王 斌 趙祥云 劉 宇 鄧 濤

(1.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司豐臺(tái)車輛段 北京 100071；2.眉山中車緊固件科技有限公司 四川 眉山 620061)

1 問題的提出

拉鉚連接技術(shù)是20世紀(jì)出現(xiàn)的一種新型機(jī)械變形連接技術(shù)。安裝拉鉚釘時(shí)，采用專用工具的卡瓣抓住鉚釘尾部牙型進(jìn)行軸向拉伸，鉚槍的鐵砧反向運(yùn)動(dòng)擠壓套環(huán)，將套環(huán)金屬擠入鉚釘?shù)逆i緊環(huán)槽內(nèi)，完成永久塑性變形連接，拉鉚釘鉚接過程原理如圖1所示。拉鉚釘具有連接強(qiáng)度高、疲勞和抗振性能優(yōu)異等特點(diǎn)，從2003年開始逐步在鐵路車輛上批量推廣應(yīng)用。目前，國內(nèi)載重70 t級(jí)及以上鐵路貨車上已大批量運(yùn)用。

圖1 拉鉚釘?shù)墓ぷ髟?/p>

在鐵路車輛零部件的組裝過程中，時(shí)常因操作者的疏忽發(fā)生漏鉚、鉚接不到位等質(zhì)量問題，給鐵路車輛運(yùn)行帶來了安全隱患。為解決上述問題，保證鐵路車輛運(yùn)行安全，眉山中車緊固件科技有限公司研發(fā)了一種能夠智能檢測拉鉚釘鉚接質(zhì)量及鉚接位置的智能鉚接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鉚接位置點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別，鉚接質(zhì)量的自動(dòng)判定和鉚接過程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、追溯等。

2 基于圖像識(shí)別和傳感技術(shù)的智能鉚接系統(tǒng)原理介紹

基于國內(nèi)外智能鉚接技術(shù)的現(xiàn)狀，眉山中車緊固件科技有限公司將圖像識(shí)別和傳感技術(shù)相結(jié)合，提出了“以傳感技術(shù)判定鉚接質(zhì)量、以圖像識(shí)別技術(shù)確認(rèn)鉚接位置”的智能鉚接系統(tǒng)。

2.1 傳感技術(shù)應(yīng)用原理

對于拉鉚釘來說，鉚接力為鉚接過程中鐵砧擠壓套環(huán)所產(chǎn)生的軸向作用力，很大程度上決定了拉鉚釘鉚接后的力學(xué)性能，是鉚接質(zhì)量的影響因素之一；套環(huán)在軸向發(fā)生變形的長度即有效鉚接長度，也會(huì)決定拉鉚釘鉚接后的力學(xué)性能，也是鉚接質(zhì)量的影響因素之一。因此，對于鉚接質(zhì)量的判斷就需要對鉚接過程中的鉚接力和有效鉚接長度進(jìn)行檢測。

將鉚接力和有效鉚接長度作為拉鉚釘鉚接質(zhì)量的判定因子，需要在鉚接設(shè)備的液壓泵站出油口安裝壓電式壓力傳感器，測定進(jìn)入鉚接工具進(jìn)油腔的油壓壓強(qiáng)，間接測量套環(huán)被鉚接時(shí)的鉚接力[1]。鉚接力的計(jì)算公式為：

F=πp(R2-r2)

(1)

式中:F為鉚接力，kN；p為進(jìn)油管壓強(qiáng)，MPa；R為油缸內(nèi)側(cè)半徑，mm；r為活塞桿半徑，mm。

其中，油壓p與壓力傳感器電壓U的換算關(guān)系為：

p=k1U

(2)

式中:U為壓力傳感器電壓，V；k1為換算系數(shù)，傳感器量標(biāo)記壓力量程除以電壓標(biāo)記量程。

槍體尾部安裝的磁致位移傳感器測定鉚接過程中活塞桿的行程，即套環(huán)被鉚接的行程。鉚槍行程l與磁致位移傳感器電流I的換算關(guān)系為：

l=k2I

(3)

式中：l為鉚槍行程，mm；I為磁致位移傳感器電流，mA；k2為換算系數(shù)，傳感器量標(biāo)記位移量程除以電流標(biāo)記量程。

拉鉚釘在鉚接過程中可生成如圖2所示的鉚接曲線，鉚接的有效行程L的計(jì)算為：

L=L2-L1

(4)

式中：L為鉚接的有效行程，mm；L2為鉚接的總行程，mm；L1為鉚槍鐵砧剛接觸套環(huán)的行程，mm。

圖2 鉚接行程-鉚接力曲線圖

2.2 圖像識(shí)別方法應(yīng)用原理

鉚接位置的識(shí)別，以相機(jī)得到的鉚接位置圖像為基礎(chǔ)，并將待識(shí)別圖像與圖像庫的有限特征參數(shù)進(jìn)行匹配，從而達(dá)到識(shí)別鉚接位置的目的[2]。計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別分為離線訓(xùn)練和在線識(shí)別兩個(gè)步驟，識(shí)別程序系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 鉚接位置識(shí)別程序系統(tǒng)框圖

2.3 智能鉚接設(shè)備工作原理

利用信息化技術(shù)將上述原理應(yīng)用于智能鉚接設(shè)備，主要工作原理為：通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集鉚接過程中的鉚接力與有效鉚接長度，依據(jù)不同規(guī)格的鉚釘對應(yīng)的鉚接力與有效鉚接長度的關(guān)系，利用一定的公差帶閾值，由計(jì)算機(jī)對鉚接質(zhì)量進(jìn)行判斷，解決鉚接不到位、鉚接質(zhì)量不良等問題，工作原理如圖4所示。

圖4 智能鉚接系統(tǒng)設(shè)備工作原理圖

3 智能鉚接設(shè)備在鐵路貨車上的應(yīng)用

目前在鐵路貨車中的前后從板連接、側(cè)柱與底架連接、心盤連接、制動(dòng)杠桿連接等關(guān)鍵部位均采用了拉鉚連接技術(shù)，拉鉚釘?shù)你T接質(zhì)量將會(huì)直接影響行車安全和運(yùn)行秩序。因此，利用圖像識(shí)別和傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對鐵路貨車關(guān)鍵部位鉚接過程、鉚接質(zhì)量的智能檢測，能夠從源頭控制鉚接質(zhì)量和鉚接可靠性，規(guī)避人為疏忽導(dǎo)致的運(yùn)用故障或事故，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

轉(zhuǎn)向架作為鐵路貨車承載和運(yùn)行的關(guān)鍵部件(見圖5)，對車輛的運(yùn)行安全起到至關(guān)重要的作用，因此在其關(guān)鍵部位主要采用拉鉚釘進(jìn)行連接，以保證連接可靠性。為杜絕人為原因而導(dǎo)致的漏鉚、錯(cuò)鉚等問題，根據(jù)上述原理開展了智能鉚接系統(tǒng)的研制，可以實(shí)現(xiàn)鉚接位置點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別，鉚接質(zhì)量的自動(dòng)判定，鉚接數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和可追溯，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)形式如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)向架鉚接位置點(diǎn)

目前該設(shè)備已在中車眉山車輛有限公司、成都北車輛段、重慶西車輛段等單位進(jìn)行了運(yùn)用(見圖7)，有效控制了拉鉚釘(銷)鉚接質(zhì)量問題。

4 結(jié)束語

通過對國內(nèi)外智能鉚接技術(shù)的研究分析，研制的智能鉚接設(shè)備能有效控制拉鉚釘(銷)漏鉚、虛鉚、鉚接質(zhì)量不良等既有質(zhì)量問題，并在鐵路貨車轉(zhuǎn)向架的新造、檢修等單位得到應(yīng)用，解決了現(xiàn)存的鉚接質(zhì)量檢測問題。

圖6 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)形式

圖7 智能鉚接設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用