張秀娟，王博，楊大順，陳彥君，孟萌

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

鐵路貨車軸承密封罩拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)

張秀娟，王博，楊大順，陳彥君，孟萌

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

針對現(xiàn)有貨車軸承密封罩拆卸方式具有工作強(qiáng)度大和檢修效率低等缺點(diǎn)，以353130B型軸承密封罩為例，設(shè)計(jì)了一臺密封罩的拆卸設(shè)備，采用ANSYS Workbench對夾具進(jìn)行強(qiáng)度分析，獲得夾具較合理的結(jié)構(gòu)尺寸；并運(yùn)用CERO2.0軟件對設(shè)備進(jìn)行了虛擬裝配，驗(yàn)證設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性，同時給出設(shè)備的部分樣機(jī)，分析結(jié)果表明本設(shè)計(jì)具有自動化程度和拆卸效率較高，操作簡單等優(yōu)點(diǎn).

密封罩；拆卸設(shè)備；夾具；強(qiáng)度

0 引言

我國軸承檢修已基本實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn),但是鐵路貨車軸承密封罩拆卸,仍然停留在人工拆卸階段[1].人工拆卸密封罩存在拆卸速度慢,無法與自動化清洗線相配套，工作效率低，工人勞動強(qiáng)度大等問題.以2006年開始于貨車上使用的353130B型軸承為例，其LL型密封罩如圖1(a)所示[2]，該密封罩的主要拆卸方式有：①手工錘打.這種方式容易損傷軸承，且耗費(fèi)人力，工作效率低[3]；②專用拔出桿與套筒.拔出桿與套筒如圖1(b)所示，這種方式首先要找到軸承的退卸槽，然后人工進(jìn)行拆卸，其工作效率較低，工人勞動強(qiáng)度大[4- 5]；③密封罩拆卸鉤.拆卸鉤結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示，這種方式首先要在滿是油污的軸承上找到軸承拔罩拉桿連接孔的位置，然后才能進(jìn)行拔罩，工作效率低，而且無法與自動化清洗線相配套[5].綜上，設(shè)計(jì)開發(fā)一種貨車軸承自動拆卸設(shè)備十分必要.

(a) (b) (c)

圖1 LL型密封罩及現(xiàn)有的拆卸裝置

本文以353130B型貨車軸承密封罩為例，設(shè)計(jì)了一種新的密封罩自動拆卸機(jī)構(gòu)，通過專用夾具夾持軸承外圈，然后用氣缸帶動夾具，利用軸承和密封罩的相對運(yùn)動使得密封罩和軸承分離，實(shí)現(xiàn)密封罩的自動拆卸.在設(shè)計(jì)過程中，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench對夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，獲得夾具結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封罩拆卸時產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變的影響規(guī)律，從而獲得較合理的夾具結(jié)構(gòu)，最后采用CERO2.0對設(shè)備進(jìn)行虛擬裝配，并給出部分的樣機(jī)，驗(yàn)證密封罩拆卸設(shè)備的合理性.設(shè)計(jì)分析表明該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，軸承定位、密封罩退卸方式可靠，且省去尋找退卸槽以及將鉤子敲進(jìn)退卸槽的時間，因此工作效率較高.

1 設(shè)計(jì)方案

由于軸承外圈的形狀為圓形，選定用兩對夾爪對稱放置在軸承外圈的兩側(cè)，這樣可以保證夾具與軸承外圈相互之間的作用力均衡.拆卸時，保持軸承不動，通過氣缸帶動夾具，使得軸承和密封罩產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)密封罩的拆卸.在夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，首先需要知道拆卸密封罩所需的拆卸力以及密封罩和軸承外圈配合的最大過盈量，最大過盈量和拆卸力的計(jì)算過程如下：

1.1 最大過盈量

根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[6]，零件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大壓強(qiáng)：

式中,Pmax1和Pmax2分別為軸承外圈與密封罩不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大壓強(qiáng)；d為密封罩與軸承外圈的配合直徑，其值為238 mm；d1為軸承外圈內(nèi)徑，其值為234 mm；d2為密封罩外徑，其值為250 mm；σs1為軸承外圈材料的屈服極限，其值為210 MPa；σs2為密封罩材料的屈服極限，其值為110 MPa，則密封罩：pmax1=1.83 MPa;軸承外圈：pmax2=10.06 MPa.

零件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大過盈量[6]：

式中,δmax為零件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大過盈量；pmax零件不發(fā)生塑性變形所允許的最大壓強(qiáng)，取軸承外圈與密封罩最大壓強(qiáng)的較小者，即Pmax=Pmax2=1.83 MPa;E1和E2分別為軸承外圈和密封罩的彈性模量，其值分別為2.06×105MPa和1.2×104MPa[6]；C1和C2是為了簡化計(jì)算而引用的系數(shù)，其值為：

式中,u1為軸承外圈的泊松比，其值為u1=0.29[6]，u2為密封罩的泊松比，其值為u2=0.48[6]，所以零件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大過盈量為：

1.2 最大拆卸力

零件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大拆卸力為[6]：

式中,μ為軸承外圈40Cr與密封圈硅橡膠之間的摩擦系數(shù)，其值為0.3；L為密封罩與軸承外圈的配合長度，即密封罩外檐的高度，其值為10 mm.

考慮到車輪運(yùn)行工作環(huán)境惡劣，同時密封罩牙口凸臺從外圈牙口溝槽處竄出要克服較大的阻力，以及軸承外圈和密封罩之間配合面的銹蝕使得所需拆卸力大幅增大等因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式取實(shí)際拆卸力系數(shù)為1.5，通過上述計(jì)算結(jié)果可知實(shí)際軸承拆卸力大于理論計(jì)算的軸承拆卸力，遵照安全性原則，按較大的拆卸力計(jì)算，故取拆卸力F=4 102.78×1.5=4 923.33 N.

2 夾具設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具方案設(shè)計(jì)分為四個階段: 定位方案設(shè)計(jì)、夾緊方案設(shè)計(jì)、輔助元件選擇、夾具空間布置設(shè)計(jì)，其中定位和夾緊方案設(shè)計(jì)是關(guān)鍵[7].在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)參照以下具體定位原則:①以工件的平面或外形輪廓為基準(zhǔn)進(jìn)行定位時，常采用定位塊、支撐柱進(jìn)行定位.面定位主要限制零件定位面法向移動的自由度；②以工件圓孔內(nèi)表面為基準(zhǔn)進(jìn)行定位時常采用定位銷定位.孔定位主要限制垂直于孔軸線的切面中兩個移動方向的自由度；③以工件圓柱外表面為基準(zhǔn)進(jìn)行定位時常采用V 形鐵定位器[8].在確定了定位點(diǎn)后就需要確定夾緊機(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)針對每個定位點(diǎn)選擇可靠的方式進(jìn)行夾緊，將各壓緊塊連接為整體，選擇合適的開合角度及運(yùn)動方式便可實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)的功能.

鑒于以上原則，本次設(shè)計(jì)的定位方式采用燕尾槽定位，限制夾具其他方向的自由度.夾緊方案設(shè)計(jì)采用兩對夾爪對稱安裝于密封罩兩側(cè)的爪架上，保證夾具與軸承密封罩的橡膠相互之間的作用力均衡.橡膠和夾爪間摩擦力使得夾具在移動的時候帶動密封罩移動，從而將其從軸承上拆卸下來.輔助元件選擇用一對直線導(dǎo)軌來幫助夾具移動.夾具安裝在工作臺上，通過氣缸帶動實(shí)現(xiàn)夾具的夾緊與放松.夾具結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示.

(a)

(b)

夾爪設(shè)計(jì)為長方體形狀，為了增大接觸面積，在長方體一端設(shè)計(jì)為一個圓弧面，其直徑與密封罩外輪廓直徑相同.初步選用夾具夾爪的厚度為10 mm，其結(jié)構(gòu)示意圖及輪廓尺寸如圖2(b)所示.

2.2 強(qiáng)度分析

為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的夾具結(jié)構(gòu)是否滿足工作要求，采用有限元分析法對夾具進(jìn)行了強(qiáng)度檢驗(yàn).利用ANSYS Workbench中的建模工具Design Modeler建立了密封罩與夾具的過盈配合彈性接觸三維分析模型，倒角和邊棱等對接觸應(yīng)力和變形的影響較小，建模時對其進(jìn)行了簡化將其忽略.對密封罩和夾具之間的受力情況進(jìn)行模擬分析，密封罩和夾具都是軸對稱結(jié)構(gòu)，為了簡化分析過程，采用四分之一模型進(jìn)行分析[9].密封罩與夾具間的摩擦系數(shù)為0.3.密封罩和夾具的單元類型為二階四面體,單元數(shù)為13 962，節(jié)點(diǎn)數(shù)為23 598.根據(jù)多體部件發(fā)生面-面接觸時建立接觸對的原則[10]，本文以密封罩表面為接觸面，夾具表面為目標(biāo)面.

根據(jù)密封罩拆卸設(shè)備實(shí)際工作情況，對密封罩施加徑向約束，來模擬密封罩在實(shí)際運(yùn)行過程中不能發(fā)生徑向運(yùn)動.密封罩所受的載荷包括慣性載荷和非慣性載荷：對于慣性載荷，這里我們不加以考慮.非慣性載荷有夾具對密封罩的載荷以及軸承外圈與密封罩之間的載荷.由于采用四分之一模型進(jìn)行分析，所以對夾具施加沿Y軸向上均布的大于所需拆卸力4 923.33×1/4≈1 230 N的力，本文取1 300 N，模擬來自氣缸的的軸向力.其有限元分析模型如圖3所示，軸承密封罩與夾爪的材料屬性如表1 所示.

圖3 有限元分析模型

表1 夾爪和密封罩材料屬性

有限元分析結(jié)果如圖4所示，具體數(shù)值如表2所示.從圖4(a)中可以看出，接觸變形主要集中在密封罩上，這是因?yàn)殡S著與接觸區(qū)域距離的增加，密封罩所受力矩逐漸增加，所以密封罩的變形量就越大.密封罩的最大變形量為0.179 07 mm，變形量很微小，因此拆卸密封罩過程中基本不會出現(xiàn)由于密封罩的形變使得夾具裝夾不緊的情況.由圖4(b)可知，接觸應(yīng)力主要集中在夾爪截面尺寸突變的位置.這是由于上述部位受到集中應(yīng)力和尺寸突變的影響而產(chǎn)生了應(yīng)力集中.由圖4(c)可知，夾具的最大等效應(yīng)力發(fā)生于夾爪的截面尺寸突變處，其應(yīng)力值為138.12 MPa <[σ]=211.1 MPa，故強(qiáng)度滿足要求.有限元分析結(jié)果表明，夾具的強(qiáng)度滿足使用要求，從而表明本文所設(shè)計(jì)的夾具材料和結(jié)構(gòu)尺寸符合密封罩拆卸工作要求.

(a) 接觸變形

(b) 接觸應(yīng)力

(c) 等效應(yīng)力

最大接觸應(yīng)力/MPa最大等效應(yīng)力/MPa最大接觸變形/mm密封罩107.52103.250.17907夾具145.14138.120.079585

3 模擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了貨車軸承密封罩拆卸機(jī)構(gòu)樣機(jī)，其工作原理如圖5所示 ，結(jié)構(gòu)如圖6所示.該機(jī)構(gòu)主要由軸承定位、頂出裝置、夾緊機(jī)構(gòu)、密封罩拆卸裝置等部分組成.此外還包括軸承滾道、氣動傳動方式的設(shè)計(jì)等.其工作過程如下：①將軸承通過滾道滾入定位塊的V形槽中，V形槽兩側(cè)的封閉端將軸承的位置固定；②壓緊氣缸開始工作推動壓板下落將軸承壓緊；軸承壓緊后，兩側(cè)拆卸氣缸推動與其連接著的支撐板沿著導(dǎo)軌向軸承移動，到達(dá)指定位置后，拆卸氣缸停止工作；③支撐板上的雙活塞氣缸驅(qū)動連接在其兩端的夾爪向中心移動，夾爪卡在軸承的密封罩內(nèi)，當(dāng)壓力達(dá)到要求后，拆卸氣缸開始工作，帶動兩側(cè)支撐板向兩端移動，將密封罩從軸承上卸下；④當(dāng)支撐板運(yùn)動到指定位置后拆卸氣缸停止工作，這時雙活塞氣缸開始推動夾爪向外側(cè)移動使密封罩落下；⑤當(dāng)密封罩卸下后，頂出氣缸開始工作，它推動頂出板，將軸承從墊塊中頂出，完成密封罩拆卸.

圖5 工作原理圖

圖6 密封罩拆卸機(jī)構(gòu)樣機(jī)

本文運(yùn)用CERO2.0軟件對設(shè)備進(jìn)行了虛擬裝配，設(shè)備在工作的過程中沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象.同時還進(jìn)行了運(yùn)動模擬，模擬結(jié)果表明本設(shè)備能夠完成密封罩拆卸任務(wù).

4 結(jié)論

本文通過對密封罩結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)出相應(yīng)的自動化拆卸設(shè)備，并采用ANSYS Workbench對夾具進(jìn)行強(qiáng)度分析，獲得夾具較合理的結(jié)構(gòu)尺寸；并運(yùn)用CERO2.0軟件對設(shè)備進(jìn)行了虛擬裝配，驗(yàn)證設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性，設(shè)備的部分樣機(jī)已經(jīng)試制成功，這些結(jié)果將為后續(xù)的設(shè)備的制造和改進(jìn)提供理論依據(jù)，也為今后密封罩拆卸方法設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)參考.

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Design of Disassembling Equipment for Sealing Vover of Railway Wagon Bearings

ZHANG Xiujuan,WANG Bo，YANG Dashun,CHEN Yanjun,MENG Meng

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The existing way for disassembling the sealing covers of railway wagon bearings has some disadvantages such as large working strength and low maintenance efficiency,etc.Sealing cover of 353130B bearings is used as an example for a new design of the disassembling equipment of wagon bearings.ANSYS Workbench is adopted to analyze the fixture strength to obtain the reasonable geometric structure of the fixture.Cero2.0 is also used to perform the virtual assembly of the disassembling equipment to verify the new design,and partial equipment is pressted.The analysis results state that the new design is highly automated,efficient and simple to be operated.

sealing cover；disassembling equipment；fixture;strength

1673- 9590(2017)05- 0045- 05

A

2016- 07- 27

張秀娟(1971-)，女，教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)理論及優(yōu)化的研究 E-mail:zhangxiuj@djtu.edu.cn.