許 競，王 斌，許廣立

(北京華信邦威自動控制設(shè)備有限公司，北京101118)

我國鐵路貨運重載、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，對承載鞍的運用檢修質(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)向架輪對滾動軸承和側(cè)架導(dǎo)框之間，傳遞輪重動載荷和輪軌沖擊載荷等，承擔(dān)著輪對軸承座的作用。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)計和安全運用要求，鐵路部門制定“鐵路貨車段修規(guī)程”標準，規(guī)定貨車段修時，必須對各工作面進行檢測，超過限度時修復(fù)或更換新品。承載鞍作為輪對支撐的活動支點，同時具有傳遞輪重載荷和防護滾動軸承的雙重功能，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量器具》規(guī)定的檢測工具和方法，對各工作面采用專用量塊、樣板和檢查尺等計量器具，進行手工檢查。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，對開發(fā)承載鞍檢測設(shè)備進行了反復(fù)探索和試驗。幾年前，國內(nèi)曾有幾次申報貨車承載鞍檢測設(shè)備“技術(shù)專利”的請求，并在期刊上發(fā)表研究論文等，其方案結(jié)構(gòu)形式各異，對該項目的研發(fā)做出不懈努力;鐵路外科研單位也曾進行如“基于視覺原理的承載鞍磨耗自動檢測系統(tǒng)”的研究、試驗等，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，沒有達到應(yīng)用的效果。

針對以往項目研發(fā)的存疑和難點，提出項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尺寸標準，提供實體標準樣塊(簡稱“標樣”)，采用標樣和工件對比的檢測方法，直觀完成對工件磨耗量的檢測;

②采用合理的工件定位方式和基準，開發(fā)精密的工件輸送機構(gòu)，為實現(xiàn)在一個工位上完成集中檢測創(chuàng)造條件，使標樣與工件檢測在同一條件下對比，獲得真實可靠的檢測結(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針對各檢測部位特點，進行檢測模塊創(chuàng)新設(shè)計，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選用先進電氣、氣動元件和滾珠線性滑軌運動部件，確保檢測模塊定位準確，滿足檢測質(zhì)量要求;

⑦采用模塊化設(shè)計，使檢測模塊可進行三維空間的位置轉(zhuǎn)換和定位，實現(xiàn)多品種通用化檢測需要;

⑧解決設(shè)備程序自動化和檢測系統(tǒng)信息化等機電一體化開發(fā)，實現(xiàn)每分鐘內(nèi)檢測一件的設(shè)備能力。

采用標樣比較法的承載鞍自動檢測設(shè)備開發(fā)項目始于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)向架承載鞍的自動檢測設(shè)備。首次采用標樣比較法對承載鞍進行檢測;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。完成了對轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架承載鞍的自動檢測，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年確定對本項目繼續(xù)開發(fā)。適逢鐵路貨運發(fā)展和鐵路體制改革的關(guān)鍵時期，該項目并未獲得科研立項，由研制單位利用技術(shù)優(yōu)勢進行自主研發(fā)，并廣泛尋求與鐵路用戶合作，盡快取得成果。方案設(shè)計首先確定通用化目標，滿足對轉(zhuǎn)K1～轉(zhuǎn)K6等各種型號承載鞍檢測;結(jié)合現(xiàn)場實際確定采用程序控制、按鈕操作，自動完成工件送料→定位輸送→集中檢測→自動出料→不良品自動分離等各道工序總體布置;根據(jù)標準化、模塊化設(shè)計需要，落實所選用的先進機電產(chǎn)品配套件，提高設(shè)備精度和整機性能;協(xié)作開發(fā)專用“差動變壓器式接觸位移傳感器”和變送器設(shè)備;系統(tǒng)由工控機和PLC可編程控制器聯(lián)合控制，工控機完成傳感器數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換和運算處理，觸摸屏顯示，語音發(fā)布檢測結(jié)果，具有信息存儲和查詢、打印輸出功能，具有HMIS網(wǎng)絡(luò)接口等。

完成對設(shè)備硬、軟件技術(shù)設(shè)計，并解決試制中工藝技術(shù)問題，樣機于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，完成設(shè)備技術(shù)專利申報和技術(shù)文件歸擋等。為與有關(guān)部門合作，申報項目鑒定申請，開展設(shè)備現(xiàn)場運用試驗，完成新設(shè)備技術(shù)評審和標準審查工作提供條件。

1 新型承載鞍自動檢測設(shè)備的原理和方法

1.1 采用工件與承載鞍標樣對比的檢測技術(shù)方法

承載鞍檢測的標準依據(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)計圖尺寸相同，但制作精度提高1～2級。設(shè)備在對工件檢測前，首先對標樣按標定程序進行標定，設(shè)備對標樣各部位尺寸進行檢測處理和保存;當后續(xù)工件進行檢測時，以標樣標定的數(shù)據(jù)為基準進行比較運算，直接獲得各工作面的磨耗量數(shù)值及檢測結(jié)果。該標定數(shù)據(jù)在下次標定前自動保存，連續(xù)使用。各型標樣與其段修限度標準對照數(shù)據(jù)見表1。

表1 各型承載鞍標樣及段修規(guī)程磨耗限度對照表mm

標樣對比法的優(yōu)點:

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)果真實可靠;

②由于標樣制作精度高，除可檢測各工作面磨耗量外，還可以檢測到每個工作面位置變化情況(即形位誤差)，實現(xiàn)對工件質(zhì)量的全面控制;

③對標樣進行標定的同時，也對檢測設(shè)備的狀態(tài)進行校核，根據(jù)工控機標定界面顯示的傳感器預(yù)壓縮量數(shù)據(jù)(見圖6)，窗口自動顯示判斷結(jié)果，各預(yù)壓縮量在規(guī)定范圍時，顯示標定成功，否則需要調(diào)整觸頭位置重新標定確認。其實質(zhì)是對設(shè)備的診斷和確認，從而保證設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

對標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)計提高2個等級;各型承載鞍標樣的檢測面尺寸設(shè)計，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;標樣制作后需經(jīng)標準計量部門檢測合格，開具證明，同設(shè)備一并交給用戶保管。

1.2 承載鞍鞍面圓弧直徑檢測原理和方法

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));由計算機專用軟件運算，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Y=230 mm(D軸型)時，檢測基準值X=20.13 mm;當Y=250 mm(E軸型)時，檢測基準值X=18.23 mm;當中部高精度接觸傳感器量程范圍為3 mm時，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到微米級，可使鞍面圓弧直徑檢測精度達到約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樣進行集中檢測標定，其中包括對Y值的標定;當工件檢測時，所得到△Y值，即為鞍面磨耗量數(shù)值。

1.3 采用集中檢測技術(shù)

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，直至頂點位置，完成全部集中檢測工作。實現(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確;③構(gòu)件之間留有足夠安全距離，防止發(fā)生機構(gòu)干涉。集中檢測技術(shù)的實施，也為采用標樣比較法提供了有利條件。

圖3 集中檢測系統(tǒng)截面圖

1.4 承載鞍頂面檢測方法

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)整機構(gòu)組成。如前述，當中心鞍面定位檢測模塊將工件頂起到終點，觸頭向下的3組傳感器完成對頂面的數(shù)據(jù)采集。其中L11和L10可以檢測頂面偏磨:當兩觸頭之間距離為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)不同型號頂面尺寸換算求得并保存;由3個傳感器檢測值的平均值，可決定頂面總磨耗量大小。計算機按專用軟件計算檢測數(shù)據(jù)，并按表1磨耗限度值對號入座自動判斷檢測結(jié)果。

1.5 擋肩內(nèi)側(cè)面磨耗的檢測方法

在圖3顯示件2的鞍面定位檢測模塊上，設(shè)計有擋肩檢測外卡鉗模塊，卡鉗模塊由前后對應(yīng)的兩個等臂杠桿機構(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，當件2頂升時，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。

1.6 承載鞍導(dǎo)框磨耗檢測方法

如圖4所示，導(dǎo)框的6個工作面，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。每個傳感器組件由等臂直角杠桿機構(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;水平桿端部與觸頭向下的傳感器接觸。當件2頂升時，由各軸承滾輪的水平擺動位移，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

2 自動檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)技術(shù)特點

2.1 設(shè)備組成

由預(yù)檢上料臺位、工作主機、下料分選臺位和工控機組成(圖5)，占地約4 m2。上料部分包括工件預(yù)檢臺和氣吊上料機構(gòu)，預(yù)檢臺下設(shè)有各型標樣存放柜;工作主機包括機身、工作臺、定位輸送滑臺、頂升集中檢測模塊和機械手自動出料裝置等;下料分選設(shè)有滑道構(gòu)架、氣動撥桿和廢品復(fù)檢臺;工控機單獨設(shè)置，設(shè)有觸摸屏、打印機等，工控機與主機箱內(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;主機箱內(nèi)的氣動元件控制系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)相連，自動控制設(shè)備作業(yè)流程。工控機與PLC經(jīng)通訊互連，實現(xiàn)屏幕按鈕及機身按鈕盒的聯(lián)合操作。

2.2 工件定位機構(gòu)特點

采用兩次定位，提高定位精度。第一次定位基準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面，運用中為非磨耗面;一次定位塊安裝在輸送滑臺上(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，與固定弦刃口同時完成擋肩內(nèi)側(cè)及鞍面的定位。經(jīng)過廠內(nèi)試驗證明，第1次定位滿足了工件輸送準確的要求，第2次精確定位保證了工件集中檢測精度的要求。

2.3 檢測模塊位置調(diào)整和定位

檢測模塊和連接機構(gòu)分別安裝在可以進行三維空間運動的滾珠線性滑軌的滑塊上，組成對應(yīng)的檢測系統(tǒng);氣動系統(tǒng)共設(shè)置19個執(zhí)行氣缸，其中由11個執(zhí)行氣缸擔(dān)負檢測模塊定位，操作者在工控機操作界面輸入檢測工件型號后，系統(tǒng)自動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模塊定位時，需要增設(shè)部分位置擋塊、配件的方法加以調(diào)節(jié)。因此檢測型號改變時，應(yīng)留出設(shè)備調(diào)整準備和標定的時間。由于三維空間調(diào)整機構(gòu)節(jié)點多，必須采用無間隙、高精度的線性滑軌移動器件;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。實現(xiàn)模塊定位系統(tǒng)無松動，無擺動的精確要求。各檢測模塊定位、標定后，始終保持位置不變，由工件向上運動時完成集中檢測(圖3)，以保證設(shè)備檢測精度的要求。

2.4 氣缸驅(qū)動控制系統(tǒng)

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控制驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備各工序的閉環(huán)自動控制。

3 樣機運轉(zhuǎn)和出廠試驗

3.1 樣機運轉(zhuǎn)試驗

樣機總裝完成后，接入壓縮空氣進行運轉(zhuǎn)試驗及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，對上料系統(tǒng)、空氣管路及頂面檢測模塊自動調(diào)整機構(gòu)等改進完善;對出料工位增設(shè)光電傳感器報警，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;繪制標樣標準及加工卡具，制備轉(zhuǎn)K2型及轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架承載鞍標樣，為出廠性能試驗做好準備。

3.2 出廠試驗

(1)標樣標定試驗

圖6界面顯示，左側(cè)標定數(shù)據(jù)不在規(guī)定范圍，經(jīng)調(diào)試后再次標定顯示合格，按“確認”鈕后，轉(zhuǎn)入“檢測工作界面”。

(2)工件檢測試驗記錄

每日開工檢測第1個工件時，須打印檢測報告單(表2)，經(jīng)檢測、驗驗人員聯(lián)合確認后方可正式檢測。

圖5 設(shè)備安裝平面圖

圖6 設(shè)備標定界面

4 推廣應(yīng)用、完善及有關(guān)建議

(1)項目完善目標

該項目的技術(shù)性能和實際效果，需要得到鐵路部門認可。盡快通過現(xiàn)場試驗審查，與鐵路用戶合作完成產(chǎn)品技術(shù)評審。根據(jù)評審要求改進完善設(shè)備設(shè)計，使其適應(yīng)現(xiàn)場實際需要。

表2 承載鞍首件檢測報告單 mm

(2)推廣應(yīng)用效果評估

①用于段修檢測

自動化及通用性等要求增加了設(shè)備復(fù)雜程度，操作者必須進行上崗培訓(xùn):掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、性能和機械、電氣及傳感器調(diào)整技術(shù)，掌握工控機的使用，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)計每班可檢測約200－300件，當工件品種更換頻繁時檢測數(shù)量會降低。

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)過標準計量確認的各型承載鞍標樣的基準尺寸，輸入計算機存儲作為基準值，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)品標準尺寸比較，即可檢測出超差件，并可存儲檢測記錄，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)備采用先進技術(shù)方法，緊密結(jié)合生產(chǎn)實際，具有良好的適應(yīng)性，可靠性和通用性;機構(gòu)穩(wěn)定合理，測量準確，可以大幅度提高承載鞍檢測質(zhì)量，是一個全新的先進檢測技術(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，對確保貨車運輸安全具有重要作用。推廣使用具有良好的社會效益。

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