移动式机车车轮轮毂拆卸装置的设计和分析

2022-10-20刘义考邵伟豪陈吉祥

南方农机 2022年20期

刘义考，邵伟豪，陈吉祥

（湖州职业技术学院，浙江湖州 313099）

毋庸置疑，中国已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。大部分机车在凌晨0点到4点这个时间段是不会进行工作的，这段时间也称之为空白天窗期，主要用来维护铁路和检查机车的各零部件；在凌晨0点到4点以外的时间，机车会始终在铁路上运行工作。然而，长时间的运行必定会对机车车轮轮毂造成一定的磨损，所以机车车轮轮毂拆卸装置在其中发挥着至关重要的作用[1-2]。

1 移动式机车车轮轮毂拆卸装置的介绍

1.1 拆卸装置概述

移动式机车车轮轮毂拆卸装置整体结构如图1所示，装置左侧由加压站、主体罩、液压千斤顶、拉板、拉杆、导轨、导轨轮、伺服电机、同步带、V型槽、辅助移动式小车、升降手柄、螺栓等组成，装置右侧则由机车轮对、V型槽、辅助移动式小车、升降手柄、导轨、导轨轮、伺服电机、同步带、螺栓等组成。此拆卸装置采用了水平分离式拆卸方法，并设计了辅助移动式小车来实现整体装置的移动，是半自动装置，有利于工人师傅拆卸和安装。工人师傅根据机车运行工作的时间，定期通过超声波、磁力、平衡测试等方式检测出需要更换的轮对，再通过此装置进行拆卸更换[3-5]。

图1 装置整体结构图

1.2 拆卸装置工作过程

先由行车吊起磨损的轮对，通过行车来调整轮对于水平位置，然后放置在辅助移动式小车的V型槽上，轮对的两端准确卡在V型槽里。小车上的V型槽设计了可实现上下运动的方式，通过手动旋转V型槽上的升降手柄使轮对与液压千斤顶上下运动至同一水平线位置。随后伺服电机启动，带动同步带使两辆小车开始向左运动，当小车上的轮对移动至拉板和拉杆位置时，左侧车轮的左侧边与其拉板、拉杆贴合固定，紧接着由工人师傅手动在左侧车轮的右侧边安装上另一拉板，完成车轮两侧边的固定后，同步带与小车停止工作。然后启动加压站，加压站开始给油到液压千斤顶，液压千斤顶开始运行，在短暂的时间里向右对轮对产生冲击力，车轮在液压千斤顶冲击力的作用下实现车轮轮毂分离。在分离过程中，两辆小车会受到向右的推力，小车会沿着导轨方向右移，到达限位时停止运动。分离下来的车轴由上方吊着的行车来稳定住，拆卸下来的车轮和轮毂则由拉板、拉杆实现固定，然后利用行车促使轮对左右位置互换，再继续进行上述拆卸分离工作。工作过程如图2所示[6-7]。

图2 工作过程图

2 拆卸装置各零部件的介绍及作用

1）加压站：加压站是由驱动电动机、液压泵、油箱、节流阀、溢流阀等构件组成的液压装置，按驱动要求流向、压力和供油流量，适用于各个驱动装置机械上，这种液压系统可实现各种规定的工作。加压站最主要的作用是把机械能转化为液压能，根据系统要求来提供压力、流量和方向控制等多种功能，它是保证机械装置系统安全运转的重要设备之一。本装置的加压站放置在装置的最左侧，通过管道来连接液压千斤顶，负责将油输送到液压千斤顶，为液压千斤顶提供动力源。

2）螺栓：由头部和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部分组成的一类紧固件，需与螺母配合，用于紧固连接两个带有通孔的零件。用于固定和连接装置的大部分结构，通过螺栓将两个工件连接在一起。

3）主体罩：主体罩内部有拉杆、液压千斤顶等部件，属于保护外壳。用来保护主体罩内部结构，能够严防灰尘及硬沙粒等进入内部，减少外界异物对内部结构的损伤，不仅不影响装置的正常操作，还增加了产品的美观性。

4）液压千斤顶：液压千斤顶是千斤顶中的一类，是一种以液体为工作介质，用来传递能量以实现工艺的机器。用来顶起重物，不仅在构造方面比较简单，而且便于携带，能够时常拿着液压千斤顶走动，效果十分不错。此装置中选择的液压千斤顶型号规格为DYG630-300T，支撑重量为630 t，材料为40Cr，安装在装置的主体罩内部，用于拆卸工作，产生冲击力使车轮和轮毂实现分离[8]。

5）导轨轮：亦称导向轮，是液力变矩器的反应元件，引导传动皮带移动或转换传动皮带方向时所用的一种滑轮。安装在相关部件的底部，相当于给部件加了双“脚”，带动其部件移动，协助装置工作。

6）拉杆：在装置中共设计了6条拉杆，一部分长度隐藏在主体罩内部，剩下的长度露在外头。装置中的拉杆不仅可以稳定住主体罩里的液压千斤顶，还能用来拉住和固定车轮，防止车轮在工作过程中掉落，提高了工作过程中的安全性。

7）拉板：在装置中共设计了两块拉板，一块拉板位于车轮左侧边，另一块位于车轮右侧边。左侧拉板与拉杆连接着，当装置启动时，与移动过来的车轮左侧边实现自动贴合，不需要手动安装到车轮；而右侧拉板则需要等左侧拉板与车轮左侧边贴合后，再由人工安装到车轮右侧边，需要手动安装。两拉板固定在车轮两边位置，保证在工作时整体轮对的稳定性，可随时进行拆卸安装，并且可以起到缓冲作用。

8）伺服电机：伺服电机是一种补助马达间接变速装置，在伺服系统中控制机械元件运转，是一种可以连续旋转的电-机械转换器，又称执行电动机。伺服电机的设计可以使两辆辅助移动式小车实现自动移动，分别安装在两辆小车上，运行PLC程序来带动同步带，用来启动小车工作，实现了装置的半自动化，减轻了工人师傅的工作强度[9]。

9）同步带：以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮啮合。在本装置中，同步带中的齿轮与轴相连接，带动齿轮来实现两辆小车同时运行，有着传动比准确、对轴作用力小、结构紧凑、耐磨性好、抗老化性能好等优点。

10）机车轮对：机车行走离不开轮对，轮对是实现机车行走的重要零部件，由车轮、车轴等零部件构成。机车轮对在本装置中扮演着需要拆卸的角色。

11）V型槽：两个辅助移动式小车的顶端都设计了V型槽，槽口呈现V字形状，用来放置车轴。其车轴左右两端卡在V型槽的槽口，支撑起车轴，防止掉落。车轴属圆柱体形状，采用V型槽能更好地稳定住车轴和轮对整体结构，提高装置的安全性。

12）辅助移动式小车：整体式移动装置，由同步带、伺服电机等部件构成。设计在装置的左右两侧，沿着导轨路线运动，可实现左右方向移动，有利于工人师傅操作。

13）升降手柄：装置的升降离不开升降手柄，小小的升降手柄在其中发挥着大大的作用。升降手柄位于辅助移动式小车上，用于控制V型槽的上升和下降，顺时针摇动手柄代表着上升，逆时针摇动手柄则代表着下降。不仅用于协助V型槽工作，添加V型槽可上下移动元素，还可以帮助两辆辅助移动式小车达到同一水平位置。

14）导轨：可承受、固定、引导移动装置，并减少其摩擦的一种装置。设置了两条导轨，是位于装置最底下的部件，采用直线往复运动，和导轨轮相结合，为辅助移动式小车等部件提供运动路线。其优点是可以同时承受上下左右的负荷，组装容易，并具互换性、磨耗少、能长时间维持精度等优点。各零部件分布如图3所示[10-11]。

图3 各零部件分布图

3 液压千斤顶结构设计分析

3.1 结构组成

1）动力元件：将原动机（电机、发动）输出的机械能转变为液体的压力能的液压泵装置。2）辅助元件：过滤器、油箱、管路等。3）工作介质：液压油、液压液。4）操纵控制元件：压力控制阀、方向控制阀、流量控制阀等。5）执行元件：液压千斤顶，又叫液压缸和液压马达。

3.2 材料

1）使用了高强度40Cr钢，精工打磨，内壁明亮，滚压加工，抗张强度。2）热处理调制工艺，采用了淬火+高温回火的双重热处理。3）活塞杆表面镀硬铬处理，铬层硬度900 HV，外圆磨，镜面工艺经久耐用。4）斯特封，格莱圈，防尘圈，耐磨环，导向带，支撑环，多道密封，高频使用。

3.3 产品参数

类型：DYG630-300T；吨位：630 t；行程：500 mm；本体高度：815 mm；伸张高度：1 315 mm；活塞直径：250 mm；油缸直径：360 mm；油缸外径：508 mm。液压千斤顶如图4所示。

图4 液压千斤顶

4 具备的条件、缺少的条件及解决方法

4.1 已具备的研究条件

1）通过网络搜索查阅到了机车轮对的整体结构和组成。2）研究了各零部件对轮对的重要性，理清了其内部结构。3）分析和借鉴了传统的拆卸机车车轮轮毂的方式。4）逐渐完善了各个零部件，每个零部件都从实际出发，设计出了新型移动式机车车轮轮毂拆卸装置。

4.2 尚缺少的研究条件

1）有部分小零件没有渠道购买，无法进行参照与实践。2）因为是有关于机车车轮轮毂的拆卸装置，所以相关市场能提供的相关信息和资料并不多，市场分析情况搜集比较困难。3）有关于以往机车车轮轮毂拆卸过程的视频寥寥无几。4）相关零部件资料的信息量不大。

4.3 解决方法

1）利用数车、铣车来根据图纸上的尺寸大小将其制作出来，做出多个零件进行对比，从而选择与目标尺寸最贴近的零件。2）通过现有网络资料来对机车车轮轮毂的拆卸过程进行深入分析。3）多查看和分析近几年关于机车轮对的磨损量，来得知市场的需要。4）向从事这方面的专业人士请教和了解相关信息。

5 材料清单

移动式机车车轮轮毂拆卸装置所需材料清单如表1所示。

表1 材料清单

6 拆卸装置创新点

1）辅助移动式小车：设计添加了装置的移动性元素，实现了装置可移动功能，便于工人师傅使用，减轻其劳动强度，节省工作时间。

2）拉杆：共设计了6条拉杆在装置左侧，用来装夹将要拆卸的车轮，预防工作过程中零件掉落，确保其过程的稳固性，提高装置使用安全性。

3）主体罩：属于部分部件的保护外壳，不仅起到了保护和稳定内部结构的作用，而且增加了产品的美观度。

4）拉板：共有两块拉板，其中一块拉板能自动贴合，另一块需工人师傅手动安装，固定在车轮的两侧边位置，保证在工作过程中整体轮对的稳定性，并可随时进行拆卸安装。

5）双长条导轨：设计在装置底部位置，为辅助小车提供运动轨迹。

6）支撑架：用来支撑和固定液压千斤顶，保证液压千斤顶有稳定的工作过程。

7）伺服电机：添加了PLC程序元素在其中，伺服电机启动来带动同步带工作。

8）升降手柄：设计了升降手柄来控制小车上的V型槽，实现V型槽上下运动的功能，根据实际情况来升降轮对，使其与液压千斤顶保持在同一水平位置。

9）水平分离式拆卸法：采用了水平分离式拆卸法，当车轮和轮毂经过液压千斤顶分离后，可以根据车轮和轮毂的磨损率来进行选择性更换，检测不合格的零件将重新换上新的零件，检测合格率达标的零件可以继续使用。

7 主要问题的处理

7.1 液压千斤顶规格大小的选择

液压千斤顶的规格大小需要根据机车轮对的形状、重量来选择，选择适用于此装置的液压千斤顶。查阅有关资料和视频，并经过多次探讨，最终选择型号规格为DYG630-300T，支撑重量为630 t，材料为40Cr的液压千斤顶。

7.2 液压千斤顶如何固定

液压千斤顶的作用是通过冲击力来分解机车车轮轮毂，所以对液压千斤顶的固定方式极其重要。尝试并验证了各种方法，逐一删选，最后设计了拉杆和支撑架来固定住液压千斤顶。

7.3 拆卸过程中如何固定住轮对

轮对需要通过液压千斤顶产生的冲击力来实现车轮轮毂分离，然而液压千斤顶会在工作过程中的一瞬间产生较大的冲击力，所以在液压千斤顶工作时稳定住轮对这极其重要。发明的装置必须要把安全放在第一位，每个细节之处都需层层分析设计，从实际出发。因此，在车轮两侧位置设计了可随时安装和固定其车轮的拉板，还另外设计了拉杆来同时稳定住车轮，由拉杆和拉板先固定住将要拆卸的轮对，再通过液压千斤顶实现车轮轮毂分离。这两处设计不仅大大保证了轮对在拆卸过程中保持较高的稳定性，装置整体的安全性也随之提升。