床最大切削抗力試驗(yàn)切削截面積為16 mm2，即進(jìn)給深度≥7 mm，經(jīng)最大切削抗力試驗(yàn)后檢測(cè)加工后車輪輪廓精度及同心圓跳動(dòng)是否在規(guī)定范圍之內(nèi)，設(shè)備主傳動(dòng)摩擦滾輪徑向跳動(dòng)偏差保持在≤0.05 mm。