孫叔雷，姚鐵明，羅應(yīng)輝，肖昌武

（中車貴陽(yáng)車輛有限公司，貴州貴陽(yáng) 550017）

0 引言

如圖1 所示，CXW-30B 軸承外圈除銹機(jī)的工作原理為：將軸承置于兩轉(zhuǎn)軸之上，其中一根轉(zhuǎn)軸在除銹過程中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)；軸承上端為鋼絲輪，鋼絲輪軸端為皮帶輪，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鋼絲輪旋轉(zhuǎn)并接觸軸承外圈的外徑面及凹槽，從而達(dá)到軸承外圈除銹的目的。由于鋼絲輪及其固定架質(zhì)量較小，因此在進(jìn)行除銹作業(yè)時(shí)，鋼絲輪與軸承之間的壓緊力較小，在相同轉(zhuǎn)速條件下，鋼絲輪對(duì)軸承外圈除銹的效果不理想。若加大鋼絲輪與軸承之間的壓緊力，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)負(fù)荷增大而燒壞電機(jī)。此外，由于軸承置于兩根轉(zhuǎn)軸之上，且在進(jìn)行除銹過程中沒有固定軸承的夾緊裝置，若使用轉(zhuǎn)速較大電機(jī)會(huì)使軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)脫離除銹工位，若轉(zhuǎn)速較小則亦無(wú)法保證較好的除銹效果。

圖1 CXW-30B 型軸承外圈除銹機(jī)

1 解決方案

解決方案：①將控制鋼絲輪的鉸鏈裝置置于軸承上端，控制鋼絲輪進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)的氣缸固定于除銹機(jī)側(cè)向外殼內(nèi)部，使軸承和鋼絲輪之間存在一定夾角；②鋼絲輪鉸鏈裝置質(zhì)量較大，包括鋼絲輪、鋼絲輪軸、鐵板及相關(guān)連接件等，故鋼絲輪對(duì)軸承的壓緊力亦較大，提升了除銹效果；③采用較大功率電機(jī)，保證鋼絲輪對(duì)軸承施加壓緊力的條件下，電機(jī)不會(huì)損壞；④采用雙氣缸控制鋼絲輪固定架，其中托舉氣缸對(duì)鋼絲輪進(jìn)行動(dòng)作控制，在進(jìn)行柔性除銹時(shí)，柔性氣缸增加或減小鋼絲輪對(duì)軸承的壓緊力；⑤采用雙向兩側(cè)氣缸推動(dòng)連接桿和夾緊裝置，夾緊軸承內(nèi)圈，在除銹作業(yè)時(shí)可達(dá)到對(duì)軸承的定位作用，避免軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)脫離除銹工位。

2 鐵路貨車軸承外圈除銹機(jī)設(shè)計(jì)與制作

2.1 軸承外圈除銹機(jī)的構(gòu)造

如圖2 所示，在進(jìn)行除銹作業(yè)時(shí)，軸承由進(jìn)口進(jìn)入除銹機(jī)內(nèi)部夾緊裝置處，夾緊裝置對(duì)軸承內(nèi)圈夾緊定位，托舉氣缸降下使鋼絲輪與軸承外圈相接觸。電機(jī)工作，通過皮帶輪帶動(dòng)鋼絲輪旋轉(zhuǎn)開始除銹作業(yè)。在此過程中，柔性氣缸活塞桿伸出一定量，達(dá)到對(duì)鋼絲輪固定架施加一定壓力的作用，增大鋼絲輪對(duì)軸承壓緊力，從而改善除銹效果。待除銹作業(yè)完畢后，夾緊裝置松開，托舉氣缸將鋼絲輪固定架舉起，軸承由出口滾出。

圖2 軸承外圈除銹機(jī)

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算

軸承外圈除銹機(jī)的主要改進(jìn)之處，在于增加了軸承夾緊裝置對(duì)軸承定位，并增加柔性氣缸控制鋼絲輪對(duì)軸承的壓緊力，故在設(shè)計(jì)軸承外圈除銹機(jī)時(shí)，需對(duì)夾緊裝置夾緊力F、提升力F提升和鋼絲輪功率P3進(jìn)行計(jì)算。選用SC80-100 型氣缸控制夾緊裝置進(jìn)行夾緊和松開動(dòng)作，由氣缸型號(hào)及車間生產(chǎn)風(fēng)壓等情況，可知計(jì)算夾緊力的各參數(shù)：氣缸內(nèi)徑D=0.08 m；氣壓P=0.5 MPa；氣缸效率一般取0.8～0.9，此次取η=0.85。

計(jì)算夾緊力為：

夾頭的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

由圖3 可知，夾頭前端側(cè)面與垂直方向的夾角為18.26°，因此可計(jì)算出垂直方向的單側(cè)提升力F單側(cè)提升為：

可知，夾緊裝置對(duì)軸承的提升力F提升為：

因軸承的質(zhì)量為28～32 kg，故其所受重力為274.4～313.6 N，可知F提升＞313.6 N，故選用SC80-100 型氣缸可滿足在除銹過程中軸承夾緊力的要求。

根據(jù)對(duì)不同型號(hào)、不同銹蝕程度軸承及不同型號(hào)電機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果可知，電機(jī)電流強(qiáng)度應(yīng)在9～14 A，且鋼絲輪除銹驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為400～600 N，故選用7.5 kW 電機(jī)。由電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速可知電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：

圖3 夾緊裝置夾頭

式中 T1——電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

P1——電機(jī)功率，kW

n1——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

其中電機(jī)轉(zhuǎn)速n1即主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。因主動(dòng)輪安裝于電機(jī)軸上，故電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T1即主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩。

由能量守恒定律可知：

式中 P2——從動(dòng)輪功率，kW

P1——主動(dòng)輪功率，kW

T1——主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，N·m

ω1——主動(dòng)輪角速度，rad/s

η1——V 帶傳動(dòng)效率，一般取η1=0.9～0.95

其中V 帶選用型號(hào)為B1422，簾布結(jié)構(gòu)。

主動(dòng)輪角速度為：

因鋼絲輪與從動(dòng)輪同軸，二者角速度相等，且可將軸視為剛體，故鋼絲輪功率與從動(dòng)輪功率相等（不計(jì)損耗），即：

式中 P3——鋼絲輪功率，kW

計(jì)算鋼絲輪功率及其除銹驅(qū)動(dòng)力各參數(shù)：電機(jī)功率，P1=7.5 kW；電機(jī)轉(zhuǎn)速，n1=1455 r/min；V 帶傳動(dòng)效率，η1=0.9；主動(dòng)輪半徑，r1=50 mm；從動(dòng)輪半徑，r2=72.5 mm；鋼絲輪半徑，r3=110 mm。

計(jì)算主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩T1、主動(dòng)輪角速度ω1及鋼絲輪功率P3分別為：

因從動(dòng)輪與鋼絲輪同軸，故鋼絲輪角速度與從動(dòng)輪角速度相等，即：

鋼絲輪除銹驅(qū)動(dòng)力F3為：

故由式（9）、式（10）、式（11）及P3=6.75 kW 可得，鋼絲輪除銹驅(qū)動(dòng)力F3=581.9 N，因此選用7.5 kW 電機(jī)可滿足除銹要求。

3 軸承外圈除銹機(jī)PLC 控制流程

對(duì)于單個(gè)自動(dòng)運(yùn)行周期，軸承外圈除銹機(jī)的工作流程大致分為以下步驟：設(shè)備復(fù)位→水霧收集器啟動(dòng)→復(fù)位完成→自動(dòng)條件滿足→進(jìn)出門處于開啟狀態(tài)→鋼絲輪處于上位→接料氣缸上升→夾緊裝置處于打開狀態(tài)→開始進(jìn)料→進(jìn)料到位→按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕，開始除銹→放入軸承到位→夾緊裝置夾緊→進(jìn)出門關(guān)閉→鋼絲輪下壓，水泵啟動(dòng)→電機(jī)啟動(dòng)，以低速運(yùn)行→電機(jī)高速運(yùn)行→除銹完成，水泵停止工作→鋼絲輪升起→夾緊裝置松開→進(jìn)出門打開→出料氣缸將軸承推出→設(shè)備各部回位→進(jìn)入下一個(gè)自動(dòng)循環(huán)。

4 軸承外圈除銹效果對(duì)比分析

由圖4 中對(duì)比353130B 型軸承外圈的除銹效果可知，自行設(shè)計(jì)制作的柔性軸承外圈除銹機(jī)相較于CXW-30B 型軸承外圈除銹機(jī)，在除銹能力上有了明顯提升。解決了軸承外圈外徑面和凹槽除銹不徹底的問題。

圖4 353130B 型軸承外圈除銹效果對(duì)比

5 結(jié)論

通過自主改進(jìn)與制作柔性軸承外圈除銹機(jī)的使用表明，該設(shè)備較大幅度提升了軸承外圈的除銹質(zhì)量，避免了因除銹質(zhì)量不合格而導(dǎo)致二次除銹的工作。通過改進(jìn)該設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升了鋼絲輪在旋轉(zhuǎn)除銹過程中的除銹能力。由于該設(shè)備安裝了軸承兩端夾緊裝置，在設(shè)備進(jìn)行除銹作業(yè)時(shí)可有效保證軸承不會(huì)偏離除銹工位。