許 競,王 斌,許廣立
(北京華信邦威自動(dòng)控制設(shè)備有限公司,北京101118)
我國鐵路貨運(yùn)重載、提速得到快速發(fā)展,在全國各貨車檢修段所承擔(dān)的任務(wù)中,基于D軸的轉(zhuǎn)K2型、轉(zhuǎn)K4型及基于E軸的轉(zhuǎn)K5型、轉(zhuǎn)K6型等轉(zhuǎn)向架承載鞍占據(jù)主導(dǎo)地位,對(duì)承載鞍的運(yùn)用檢修質(zhì)量提出更高的要求。但目前貨車檢修現(xiàn)場,承載鞍檢測仍使用落后的技術(shù)裝備,與轉(zhuǎn)向架其他部件檢修設(shè)備的技術(shù)差距越來越大,已經(jīng)成為貨車檢修的薄弱環(huán)節(jié)。
承載鞍安裝在貨車轉(zhuǎn)向架輪對(duì)滾動(dòng)軸承和側(cè)架導(dǎo)框之間,傳遞輪重動(dòng)載荷和輪軌沖擊載荷等,承擔(dān)著輪對(duì)軸承座的作用。承載鞍與軸承裝配情況見圖1。
圖1 承載鞍與雙列圓錐滾子軸承裝配示意
承載鞍各工作面與側(cè)架對(duì)應(yīng)面相互摩擦,具有一定的減振作用,也必然產(chǎn)生工作磨耗。根據(jù)設(shè)計(jì)和安全運(yùn)用要求,鐵路部門制定“鐵路貨車段修規(guī)程”標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定貨車段修時(shí),必須對(duì)各工作面進(jìn)行檢測,超過限度時(shí)修復(fù)或更換新品。承載鞍作為輪對(duì)支撐的活動(dòng)支點(diǎn),同時(shí)具有傳遞輪重載荷和防護(hù)滾動(dòng)軸承的雙重功能,是無軸箱體貨車轉(zhuǎn)向架的重要部件。
目前承載鞍檢修沒有配備適用的檢測設(shè)備,仍依據(jù)TB/T 2884-2006《鐵道貨車承載鞍專用計(jì)量器具》規(guī)定的檢測工具和方法,對(duì)各工作面采用專用量塊、樣板和檢查尺等計(jì)量器具,進(jìn)行手工檢查。近年來伴隨轉(zhuǎn)向架承載鞍品種的增加,樣板數(shù)量相應(yīng)增多,落后狀態(tài)越顯突出。
近年來鐵路部門和有關(guān)技術(shù)單位,對(duì)開發(fā)承載鞍檢測設(shè)備進(jìn)行了反復(fù)探索和試驗(yàn)。幾年前,國內(nèi)曾有幾次申報(bào)貨車承載鞍檢測設(shè)備“技術(shù)專利”的請(qǐng)求,并在期刊上發(fā)表研究論文等,其方案結(jié)構(gòu)形式各異,對(duì)該項(xiàng)目的研發(fā)做出不懈努力;鐵路外科研單位也曾進(jìn)行如“基于視覺原理的承載鞍磨耗自動(dòng)檢測系統(tǒng)”的研究、試驗(yàn)等,但由于存在現(xiàn)場技術(shù)適用性、檢測精度與通用性等問題,沒有達(dá)到應(yīng)用的效果。
針對(duì)以往項(xiàng)目研發(fā)的存疑和難點(diǎn),提出項(xiàng)目需要解決的課題有:
①確定各型承載鞍工作面的原型基準(zhǔn)尺寸標(biāo)準(zhǔn),提供實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)樣塊(簡稱“標(biāo)樣”),采用標(biāo)樣和工件對(duì)比的檢測方法,直觀完成對(duì)工件磨耗量的檢測;
②采用合理的工件定位方式和基準(zhǔn),開發(fā)精密的工件輸送機(jī)構(gòu),為實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工位上完成集中檢測創(chuàng)造條件,使標(biāo)樣與工件檢測在同一條件下對(duì)比,獲得真實(shí)可靠的檢測結(jié)果;
③開發(fā)專用的檢測技術(shù)方法和相關(guān)處理軟件,解決鞍面圓弧直徑檢測等技術(shù)課題;
④針對(duì)各檢測部位特點(diǎn),進(jìn)行檢測模塊創(chuàng)新設(shè)計(jì),有效解決工件檢測空間狹小、形狀復(fù)雜的難題;
⑤開發(fā)專用的檢測傳感器系統(tǒng),提高檢測精度,解決現(xiàn)場適應(yīng)性和便于微調(diào)定位等特殊要求;
⑥選用先進(jìn)電氣、氣動(dòng)元件和滾珠線性滑軌運(yùn)動(dòng)部件,確保檢測模塊定位準(zhǔn)確,滿足檢測質(zhì)量要求;
⑦采用模塊化設(shè)計(jì),使檢測模塊可進(jìn)行三維空間的位置轉(zhuǎn)換和定位,實(shí)現(xiàn)多品種通用化檢測需要;
⑧解決設(shè)備程序自動(dòng)化和檢測系統(tǒng)信息化等機(jī)電一體化開發(fā),實(shí)現(xiàn)每分鐘內(nèi)檢測一件的設(shè)備能力。
采用標(biāo)樣比較法的承載鞍自動(dòng)檢測設(shè)備開發(fā)項(xiàng)目始于2005年,為成都東車輛段轉(zhuǎn)向架流水線技術(shù)改造配套,開發(fā)用于轉(zhuǎn)8A/型轉(zhuǎn)向架承載鞍的自動(dòng)檢測設(shè)備。首次采用標(biāo)樣比較法對(duì)承載鞍進(jìn)行檢測;應(yīng)用測量固定弦高度的方法檢測鞍面直徑;測量探頭采用“電渦流非接觸位移傳感器”組成的檢測模塊等。完成了對(duì)轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架承載鞍的自動(dòng)檢測,取得初步成果。交付用戶后,由于該設(shè)備檢測品種單一、傳感器預(yù)留間隙調(diào)整困難等,未能長期使用。
2011年確定對(duì)本項(xiàng)目繼續(xù)開發(fā)。適逢鐵路貨運(yùn)發(fā)展和鐵路體制改革的關(guān)鍵時(shí)期,該項(xiàng)目并未獲得科研立項(xiàng),由研制單位利用技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行自主研發(fā),并廣泛尋求與鐵路用戶合作,盡快取得成果。方案設(shè)計(jì)首先確定通用化目標(biāo),滿足對(duì)轉(zhuǎn)K1~轉(zhuǎn)K6等各種型號(hào)承載鞍檢測;結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際確定采用程序控制、按鈕操作,自動(dòng)完成工件送料→定位輸送→集中檢測→自動(dòng)出料→不良品自動(dòng)分離等各道工序總體布置;根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)需要,落實(shí)所選用的先進(jìn)機(jī)電產(chǎn)品配套件,提高設(shè)備精度和整機(jī)性能;協(xié)作開發(fā)專用“差動(dòng)變壓器式接觸位移傳感器”和變送器設(shè)備;系統(tǒng)由工控機(jī)和PLC可編程控制器聯(lián)合控制,工控機(jī)完成傳感器數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換和運(yùn)算處理,觸摸屏顯示,語音發(fā)布檢測結(jié)果,具有信息存儲(chǔ)和查詢、打印輸出功能,具有HMIS網(wǎng)絡(luò)接口等。
完成對(duì)設(shè)備硬、軟件技術(shù)設(shè)計(jì),并解決試制中工藝技術(shù)問題,樣機(jī)于2013年初試制完成;5月完成設(shè)備硬、軟件調(diào)試和出廠試驗(yàn),完成設(shè)備技術(shù)專利申報(bào)和技術(shù)文件歸擋等。為與有關(guān)部門合作,申報(bào)項(xiàng)目鑒定申請(qǐng),開展設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)用試驗(yàn),完成新設(shè)備技術(shù)評(píng)審和標(biāo)準(zhǔn)審查工作提供條件。
承載鞍檢測的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)是“鐵路檢修規(guī)程”規(guī)定的磨耗限度,磨耗量是與原產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸相比較而確定的。本方法是首先制作精確的原產(chǎn)品標(biāo)樣,其材質(zhì)和形狀與承載鞍相同,檢測部位的尺寸與原型承載鞍設(shè)計(jì)圖尺寸相同,但制作精度提高1~2級(jí)。設(shè)備在對(duì)工件檢測前,首先對(duì)標(biāo)樣按標(biāo)定程序進(jìn)行標(biāo)定,設(shè)備對(duì)標(biāo)樣各部位尺寸進(jìn)行檢測處理和保存;當(dāng)后續(xù)工件進(jìn)行檢測時(shí),以標(biāo)樣標(biāo)定的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行比較運(yùn)算,直接獲得各工作面的磨耗量數(shù)值及檢測結(jié)果。該標(biāo)定數(shù)據(jù)在下次標(biāo)定前自動(dòng)保存,連續(xù)使用。各型標(biāo)樣與其段修限度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照數(shù)據(jù)見表1。
表1 各型承載鞍標(biāo)樣及段修規(guī)程磨耗限度對(duì)照表mm
標(biāo)樣對(duì)比法的優(yōu)點(diǎn):
①可以直接獲得“鐵路貨車段修規(guī)程”中要求的工作面磨耗量數(shù)據(jù),結(jié)果真實(shí)可靠;
②由于標(biāo)樣制作精度高,除可檢測各工作面磨耗量外,還可以檢測到每個(gè)工作面位置變化情況(即形位誤差),實(shí)現(xiàn)對(duì)工件質(zhì)量的全面控制;
③對(duì)標(biāo)樣進(jìn)行標(biāo)定的同時(shí),也對(duì)檢測設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行校核,根據(jù)工控機(jī)標(biāo)定界面顯示的傳感器預(yù)壓縮量數(shù)據(jù)(見圖6),窗口自動(dòng)顯示判斷結(jié)果,各預(yù)壓縮量在規(guī)定范圍時(shí),顯示標(biāo)定成功,否則需要調(diào)整觸頭位置重新標(biāo)定確認(rèn)。其實(shí)質(zhì)是對(duì)設(shè)備的診斷和確認(rèn),從而保證設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。
對(duì)標(biāo)樣各檢測面的制作誤差,一般小于段修磨耗限度值的5%,表面精度比原設(shè)計(jì)提高2個(gè)等級(jí);各型承載鞍標(biāo)樣的檢測面尺寸設(shè)計(jì),納入“承載鞍檢測設(shè)備技術(shù)條件”,需經(jīng)有關(guān)專家審定通過;標(biāo)樣制作后需經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量部門檢測合格,開具證明,同設(shè)備一并交給用戶保管。
見圖2,在鞍面檢測模塊中部設(shè)置高精度接觸傳感器和固定弦模塊,固定弦模塊為工具鋼淬火后,經(jīng)磨削精加工制作,兩側(cè)刃口寬為:2K=130 mm,具有定位和檢測雙重功能,傳感器觸頭頂點(diǎn)與固定弦線的垂線距離長度由X表示(弦高),鞍面圓弧直徑由Y表示;則由等比關(guān)系得:K2=X(Y-X).建立:數(shù)學(xué)模型(雙鉤函數(shù));由計(jì)算機(jī)專用軟件運(yùn)算,可以由X值得到鞍面直徑Y(jié)值。所選取固定弦長為130 mm,基本包括軸承主要受力圓弧面。當(dāng)Y=230 mm(D軸型)時(shí),檢測基準(zhǔn)值X=20.13 mm;當(dāng)Y=250 mm(E軸型)時(shí),檢測基準(zhǔn)值X=18.23 mm;當(dāng)中部高精度接觸傳感器量程范圍為3 mm時(shí),可以控制檢測直徑Y(jié)值在230 mm和251 mm之間通用,簡化了模塊調(diào)整;在此范圍內(nèi),增量△Y值約為增量-△X值 的8~10倍,所選用傳感器精度達(dá)到微米級(jí),可使鞍面圓弧直徑檢測精度達(dá)到約0.01 mm的精度要求。
圖2 鞍面檢測圖示
如前述,工件檢測前首先用標(biāo)樣進(jìn)行集中檢測標(biāo)定,其中包括對(duì)Y值的標(biāo)定;當(dāng)工件檢測時(shí),所得到△Y值,即為鞍面磨耗量數(shù)值。
圖3所示為設(shè)備采用集中檢測系統(tǒng)的主截面圖,承載鞍由件1定位輸送,將其準(zhǔn)確送到鞍面定位檢測模塊上方(件2),并由鞍面模塊將其頂起,完成鞍面定位,當(dāng)精確定位后的工件繼續(xù)頂升,將工件送入集中檢測位置,直至頂點(diǎn)位置,完成全部集中檢測工作。實(shí)現(xiàn)集中檢測的必備條件:①保證工件定位和輸送的精度;②保證各檢測模塊工作位置準(zhǔn)確;③構(gòu)件之間留有足夠安全距離,防止發(fā)生機(jī)構(gòu)干涉。集中檢測技術(shù)的實(shí)施,也為采用標(biāo)樣比較法提供了有利條件。
圖3 集中檢測系統(tǒng)截面圖
圖4表示12組傳感器檢測位置分布情況,其中頂面和磨耗檢測裝置由L10、L11及L123組傳感器及位置調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。如前述,當(dāng)中心鞍面定位檢測模塊將工件頂起到終點(diǎn),觸頭向下的3組傳感器完成對(duì)頂面的數(shù)據(jù)采集。其中L11和L10可以檢測頂面偏磨:當(dāng)兩觸頭之間距離為B=80 mm(常數(shù)),承載鞍工件頂面寬度為C(mm)(變數(shù)),則兩組傳感器檢測數(shù)值之差,再乘以比例系數(shù)C/B,即為頂面檢測偏磨量,系數(shù)C/B根據(jù)不同型號(hào)頂面尺寸換算求得并保存;由3個(gè)傳感器檢測值的平均值,可決定頂面總磨耗量大小。計(jì)算機(jī)按專用軟件計(jì)算檢測數(shù)據(jù),并按表1磨耗限度值對(duì)號(hào)入座自動(dòng)判斷檢測結(jié)果。
在圖3顯示件2的鞍面定位檢測模塊上,設(shè)計(jì)有擋肩檢測外卡鉗模塊,卡鉗模塊由前后對(duì)應(yīng)的兩個(gè)等臂杠桿機(jī)構(gòu)組成,杠桿上端制成外卡鉗觸頭,下端與位移傳感器觸頭相接觸,當(dāng)件2頂升時(shí),卡鉗觸頭伸入擋肩內(nèi)側(cè),兩觸頭位移等效傳遞給模塊內(nèi)部的傳感器(L2及L3),完成擋肩磨耗的檢測。
如圖4所示,導(dǎo)框的6個(gè)工作面,與工件水平方向呈垂直位置,由L4,L5及L6,L7組成兩對(duì)外卡鉗,檢測導(dǎo)框內(nèi)側(cè)磨耗;由L8,L9組成內(nèi)卡鉗,檢測左右導(dǎo)框底面磨耗。每個(gè)傳感器組件由等臂直角杠桿機(jī)構(gòu)和位移傳感器組成(見圖3),直角杠桿垂直桿向下,桿端設(shè)有軸承滾輪,可伸入導(dǎo)框內(nèi)并沿工作面滾動(dòng);水平桿端部與觸頭向下的傳感器接觸。當(dāng)件2頂升時(shí),由各軸承滾輪的水平擺動(dòng)位移,可以檢測到各工作面的位置變化量,并分別等效傳遞給對(duì)應(yīng)的傳感器,完成磨耗量的檢測。
圖4 承載鞍檢測位置分布圖
由預(yù)檢上料臺(tái)位、工作主機(jī)、下料分選臺(tái)位和工控機(jī)組成(圖5),占地約4 m2。上料部分包括工件預(yù)檢臺(tái)和氣吊上料機(jī)構(gòu),預(yù)檢臺(tái)下設(shè)有各型標(biāo)樣存放柜;工作主機(jī)包括機(jī)身、工作臺(tái)、定位輸送滑臺(tái)、頂升集中檢測模塊和機(jī)械手自動(dòng)出料裝置等;下料分選設(shè)有滑道構(gòu)架、氣動(dòng)撥桿和廢品復(fù)檢臺(tái);工控機(jī)單獨(dú)設(shè)置,設(shè)有觸摸屏、打印機(jī)等,工控機(jī)與主機(jī)箱內(nèi)的PLC電氣系統(tǒng)和傳感器、變送器系統(tǒng),采用專用電纜由地下橋架連接;主機(jī)箱內(nèi)的氣動(dòng)元件控制系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)相連,自動(dòng)控制設(shè)備作業(yè)流程。工控機(jī)與PLC經(jīng)通訊互連,實(shí)現(xiàn)屏幕按鈕及機(jī)身按鈕盒的聯(lián)合操作。
采用兩次定位,提高定位精度。第一次定位基準(zhǔn)選取鞍面圓弧及擋肩根部與底平面形成的4組棱角線;工件底面為原始加工基準(zhǔn)面,運(yùn)用中為非磨耗面;一次定位塊安裝在輸送滑臺(tái)上(見圖3的件1)。第2次定位是在中心鞍面檢測模塊垂直上升時(shí)完成的(見圖3的件2),模塊前后安裝4組楔形定位塊,與固定弦刃口同時(shí)完成擋肩內(nèi)側(cè)及鞍面的定位。經(jīng)過廠內(nèi)試驗(yàn)證明,第1次定位滿足了工件輸送準(zhǔn)確的要求,第2次精確定位保證了工件集中檢測精度的要求。
檢測模塊和連接機(jī)構(gòu)分別安裝在可以進(jìn)行三維空間運(yùn)動(dòng)的滾珠線性滑軌的滑塊上,組成對(duì)應(yīng)的檢測系統(tǒng);氣動(dòng)系統(tǒng)共設(shè)置19個(gè)執(zhí)行氣缸,其中由11個(gè)執(zhí)行氣缸擔(dān)負(fù)檢測模塊定位,操作者在工控機(jī)操作界面輸入檢測工件型號(hào)后,系統(tǒng)自動(dòng)完成檢測模塊位置的轉(zhuǎn)換和定位。
由表1顯示的各型承載鞍導(dǎo)框擋邊距離各不相同,相差很大。處于中間尺寸的型號(hào)模塊定位時(shí),需要增設(shè)部分位置擋塊、配件的方法加以調(diào)節(jié)。因此檢測型號(hào)改變時(shí),應(yīng)留出設(shè)備調(diào)整準(zhǔn)備和標(biāo)定的時(shí)間。由于三維空間調(diào)整機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)多,必須采用無間隙、高精度的線性滑軌移動(dòng)器件;采用螺栓防松連接并增加定位銷;檢測杠桿轉(zhuǎn)軸采用高精度配合等。實(shí)現(xiàn)模塊定位系統(tǒng)無松動(dòng),無擺動(dòng)的精確要求。各檢測模塊定位、標(biāo)定后,始終保持位置不變,由工件向上運(yùn)動(dòng)時(shí)完成集中檢測(圖3),以保證設(shè)備檢測精度的要求。
由19組裝有磁感應(yīng)傳感器和調(diào)速閥的各種執(zhí)行氣缸,與10組電磁閥集成塊及氣源處理元件組成氣動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備各工序的閉環(huán)自動(dòng)控制。
樣機(jī)總裝完成后,接入壓縮空氣進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)及系統(tǒng)聯(lián)調(diào),對(duì)上料系統(tǒng)、空氣管路及頂面檢測模塊自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)等改進(jìn)完善;對(duì)出料工位增設(shè)光電傳感器報(bào)警,防止帶料返回發(fā)生故障;開發(fā)設(shè)備狀態(tài)自診斷,完善功能保護(hù);繪制標(biāo)樣標(biāo)準(zhǔn)及加工卡具,制備轉(zhuǎn)K2型及轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架承載鞍標(biāo)樣,為出廠性能試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。
(1)標(biāo)樣標(biāo)定試驗(yàn)
圖6界面顯示,左側(cè)標(biāo)定數(shù)據(jù)不在規(guī)定范圍,經(jīng)調(diào)試后再次標(biāo)定顯示合格,按“確認(rèn)”鈕后,轉(zhuǎn)入“檢測工作界面”。
(2)工件檢測試驗(yàn)記錄
每日開工檢測第1個(gè)工件時(shí),須打印檢測報(bào)告單(表2),經(jīng)檢測、驗(yàn)驗(yàn)人員聯(lián)合確認(rèn)后方可正式檢測。
圖5 設(shè)備安裝平面圖
圖6 設(shè)備標(biāo)定界面
(1)項(xiàng)目完善目標(biāo)
該項(xiàng)目的技術(shù)性能和實(shí)際效果,需要得到鐵路部門認(rèn)可。盡快通過現(xiàn)場試驗(yàn)審查,與鐵路用戶合作完成產(chǎn)品技術(shù)評(píng)審。根據(jù)評(píng)審要求改進(jìn)完善設(shè)備設(shè)計(jì),使其適應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際需要。
表2 承載鞍首件檢測報(bào)告單 mm
(2)推廣應(yīng)用效果評(píng)估
①用于段修檢測
自動(dòng)化及通用性等要求增加了設(shè)備復(fù)雜程度,操作者必須進(jìn)行上崗培訓(xùn):掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、性能和機(jī)械、電氣及傳感器調(diào)整技術(shù),掌握工控機(jī)的使用,滿足安全操作規(guī)程要求,才可發(fā)揮設(shè)備的能力。如兩人操作預(yù)計(jì)每班可檢測約200-300件,當(dāng)工件品種更換頻繁時(shí)檢測數(shù)量會(huì)降低。
②用于新車制造和承載鞍配件生產(chǎn)新品檢查
利用自動(dòng)檢測設(shè)備的性能,根據(jù)新品要求,相應(yīng)編制新品檢測處理軟件,將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量確認(rèn)的各型承載鞍標(biāo)樣的基準(zhǔn)尺寸,輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)作為基準(zhǔn)值,與工件檢測結(jié)果(增量)取代數(shù)和,將獲得的工件加工尺寸值與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)尺寸比較,即可檢測出超差件,并可存儲(chǔ)檢測記錄,或打印輸出??杀O(jiān)控配件產(chǎn)品質(zhì)量。
③有益效果
本設(shè)備采用先進(jìn)技術(shù)方法,緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,具有良好的適應(yīng)性,可靠性和通用性;機(jī)構(gòu)穩(wěn)定合理,測量準(zhǔn)確,可以大幅度提高承載鞍檢測質(zhì)量,是一個(gè)全新的先進(jìn)檢測技術(shù)裝備,解決貨車檢修長期困擾的技術(shù)難題。提高檢測質(zhì)量,可充分發(fā)揮承載鞍的使用功能,減少段修的配件更換并消除了隱患,對(duì)確保貨車運(yùn)輸安全具有重要作用。推廣使用具有良好的社會(huì)效益。
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