基于機(jī)械仿形的鏇輪裝置設(shè)計與研究

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)

0 引言

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。

1 技術(shù)方案提出并分析

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。

2 鏇輪裝置

2.1 機(jī)械仿形原理

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

2.2 運(yùn)動機(jī)構(gòu)

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。

2.3 安裝與使用

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

3 設(shè)計要素

3.1 導(dǎo)槽齒條設(shè)計

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

3.2 切削范圍

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

3.3 切削計算

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。

4 試驗情況

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

5 結(jié)語

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。