軌道車輛制動(dòng)盤熱裝工藝

張峰，馬利軍，張志毅

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

0 引言

軌道車輛制動(dòng)盤與車軸之間采用過盈配合，二者之間的安裝方式通常采用壓裝工藝，該工藝具有效率高、裝配質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)周期短的優(yōu)點(diǎn)，在軌道車輛輪對(duì)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用。某型號(hào)車輛輪對(duì)因其結(jié)構(gòu)比較特殊、裝配尺寸精度要求較高，采用壓裝工藝壓裝后出現(xiàn)制動(dòng)盤定位尺寸難以滿足技術(shù)要求，通過技術(shù)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，開發(fā)了制動(dòng)盤與車軸的熱裝工藝。

1 輪對(duì)軸箱介紹

某型號(hào)車輛輪對(duì)軸箱結(jié)構(gòu)比較特殊（如圖1），制動(dòng)盤為外置式、軸箱為內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，制動(dòng)盤位于車軸最外側(cè)，軸箱靠近車軸中心一側(cè)，車輪位于制動(dòng)盤與軸箱之間。制動(dòng)盤與車軸采用過盈配合，過盈量為0.165～0.230 mm之間，組裝后盤轂突懸于車軸端面外側(cè)，突懸尺寸需控制在（5±0.25）mm范圍內(nèi)，且盤轂端面相對(duì)于車軸中心線跳動(dòng)不超過0.1 mm，盤轂屬于圓環(huán)狀薄壁件，壁厚約12 mm，深度約150 mm。

圖1 輪對(duì)軸箱結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤與車軸采用壓裝工藝驗(yàn)證時(shí)，因輪對(duì)壓裝設(shè)備的位移精度約為0.2 mm，考慮制動(dòng)盤自身制造偏差、壓裝對(duì)中偏差及壓裝后盤轂端面跳動(dòng)變化，實(shí)際壓裝后盤轂端面距車軸端面尺寸（5±0.25）mm、盤轂端面跳動(dòng)不超過0.1 mm難以同時(shí)保證，壓裝不合格的制動(dòng)盤返工時(shí)盤轂孔易變形，再次壓裝時(shí)過盈量不足導(dǎo)致盤轂報(bào)廢。從經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量穩(wěn)定性角度分析，制動(dòng)盤與車軸采用壓裝工藝不合適，改為開發(fā)制動(dòng)盤與車軸的熱裝工藝。

熱裝工藝是機(jī)車車輪裝配最早采用的工藝方法[1]，其工作原理是通過加熱使車輪受熱膨脹，其轂孔直徑增大，與車軸輪座形成間隙配合，裝配后在空氣中冷卻，熱裝工藝成熟、組裝質(zhì)量可靠，國(guó)內(nèi)輪對(duì)組裝標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于車輪熱裝有比較全面的技術(shù)要求和參數(shù)[2-3]。查詢相關(guān)輪對(duì)組裝標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)中均沒有制動(dòng)盤熱裝的要求和參數(shù)，制動(dòng)盤熱裝工藝在以往的軌道車輛輪對(duì)組裝生產(chǎn)中也缺乏可借鑒的應(yīng)用案例，對(duì)于國(guó)內(nèi)軌道車輛輪對(duì)制造來講，制動(dòng)盤與車軸采用熱裝工藝屬于一種新工藝，需要開展技術(shù)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證來確定熱裝參數(shù)。

2 熱裝工藝的確定

2.1 加熱溫度的確定

通過加熱的方式能夠?qū)⒅苿?dòng)盤的盤轂孔膨脹到規(guī)定尺寸，根據(jù)加熱溫度公式[4]：

式中：t為制動(dòng)盤加熱升高溫度，℃；d為盤轂孔直徑，mm；r為過盈量，mm；a為包容件材料線膨脹系數(shù)，1/℃。

計(jì)算如下：盤轂孔直徑d=148 mm，制動(dòng)盤與車軸平均過盈量r=0.193 mm，盤轂材質(zhì)為鍛鋼、盤面材質(zhì)為鑄鋼，查表得受熱時(shí)鋼制材料的熱線膨脹系數(shù)a=11×10-6/℃，將上述數(shù)值代入公式，則

在實(shí)際作業(yè)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮裝配過程中的熱量損失，制動(dòng)盤加熱升高溫度初步制定為220 ℃，實(shí)際作業(yè)時(shí)加熱溫度還應(yīng)考慮環(huán)境溫度。

2.2 加熱方法的確定

在工業(yè)生產(chǎn)中，工件加熱常用的加熱方式：感應(yīng)加熱器加熱法、機(jī)油浸入加熱法和鼓風(fēng)干燥箱加熱法。

1）感應(yīng)加熱器加熱法。該加熱法是利用交變的電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，使其中的鋼鐵工件內(nèi)部產(chǎn)生渦流而迅速發(fā)熱。此加熱法的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快、操作簡(jiǎn)單、使用方便、電能利用率高，而且工件變形不明顯；缺點(diǎn)是設(shè)備比較復(fù)雜，不適宜在一些形狀復(fù)雜工件上應(yīng)用。該加熱法常用于金屬環(huán)類結(jié)構(gòu)的加熱，包括軸承、齒輪、聯(lián)軸器、管道等。制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，盤轂屬于薄壁件，盤轂通過螺栓與盤面連接在一起，感應(yīng)加熱時(shí)盤轂與盤面之間熱量傳遞會(huì)導(dǎo)致盤轂受熱均勻性差、散熱較快，盤面外徑尺寸較大對(duì)感應(yīng)加熱器的配置也較高，該加熱法不適合制動(dòng)盤的大批量加熱。

2）機(jī)油浸入加熱法。該加熱法是將工件浸入金屬容器的機(jī)油內(nèi)，對(duì)機(jī)油進(jìn)行加熱從而使工件受熱。此加熱法優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、工件受熱均勻、溫度容易控制；缺點(diǎn)是加熱溫度不能太高，機(jī)油的閃點(diǎn)一般在220 ℃，機(jī)油加熱會(huì)產(chǎn)生油煙氣體，對(duì)人體健康有一定的傷害。制動(dòng)盤加熱溫度高于220 ℃，該加熱法不適合制動(dòng)盤的加熱。

3）鼓風(fēng)干燥箱加熱法。該加熱法是將工件放入電加熱箱內(nèi)，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)吹出熱風(fēng)，保證加熱箱內(nèi)溫度平衡，工件表面均勻受熱。該加熱法優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、加熱均勻、加熱保溫時(shí)間可控、安全可靠；缺點(diǎn)是加熱保溫時(shí)間較長(zhǎng)、耗能較大。選取尺寸規(guī)格較大的鼓風(fēng)干燥箱可同時(shí)加熱多個(gè)工件，能夠彌補(bǔ)加熱保溫時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致的效率低問題，最終確定選取該加熱法用于制動(dòng)盤的加熱。

3 熱裝工藝試驗(yàn)

3.1 保溫時(shí)間試驗(yàn)

采用鼓風(fēng)干燥箱加熱時(shí)，工件表面先受熱溫度升高，工件內(nèi)部溫度再緩慢升高，當(dāng)工件表面溫度達(dá)到設(shè)置溫度時(shí)，還需在干燥箱內(nèi)繼續(xù)保溫一段時(shí)間，使工件表面溫度與內(nèi)部溫度趨于一致。為驗(yàn)證保溫時(shí)間與盤轂孔膨脹尺寸的關(guān)系，先將制動(dòng)盤在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)加熱一段時(shí)間，打開干燥箱，測(cè)量盤轂孔尺寸，并與加熱前相比查看盤轂孔膨脹量，試驗(yàn)如下：1）試驗(yàn)時(shí)室內(nèi)環(huán)境溫度20 ℃，制動(dòng)盤溫升220 ℃，鼓風(fēng)干燥箱設(shè)置加熱溫度為240 ℃；2）先測(cè)量加熱前盤轂孔尺寸，再將制動(dòng)盤放入鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行加熱（如圖2）；3）加熱溫度到達(dá)240 ℃時(shí)開始保溫，在保溫到2 h、4 h、6 h時(shí)分別打開鼓風(fēng)干燥箱，測(cè)量盤轂孔尺寸（如圖3），并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表1）。

圖2 制動(dòng)盤加熱

圖3 盤轂孔尺寸測(cè)量

根據(jù)表1，盤轂孔尺寸在保溫2 h 時(shí)膨脹量為0.275 mm，已超過配合制動(dòng)盤與車軸的過盈量上限0.230 mm。4 h時(shí)和6 h時(shí)盤轂孔尺寸基本一致，說明制動(dòng)盤已完全受熱，盤轂孔尺寸膨脹量已到極限，4 h保溫時(shí)間能夠使盤轂孔尺寸得以充分膨脹，制動(dòng)盤具備了與車軸進(jìn)行安裝的條件。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

3.2 熱裝工藝試驗(yàn)

為驗(yàn)證制動(dòng)盤熱裝工藝的可行性，選取4個(gè)工藝制動(dòng)盤和4根工藝車軸進(jìn)行了4組試驗(yàn)，試驗(yàn)簡(jiǎn)述如下：1）過盈量選取涵蓋下限0.165 mm、上限0.230 mm；2）制動(dòng)盤加熱至240 ℃，保溫4 h后快速安裝至車軸上；3）制動(dòng)盤與車軸熱裝后立即測(cè)量盤轂到車軸端面尺寸L1，制動(dòng)盤完全冷卻后再次測(cè)量盤轂到車軸端面尺寸L2，計(jì)算L1與L2差值，即為盤轂冷卻后收縮尺寸；4）測(cè)量盤轂端面相對(duì)于車軸中心線的跳動(dòng)。記錄各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表2）。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

根據(jù)表2，由于熱脹冷縮作用，熱裝后制動(dòng)盤的盤轂在車軸上產(chǎn)生了微小位移變化，位移變化不超過0.05 mm；盤轂端面跳動(dòng)均在0.1 mm以內(nèi)，說明制動(dòng)盤采用熱裝工藝能夠準(zhǔn)確控制盤轂端面跳動(dòng)，采用熱裝工藝需考慮冷卻后工件的收縮。

3.3 熱裝定位試驗(yàn)

該型號(hào)輪對(duì)軸箱的制動(dòng)盤位于車軸最外側(cè)，組裝后制動(dòng)盤的盤轂測(cè)量基準(zhǔn)在軸端，由于每個(gè)制動(dòng)盤盤轂寬度不同、車軸長(zhǎng)度也不完全相同，制動(dòng)盤無法直接以車軸端面為定位基準(zhǔn)進(jìn)行安裝。為確保制動(dòng)盤在車軸上定位的準(zhǔn)確性，采用提前測(cè)量、工裝預(yù)調(diào)整的方法進(jìn)行了2組試驗(yàn)，試驗(yàn)簡(jiǎn)述如下：

1）測(cè)量制動(dòng)盤的盤轂深度L3、車軸端面到車輪輪轂端面深度L4，計(jì)算預(yù)調(diào)整尺寸L5（如圖4）為

圖4 熱裝定位試驗(yàn)

式中：5為安裝后盤轂到車軸端面尺寸名義值，mm；0.05為根據(jù)表2中L1與L2試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先考慮的最大收縮量，mm。

2）在車軸上安裝調(diào)整工裝，并將調(diào)整工裝距離車輪輪轂端面尺寸調(diào)整至L5。

3）在車軸端面處安裝有一定錐度的導(dǎo)向工裝，方便加熱后的制動(dòng)盤快速進(jìn)入。

4）加熱制動(dòng)盤并保溫后，快速安裝制動(dòng)盤至車軸上，使盤轂端面貼靠在調(diào)整工裝處，并人工壓緊5 s以上，避免未冷卻的制動(dòng)盤沿車軸方向滑移。試驗(yàn)過程中記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表3）。

根據(jù)表3，采用提前測(cè)量、工裝預(yù)調(diào)整的方法熱裝后盤轂定位比較準(zhǔn)確，且盤轂端面跳動(dòng)均在0.1 mm以內(nèi)，說明制動(dòng)盤采用調(diào)整工裝能夠準(zhǔn)確控制盤轂端面到車軸端面的定位尺寸。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

3.4 小批量熱裝

通過技術(shù)分析初步制定了加熱溫度和加熱方式，并從保溫時(shí)間、熱裝工藝、熱裝定位方面開展了多次熱裝工藝試驗(yàn)，確定了制動(dòng)盤與車軸熱裝的工藝方法、工藝參數(shù)，為進(jìn)一步驗(yàn)證熱裝工藝的可靠性與合理性，利用現(xiàn)車產(chǎn)品進(jìn)行了小批量熱裝試制，統(tǒng)計(jì)盤轂端面到車軸端面（5±0.25）mm尺寸（如圖5）、盤轂端面跳動(dòng)數(shù)據(jù)（如圖6），均符合技術(shù)要求，從而說明上述制定的工藝方法、工藝參數(shù)能夠滿足制動(dòng)盤與車軸熱裝批量生產(chǎn)的需要。

圖5 盤轂端面到車軸端面尺寸

圖6 盤轂端面跳動(dòng)

4 結(jié)語(yǔ)

從裝配質(zhì)量角度看，制動(dòng)盤與車軸熱裝工藝遠(yuǎn)優(yōu)于壓裝工藝，杜絕了壓裝尺寸和跳動(dòng)超差現(xiàn)象。與壓裝工藝相比，雖然熱裝工藝的生產(chǎn)效率偏低、制造周期較長(zhǎng)，但熱裝后制動(dòng)盤具有定位尺寸和跳動(dòng)可控、組裝質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于采用壓裝工藝出現(xiàn)不合格需返工而言，熱裝工藝的周期延長(zhǎng)是完全可以接受的，可以通過增加工裝數(shù)量和人員提高產(chǎn)量，也能夠彌補(bǔ)因熱裝效率偏低帶來的產(chǎn)量不足的影響。制動(dòng)盤熱裝在軌道車輛以往的輪對(duì)組裝生產(chǎn)中應(yīng)用案例較少，本工藝的開發(fā)對(duì)軌道車輛產(chǎn)品制動(dòng)盤采用熱裝工藝提供了一些借鑒。