（车辆工程专业论文）铁道车辆轮对动平衡新工艺研究.pdf

摘要 随着车辆运行速度的不断提高，轮对平衡性能的好坏直接影响到车辆的 安全和运行品质，因此部颁标准中规定快速客车必须进行轮对试验。轮对动 平衡去重、配重工艺在历史上均有采用，而目前在生产中大多数采用去重工 艺基本上能满足安全及性能要求，但生产中也出现了由于去重切削使轮对 强度下降，造成了轮对降级使用和报废现象的发生，随着金属冷焊接技术的 发展，给动平衡配重工艺提供了新的理论基础，因此对动平衡工艺进行研究 和试验具有一定的现实意义。 本文首先谈论了动平衡的基本理论，分析了刚性回转体及组合回转体的 平衡原理、平衡方法，并对平衡工艺进行了简要说明。 其次，针对在生产实践中正在采用的去重工艺进行了分析，对动平衡试 验及去重设备进行具体介绍，并对生产实践中采集到的数据及统计数据进行 分析，找出了目前去重工艺中存在的问题。 然后，在研究环氧树脂的多种多样的应用的基础上，提出了利用新型的 双组分环氧树脂进行动平衡配重工艺的可行性，并进行了配重工艺实践及配 重后的试验。 最后，在进行了两种不同工艺的效果和成本的分析后，提出用粘接配重 工艺代替去重工艺的方案。 通过现场l o 条采用粘接配重工艺处理的轮对的装车使用，证明铁道车辆 轮对动平衡粘接配重工艺便于操作，耗时少，成本低，具有一定的实用推广价值。 【关键词】轮对动平衡去重工艺粘接配重工艺 【论文类型】应用基础 薹堕銮垩盔堂三墼堡受塞生堂焦堡皇釜三二l a b s t r a c t a l o n gw i t hi m p r o v i n gt h es p e e do fr o l l i n g s t o c k ，t h eb a l a n c ep r o p e r t y o f w h e e l s e tw i l lh a v ei n f l u e n c ed i r e c t l yt ot h ev e h i c l e ss a f ea n dr u nq u a l i t y ，s ot h e h i 曲s p e e dt r a i nm u s tb et e s t e d t ow h e e l s e ta c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fr a i l w a y m i n i s t r i u m a l t h r o u 曲t h ed e c r e a s i n gw e i g h ta n dm a t c h i n gw e i g h tt e c h n i q u eh a v e b e e nu s e d ，a n dt h em o s to f d e c r e a s i n gw e i g h tt e c h n i q u e h a v eb e e ns a t i s f i e d b a s i c a l l y f o r s a f y a n d p r o p e r t y i nt h e p r o d u c t i o n ，b u t t h ew h e e l s e ti n t e n s i t y d e c r e a s i n g ，d e m o t i o nu s i n ga n dw a s t e rw h e e l s e th a v ea p p e a r e db e c a u s eo fu s i n g d e c r e a s i n gw e i g h t a n dc u t t i n gt e c h n i q u e t h ed y n a m i cb a l a n c ea n dm a t c h i n g w e i g h tt e c h n i q u e h a v ean e wb a s i c t h e o r y f o r t h e i m p r o v i n g o fm e t a lc o l d s o l d e r i n gt e c h n i q u e ，s oi t w i l lh a v ea ni m p o r t a n tr o l ei nt h es t u d yo fd y n a m i c b a l a n c et e c h n i q u eo fw h e e l s e t f i r s t ，i th a sb e e nr e s e a r c h e dt h a ti n c l u d e st h eb a s i ct h e o r yo f d y n a m i cb a l a n c e ， t h eb a l a n c e p r i n c i p l ea n dm e t h o do f r i g i d i t ys p h e r o i da n d c o m b i n a t i o n s p h e r o i d ，i t s b a l a n c e t e c h n i q u e h a sb e e nc l a r i f i e db r i e fa tt h es a m et i m e s e c o n d ，i na l l u s i o nt oa n a l y z et h ed e c r e a s i n gw e i g h tt e c h n i q u eh a v i n gb e e n a p p l i e di nt h em a s s o f p r o d u c t i o n ，i th a sb e e n i n t r o d u c e ds p e c i a l l yf o r t e s t i n g a n d d e c r e a s i n gw e i g h t d e v i c e so f d y n a m i cb a l a n c e ，a n da n a l y z e df o rt e s t i n gd a t ea n d s t a t i s t i cd a t ef r o mt h e p r o d u c t i o nl i n e ，s o t h ep r o b l e mh a sb e e nf o u n di nt h e d e c r e a s i n gw e i g h tt e c h n i q u e s of a r t h i r d ，o nt h eb a s eo fb e i n ga p p l i e dd i f f e r e n t l yo fe p o x yr e s i n ，t h i sp a p e rp u t f o r w a r dt h ep o s s i b i l i t yo f d y n a m i cb a l a n c em a t c h i n gw e i g h tt e c h n o l o g yu s i n gn e w t w oc o m p o s i t i o ne p o x yr e s i n ，t h em a t c h i n gw e i g h tt e c h n o l o g ye x p e r i m e n t h a s b e e nt e s t e d l a s t , t h ep r o j e c th a sb e e na d v a n c e dt h a t t h ed e c r e a s i n gw e i g ht e c h n o l o g y h a sb e e n r e p l a c e db ya d h i b i t i n gm a t c h i n gw e i g h tt e c h n o l o g y a f t e ra n a l y z i n gt h e e f f e c ta n dc o s to ft w oe x a m i n e - r e p a i r d e c r e a s i n gw e i g h t d u r i n gt h ea p p l i c a t i o no f t h e1 0w h e e l s e t sd e a l e dw i t ht h ed e c r e a s i n gw e i g h t t e c h n i q u e ，i tp r o v e st h a tt h i st e c h i q u ef o rr o l l i n gs t o c ki ss i m p l et oo p e r a t ，i ts a v e s t i m e ，c o s tl e s s ，a n di sw o r t h t ob e p o p u l a r i z e d k e yw o r d s ：d y n a m i cb a l a n c e o fw h e e t s e t ，d e c r e a s i n gw e i g h t ，a d h i b i t i n g m a t c h i n gw e i g h tt e c h n i q u e 绪论 为保证车辆有良好的运行平稳，提高旅客的舒适性及提高车辆的 运行安全性。车辆运行速度较高时，应对车轮提出动平衡的要求。我 国自1 9 9 0 年第一批空调客车制造出厂时，就己规定车辆在各种速度下 ( 包括1 4 0 、1 5 0 k m h ) 平稳性指标w 25 时轮对需作动平衡试验，国 外一些车轮标准如i s o 、u i c 、从r 标准中均有对高速客车轮对进行动 平衡的要求。近年，随着我国铁路事业的不断发展，铁路客货车的提 速成为提高铁路竞争力的重要手段，客车的提速工作也成为重中之 重。客车提速后轮对的平衡性能对客车运行品质的影响也变得相当 突出，铁道部也颁布了相应的措施和技术标准以保证提速客车的运行 质量。高速轮对经过动平衡试验后，对不满足技术要求的轮对需进行 平衡处理，平衡质量的好坏直接影响高速列车的运行性能，直接影响 列车运行的安全性，因此各基层单位都对此投入了很大的精力与财 力，平衡试验机、平衡试验与去重一体机相继被采用，对保证轮对质 量起到了积极的促进作用，但运用中也出现了些问题，如修时长、 成本高、轮对去重后有报废和降级使用现象，因此在一线生产单位有 改进的需求，正是在这种条件下，探讨新的平衡办法，具有定的现 实意义。 1 平衡原理 常用机械中包含着大量的作旋转运动及作往复运动的零部件，例 如各种传动轴，主轴：电动机和汽轮机的转子；内燃机的曲柄连杆机 构等等。作旋转运动的零部件，可统称为回转体；含有作往复运动的 零部件的机械，可称为往复式机械。在理想的情况下，回转体旋转与 不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转 体。但工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装 配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素， 亘塑奎望盔堂三塑塑主丛塞生堂焦迨塞塑至_ 使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能互相 抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生 了噪声，加速轴承磨损，缩短了机械的寿命，严重时，能造成破坏性 事故。作往复运动的零部件，产生的惯性力同样是有害的，因此工程 中常需要对回转体及作往复运动的零部件进行平衡。平衡就是为了减 小运动中产生的离心惯性力及往复惯性力，使其达到允许的平衡精度 等级，或因此产生的机械振动幅度在允许的范围内的一种工艺方法。 1 1 一般刚性转子的平衡原理 任何一个回转体旋转时，其体内无数个微小质点都将产生离心惯 性力，这些无数的离心惯性力，组成一个惯性力系，作用在回转体 上，使其产生弯曲变形。弯曲变形改变了质点至旋转轴线的距离，使 离心惯性力大小产生变化，又使回转体产生新的变形，如此反复，直 至抵抗变形的弹性恢复力与离心惯性力平衡为止。工程中，若回转体 在离心惯性力系的作用下，只产生微小变形，则称其为刚性回转体， 并忽略其变形。 1 1 1 刚性回转体的动力分析 假设有任意形状的刚性回转体( 见图l 一1 ) ，以等角速度绕一固定 轴z 旋转，取z 轴上任意点为坐标原点，记为点0 ，则按理论力学原理 可知，刚性回转体上无数个质点产生离心惯性力向0 点简化的结果，将 得到此惯性力系的主矢及主矩h 矗，用矢量表示为 图l l 刚性回转体动力分析 i 净f i - m j o d 2 q 啪2 r c ( 1 - 1 ) i r oj = m 矗ir c l m f 俘f j ( 1 2 ) i m 4 5 z ：+ e 式中 m j 一第j 个微小质点的质量( k g ) n 第 个微小质点到z 轴的距离矢量( m ) f j 一躺个微小质点产生的离心惯性力( n ) m 刚性回转体总质量( 虹) b 埚q 性回转体的质，l c 点n z 轴的距离矢量( m ) 自一莉个微小质点到原点0 的距离矢量( m ) j 。一刚性回转体对x 轴的离心惯性积( k g - 矗) j 。一刚性回转体对y 轴的离心惯性积( k g i n 2 ) 主矢的大小与原点0 的位置选择无关，而主矩h 矗的大小却与原点 o 的位置选择有关。刚性回转体在旋转时，主矢和主矩的方向也随同产 生旋转性变化，因此对轴承产生交变的动压力。所以，刚性回转体平 衡的充分与必要条件，是惯性力系向任一点简化得到的主矢与主矩都 为零。式( 1 1 ) 中，由r e = 0 可推出r e = 0 ，即z 轴必须通过质, o c ；式( 1 2 ) 中，由m f 0 或i 例= o 可推出j 萨o 及j 萨0 ，即z 轴必须是刚性回转体 的某一条主轴。满足条件r 萨o 及m 萨o 的轴，可称为中心惯性主轴。要 使一个不平衡的刚性回转体成为平衡的刚性回转体，就需要重新调整 其质量分布，使其新的中心惯性主轴与旋转轴重合才行。 根据回转体惯性力系简化结果的不同，刚性回转体可能存在四种 不平衡状态，见表1 1 。 对于前两种情况，平衡校正时只需在某一特定平面上加上或去除一定 的质量，便可达到平衡，称为静平衡( 亦称单面平衡) ；而对于表1 1 亘直窒望盔堂三壅亟堑窭垒堂焦诠窒 蒸4 亟 表1 1 不平衡的类型 妻疆 隶毫西惯性力纛简化培幂 早衡方岳 r 口0 却7 c 0 蕾不平 。南。小 m q = o 即工- = l ；0 静平膏 齿 ：il 战o 郾托0 m o 0 但r o 上m o 准静不 。陡h 小 盛拖拉列0 7 点使 得r 0 但m e = 0 静平街 平誊 剧。l r o ；o 即r c = o 儡不平 母佥 m e m o 印0 0 曲平衡 衡 r e d o q c 0 盹o 即o 动不平 目岛 l 0 动平衡 宙 后两种情况，平衡校正必须在两个平面上加重或去重方能使转子 得到平衡，称为动平衡( 亦称双面平衡) 。 一个刚性转予究竟是需要静平衡还是动平衡，应根据具体情况 ( 如转子质量、形状、转速、支座条件及用途等) 而定，一般按下列 原则考虑： 当转子外径d 与长度瞒足d l 5 时，不论其工作转速高低都只 亘查皇堡盔堂三垂塑堑塞生堂焦监皇 笙! 重 需进行静平衡。 当l d 时，只要工作转速大于1 0 0 0 r l m i n 都要进行动平衡。 经过静平衡的转子，不一定能满足动平衡要求；但经过动平衡的 转子，一定能满足静平衡要求。 1 2 组合转子的平衡原理 某些组合转子既可以作为完整的单个零件也可以作为组合件进行 平衡。 对于如轮对这样的组合转子而言，一般应对组成它的所有零件按 规定的平衡精度要求，分别作单独平衡校正，组装后的不平衡量是各 零件的不平衡矢量和，由于各零件的剩余不平衡量的位置是任意的， 所以即使是最不利的情况下，也只是各不平衡量的代数和。 当然。应注意到装配误差造成的不平衡，以及最后组装的各零部 件相互位置会不同于在平衡机上的位置，因此，如果一个组合转子不 能通过构成它的每一个零件的单独平衡达到其平衡精度要求，那么， 该组装成的转子应在装配后作为一个整体进行平衡。 如果每个单独的零部件分别进行平衡，那么应预先将诸如螺栓、 键等连接附加其上。 1 3 刚性回转体的静平衡和动平衡 1 3 1 _ 平衡 检查静不平衡的设备，主要有静平衡架和平衡心轴及静平衡试验 机。 利用静平衡架确定不平衡量的方法很简单，让回转体在静平衡架 上来回摆动，静止时，若无滚动摩擦的影响，质心一定位于通过轴心 的垂线下方，即不平衡量的正方向为垂直向下。般采用时间平衡 法，可求出静不平衡量的大小。确定了静不平衡量的方向后，仍在静 平衡架上。搬动回转体，使其静不平衡方向偏离垂线方向为某一个角 度，然后放手，同时用秒表测出回转体来回摆动一次的周期t 。此时 不平黧芦嘤夯慧卅詈， m = 型萼业二 兰 ( 1 。5 ) 式中i c 回转体绕转动中一6 0 点的转动惯量m 2 ； 譬一重力加速度m s 2 ； t 摆动周期( s ) ； f ( k ，以卜一第类完全椭圆积分，可查数学手册求得； j u l 静不平衡量的大小( g ，h i m ) 使用静平衡机或动平衡机，则可一次读出静不平衡量的大小和方 向。 确定了静不平衡量的大小和方向后，可采取加重、去重或调整校 正质量等多种办法进行校正。 1 3 2 动平衡 动不平衡量，一般只能在动平衡机上测出。 回转体动不平衡的校正方法见表1 2 。设已知回转体两任一平面 i 和i i 内的不平衡量u l 及u 2 ，若平面i 及平面i i 不是校正平面，则 可通过理论力学中的分解与合成定理，将其简化到校正平面上进行校 正。 1 3 3 动平衡和静平衡的关系 静平衡和动平衡的原理、适用范围和校正方式均不同，静平衡是 用以平衡不平衡力对旋转轴线产生的力矩适用于盘状零件，只需在 垂直于旋转轴线的一个校正平面内进行校正平衡。动平衡则是用以平 衡不平衡力产生的力矩和不平衡力偶，盘状零件和圆柱形零件均适 用。一般是零件在高速情况下作动平衡，且需在两个或多个垂直于旋 转轴线的校正平面内进行校正平衡。经过静平衡的零件，不能解决力 偶的不平衡，所以，不能满足动平衡要求。但经过动平衡的零件，一 定能满足静平衡的要求。 亘查窒逗盔堂三壁亟堑塞生堂鱼迨塞 蔓! 夏 表1 - 2 动平衡的校正方法 较正方话平鲁原理田 翦蔓说明 不平青量向两 不平暂量u l 厦u 2 分捌向两柱正面i 丑卦 十校正面前化 ! u i “、i i u h 。 删为叫u u j ，u 再分剐柬瑚音不 糁静舻等2 平誊量耵l 盖u l ，井在搜正面上柱正u i 及 u u 不平衡量冉u l 及u 2 向单校正面俺化耨不平街量u 且不 拉正面倚化 加i 抵确。划h 平橱矩m 。在筏正面内校正u 在另外两任膏 控正面上拄正吖( a _ 方向上) 她伞刮”镰三。 不平暂量曲对 u i 置仉可分解为s 平面上的两个同方向同 格爰反对称俺化 。笔_ j 臻案d 10 1s 大小的量u 1 丑池和在d 平面上的两十反方向 阿大小的量u i d 豆l k 。可在s 豆d 方面上在两 个拉正面内分别垃芷。遣种肯浩也常用于秉性回 转体的茜平着 对千某些形状特殊的工件如曲轴等，i 、面当面分鲁 1 评 缔胁”、镰y 只雌在0 一9 0 蓖阿内击t 、吸面只扮在 1 8 0 - 2 7 0 艳内去i 时例如若需叠在i 面 璀掣。她孰 】明击重u 时j 可采用平行力分辩的庳理在能 击重的面1 髓扯去重u “) ，井在面的 b “ 9 飞r r 灶击t 。u 纠( ) 。噍者在厢1 8 f 址击重 l - e _ 一坼“c 一6 ) 在面的8 处击置u a ，( c 一6 ) 对于初始不平衡量较大的零件，可先做静平衡，然后再做动平 循，这样可简化动平衡过程，同时避免由于不平衡值过大，超过平衡 机的检测范围，影响平衡机的精度。 1 3 4 平衡机械的种类 据前面的分析，为使旋转机械无振动而平稳地旋转，对机械中的 旋转部分即转子，必须进行平衡。为使转子得到准确的平衡，必须在 转子旋转时测量不平衡，并加以校正以消除测得的不平衡。这种旋转 试验叫做”平衡试验”，平衡试验中所使用的机械叫”平衡试验机”。 平衡实验的对象就是需要进行平衡的转子本身，平衡试验一定伴 随着校正操作，以改善被试件的平衡状态。需要做平衡试验的转子种 酉直窒堕盔堂三焦亟堑塞生堂焦堡窒箜! 亟 类甚多，因而对某种特定转子，应选择适合于该转子的大小、形状以 及性质的平衡方法、试验机以及校正设备。 如何根据需要试验和矫正的转子选择合适的试验机，须对待试转 子考虑如下各项： 所需的平衡平面数目； 不平衡的测量和校正方法； 所需的平衡精度： 试验时旋转轴是处于水平位置还是垂直位置； 转子在实际工况下是否产生挠曲等变形； 配置校正平衡块还是削去重量。 根据以上的条件选择合适的平衡试验机。在实际的生产过程中常 用的平衡试验机有多种，如有以只去除静不平衡为目的的静平衡试验 机、为消除动不平衡而必须进行双面平衡的卧式通用机、用于进行曲 轴动平衡试验的曲轴平衡试验机、以及用于进行传动轴试验的传动轴 高速平衡试验机等等。 酉查奎塑盔堂王焦堡主堕塞生堂垡迨塞 苤! 里 2 平衡工艺及平衡精度 校正就是改变不平衡状态，以使主惯性轴与轴线完全重合。校正 的一种可能性是改变轴线位置，以使轴线与主惯性轴尽量重合。这种 方法称为质量定心，在单面平衡和双面平衡的某些情况下采用。 2 1 校正面 平衡一般在垂直于旋转轴线，且被称为校正面的平面上进行。刚 性回转体的静平衡一般只需一个校正面即可，此校正面应为质心c 所 在的平面或离其很近。对于刚性回转体的动平衡必须要两个校正面才 行。 2 2 校正方法 不论是刚性回转体，还是柔性回转体，不论是作静平衡，还是作 动平衡，校正方法均可划分为加重、去重或调整校正质量三类方法。 ( 1 ) 加重就是在已知该校正面上折算的不平衡量u 的大小及方向 后，有意在u 的负方向上给回转体附加上一部分质量m ，并使质量m 到 旋转轴线的距离r 与质量m 的乘积等于i ui ，即m r ： ui ，显然，该校正面 上的不平衡被消除了。加重可采用补焊、喷镀、胶接、铆接和螺纹连 接等多种工艺方法加配质量。 ( 2 ) 去重就是在己知该校正面折算的不平衡量u 的大小及方向 后，有意在u 的正方向上从回转体上去除部分质量m ，当1 r = l uj 时， 去除的质量m 产生的不平衡量就是u ，因而该校正面上的不平衡也被消 除了。去重可采用钻、磨、铣、锉、錾、及激光打孔等多种工艺方法 去除质量。 ( 3 ) 调整校正质量则是预先设计出各种结构如平衡槽、偏心块、 可调整径向位置的螺纹质量小块等，通过调整各种结构中的矫正质量 块的数量、或径向位置、或角度分布，达到抵消不平衡量u 的目的。 不论哪一种校正方法，要求加上或去掉或进行调整的不平衡量的 大小和方向应该准确，有些工艺过程需要进行一定的数学计算，才能 酉壹窒望盍堂王墨墅主婴窒生堂鱼迨皇j 整地玉一 精确地控制调整量。 2 3 我国铁道车辆轮对的动平衡j 度 平衡是试图改善一个物体的质量分布的工艺方法，以便它在其轴 承中回转时无不平衡离心力。自然，自然此目的只能在一定程度上达 到。即使经过平衡校正，转子仍会存在剩余不平衡量。 现有的检测设备可将不平衡量减小到最低的界限。然而，过分的 精度规定是很不经济的，因而有必要来确定不平衡量应减小到何等恰 当的程度。所以，平衡精度的规定应综合考虑最佳的经济和技术效 果。 铁道车辆的不平衡限度与车辆的特性参数包括车辆定距、车体重 量、车体刚度( 即自振频率) 和运行速度有关。不平衡值直接影响车 辆的振动性能和车辆的运行平稳性，而车辆的运行平稳性指标是评定 旅客舒适程度的主要依据，反映了车辆振动对旅客舒适度的影响。 由于残存不平衡量的存在使得被平衡零件如车轮的重心向对于转 动轴线产生偏移。由于不平衡值的存在，车辆轮对在运行过程中仍然 会产生激扰，因此高速时应对车轮的不平衡值加以限制，车轮的不平 衡值主要按车体、转向架的最大加速度来决定，当车体中央部振动的 最大加速度为l m s 2 时，对应的车轮不平衡值为允许的限度。t b t 2 5 6 2 1 9 9 5 规定，车轮经平衡后，在每个车轮的测量平面上的剩余的动不平 衡量应符合规定的许用动不平衡量，许用不平衡量见表2 1 。 表2 1 车辆轮对许用不平衡值 i构造速度车轮许用动不平衡量轮对每个车轮的许用动l i k t r d s g m不平衡量g m i iv 一2 0 0 5 05 0 l l2 0 0 v 1 2 07 57 5l 亘直奎望盔堂三塑堡主堑塞垡堂笪迨塞 蒸! ! 亟 3 动平衡去重工艺实践 在轮对动平衡去重生产实践中，较多采用的是动平衡试验机和相 应去重设备来共同完成，动平衡试验机是车辆轮对专用平衡试验机， 用以测量轮对的不平衡量，并确定去重的质量和去重部位：去重设备 曾经采用铣削和偏心车削加工设备。由于动平衡试验设备和去重设备 各自独立，在试验和去重加工过程中需进行吊装和反复调整，试验和 加工耗时长，精度较低，随着快速轮对的增多，越来越难以适应生产 要求，因此，2 0 0 2 年，西安铁路客运分公司采用了动平衡试验和去重 设备一体的轮对数控动平衡自动去重机床，在生产实践过程中较以 前的设备无论从生产效率还是在检修精度上都得到了较大改善。 3 1 动平衡去重设备基本原理 列车运行时轮对上的不平衡量因为旋转产生离心力引发周期性强烈振 动，其幅度与列车行驶速度及轮对本身残余不平衡量大小有关，根据 这一原理，轮对动平衡去重机械充分模拟轮对真实运行状态，把速度 传感器和光电传感器检验到的模拟信号，通过以工控机为主机和带 c p u 的超大规模集成电路的测量系统进行检波、防大、采样、a d 转 换并计算出轮对上不平衡量的大小和角度，与数控系统进行实时通 讯，结果在显示、储存的同时传输到数控系统，数控系统根据设计时 建立的三维动态数学模型计算出需要切削的深度并生成自动去重轨迹 模型，控制专用铣削头三坐标联动进行铣削，在轮对两车轮内缘以不 平衡点位置为中心小于1 2 0 。的范围内进行无应力成型铣削，达到精确 去重的目的。动平衡机基本原理图见图3 1 。 3 2 动平衡去t 设备的主要新技术 动平衡去重一体设备打破了传统的测量和去重分离的工艺模式， 具有结构紧凑、操作集中、高精度、高效率和利于轮对大批量生产的 特点，另一方面，在动平德测量方式上采用了工控机数字测量、微电 子、模数转换、变频调速、光电转换、静压、液压、气动等高度光、 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 机、电、液一体化新技术，并且在去重铣削方式中应用数字控制技术 和微积分理论建立了适应多种速度级别轮对去重切削的三维动态数学 模型，新技术集中度较高。 图3 1 轮对动平衡去重设备基本原理图 亘塑窒望盔堂三矍亟婴塑生堂焦迨皇 苤! ! 亟 3 2 1 动平衡测方面 一是借鉴了德国先进的摩擦驱动技术，通过采用静压支撑使轮对 能自由滑行，模拟轮对真实运行状态，实现轮对无干扰测量的可能； 二是利用速度传感器和光电传感器检测模拟轮对真实运行状态时由于 动不平筏产生的振动信号，通过多个微处理器( c p u ) 组成的具有双 路高速a d 转换、程控跟踪放大和跟踪滤波、转速实时测量、数据实 时传输、基准信号模拟、振动信号模拟和控制等功能的超大规模集 成测量电路以及工作在w i n d o w s 9 8 平台专用测量软件下的工控机采样 分析，由于速度传输、处理速度和能力的精确、方便、快捷等强大的 功能，能迅速测量出轮对不平衡量的大小和角度，测量精度显著提 高，达n e 一 一9 0 以上，为去重加工提供了准确无误的 数据。 在传统的动平衡测量方式中，在动平衡测量时，在轮对轴端连接 万向节，通过万向节来驱动轮对高速旋转，完成动平衡测量。由于动 平衡测量时轮对与万向节连接在一起，与轮对一起高速旋转，无法脱 开，万向节上固有的不平衡量附加在轮对上，给轮对一个附加的不平 衡量，对轮对的动平衡测量产生干扰，本来就不是轮对的真实状态， 造成动平衡测量数据精度差( 考核动平衡测量的两个重要指标：最小 剩余不平衡偏心岛。3 0 岬。动平衡一次性减低率u r r ， 6 0 ) ，直接 影响了去重的准确性，轮对动平衡测量效果达不到应有的要求。因此 这种测量方法满足不了精密动平衡测量的要求。 除考核动平衡测量精度两个常用指标“最小剩余不平衡偏心e ”和 “动平衡一次性减低率u r r ”外，像轮对这样的对称零件应该能做到 调头测量的一致性，但实际测量过程中却事与愿违，举例来说，使用 原来的轮对动平衡测量机，轮对与万向节的联接端需要做记号，复测 时不能把万向节连接在另轴端，否则无法校验，实践经验表明，轮 对调头测量的一致性误差常常在8 0 9 m 以上，而我国提速后规定的轮对 亘查窒塑盔堂王猩亟塑窒生堂鱼迨皇 笠! 亟 剩余不平衡量应在7 5 9 m 以内，显然，就算一个刚刚测量认为剩余不平 衡量为o 的绝对合格轮对，调一下头重新测量，剩余不平衡量发生了改 变，可能变为不合格产品，因此使用万向轴连接的动平衡机不能满足 快速轮动的动平衡要求。 轮对的轴颈是动平衡测量中需要保护的重点部位，在实际测量过 程中，轮对轴颈仍然采用滚子支撑，这对保护轮对轴颈非常不利，经 常造成轮对在这道工序上报废，有些虽然可利用，也在安全上埋下了 一定的隐患，尤其对提速后的车辆轮对，这种损伤更是致命的，也是 绝对不允许的。 针对以上问题，新的动平衡去重一体机应用最先进的光学、计算 机、微电子、机械、液压等技术，有效地解决了提速后2 0 0 公里小时 以下列车轮对的精密动平衡测量的工艺难题。它采用四个摩擦轮驱动 车辆轮对的踏面，实现轮对动平衡测量时所需的高速旋转，摩擦轮在 动平衡测最时自动脱离轮对，轮对自由旋转，轮对上没有任何附加的 不平衡量和惯量，另外，轮对轴颈支承在静压油膜上，轮对旋转的阻 力很小，这样模拟轮对运行的真实状态，为动平衡测量系统提供真实 有效的信号，为精密动平衡测量打下良好的基础。同时由于静压油膜 的支承，轮对轴颈完全无机械性摩擦，轴颈表面得到有效的保护，基 本消除了轮对在这道工序上的报废现象。动平衡测量时，通过速度传 感器和光电传感器采集模拟信号，由自带c p u 的超大规模集成和具有 光耦合功能的微电子测量系统进行滤波、检波和信号放大，最后由工 业控制计算机中的专用动平衡测量软件进行采样分析，采样周期短， 可迅速、真实、精确地得出轮对不平衡量的大小和不平衡量在轮对上 的位置，达到精确测量的目的。这种轮对精密动平衡测量方式，可以 达到“最小剩余不平衡偏心8 岬，动平衡一次性减低率u r r 9 0 ”，轮对调头测量的一致性误差为4 2 5 9 m 以下。 3 2 2 铣削去重方面 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第15 页 动平衡去重一体机在铣削去重方面应用了西门子数控系统和微积 分理论，建立了适应多种轮对去重切削的三维动态数学模型，不仅实 现了精确去重的目的。还实现了无应力切削的效果，彻底消除了轮对 去重后的安全隐患。 车辆轮对是列车走行部分最重要的部件，不同速度级别的轮对在 结构和尺寸上有所不同，客车和货车轮对在结构和尺寸上也不同，同 一种类轮对的车轮还存在形体不规则和尺寸公差范围大等显著特点， 其中形体不规则就是我国现行的工艺水平还不高造成的，尺寸公差范 围大则是出于经济性的考虑。因此，在这么复杂因素的前提下，精确 的去重加工难度非常之大。从以往应用与轮对动平衡测量后去重的工 艺来看，凭经验用偏心车削和称重的方法显然是不行的，据有关数据 表明，偏心车削和称重的去重方法一次只能去除不平衡量的6 3 ，并 且切削深度和形状、范围完全依赖于操作者的经验或情绪，人为因素 影响很大，精度和效率都非常低，切削后形状也不规则，去重切校后 轮对容易产生应力集中，使部分轮对埋下了安全隐患，满足不了提速 后的新要求，因此在工艺上有待改进。 动平衡去重一体机首次使用铣削去重工艺，同时应用微积分和现 代数控理论，建立了适应车轮形体不规则和2 0 0 公里4 , 时以下多种轮 对的精确去重的独特三维动态数学模型，应用这个三维动态数学模型 编制专用的控制软件。专用数控软件能根据动平衡测量系统传输来的 测量数据，运用建立的三维动态数学模型自动计算出去重铣削深度、 位置和范围等，生成去重切削轨迹，控制三轴联动的铣削运动，达到 精确去重的预期效果。应用这种新工艺，与以往轮对传统的凭经验车 削去重相比，有着去重准确和设备动力小等特点，能切削出规则的形 状，使轮对在经过去重切削后没有残余应力，达到应有的要求，确保 了轮对加工后的运行安全。 3 3 动平衡一体机的主要结构组成 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第! 亟 动平衡一体机主要有两大部分组成，即动平衡测试部分和专用铣 削部分，且去重专用铣削部分置于动平衡测试部分的后方。 动平衡测试部分主要有摆架系统、驱动刹车系统、静压系统、气 动系统、以工控机为主的微电子测量系统和电控系统等几部分组成。 摆架系统是在动平衡测量时支撑轮对并产生振动信号，其上有静压轴 瓦、速度传感器及光电检测元件等高精度测试元器件。驱动刹车系统 是实现轮对动平衡测量时的旋转和测试完后对高速轮对实行制动。静 压系统提供平衡测量时轮对旋转所需的高剐度油膜。气动系统控制驱 动刹车系统的摆动动作。以工控机为主的专用动平衡微电子测量系统 进行动平衡测量时的数据采集与处理。电控制系统主要是用变频器实 现轮对旋转无极调速和以可编程控制器实现过程自动控制的。 去重专用铣削部分由托架、驱动箱和从动箱、左右铣削头和数控 十字滑台、液压系统、数控系统、排屑装置等组成。托架是为防止吊 装轮对时冲击动平衡测试摆架上的支承轴瓦，保护轴瓦和摆架，避免 造成动平衡检测不准确的后果。驱动箱和从动箱装在机床的床身左右 两端，在铣削去重过程中起支承、定位和夹紧轮对的作用，数控系统 带动主轴旋转，主轴则通过驱动盘带动轮对转动来进行去重切削加 工。两套结构相似的左右铣削头分别用于轮对左轮及右轮的去重切 削，背靠背对称安装在动平衡测试部分后方的同一个数控十字滑台 上，其中数控十字滑台x 轴( 平行于轮对轴线) 使铣削头产生轴向切 削运动，z 轴( 垂直于轮对轴线) 使铣自q 头产生径向切削运动。铣削 头主轴线在水平面内与驱动箱和从动箱轴线的夹角为2 0 。，且于轮对左 右轮内缘面斜度一致，保证了轮对去重切削面与原内缘面的圆滑过 渡，机床采用的数控十字滑台是两座标数控十字滑台，用滚珠丝杠传 动，导轨贴塑处理。液压系统用来控制托架、从动箱上项尖、驱动箱 上顶尖的动作，完成轮对装卸和去重加工时夹持、定位需要。在铣削 头的下方设立了排屑装置，把去重时铣削的铁屑自动排入铁屑箱。数 耍堕奎塑盔堂三塑塑主婴塞生堂焦迨窒塑三亟 控系统通过显示器可以了解机床的工作情况，其内装式p l c 实现去重 加工和装卸轮对的过程控制。 3 4 产品性能 动平衡去重一体机用于我国提速后列车轮对的精密动平衡测量与 精确去重切削，能满足1 4 0 公里d , 时、1 6 0 公里j 、时、2 0 0 公里，j 、时列 车轮对的动平衡测量与去重要求。其主要性能指标为： 动平衡测量最小剩余不平衡偏心：e m a r 一 9 0 ； 测量转速范围：2 0 0 。4 0 0 r p m ； 适应列车轮对重量范围：7 5 0 1 8 0 0 k g ： 工件长度范围：1 5 9 8 2 2 9 4 m m ； 适应列车轮对轴颈范围：p 1 3 0 一q ) 1 5 0 m m ； 每件工作节拍：2 5 分钟。 3 5 动平衡去重设备 郑州铁路局西安客运分公司使用的动平衡去重设备为江西中机科 技产业有限公司生产的轮对数控动平衡自动去重机床a 型。设备照片 见图3 2 及3 3 。 3 62 0 0 2 年轮对动平衡及去重实践统计分析 动平衡去重工艺是我目前采用的工艺方法，采用去重工艺尤其是 采用一体机以后。检修工作效率大大提高了，而操作工人的劳动强度 却大大降低了，因此采用动平衡一体机在一个时期曾给检修工作带来 很大的改善。但是，随之而来的也有不尽人意的事情发生，动平衡去 重一体机是根据动平衡试验测定的数值，由计算机确定去重部位和去 重质量，再将数据和命令传递给机加工部分，在轮辋上进行铣削加 工，经过铣削后，轮辋在圆周方向或多或少产生了变化，这种变化的 产生，轻者降低车轮的整体强度，重者影响车轮的使用，必须降级使 图3 - 2 轮对数控动平衡去重机床 图3 3 轮对数控动平衡自动去重机床 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 9 页 用或者报废。轮对铣销去重加工示意图见图3 - - 4 。目前经常会出现动 平衡后轮对由快速车轮对降级为双客轮对，还出现了少数轮对报废的 现象。表3 1 为2 0 0 2 年7 月动平衡试验的原始数据，表3 - 2 为2 0 0 2 年西安 铁路客运分公司客修中心全年动平衡统计数据。 图3 4 轮对铣销去重加工示意图 在表3 一l 中，序号为7 的轮对，在经过动平衡去重后由于右面车轮 的轮辋厚度变小，超过了快速车轮对使用限度，不能再继续使用，因 而报废；序号为8 的轮对。由于轮辋的厚度方向超限，由快速车轮对降 级为双客轮对，在上表中还可以看出，由于要在轮辋圆周面上进行切 削，轮辋的厚度都发生了变化，这样加速了轮对的降级使用或报废的 进程。另外由于偏重量大的原因，有些轮对要进行两次切削，轮辋变 化最大量为4 m m ，在轮辋厚度方向上出现凸台，因此给轮辋的厚度测 量也带来一些麻烦，使现场工人在测量轮辋厚度时不易掌握标准。综 上所述，轮对经过去重后，去重部位轮辋厚度均发生改变，降低了车 轮的强度，致使轮对降级使用或报废现象时有发生，增加了修车成 本。 垂查窒望盔堂至猩亟主堡窒生堂垡迨- 史 蔓垫至一 赫 rrr rr魁rr r r r r 蛞 占 般窿般l 墨窿臣般链 陵 窿窿 疑 弼是 s 8霹8 器矗b s b b b 埘梅悄诵轼怕 伯 删 饵 刈 蛙晕 0 蓑蔷 tf 蓑 苯 妻 们 制制 t 簧嚣 导n 篓 t 审 榧忙忙 暑n 魈帮魁 霉8 t 蓑 s 鼍 杈黼 f篓州lt 喜 tn 蓊 忙 f 忙 寸畸。! 魁 n 鹚 n 捌 是 卜 搴 ： 宝 s ： 搴 兰 瞧 百謦 羹量 搴 羁弱 l l 驾 托懈 姐 树 q 圈刈刈 岩 q q 司 q 司 舢 q 司 q 司 捌 婚器鲁 帽 一n 舶 蛞 钿 l 州 豫 一 备 刍 奢 善 寒 bk 。 o 室 霎 譬 高 h一 翠 螺 三 篓离 寮 一 曼 叶 叶 啊 ： 一一 逶一 h 舶 乞 套 。 k 藿 套 n 姿 一 譬 鬯 尊 = 一 譬 硭 蕃 = =口 囊 i = = 竹 = 叶 一 一 豫 捌 寓 一 谗 塞莹 善 。 k 薹 k k 霆 蚤 基每 高 一 霎 鬯 一n 。 划 - _ 一 呻 囊 霉 簸 r 隧 羔 k 翼 葛 色 藿 色 翟 k 誉 器 鏊 苫 描 襄 鐾 磊 萎 _ 一 _ nn 义 遗 姿 运 | 喜 譬 葛 萋 譬 至萎 薹 2 萎 釜 至 廷 窭 - 一 。 。 雹 量 塞 砰蝶骝鞍隧槲悄靛刁睾叹卜蚌n00n 亘直窒望盔堂三塑亟圭堑窒生堂丝迨窒 璺2 l 巫 表3 - 22 0 0 2 年西安铁路客运分公司客修中心全年动平衡统计数据 数量( 条)所占比重 动平衡试验轮对6 4 3 去重轮对数量7 51 0 0 降级使用轮对 8 1 1 动平衡试验后报废轮对 3 4 表3 2 中可以看出，降级使用轮对占去重轮对总量的1 1 ，由于去 重后轮辋厚度变化而报废的轮对占去重轮对总量的4 ，这些仅仅是表 面数据，实际上，有些轮对经过去重后，仍存在超过允许值的超重 量，基本上超过允许限度l o g 以t ，若完全按照机器的自动运行程序， 还要继续铣削，但如果继续铣削的话，必然带来轮对降级使用或报废 的后果，生产工人为了避免造成浪费，人为在偏重点的对应方向增加 一定量的配重值，使轮对在进行试验时程序的运行结果为合格。如果 考虑到这方面的因素，完全按照机器的运行程序进行的话，降级使用 轮对和动平衡去重后报废轮对所占的比重还会有所增加。 在实际的生产过程中，采用动平衡及去重一体机后，生产的数控 化得到了提高，加工精度及生产效率得到了提高，工人的劳动强度却 下降了，动平衡一体机对保证轮对动平衡质量，提高运行安全性方面 确实起到了积极的作用。但根据以上的统计数字我们也可以看出，动 平衡去重一体机的采用，从某些方面来讲增加了修车成本，造成了不 必要的浪费，因此我们有必要去寻找更合理的检修工艺，避免对轮对 造成人为损伤，更充分地利用轮对的使用寿命，延长其服役期，降低 修车成本进而降低企业的运营成本，这是我们有必要解决也是必须解 决的问题。 亘塑窒堕盔堂三墨塑主堑塞生堂鱼迨塞蔓! ! 夏 4 动平衡加重工艺 动平衡加重就是在确定了不平衡量后，在校正面上不平衡量的负 方向上，有意给回转体附加上一部分质量，以使原有的不平衡量得以 消除。加重可采用补焊、喷镀、胶接、铆接和螺纹连接等多种配重工 艺。在轮对的动平衡生产过程中，实际上我们曾经采用过动平衡的加 重工艺方法，加重方法是在需要加配重的部位钻孔，用螺栓紧固平衡 块，当列车在快速运行的过程中，由于离心力的作用，往往出现螺栓 被剪切，平衡块脱落的现象，从而轮对平衡出现失稳状态，从而影响 列车运行品质，进而影响车辆运行安全。现在随着新材料新工艺的不 断发展，金属胶接材料和金属补焊材料应用越来越广泛，性能越来越 稳定，因此我们将这种新的材料环氧树脂应用到我们的动平衡工 艺中来，以期能带来更好的实际使用效果。 4 1 环氧村麝概述 环氧树脂是指高分子链结构中含有两个或两个以上环氧基团的高 分子化合物的总称，属于热固性树腊，代表性树