中車戚野堰機(jī)車有限公司 虞行國

軌道交通內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)及裝備

中車戚野堰機(jī)車有限公司 虞行國

我國軌道交通裝備的電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、動(dòng)車組、鐵道客車、鐵道貨車、城軌車輛、機(jī)車車輛關(guān)鍵部件、信號(hào)設(shè)備、牽引供電設(shè)備、軌道工程機(jī)械設(shè)備等系統(tǒng)和車輛，支撐著我國軌道交通事業(yè)的發(fā)展。在以國家實(shí)施的《中國制造2025》和“一帶一路”戰(zhàn)略指引下，軌道交通裝備制造業(yè)在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色環(huán)保等方向的發(fā)展有廣闊的前景。

根據(jù)目前的形勢(shì)，全球軌道交通裝備市場(chǎng)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，泛亞高鐵、中亞高鐵、歐亞高鐵、中俄高鐵四條世界級(jí)的高鐵線路，在亞投行的正式運(yùn)營(yíng)下，會(huì)有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。加上中國中車的品牌得到不斷強(qiáng)化和提升，品牌“溢出”效益將顯現(xiàn)，越來越多的國家會(huì)選擇中車的高性價(jià)比產(chǎn)品。中車海外市場(chǎng)份額會(huì)越來越大,軌道交通裝備市場(chǎng)需求潛力巨大。中國中車采用280系列柴油機(jī)的內(nèi)燃機(jī)車已經(jīng)先后銷往幾內(nèi)亞、伊朗、沙特、委內(nèi)瑞拉等國家。2016年2月27日首列由哈爾濱始發(fā)終到葉卡捷琳堡的“中俄”國際貨運(yùn)班列正式發(fā)車，這標(biāo)志著中國北疆對(duì)俄貿(mào)易交通網(wǎng)絡(luò)又增加了一條新的鐵路貨運(yùn)通道。擔(dān)當(dāng)牽引“中俄”國際貨運(yùn)班列的火車頭就是中車精心制造的HXN5型內(nèi)燃機(jī)車。

內(nèi)燃機(jī)車在現(xiàn)階段各個(gè)領(lǐng)域還都在廣泛地應(yīng)用，例如船用、鐵路、工程機(jī)械、發(fā)電等，在遇到戰(zhàn)爭(zhēng)和突發(fā)的災(zāi)害時(shí)期更加能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)和作用。但在科技發(fā)達(dá)、技術(shù)進(jìn)步和綠色環(huán)保要求的今天，用戶對(duì)內(nèi)燃機(jī)車的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用的出功功率、油耗、噪聲、機(jī)破等指標(biāo)有更高的要求。這就要求設(shè)計(jì)人員具有符合國際標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思路，制造廠商有先進(jìn)的制造工藝和先進(jìn)高端的制造設(shè)備來迎合市場(chǎng)的需求。

內(nèi)燃機(jī)車的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體制造技術(shù)及裝備

內(nèi)燃機(jī)車的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)總成有上千個(gè)零件所組成，但是我們所說的關(guān)鍵還是五大件，即：機(jī)體、曲軸、凸輪軸、連桿和缸頭等。（見圖1）

作為內(nèi)燃機(jī)車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)總成的母體當(dāng)然是機(jī)體。柴油機(jī)機(jī)體是一個(gè)典型復(fù)雜的箱體零件，是裝配各個(gè)零部件的基礎(chǔ)件，八個(gè)表面平面上大約有大小螺栓孔上千個(gè)，而且箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而對(duì)V型柴油機(jī)機(jī)體主要精度尺寸體現(xiàn)在三孔即主軸承孔、二側(cè)凸輪軸孔、氣缸孔和這三孔的空間相交尺寸。這些孔徑的精度尺寸直接影響到柴油機(jī)的使用壽命和造成機(jī)破事件發(fā)生的機(jī)率。

針對(duì)柴油機(jī)機(jī)體主軸孔和凸輪軸孔的精度有著較高的精度要求，要求機(jī)體在5m長(zhǎng)度的九檔孔徑上，主軸孔直線度全長(zhǎng)誤差要控制在0.08mm，兩孔之間相鄰誤差要控制在0.035mm；同樣凸輪軸孔直線度全長(zhǎng)誤差要控制在0.10mm，兩孔之間相鄰誤差要控制在0.035mm的精度。這就要求加工柴油機(jī)機(jī)體的設(shè)備具有和滿足加工高精度、精度保持性好，同時(shí)還要有先進(jìn)的加工工藝及強(qiáng)大的數(shù)控功能支撐。并且還需要嚴(yán)格控制和掌握設(shè)備在加工機(jī)體時(shí)工件壓裝時(shí)的變形量等一系列因素。這就是機(jī)體加工的技術(shù)難點(diǎn)和相適應(yīng)的裝備制造技術(shù)難點(diǎn)。如圖2所示。

加工機(jī)體時(shí)，要達(dá)到加工的精度難點(diǎn)就在設(shè)備本身X軸的直線度是否達(dá)到工藝要求。臺(tái)面移動(dòng)式的數(shù)控龍門加工中心X軸的精度要比龍門框架式移動(dòng)的精度要高，因?yàn)檫@二種形式的機(jī)床結(jié)構(gòu)受到基礎(chǔ)的變形和溫度的變化不同，會(huì)直接影響到產(chǎn)品的加工精度。目前有國外機(jī)床廠家考慮到溫度變化對(duì)精度的影響，在龍門框架的結(jié)構(gòu)上采用龍門立柱不于床身剛性聯(lián)接的方案，避免因溫度變化而引起床身熱脹冷縮以及立柱因溫度變化造成主軸中心線前傾后仰互相干擾的現(xiàn)象。因機(jī)體形狀和結(jié)構(gòu)所決定，加工時(shí)不是三軸聯(lián)動(dòng)一刀加工成形，而是有X、Y和Z軸分段插補(bǔ)程序運(yùn)行，特別要求Y、Z軸進(jìn)行九次以上定位加工的重復(fù)定位精度指標(biāo)。因?yàn)樵诩庸ぶ鬏S孔和凸輪軸孔時(shí)，都是通過滑枕及附件銑頭一檔一檔地進(jìn)行加工，Y軸和Z軸的多次重復(fù)定位精度決定主軸孔的直線度。同時(shí)附件銑頭有二項(xiàng)精度會(huì)影響產(chǎn)品的直線精度，即附件銑頭的主軸中心線與滑枕主軸中心線的中心偏差以及附件銑頭180°轉(zhuǎn)中心的偏差精度都應(yīng)該小于0.01mm，在加工箱體零件時(shí)附件銑頭從0°、90°、180°、270°旋轉(zhuǎn)后才能保證加工的產(chǎn)品在直線度和垂直度方面符合加工工藝要求。這兩

圖1　內(nèi)燃機(jī)車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)總成和加工中的機(jī)體

圖2　柴油機(jī)簡(jiǎn)圖和加工壓裝

個(gè)中心線偏差越小越能反映和保證主軸加工的中心點(diǎn)和裝置附件銑頭加工的中心點(diǎn)在空間尺寸鏈的精度（見圖3）。

目前在加工內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)機(jī)體的行業(yè)內(nèi)，設(shè)備制造廠家有：意大利的英賽貝拉爾蒂、德國瓦德里?！た票?、德國瓦德里?！は８⒎▏ダ姿固亍だ飪?nèi)、日本三菱等，其中最具有代表性的還是德國瓦德里?！た票す镜臄?shù)控龍門加工中心。在設(shè)備硬件設(shè)計(jì)上具有精度穩(wěn)定切削高剛性，導(dǎo)軌全靜壓無磨損，附件頭配套齊全，在軟件設(shè)計(jì)上接地氣符合用戶的需求，多年積累的加工工藝得到廣大用戶的肯定。

雖然國產(chǎn)大型龍門加工中心關(guān)鍵功能部件都選用進(jìn)口件，但還是只承擔(dān)柴油機(jī)機(jī)體的粗加工和半精加工工序，精加工工序全被德國、日本等國際品牌進(jìn)口設(shè)備所壟斷，我國的設(shè)備現(xiàn)狀離高端裝備制造應(yīng)具有的高精高效以及設(shè)備故障自診斷、加工自適應(yīng)、附件系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別、在線自動(dòng)補(bǔ)償及測(cè)量等智能化功能還存在差距，絕大部分工作還需人工干預(yù)完成，這有待我們彎道超車，追上和縮小與世界先進(jìn)制造業(yè)的設(shè)計(jì)思想和工藝制造水平差距。

圖3　主軸孔加工和附件銑頭的精度測(cè)量

內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)曲軸的制造技術(shù)及裝備

如果把發(fā)動(dòng)機(jī)比喻為柴油機(jī)車“心臟”的話，曲軸（見圖4）則是“心臟中的心臟”。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受沖擊載荷、傳遞動(dòng)力的重要零件，在工作中它要承受交變載荷、彎曲和剪切應(yīng)力，對(duì)疲勞、耐磨和強(qiáng)度等性能指標(biāo)都有較高的要求，同時(shí)對(duì)材質(zhì)的毛坯、熱處理工藝等都有嚴(yán)格的技術(shù)操作流程。一根5t左右重的全纖維擠壓曲軸從毛坯加工到成品，需要從粗車主軸頸、粗車連桿頸、半精車主軸頸、半精車連桿頸、精車主軸頸、精車連桿頸、粗磨主軸頸、粗磨連桿頸、精磨連桿頸、精磨主軸頸、熱處理、檢查、化驗(yàn)等近40道子工序。對(duì)于形狀不規(guī)則的曲軸產(chǎn)品加工是典型細(xì)長(zhǎng)軸加工，該產(chǎn)品對(duì)磨床設(shè)備來講無疑是精度要求最高、復(fù)雜程度及相關(guān)干涉因素最多，是產(chǎn)品零件達(dá)到工藝要求的最終加工機(jī)床。對(duì)能夠加工工件長(zhǎng)度超過6m以上，重量超過5t，工件的主軸頸和連桿頸表面粗糙度要達(dá)到Ra=0.4 ～0.6μm，主軸頸、連桿頸直徑公差在0.008mm，主軸頸和連桿頸直線度在0.01mm/ 200 mm，連桿頸圓柱度0.015mm，連桿頸分度±15″的技術(shù)要求并且能加工不同角度和不同偏心量（沖程量）的主軸頸、連桿頸磨削的大型曲軸磨床的要求就更高了。

針對(duì)主軸頸直徑、連桿頸直徑、連桿頸平行度、圓柱度、表面粗糙度、主軸頸跳動(dòng)等這么多的精度要求，曲軸磨床本身的制造也是經(jīng)過一系列的發(fā)展。最原先的加工工藝是采用兩臺(tái)磨床或者兩道工序，分別對(duì)主軸頸直徑和連桿頸直徑進(jìn)行切入式磨削。特別在連桿頸直徑磨削時(shí)需多次調(diào)整偏心距和角度分度才能完成對(duì)連桿頸的磨削加工，并且還要考慮曲軸的偏性配重裝置。早期形式的磨床頭尾架是通過機(jī)械同步軸傳動(dòng)和頭尾架電動(dòng)機(jī)同步傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的（見圖5）。

圖4二種平衡塊結(jié)構(gòu)形式的曲軸

圖5機(jī)械同步軸傳動(dòng)和電機(jī)伺服同步傳動(dòng)曲軸磨

但是，要使主軸頸和連桿頸的精度達(dá)到0.02mm，特別是對(duì)多缸機(jī)的多拐連桿頸相互平行度的精度達(dá)到0.02mm是很難保證的。大型曲軸質(zhì)量大，具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，故其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)需要很大的驅(qū)動(dòng)力矩；另一方面大型曲軸長(zhǎng)徑比大曲拐的空間分布情況復(fù)雜，又因曲軸整體抗扭剛度較低，因此曲軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形,這就需要設(shè)備的頭架尾架在同步上下功夫，做到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分度上分秒不差。所以頭架和尾架的同步技術(shù)水平?jīng)Q定曲軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的扭轉(zhuǎn)變形以及影響各連桿頸平行度的精度。

為了要達(dá)到高效加工及一次夾裝同時(shí)磨削主軸頸和連桿頸又保證磨削精度，目前在進(jìn)口大型磨床設(shè)備上已經(jīng)采用新的磨削工藝即隨動(dòng)磨削或者稱跟蹤磨削。為提高大型曲軸切點(diǎn)跟蹤磨削的工件輪廓精度，克服曲軸扭轉(zhuǎn)變形對(duì)連桿頸形位精度的影響，高精度高響應(yīng)特性的砂輪架進(jìn)給系統(tǒng)以及切點(diǎn)跟蹤磨削運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差控制，砂輪架進(jìn)給系統(tǒng)是切點(diǎn)跟蹤磨削的關(guān)鍵部件。砂輪架進(jìn)給系統(tǒng)及切點(diǎn)跟蹤磨削運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差決定主軸頸和連桿頸圓度精度，它對(duì)保證連桿頸磨削的輪廓精度起著至關(guān)重要的作用，也是考核設(shè)備優(yōu)良的關(guān)鍵項(xiàng)目。圖6是曲軸隨動(dòng)磨。

曲軸隨動(dòng)磨床在使用和工藝上有著其優(yōu)越性，不斷地得到用戶廣泛應(yīng)用和肯定。但是，在制造上因其裝備制造硬件精度及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在軟件技術(shù)應(yīng)用技術(shù)含量高，所以國外制造這種大型曲軸隨動(dòng)磨床的沒有幾家，例如捷克的TOS、日本的唐津、德國的英格索爾那克沙斯等。我國的上海機(jī)床廠多年的能力已經(jīng)研制成功了能夠磨削8m長(zhǎng)的大型曲軸隨動(dòng)磨床（見圖7）。

該設(shè)備在外形設(shè)計(jì)、配套件布局、操作性能以及強(qiáng)大的功能暫時(shí)還不能與國外高端機(jī)床進(jìn)行比較，但是已經(jīng)基本滿足大型曲軸的工藝要求，同時(shí)要不斷地通過完善和提升在線自動(dòng)測(cè)量和撓度線性測(cè)量、圓度自動(dòng)采集補(bǔ)償?shù)纫幌盗羞m應(yīng)曲軸磨削加工的自動(dòng)化智能操作手段和完善的功能，讓用戶通過使用和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考核來證明產(chǎn)品的可靠性和可行性?！?/p>

圖6　曲軸隨動(dòng)磨

虞行國，中車戚墅堰機(jī)車有限公司設(shè)備專家，江蘇興業(yè)機(jī)電設(shè)備有限公司總工程師，在設(shè)備選型和維修方面有很深的造詣。