移動式機車車輪輪轂拆卸裝置的設計和分析

劉義考 ， 邵偉豪 ， 陳吉祥

（湖州職業(yè)技術學院，浙江 湖州 313099）

毋庸置疑，中國已成為世界上高速鐵路系統(tǒng)技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運行速度最高、在建規(guī)模最大的國家。大部分機車在凌晨0點到4點這個時間段是不會進行工作的，這段時間也稱之為空白天窗期，主要用來維護鐵路和檢查機車的各零部件；在凌晨0點到4點以外的時間，機車會始終在鐵路上運行工作。然而，長時間的運行必定會對機車車輪輪轂造成一定的磨損，所以機車車輪輪轂拆卸裝置在其中發(fā)揮著至關重要的作用[1-2]。

1 移動式機車車輪輪轂拆卸裝置的介紹

1.1 拆卸裝置概述

移動式機車車輪輪轂拆卸裝置整體結構如圖1所示，裝置左側由加壓站、主體罩、液壓千斤頂、拉板、拉桿、導軌、導軌輪、伺服電機、同步帶、V型槽、輔助移動式小車、升降手柄、螺栓等組成，裝置右側則由機車輪對、V型槽、輔助移動式小車、升降手柄、導軌、導軌輪、伺服電機、同步帶、螺栓等組成。此拆卸裝置采用了水平分離式拆卸方法，并設計了輔助移動式小車來實現(xiàn)整體裝置的移動，是半自動裝置，有利于工人師傅拆卸和安裝。工人師傅根據機車運行工作的時間，定期通過超聲波、磁力、平衡測試等方式檢測出需要更換的輪對，再通過此裝置進行拆卸更換[3-5]。

圖1 裝置整體結構圖

1.2 拆卸裝置工作過程

先由行車吊起磨損的輪對，通過行車來調整輪對于水平位置，然后放置在輔助移動式小車的V型槽上，輪對的兩端準確卡在V型槽里。小車上的V型槽設計了可實現(xiàn)上下運動的方式，通過手動旋轉V型槽上的升降手柄使輪對與液壓千斤頂上下運動至同一水平線位置。隨后伺服電機啟動，帶動同步帶使兩輛小車開始向左運動，當小車上的輪對移動至拉板和拉桿位置時，左側車輪的左側邊與其拉板、拉桿貼合固定，緊接著由工人師傅手動在左側車輪的右側邊安裝上另一拉板，完成車輪兩側邊的固定后，同步帶與小車停止工作。然后啟動加壓站，加壓站開始給油到液壓千斤頂，液壓千斤頂開始運行，在短暫的時間里向右對輪對產生沖擊力，車輪在液壓千斤頂沖擊力的作用下實現(xiàn)車輪輪轂分離。在分離過程中，兩輛小車會受到向右的推力，小車會沿著導軌方向右移，到達限位時停止運動。分離下來的車軸由上方吊著的行車來穩(wěn)定住，拆卸下來的車輪和輪轂則由拉板、拉桿實現(xiàn)固定，然后利用行車促使輪對左右位置互換，再繼續(xù)進行上述拆卸分離工作。工作過程如圖2所示[6-7]。

圖2 工作過程圖

2 拆卸裝置各零部件的介紹及作用

1）加壓站：加壓站是由驅動電動機、液壓泵、油箱、節(jié)流閥、溢流閥等構件組成的液壓裝置，按驅動要求流向、壓力和供油流量，適用于各個驅動裝置機械上，這種液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)各種規(guī)定的工作。加壓站最主要的作用是把機械能轉化為液壓能，根據系統(tǒng)要求來提供壓力、流量和方向控制等多種功能，它是保證機械裝置系統(tǒng)安全運轉的重要設備之一。本裝置的加壓站放置在裝置的最左側，通過管道來連接液壓千斤頂，負責將油輸送到液壓千斤頂，為液壓千斤頂提供動力源。

2）螺栓：由頭部和螺桿（帶有外螺紋的圓柱體）兩部分組成的一類緊固件，需與螺母配合，用于緊固連接兩個帶有通孔的零件。用于固定和連接裝置的大部分結構，通過螺栓將兩個工件連接在一起。

3）主體罩：主體罩內部有拉桿、液壓千斤頂?shù)炔考瑢儆诒Ｗo外殼。用來保護主體罩內部結構，能夠嚴防灰塵及硬沙粒等進入內部，減少外界異物對內部結構的損傷，不僅不影響裝置的正常操作，還增加了產品的美觀性。

4）液壓千斤頂：液壓千斤頂是千斤頂中的一類，是一種以液體為工作介質，用來傳遞能量以實現(xiàn)工藝的機器。用來頂起重物，不僅在構造方面比較簡單，而且便于攜帶，能夠時常拿著液壓千斤頂走動，效果十分不錯。此裝置中選擇的液壓千斤頂型號規(guī)格為DYG630-300T，支撐重量為630 t，材料為40Cr，安裝在裝置的主體罩內部，用于拆卸工作，產生沖擊力使車輪和輪轂實現(xiàn)分離[8]。

5）導軌輪：亦稱導向輪，是液力變矩器的反應元件，引導傳動皮帶移動或轉換傳動皮帶方向時所用的一種滑輪。安裝在相關部件的底部，相當于給部件加了雙“腳”，帶動其部件移動，協(xié)助裝置工作。

6）拉桿：在裝置中共設計了6條拉桿，一部分長度隱藏在主體罩內部，剩下的長度露在外頭。裝置中的拉桿不僅可以穩(wěn)定住主體罩里的液壓千斤頂，還能用來拉住和固定車輪，防止車輪在工作過程中掉落，提高了工作過程中的安全性。

7）拉板：在裝置中共設計了兩塊拉板，一塊拉板位于車輪左側邊，另一塊位于車輪右側邊。左側拉板與拉桿連接著，當裝置啟動時，與移動過來的車輪左側邊實現(xiàn)自動貼合，不需要手動安裝到車輪；而右側拉板則需要等左側拉板與車輪左側邊貼合后，再由人工安裝到車輪右側邊，需要手動安裝。兩拉板固定在車輪兩邊位置，保證在工作時整體輪對的穩(wěn)定性，可隨時進行拆卸安裝，并且可以起到緩沖作用。

8）伺服電機：伺服電機是一種補助馬達間接變速裝置，在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉，是一種可以連續(xù)旋轉的電-機械轉換器，又稱執(zhí)行電動機。伺服電機的設計可以使兩輛輔助移動式小車實現(xiàn)自動移動，分別安裝在兩輛小車上，運行PLC程序來帶動同步帶，用來啟動小車工作，實現(xiàn)了裝置的半自動化，減輕了工人師傅的工作強度[9]。

9）同步帶：以鋼絲繩或玻璃纖維為強力層，外覆以聚氨酯或氯丁橡膠的環(huán)形帶，帶的內周制成齒狀，使其與齒形帶輪嚙合。在本裝置中，同步帶中的齒輪與軸相連接，帶動齒輪來實現(xiàn)兩輛小車同時運行，有著傳動比準確、對軸作用力小、結構緊湊、耐磨性好、抗老化性能好等優(yōu)點。

10）機車輪對：機車行走離不開輪對，輪對是實現(xiàn)機車行走的重要零部件，由車輪、車軸等零部件構成。機車輪對在本裝置中扮演著需要拆卸的角色。

11）V型槽：兩個輔助移動式小車的頂端都設計了V型槽，槽口呈現(xiàn)V字形狀，用來放置車軸。其車軸左右兩端卡在V型槽的槽口，支撐起車軸，防止掉落。車軸屬圓柱體形狀，采用V型槽能更好地穩(wěn)定住車軸和輪對整體結構，提高裝置的安全性。

12）輔助移動式小車：整體式移動裝置，由同步帶、伺服電機等部件構成。設計在裝置的左右兩側，沿著導軌路線運動，可實現(xiàn)左右方向移動，有利于工人師傅操作。

13）升降手柄：裝置的升降離不開升降手柄，小小的升降手柄在其中發(fā)揮著大大的作用。升降手柄位于輔助移動式小車上，用于控制V型槽的上升和下降，順時針搖動手柄代表著上升，逆時針搖動手柄則代表著下降。不僅用于協(xié)助V型槽工作，添加V型槽可上下移動元素，還可以幫助兩輛輔助移動式小車達到同一水平位置。

14）導軌：可承受、固定、引導移動裝置，并減少其摩擦的一種裝置。設置了兩條導軌，是位于裝置最底下的部件，采用直線往復運動，和導軌輪相結合，為輔助移動式小車等部件提供運動路線。其優(yōu)點是可以同時承受上下左右的負荷，組裝容易，并具互換性、磨耗少、能長時間維持精度等優(yōu)點。各零部件分布如圖3所示[10-11]。

圖3 各零部件分布圖

3 液壓千斤頂結構設計分析

3.1 結構組成

1）動力元件：將原動機（電機、發(fā)動）輸出的機械能轉變?yōu)橐后w的壓力能的液壓泵裝置。2）輔助元件：過濾器、油箱、管路等。3）工作介質：液壓油、液壓液。4）操縱控制元件：壓力控制閥、方向控制閥、流量控制閥等。5）執(zhí)行元件：液壓千斤頂，又叫液壓缸和液壓馬達。

3.2 材料

1）使用了高強度40Cr鋼，精工打磨，內壁明亮，滾壓加工，抗張強度。2）熱處理調制工藝，采用了淬火+高溫回火的雙重熱處理。3）活塞桿表面鍍硬鉻處理，鉻層硬度900 HV，外圓磨，鏡面工藝經久耐用。4）斯特封，格萊圈，防塵圈，耐磨環(huán)，導向帶，支撐環(huán)，多道密封，高頻使用。

3.3 產品參數(shù)

類型：DYG630-300T；噸位：630 t；行程：500 mm；本體高度：815 mm；伸張高度：1 315 mm；活塞直徑：250 mm；油缸直徑：360 mm；油缸外徑：508 mm。液壓千斤頂如圖4所示。

圖4 液壓千斤頂

4 具備的條件、缺少的條件及解決方法

4.1 已具備的研究條件

1）通過網絡搜索查閱到了機車輪對的整體結構和組成。2）研究了各零部件對輪對的重要性，理清了其內部結構。3）分析和借鑒了傳統(tǒng)的拆卸機車車輪輪轂的方式。4）逐漸完善了各個零部件，每個零部件都從實際出發(fā)，設計出了新型移動式機車車輪輪轂拆卸裝置。

4.2 尚缺少的研究條件

1）有部分小零件沒有渠道購買，無法進行參照與實踐。2）因為是有關于機車車輪輪轂的拆卸裝置，所以相關市場能提供的相關信息和資料并不多，市場分析情況搜集比較困難。3）有關于以往機車車輪輪轂拆卸過程的視頻寥寥無幾。4）相關零部件資料的信息量不大。

4.3 解決方法

1）利用數(shù)車、銑車來根據圖紙上的尺寸大小將其制作出來，做出多個零件進行對比，從而選擇與目標尺寸最貼近的零件。2）通過現(xiàn)有網絡資料來對機車車輪輪轂的拆卸過程進行深入分析。3）多查看和分析近幾年關于機車輪對的磨損量，來得知市場的需要。4）向從事這方面的專業(yè)人士請教和了解相關信息。

5 材料清單

移動式機車車輪輪轂拆卸裝置所需材料清單如表1所示。

表1 材料清單

6 拆卸裝置創(chuàng)新點

1）輔助移動式小車：設計添加了裝置的移動性元素，實現(xiàn)了裝置可移動功能，便于工人師傅使用，減輕其勞動強度，節(jié)省工作時間。

2）拉桿：共設計了6條拉桿在裝置左側，用來裝夾將要拆卸的車輪，預防工作過程中零件掉落，確保其過程的穩(wěn)固性，提高裝置使用安全性。

3）主體罩：屬于部分部件的保護外殼，不僅起到了保護和穩(wěn)定內部結構的作用，而且增加了產品的美觀度。

4）拉板：共有兩塊拉板，其中一塊拉板能自動貼合，另一塊需工人師傅手動安裝，固定在車輪的兩側邊位置，保證在工作過程中整體輪對的穩(wěn)定性，并可隨時進行拆卸安裝。

5）雙長條導軌：設計在裝置底部位置，為輔助小車提供運動軌跡。

6）支撐架：用來支撐和固定液壓千斤頂，保證液壓千斤頂有穩(wěn)定的工作過程。

7）伺服電機：添加了PLC程序元素在其中，伺服電機啟動來帶動同步帶工作。

8）升降手柄：設計了升降手柄來控制小車上的V型槽，實現(xiàn)V型槽上下運動的功能，根據實際情況來升降輪對，使其與液壓千斤頂保持在同一水平位置。

9）水平分離式拆卸法：采用了水平分離式拆卸法，當車輪和輪轂經過液壓千斤頂分離后，可以根據車輪和輪轂的磨損率來進行選擇性更換，檢測不合格的零件將重新?lián)Q上新的零件，檢測合格率達標的零件可以繼續(xù)使用。

7 主要問題的處理

7.1 液壓千斤頂規(guī)格大小的選擇

液壓千斤頂?shù)囊?guī)格大小需要根據機車輪對的形狀、重量來選擇，選擇適用于此裝置的液壓千斤頂。查閱有關資料和視頻，并經過多次探討，最終選擇型號規(guī)格為DYG630-300T，支撐重量為630 t，材料為40Cr的液壓千斤頂。

7.2 液壓千斤頂如何固定

液壓千斤頂?shù)淖饔檬峭ㄟ^沖擊力來分解機車車輪輪轂，所以對液壓千斤頂?shù)墓潭ǚ绞綐O其重要。嘗試并驗證了各種方法，逐一刪選，最后設計了拉桿和支撐架來固定住液壓千斤頂。

7.3 拆卸過程中如何固定住輪對

輪對需要通過液壓千斤頂產生的沖擊力來實現(xiàn)車輪輪轂分離，然而液壓千斤頂會在工作過程中的一瞬間產生較大的沖擊力，所以在液壓千斤頂工作時穩(wěn)定住輪對這極其重要。發(fā)明的裝置必須要把安全放在第一位，每個細節(jié)之處都需層層分析設計，從實際出發(fā)。因此，在車輪兩側位置設計了可隨時安裝和固定其車輪的拉板，還另外設計了拉桿來同時穩(wěn)定住車輪，由拉桿和拉板先固定住將要拆卸的輪對，再通過液壓千斤頂實現(xiàn)車輪輪轂分離。這兩處設計不僅大大保證了輪對在拆卸過程中保持較高的穩(wěn)定性，裝置整體的安全性也隨之提升。

7.4 整個裝置在過程中如何實現(xiàn)移動

厚重的零部件離不開移動裝置，自動化已深入人們的生活，所以設計了導軌、同步帶、伺服電機和輔助移動式小車來實現(xiàn)裝置的移動。

8 結語

本文介紹了一種移動式機車車輪輪轂拆卸裝置，該裝置是針對機車行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀而設計的，屬于半自動化裝置，所以可以將其納入機車車輪輪轂拆卸作業(yè)線中。該裝置可以為工人師傅帶來極大的便捷，不僅有利于降低電力消耗，而且有利于減少經濟成本，節(jié)省機車車輪輪轂更換的時間，從而推動整個機車行業(yè)的發(fā)展。