文永翔,周文祥,陳陽,張曉陽
(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室,四川 成都 610031)
在機(jī)車車輛進(jìn)行滾動振動試驗的方法中,是利用軌道輪的旋轉(zhuǎn)以3~6 m左右的圓周長來模擬線路鋼軌的[1]。軌道輪斷面外形與鐵路軌頭相同,產(chǎn)生的磨耗形態(tài)與鋼軌類似,且磨耗累計效應(yīng)高。由于硬度較低,磨耗速度比線路上的鋼軌快幾十倍,軌道輪的模擬效果隨著磨耗而下降。GB/T 32358-2015對軌頭型面的磨耗都有嚴(yán)格限制,軌頭型面的磨損不能>0.2 mm[2]。對于磨耗超限的軌道輪應(yīng)及時進(jìn)行鏇修,避免由于軌道輪的因素導(dǎo)致試驗結(jié)果的不可靠。傳統(tǒng)的軌道輪鏇修流程為:拆卸軌道輪并運(yùn)送到機(jī)械加工車間,將軌道輪安裝在大型車床上進(jìn)行車削,然后包裝運(yùn)回原試驗臺處并進(jìn)行組裝。整個檢修過程需耗時數(shù)周,這種修理方式效率低、費(fèi)用高。因此研究設(shè)計一種可就地安裝使用的鏇輪裝置具有重要的實用意義。
軌道輪斷面及其與車輪的接觸關(guān)系如圖1所示,其中黑色粗實線即為軌道輪斷面外形,一般為1/40軌底坡放置的60 kg/m鋼軌[2]。
圖1 軌道輪與車輪接觸關(guān)系
由于機(jī)車滾動振動試驗臺的軌道輪單元包含特定精度的軸承、軸承座、主軸及其驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)[3],它可以提供一定精度和速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,作為切削需要的主運(yùn)動。因此研究設(shè)計一種快速對準(zhǔn)、安裝到工作位置的仿形鏇修裝置,就可以在試驗臺現(xiàn)場就地構(gòu)成軌道輪的基本鏇輪系統(tǒng),如圖2所示。
圖2 鏇輪系統(tǒng)
常見的仿形裝置有3種:機(jī)械仿形、液壓仿形和電氣數(shù)控[4-6]。液壓仿形的核心為液壓系統(tǒng),它的零部件精度要求非常高,與機(jī)械仿形和電氣仿形相比,液壓傳動的可動部分慣量小,這就保證了它具有很高的速度,并使刀頭能迅速換向和制動,但其體積較大,質(zhì)量較重;電氣數(shù)控仿形通過預(yù)編程序控制幾個伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn),最終實現(xiàn)刀頭的仿形路徑。由于機(jī)車滾動振動試驗臺環(huán)境的特殊性,一是安裝空間狹小,二是鏇削裝置必須即用即拆,每次的安裝位置都可能變化,所以上述兩種仿形方法都不太實用,而機(jī)械仿形恰恰能滿足上述條件,不僅拆卸方便而且占用空間小。
軌道輪截面曲線為多段圓曲線和直線段的組合,可利用圓車刀與軌道輪外形曲線相切的原理進(jìn)行仿形切削。仿形切削的路徑如圖3所示,實際圓車刀的平移運(yùn)動軌跡為軌道輪外形曲線外加圓車刀半徑的包絡(luò)線。機(jī)械鏇輪裝置必須具有橫向?qū)Φ丁⒖v向進(jìn)刀和仿形進(jìn)給三大功能。橫向?qū)Φ妒侵告浶耷邢髑笆管嚨秾R軌道輪端面;縱向進(jìn)刀可以實現(xiàn)不同背吃刀量的調(diào)整。
本設(shè)計采用的是機(jī)械仿形的方法,最關(guān)鍵的是仿形功能,原理是利用齒輪齒條產(chǎn)生動力,使圓車刀的運(yùn)動軌跡沿著導(dǎo)槽的運(yùn)動軌跡。另外還要保證圓車刀的切削運(yùn)動相對軌道輪不會出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動,仿形切削的軌跡精度由導(dǎo)槽的精度決定。圓車刀切削軌跡如圖3所示。下面進(jìn)一步研究實現(xiàn)各功能的具體結(jié)構(gòu)。
圖3 圓車刀切削軌跡
機(jī)械仿形鏇輪裝置如圖4、圖5所示,所需要的三大功能分別對應(yīng)橫向?qū)Φ妒州?、縱向進(jìn)刀手輪2和進(jìn)給手輪3(或電機(jī))。
圖4 鏇輪裝置立體圖
1—底座;2—圓柱滾子導(dǎo)軌;3—馬鞍板;4—手輪2;5—進(jìn)刀絲桿;6—車刀座;7—墊塊;8—上框;9—橫梁板;10—減速機(jī);11—仿形軸;12—齒輪;13—銅套;14—弧形齒條板;15—保持框;16—導(dǎo)槽板;17—壓柄;18—壓蓋;19—車刀;20—車刀桿;21—螺紋塊。圖5 鏇輪裝置剖視圖
首先由于切削運(yùn)動的需要,車刀相對于底座必須能夠靈活地運(yùn)動,同時又不能相對轉(zhuǎn)動。因此利用導(dǎo)軌和馬鞍板構(gòu)成十字滑臺,如圖6所示。底座與馬鞍板通過橫向?qū)к夁B接,車刀座與馬鞍板通過縱向?qū)к夁B接,車刀安裝在車刀座上。
圖6 鏇輪十字滑臺機(jī)構(gòu)
鏇輪裝置的縱向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)就包含車刀座。利用絲桿螺母機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)動進(jìn)刀手輪2實現(xiàn)車刀的縱向運(yùn)動。
考慮到材料磨耗后的更換問題,將仿形所用導(dǎo)槽和弧形齒條單獨(dú)加工成零件,固定在固定框中,如圖7所示。通過橫向?qū)Φ妒州?帶動對刀絲桿旋轉(zhuǎn),使保持框的橫向運(yùn)動,最終實現(xiàn)橫向的對刀運(yùn)動。
圖7 橫向?qū)Φ稒C(jī)構(gòu)
從圖5中可以觀察出,仿形軸從上至下依次穿過減速機(jī)座、保持框中弧形齒條板、導(dǎo)槽板、車刀座,動力從電機(jī)或手輪3輸入后,經(jīng)過減速機(jī)傳遞到仿形軸上。軸上的齒輪與齒條嚙合產(chǎn)生動力,仿形軸沿著導(dǎo)槽運(yùn)動。車刀座相對底座的運(yùn)動為平動,不會發(fā)生旋轉(zhuǎn),車刀的仿形運(yùn)動軌跡為導(dǎo)槽的中心線軌跡,最終實現(xiàn)車刀的仿形切削。
一般來說,可以根據(jù)不同的試驗臺空間環(huán)境,搭配不同的底架,就可以實現(xiàn)鏇輪裝置相對軌道輪任意的傾斜角度安裝。當(dāng)?shù)准芎玩涊喲b置安裝完畢后,啟動試驗臺電機(jī)帶動軌道輪以一定速度旋轉(zhuǎn),并作為鏇輪的主運(yùn)動,旋轉(zhuǎn)對刀手輪使車刀對齊軌道輪端面,再旋轉(zhuǎn)進(jìn)刀手輪調(diào)整車刀調(diào)整到初始切削位置,啟動鏇輪裝置電機(jī)或仿形手輪實現(xiàn)車刀仿形進(jìn)給運(yùn)動,最后完成仿形鏇削(圖8)。
圖8 鏇輪裝置安裝位置示意圖
如圖9所示,所需鏇修的軌道輪截面型線為黑藍(lán)線條,由五段圓弧加一條線段構(gòu)成。由上文的分析得知,導(dǎo)槽的軌跡應(yīng)為軌道輪截面型線外加圓車刀半徑的包絡(luò)線,齒輪的運(yùn)動軌跡為導(dǎo)槽中心線,則弧形齒條的節(jié)圓線為導(dǎo)槽中心線外加齒輪節(jié)圓半徑的包絡(luò)線(因本刊為黑白印刷,如有疑問之處,可咨詢作者)。
圖9 三線關(guān)系
確定導(dǎo)槽中心線和弧形齒條節(jié)圓線后,設(shè)計的導(dǎo)槽和弧形齒條如圖10所示。根據(jù)仿形軸的尺寸確定導(dǎo)槽的寬度,利用CAD軟件中的偏移命令即可完成導(dǎo)槽的設(shè)計。而弧形齒條根據(jù)節(jié)圓線進(jìn)行分段設(shè)計,每段圓弧齒的模數(shù)和齒輪保持一致。在兩段圓弧的交接處采用齒頂或齒根過渡,導(dǎo)槽和弧形齒條都采用慢走絲線切割加工,然后對配合表面進(jìn)行熱處理。由于切削的精度不需要齒輪齒條的嚙合保證,因此齒輪齒條的配合稍有間隙也不影響裝置的使用。
圖10 導(dǎo)槽和齒條設(shè)計
根據(jù)仿形切削需要,保證足夠的橫向?qū)Φ逗涂v向進(jìn)刀的調(diào)整量,因此車刀的切削范圍如圖11所示,包含4個極限位置,車刀的起始切削位置應(yīng)在4個極限點圍成的矩形范圍內(nèi)。
通常橫向?qū)Φ墩{(diào)整量為30mm,縱向?qū)Φ读繛?0mm,切削軌跡線的橫向范圍約80mm,縱向范圍為30mm。因此在導(dǎo)軌的選擇上,應(yīng)保證:橫梁上的橫向?qū)Φ秾?dǎo)軌行程應(yīng)>30mm;而馬鞍板的橫向?qū)к壊粌H要滿足橫向?qū)Φ兜囊苿恿?,還要滿足車刀仿形切削的橫向移動量,橫向?qū)к壍男谐虘?yīng)>110mm;縱向?qū)к墤?yīng)>30mm。
圖11 仿形切削的范圍
指數(shù)形式的切削力經(jīng)驗公式應(yīng)用比較廣泛,其形式如下[7]:
(1)
(2)
(3)
式中:Fc、Fp、Ff分別表示切削力、進(jìn)給力和背向力;CFc、CFp、CFf取決于工件材料和切削條件的系數(shù);xFc、yFc、nFc、xFp、yFp、nFp、xFf、yFf、nFf代表3個分力公式中背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度的指數(shù);KFc、KFp、KFf為各種因素對各切削分力的修正系數(shù)。式中各種系數(shù)和指數(shù)都可以在切削用量手冊中查到。
仿形鏇輪裝置的使用條件是:背吃刀量0.2mm,進(jìn)給量為0.5mm/r,切削速度為10m/s。代入上式,取修正系數(shù)為1,計算得到的切削力為286 N,進(jìn)給力為134N,背向力為112N。切削時的各向力都較小,因此沒必要對裝置進(jìn)行靜力學(xué)校核。
本裝置研發(fā)生產(chǎn)后,對一小段的圓棒進(jìn)行鏇修,試驗情況如圖12所示。鏇輪裝置的3種典型工作位置狀態(tài)為:水平、60°傾斜和垂直,在不同的工況下使用結(jié)果如表1所示(試驗結(jié)果分別代表切屑狀態(tài)和振動情況)。試驗結(jié)果表明垂直狀態(tài)下裝置工作最穩(wěn)定,振動對切削速度比較敏感,裝置在切削速度較低時出現(xiàn)較為嚴(yán)重的振動,可能是由于裝置本身自振頻率較低導(dǎo)致的,而背吃刀量影響切屑的連續(xù)狀態(tài),試驗表明:背吃刀量在0.15~0.3mm之間最合適。
圖12 裝置的3種工作位置
表1 背吃刀量不同工況下的試驗結(jié)果
本文研究提出了一種適合機(jī)車車輛試驗臺的軌道輪就地鏇修方法,設(shè)計了基于機(jī)械仿形的鏇輪裝置,利用齒輪齒條產(chǎn)生的動力靠導(dǎo)向槽實現(xiàn)仿形運(yùn)動,結(jié)構(gòu)緊湊。現(xiàn)已用于某機(jī)車輪軸驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺中。運(yùn)用結(jié)果表明:1)使用方便,可隨時組裝隨時使用,體積小,質(zhì)量輕;2)運(yùn)動平穩(wěn)可靠,無不良機(jī)械振動產(chǎn)生;3)切削結(jié)果表明:圓跳動量為±0.1 mm,形狀精度為±0.1 mm。