（机械工程专业论文）轮对压装曲线记录及其自动判断系统的研究.pdf

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f i ta s s e m b l y , o i l i n ga s s e m b l ya n dt h e r m a la s s e m b l y , p r e s s - f i ta s s e m b l yi s i nc o m m o nu s ei nc h i n a p r e s s e dq u a l i f i e dr e q u i r e m e n t sh a v et w o ：1 s i z er e q u i r e m e n t s ，2 c u r v er e q u l r e m 朗临 h e r e c u r ，em e a n sp r e s s f i tc u r v ew h i c hr e c o m st h ef o r c ea n d 嘶l a c e m e ms i g n a l s d u r i n gp r e s s f i ta s s e m b l y a i m e da tt h es h o r t a g eo fe q u i p m e n te x i s t i n g ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e d t h ec u r v e r e c o r d i n ga n dj u d g i n gs y s t e mo fw h e e l s e ta s s e m b l ym a c h i n ew h i c h i ss u i t a b l ef o r s t a t u so fo u rc o u n l l y , w h i c hr e l i e so l lt h eo p p o r t u n i t yo fr a p i dd e v e l o p m e n t o f l l i g h - s p e e dr a i l w a y w eu s e ds o l u t i o no fd i g i t a ls t o r a g e ，u s e d t h ec o m p u t e rt oc o n 缸d l a r l ds t o r e ，d a t a sc o l l e c t i o nh a su s e da d v a n c e d ，r e l i a b l ec o m p m e r b o a r d s w ec a r le n t e r m ep a r a m e t e r so f 恤p r e s s f i tw h e e li n t ot h ec o m p u t e r , d y n a m i cd i s p l a yt h ep r e s s 。f i t c u r v e ，a n dq u e r ya n dm a n a g e d a t a , e t c i nt h i sa n i c l e ，w em a i l l l ya n a l y z e st h ew a y o fp r e s s f i tw h e e l s e ta n dt h es t a n d a r d o fc u r v e ，se l i g i b i l i t y , h a sa c h i e v e daf u n c t i o nw h i c hc a na u t o m a t i c a l l y d e t e 玎：n m e p r e s s f i tc u e ，sq 砌i 够；p r o p o s e do u t l i e rm i n i n ga n d s m o o t h i n gm e t h o df o rp r e s s 。m c u l v e e l i m i n a l et h ei n s u f f i c i e n to fd i s t u r b a n c ep o i n t s ，i m p r o v ea u t h e n t i c i t y a n d a c c u r a c yo fa u t o m a t i cj u d 班e n tr e 汕s c o m p a r e d t oo l dc u r v er e c o r d i n gs y s t e m ，t h i s c u r v er e c o r d i n gs y s t e m sd i s p l a yp r e c i s i o n o fp r e s s f i t c u r v ea n dd e g r e eo f a u t o m a t i o nr e c o r d e dc u r v e sh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z et h ef o r c ec h a n g e i nw h e e l s e tp r e s s - f i tp r o c e s sa n dt h ef a c t o r sw t l i c n 疵c tt h ep r e s s f i tc u e ，p r o v i d et h e o r yb a s i sf o rc u r v e q u a l i f i c a t i o nj u d g r n e n t f 2 1c o m p l e t eh a r d w a r e s e l e c t i o na n dd e s i g n ，s u c h a s p r e s s u r e s e n 5 0 r s ， d i s p l a c e m e n t s e n s o r s ，d a t aa c q u i s i t i o n c a r d sa n ds oo n a tt h e s a l e 钮m e p r o g r a m m i n gi st oc o l l e c td a t ae f f i c i e n t ，w h i c hi s b a s e do nc hb u i l d e rp l a t f o m ，a m 砒o di sd e s i g n e dt 0i m p r o v et h ea n t i j a m m i n gc a p a b i l i t y , w h i c h i m p v e dm e i i i a c c u r a c yo fd a t ac o l l e c t i o n ( 3 ) t h es t a n d a r do ff o r e i g nr a i l w a yi n d u s t r yw a sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d ，a t t h es a m et i m e ，w i t ht b t1 4 6 3 2 0 0 6 ，t b t17 18 2 0 0 3a n do t h e rr a i l w a yi n d u s t r y s s t a n d a r do fp e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a ，af u n c t i o nt h a tp r e s s - f i tc u r v ec a nb e d e t e 肌i n e da u t o m a t i c a l l yw a sa c h i e v e di nt h ep r o g r a m ，i tc a nj u d g et h eq u a l i t yo ft h e p r e s s - f rw h e e lc o r r e c t l y ( 4 ) i te s t a b l i s had a t a b a s e o fw h e e l s e ta s s e m b l ym a c h i n e sc u r v er e c o r d i n g s y s t e m ，t h es y s t e mh a sp o w e r f u lp e r m i s s i o n sm a n a g e m e n t ，c a na u t o m a t i c s t o r e i n f o r m a t i o no fw h e e la n dp r e s s - f i td a t a ，a tt h es a m et i m ec a nm a n a g ed a t a t h es y s t e md e s c r i b e di nt h i sp a p e rh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nc n rr a i l w a y v e h i c l e sc o ，l t d a n do b t a i n e df a v o r a b l ee f f e c t k e y w o r d s ：c u r v er e c o r d s ；o u t l i e rp r o c e s s i n g ；c u r v es m o o t h i n g ；a u t o m a t i c a l l yj u d g m e n t 目录 第1 章绪论1 1 1 概述1 1 2 国内外现状综述3 1 2 1 压装曲线记录判断的国内现状3 1 2 1 压装曲线记录判断的国外现状5 1 3 轮对压装曲线判断标准的综述7 1 4 本文研究的主要内容8 第2 章轮对压装曲线的相关理论基础9 2 1 轮对组装压装力的理论分析9 2 1 1 压装过程中受力与变形关系的分析9 2 1 2 静力平衡分析1 l 2 1 3 单元体变形的几何分析1 1 2 1 4 物理关系分析1 2 2 1 5 压装力f 的计算分析13 2 2 压装曲线影响因素分析1 5 2 3 信号平滑处理技术。1 6 2 3 1 异常点挖掘技术1 6 2 3 2 数字滤波技术1 7 第3 章轮对压装曲线记录系统的设计2 0 3 1 轮对压装机结构原理2 0 3 2 压装过程的简单介绍2 1 3 3 位移与压力的测量方案设计2 2 3 3 1 压装压力的测量2 3 3 3 2 压装位移的测量2 5 3 3 3 数据采集总体方案设计2 7 3 4 传感器的选型设计2 8 3 4 1 传感器的选用原则2 8 3 4 2 压力传感器选型设计2 9 3 4 3 位移传感器选型设计3 0 3 5 数据采集卡的选型设计3 0 3 5 1 模拟量采集卡的选型3 0 3 5 2 串口通讯卡的选型3 l 3 6 抗干扰措施3 1 v 3 6 1 干扰信号的影响。3 1 3 6 2 抗干扰措施3 2 第4 章压装曲线的自动判断3 5 4 1 铁标中的相关标准3 5 4 2 自动判断方法设计3 8 4 2 1 压装不合格类型分析3 9 4 2 2 判断算法设计4 0 4 2 3 判断流程设计4 2 4 3 自动判断程序设计4 4 4 3 1 程序功能设计4 4 4 3 2 程序开发工具4 5 4 3 3 程序工作流程4 7 4 3 4 压力位移数据的采集与处理4 7 4 。3 5 具体功能模块设计5 8 4 4 应用效果分析6 4 4 4 1 自动判断典型实例6 4 4 4 2 应用效果统计6 7 第5 章总结及展望6 8 1 总结6 8 5 2 展望6 9 致谢7 0 参考文献7 1 附录a 作者研究生期间发表的论文7 4 附录b 作者研究生期间参与的科研项目7 5 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 目前我国正处于经济社会持续快速发展的关键时期，虽然铁路运输生产力 也在快速发展，但由于我国地域宽广，地形复杂多变，人口众多，技术薄弱， 诸多因素阻碍着铁路运输的发展，铁路运输能力紧张的问题仍然没有得到有效 解决，严重不适应当今经济社会发展的需要；另外我国正处在统筹城乡和区域 发展的关键时期，铁路网布局难以适应城乡和区域发展的迫切要求。只有更加 便利快捷的交通才能改变这一切，而其中最具有战略意义的无疑是高速铁路。 经过几年的不懈努力，中国已建成的高铁运营里程数达到6 9 2 0 公里，在世界上 处于领先地位u j 。 在我国铁路向高速化发展的过程中，安全、稳定和高效越来越成为重中之 重。火车的走行部件直接影响到铁路运输的安全性和舒适性，而轮对的组装是 其中非常重要的一部分，其组装质量的好坏直接影响行车安全，一旦发生不可 控制的失效，极有可能导致列车脱轨。 早在1 8 2 5 年，乔治史蒂芬逊就首次证明，轨道导向和装备铁制车轮的轮 对与铁轨之间的摩擦对于速度适当的重载运输是十分有前途的技术1 2 。目前国 际、国外标准的轮对组装方式有两种：压装和热装，而我国不仅有压装和热装， 还有注油装，其中以压装组装最为常用，即采用压力配合，在常温下将车轴用 轮轴压装设备按一定的压力压入车轮的轮毂孔内咧；为了得到牢固的结合，轮毂 孔直径要小于轮座直径，轮座直径与轮毂孔直径要保持一定的过盈量。轮轴压 装后，轮毂孔被扩大而产生拉伸应力：车轴轮座部被压缩而产生径向压缩应力， 从而将轮轴紧密地结合成一个整体。在轮轴压装的过程中，有两个要求同时满 足才能判断轮轴压装合格：1 尺寸要求：即轮对的内侧距和轮位差必须在规定的 范围内；2 曲线要求：即轮对所对应的压力一位移曲线必须满足要求。 压力一位移曲线是反映轮对压装中，压装压力与压入长度对应关系的曲线， 简称为f s 或m 曲线1 4 1 。刖曲线不仅是轮对压装合格性的重要评判指标，而 且对寻找压装缺陷，进行工艺改进都具有重要的指导作用，通过研究曲线上的 某些变化特征，有助于快速发现轮对压装不合格的原因，从而对压装工艺做出 调整或处理，达到提高轮对压装合格率的要求。在满足尺寸要求的前提下，要 武汉理工大学硕士学位论文 提高轮对压装质量就必须仔细研究其f - s 曲线。例如，某车辆厂压装的一批轮对 中，压装曲线普遍出现前端压力陡升过大的问题( 如图1 1 所示) ，压力陡升值 均超过了10 0 ，据此推断，在压装的初始段有可能出现压装缺陷。轮对退卸后 发现，在轮座最外端出现纵向的擦伤( 如图1 2 所示) ，擦伤造成的裂纹，会使 轮座残余应力增加，为车轴早期失效留下缺陷和隐患。由此可以看出，轮对压 装曲线能反映压装过程中的某些特征，对保证轮对压装质量，排除压装缺陷具 有良好的指导作用。进一步调查研究后发现，该问题是由于预装不合理而引起 的，轮毂孔与轴上轮座的中心线不重合，拉伤轮座表面。 一q 1 0 9 月u u m ，。 r 。 5 。 ，0 0 。 ，。 。 r r 一1 、 弓( 二一j 盘刀陡升f l r 7 f 图1 1 压装f - s 曲线 图1 2 轮座拉伤 目前，我国铁路正处在快速发展时期，轮对组装的任务量非常大，同时随 武汉理工大学硕士学位论文 着高铁和动车的发展，轮对组装的质量要求也在不断提高。然而，传统的压装 曲线记录系统数据采集精度低，曲线清晰度低，并且没有自动判断功能，具体 的判别还需用尺子进行比划或者根据验收人员个人经验来判断，操作复杂，人 为因素影响大，出错概率大。因此，如何提高轮对组装效率，同时不影响轮对 组装质量，就成为一个亟待解决的问题【6 ，7 】。 在铁道部规划的几个机车检修基地中，对压装设备所附带的压装曲线记录 系统提出了新的要求：对压装作业过程中的压力一位移曲线进行准确的记录，高 效准确的自动判断，减少人为因素对判断结果的影响，避免错误判断。为了满 足上述要求，提高轮对压装生产效率，控制压装质量，迫切需要依据中国当前 的轮对压装工艺，自主研制开发出性价比高，针对性强，具有分析判断能力， 并能够符合国内的铁路标准的压装曲线记录及其自动判断系统，来适应高速发 展的铁路对车辆行走部件的制造和维修的技术要求【8 9 】。本文就是受某轨道客车 公司委托，针对目前压装曲线判断所存在的问题，在所开发的现代轮对压装设 备的基础上，研制出能够满足国内标准要求的，高效准确的压装曲线记录及其 自动判断系统。 1 2 国内外现状综述 1 2 1 压装曲线记录判断的国内现状 目前，国内各机车车辆制造修理厂、各检修基地使用的国产轮对压装机主 要有两类：一类是一些早期的老式压装机，另一类是某自动化公司研制的新型 轮对压装机，前者附有简单的机械式压装曲线记录仪，用于记录轮对压装压力 及位移的变化情况，该记录仪机械灵敏度低，响应速度慢，没有曲线自动判断 的功能；后者所附带的曲线记录装置采用计算机控制，虽然在精度、稳定性及 数据处理方面都有所提高，但仍然不具备曲线自动判断的功能，这方面的性能 没有改善。随着高速铁路的发展，这些压装机逐渐不能满足中国列车轮对的压 装要求。 二十世纪六十年代，鄂城重型机械厂等厂家设计制造了一类老式压装机， 其样式和功能一直沿用至今【1 0 】。这种类型的压装机属于通用型压装机，其电气 控制系统落后，完成压装曲线记录工作的是机械式笔式记录仪。该记录仪的工 作原理如下：记录纸被卷在转轴上，随着油缸的前进，带动转轴旋转，记录纸 被拉开，位移增加；记录笔是由压力表带动的，随着压力的增加，记录笔在记 武汉理工大学硕士学位论文 录纸移动的垂直方向移动，压力越大，记录笔在垂直方向的位移也越大。在压 装作业过程中，压力和位移的同时作用，便可以在记录纸上画出一条曲线，图 1 3 为该型记录仪绘制的曲线。曲线光滑直观，设备成本较低，维护简单；但其 机械灵敏度低，响应速度慢，数据误差较大，曲线较为模糊，必须手动填写参 数，很容易发生造假曲线的现象，如人为的涂改。最重要的是，这种记录仪完 全不具有压装曲线自动判断功能，压装曲线是否合格，完全靠验收人员进行人 工判断，然而一方面，该型记录仪所记录的曲线分辨率低，数据误差大；另一 方面，由于压装曲线判断的相关指标较多，包括“起点陡升 、“曲线凹下”、“中 部平直长度 、“末端降吨 等十几项内容，从而带来人工判断效率低下、误差 较大和可信度低等问题，随着对压装质量及压装效率要求的不断提高，它所存 在的缺陷已不能满足生产要求，急待改变这一现状。 艳曩 雯一 a 右 一 x 孔垃曼立矗复 轮一直喹复三盘z 兰轮一直喹丛工! = z 压入吒t z 垒2 吨 工l ! ! ! = = 趣习 - _ - _ - 一 t0 曩 ；】 圈 tt 蔓 图1 3 老式记录仪绘制的压装曲线 近年来，随着铁路建设的不断发展，轮对压装设备的需求量越来越大，为 4 武汉理工大学硕士学位论文 了提高技术水平和市场竞争力，国内的一些公司也开始在消化吸收国外同类先 进设备的基础上，研制新型的轮对压装设备，其典型代表为某自动化公司研制 出的t d l 型轮对压装机，其外貌如图1 4 所示；该型压装机采用i p c 控制系统， 能够自动对轮对的轮位差和内侧距进行监控，在内侧距和轮位差达到要求后， 自动停止压装，提高了自动化程度和压装的精度，其附带的曲线记录系统比较 先进，数据采集精度高，曲线分辨率高，轮对信息可以很好的输入和保存，方 便后期的查阅，其整体性能相对于老式压装机有了很大提高。但不足之处在于， 该设备仍然不具备压装曲线的自动判断功能，在轮对压装曲线判断方面自动化 程度没有改善，仍旧依赖于人工，这方面与国外的设备还存在一定的差距。 图1 4t d l 型轮对压装机 1 2 1 压装曲线记录判断的国外现状 目前，国外生产先进轮对压装设备的主要有德国m a e 公司、意大利b b m 公司和美国西蒙斯公司【1 1 1 。图1 - 5 是德国m a e 公司生产的轮对压装设备。 图1 - 5m a e 轮对压装机 武汉理工大学硕士学位论文 国外轮对压装机比较先进。其系统可以测量轮对的多个关键数据：包括内 侧距、轮位差和跳动等等，并且曲线分辨率高，数据准确，具有曲线自动判断 功能，然而国外设备所具有的曲线自动判断功能不是在我国铁路行业标准的基 础上研制的，判断指标不全面，判断方法不清晰，判断结果不可信，不能作为 我国轮对压装质量合格性的判断依据。 以德国m a e 公司所生产压装机记录的压装报表( 如图 - 6 所示) 为例，从 报表左侧的自动判断准则上看，包括以下几个判断指标：压力最小值、压力最 大值、轮对壁间距( 即内侧距) 、斜率、水平度、启动冲击和曲线末端压降等等， 这些判断指标中，某些是铁标中没有规定的，如“斜率”、“水平度”等；而铁 标中要求进行判断的某些指标，如“中部平直长度”、“末端平直长度”、“曲线 凹下，等，系统却没有进行判断。同时，根据某机车厂技术人员的介绍，其中 的“斜率”、“水平度等指标的具体数值会根据所压轮对的自动判断状况进行 调整，如果有一批轮对压装曲线判断异常，那么德国m a e 技术人员会一定程度 放宽标准，而具体判断方法却始终保密。由于标准的不同和技术的缺乏，德国 技术人员经常来进行售后维护，由此带来的售后费用是巨大的。 测量记录 8 搠 2 0 1 0 7 ：3 2 7l i 笨地盘i i i i 童；l 搓| t 洲2 0 3 5 1 0 。 【。m m 】m 黼a 延 压霰砣b ，p 埒s 胁g 妯科8 i 轮盘埔一i 轮盘直鹰o0 0 【n 拥1 l g 户 匏对螺号c a l 6 9 3 5 2 - 1 6 - 0 2 1 0 c a l g s 3 2 1 ，t 0 , , 4 1 0 i 攮佧员 l 结掬。尺寸：l 蔺鞫屠 定兜评曩麓赛舅菇累 喜： ； 一、j - 。q 压力蠢小诅 l 01 4 5 7 1正常 ： 一i 压力最大锕1 5 0i s 0 0 1 5 7 l正常 1 5 o l o 一。 j i 一。 t 内莹闻距 1 ，镗4 01 ，5 2s 5弄常 1 4 0 0 0 1 0 1 3 0 0 j ，f 2 ： 1 2 卜 j。| 斟串嚣常 1 0 0 木平鹰 z 0 0 075 4正常 磊秘冲击 正常 1 0 0 0 9 0 0 。彩一： 囊簋束胡匡麓 铀00 0 0正霄9 0 0 7 6 釉 5 加 4 0 0 3 0 0 2 t 0 0 ”o由 南南南1 晶11 玉，；o ，晶1 ；o s 陋；幔 撮作员 图 - dm a e 压装设备记录的压装报表 因此，面对这种现状，说明德国m a e 的某些技术并不是很完善，还有很大 武汉理工大学硕士学位论文 的改进空间；同时，我们也必须根据我国的生产设备及工艺条件，总结建立一 套适应我国铁路标准的压装曲线自动判断系统，来评定我国轮对压装曲线的质 量，只有这样才会更有利于中国铁路走行部件的发展，才能更好的提高机车车 辆运行的安全性。 总之，国际先进的压装机设备价格十分昂贵，是国产设备的5 倍以上，国 内只是有限的几个大公司有能力承担；其次，其所附带的曲线判断功能并不适 应我国的铁路标准，可信度低，没有权威性；再次，售后服务困难，成本过高， 难以维护。为了尽快摆脱对国外先进技术的依赖，提升我国轮对压装设备的自 主创新能力，须依据我国国情，开发国产化的先进轮对压装曲线记录及自动判 断系统，来满足铁路发展对机车车辆行走部件的制造和维修的要求。 1 3 轮对压装曲线判断标准的综述 作为轨道车辆走行部最主要的标准之一，轮对组装标准对走行部件的质量 及安全意义重大。国内和国外轮对组装所依据的标准并不完全一致，这主要是 因为各国的生产条件等因素并不相同，所依据的标准在保证轮对质量的同时， 必须考虑到生产条件及生产能力的限制。主要标准有以下几个：铁标、欧洲( e n ) 、 国际铁路联盟( u i c ) 、国际标准( i s o ) 、日本( s i s ) 、北美铁道协会( u 汰) 所指 定的标准【l 引。表1 1 列出了其中与轮对压装曲线有关的标准。 表1 1 国内外压装曲线判断相关标准 主要轮对产品标准标准编号标准名称 e ne n1 3 2 6 02 0 0 3 轮对和转向架一轮对一产品要求 u i cu i c8 1 32 0 0 3 机车车辆轮对技术条件一公差和组装 铁路机车车辆整体车轮一尺寸和平衡 j i sj i se5 4 0 2 22 0 0 5 要求 。a a r 标准手册关于轮轴的g 和g 分册 t b t1 4 6 3 2 0 0 6机车轮对组装技术条件 中国铁标 t b t1 7 1 8 2 0 0 3 车辆轮对组装技术条件 在u i c 、e n 和a a r 等标准中，对于轮对压装曲线合格性的判断，只是规 定了定的轮廓范围，只要曲线在其范围内，则认为是合格曲线，没有详细量 化的曲线判断指标，曲线判断较为简单【1 3 】。i s o 对曲线没有具体要求，主要是 把控轮轴的加工、选配及组装质量，曲线只做为参考。与国外的相关标准相比， 武汉理工大学硕士学位论文 我国的轮对组装曲线标准更为详细，针对我国的生产设备和监测条件，铁标对 压装曲线的要求做了比较详细的规定，t b t1 4 6 3 2 0 0 6 采用了u i c 标准的曲 线要求1 4 1 ，m t1 7 1 8 2 0 0 3 则是结合了多年的生产经验和生产工艺而制定的 1 5 1 o 1 4 本文研究的主要内容 针对目前轮对压装曲线记录及其判断方面所存在的问题，一方面，为保证 采集数据的可靠性和准确性，本系统选择工控机配备高速数据采集卡和精密传 感器的方案，采用多种软硬件结合的抗干扰的措施，通过计算机控制方式，采 用适当的采样频率，实时读取压装压力信号和位移信号。另一方面，依据铁标 中轮对压装曲线的判定标准，制定出适用于离散数据的轮对压装曲线自动判断 算法。通过对1 3 条指标的检验，确定压装曲线是否合格。压装的详细数据有助 于探寻不合格原因，快速找到解决办法。具体内容分为以下四部分： ( 1 ) 分析轮对压装工艺和曲线记录的工作原理，对压装曲线记录系统进行设 计，包括采集方案的制定，传感器和采集卡的选型；同时，采取多方面措施， 提高系统的抗干扰能力，确保压装数据采集的准确性和可靠性； ( 2 ) 在保证信号不失真的情况下，对采集到的压力及位移数据进行异常点剔 除和平滑滤波处理，剔除干扰影响，确保数据的真实准确，为曲线判断提供可 靠的数据； ( 3 ) 分析国内外轮对压装的相关标准，总结压装曲线判断的依据：结合中国 铁路轮对压装标准，在程序上实现了对轮对压装曲线的自动判断，即判断压力一 位移曲线是否合格； ( 4 ) 通过实际生产应用，验证曲线记录及自动判断系统的实用性、准确定及 可靠性等。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章轮对压装曲线的相关理论基础 轮对是轨道车辆的主要部件，车轴与车轮采用过盈配合的连接方式，通过 组装的方法形成轮对，轮对与钢轨直接接触，保证车辆的正常运行。在轨道车 辆运行过程中，轮对受到动、静载荷的共同作用，并将载荷传递给各零部件。 此外，轨道车辆的驱动和制动也是通过轮对来实现的，驱动通过轮对上的齿轮 箱实现，制动则是通过轮对上的制动盘实现的，图2 1 为典型的盘形轮对结构图。 可以毫不夸张的说，轮对是轨道车辆结构中受载频率最高、失效模式最复杂的 部件之一，轮对组装质量的好坏直接影响行车安全，一旦发生不可控制失效， 极有可能导致列车脱轨，酿成重大事故。因此，对车轴和车轮的组装尺寸和组 装过程有严格要求。 目前我国采用的轮对组装方式有三种：压装、热装和注油装1 1 6 j ，其中以压 装组装最为普遍，即采用压力配合，在常温下将车轴用轮轴压装设备压入车轮 的轮毂孔内；轮对内侧距必须保证在1 3 5 3 _ + 2 ( 1 ) r a m 的范围内，左右轮位差不超 过l m m ，其压装过程是通过压装压力一位移曲线( 压装f - s 曲线) 来衡量。 1 一车轴；2 一车轮；3 一制动盘：4 一盘毂。 图2 1 盘形轮对 2 1 轮对组装压装力的理论分析 2 1 1 压装过程中受力与变形关系的分析 车轮与车轴的最终配合示意图如图2 2 所示。当车轴压入轮毂孔中时，由于 9 武汉理工大学硕士学位论文 轮毂孔与轮座之间过盈量的存在，使得两者的接触表面上产生很大的径向正压 力尸，尸均匀分布在整个接触面上，使轴颈受挤压力而缩小，轮毂孔内壁胀大。 可以将车轮与车轴的过盈配合简化为轴和轴套的过盈配合，由图2 - 3 可得变形后 的几何关系 昙= + ( 2 - i ) 式中万一过盈量； “。一轮座的径向位移( m m ) ； 一轮毂内径的径向位移( n u n ) 。 图2 - 2 结合部分示意图 轮座轮毂装配后 图2 - 3 变形分析 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 静力平衡分析 在轮毂孔内接触面中选取一个单元体，并对该单元体进行应力分析1 8 1 ( 如 图2 4 ) 。在单元体上取法向坐标r ，切向坐标t ，如图2 - 4 ( b ) 所示，根据静力 平衡条件：r = o ，即 ( q + 虹) ( ，+ & ) d o d z t r d o d z 一2 c r , d r d a s i n 了d o = o ( 2 - 2 ) r or + d0r 陀 ir叫2 t 图2 4 单元应力分析 因d p 很小，s i n 了d o ：譬，略去高阶微量d q 猁秒出，并以，d 埘p 沈除上式， 各项简化后得 盟+ ! 二堡：0 ( 2 3 ) 西 ， 式中q 一径向应力( m p a ) ； 仉一轴向应力( m p a ) 。 2 1 3 单元体变形的几何分析 图2 - 5 中口6 耐为变形前的单元体，a b c d 为变形后的单元体，变形后产 生径向位移鲍。圆弧历产生位移后，其长度伸长，轮毂壁厚减小，故沿径向各 点的位移不相等，半径为r 的圆周线品位移到半径为，+ 咖的圆周线霸，径向 位移为 。d d = i - u 2 + 幽2 口d = a d + d d 一a a = d r + ( 甜2 + d u 2 ) 一u 2 = d r + d u 2 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 u 2 图2 5 变形前后的单元体 轴向应变 a b 一a b ( ，+ 掰，) d o r d o 豁， 2 丁2 赢广一2 亨 径向应变 口一d 一耐西+ 批一毋幽， 2 - 2 了匕一2 。 a a a r， b 对r 求一阶导数，并将s ，：堕及s f ：堡代入，得 ， d f , t ：盟 办， 2 1 4 物理关系分析 轮座与轮毂是过盈配合，单兀体处于二向应力状态。 q 。面1 ( q 一q ) 及q2 面1 ( q 一q ) 代入式( 2 - 8 ) 得 了d o r 一! 丑一阵+ ! 丑) ：0 将式( 2 9 ) 力1 1 、减一个冬，将式( 2 3 ) 代入得掣：o 。 由于q + q = 2 彳0 为积分常数) ，即 o - , = 2 a - o - , 将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 3 ) ，并两边同乘r 2 ，得 d ( r 2 t ：r r ) ：2 a ， d r 积分后得，2 吒= a r 2 + 曰为积分常数) ，则径向应力 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 将广义胡克定律 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 q=彳+了b(2-12) 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 11 ) ，得 q = 么号 ( 2 - 1 3 ) 积分常数彳、b 由内、外表面的边界条件确定，对于轮毂，当，= 口时，q = 一p ； 当，= 6 时，o r = o ，代入式( 2 1 2 ) ，式( 2 1 3 ) 得 肚焉 ( 2 - 1 4 ) 召= 群 式中p 一内压力( m p a ) ； 口一轮毂内半径( m m ) ； b 一轮毂外半径( m m ) 。 将彳jb 代入式( 2 - 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) q h ，则在轮毂内表面，应力为 t y r = 一p( 2 - 1 6 ) q 叫等) ( 2 1 7 ) 已知乞：丝，由广义胡克定律得 = 百a pl 而b 2 + a f 2 + ) ( 2 1 8 ) 对于轮座也可引用上述分析方法，口为无限小量，当，= 口时，o - r = - p ， 当，= 口时，o r = 0 ，代入式( 2 - 1 2 ) 、式( 2 - 1 3 ) 得 肚焉 ( 2 - 1 9 ) 口一一口一 b = 牟 ( 2 - 2 0 ) 口一一口一 将a 、b 代入式( 2 - 1 2 ) 、式( 2 - 1 3 ) ，得( 因轮座是实心的，口= 0 ) ：( 7 r = - p ， q = 一p ：同理，因q = u 2 ，由广义胡克定律得= 一等( 1 一) ，因 1 ，故有 i 坼i = - 等- ( 1 一) ( 2 2 1 ) 2 1 5 压装力f 的计算分析 将式( 2 1 8 ) 、式陀2 1 ) 代入式佗1 ) 中，得 武汉理工大学硕士学位论文 知。| + i “：嵯a p 等 则 p = 甓等万 令轮毂内半径，= a ，轮毂外半径r = b ，得 p = 万 至此可得压装力f 的计算公式为： f = p s t ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 式中s 接触面积( m m 2 ) ； 摩擦系数； p 一单位接触面上的压力( n m l t l 2 ) ；p = 墨写三拿万，其中，万为过 盈量，e 为弹性系数； 式( 2 2 5 ) q b ， 接触面积s 的值如下： f s = a d ， a ，则放弃c ，用b 代替c 。这种滤波方法的特点是无 法除去周期性的干扰，但可以抑制随机性的脉冲干扰。 ( 2 ) 中位值滤波法 武汉理工大学硕士学位论文 连续取奇数个样点，然后从小到大排列，中位值滤波法就是取其中间值。 可去除随机波动，对变化较慢的变量滤波较明显。 ( 3 ) 算术平均值法 这是最普遍的一种滤波方法，设输入信号为x ，输出信号为y ，连续采样的 n 个输入信号x i ( i = 1 , 2 ，n ) ，取 = = 1 (22