邱永紅，姚奎旭，鄧超

株洲九方裝備驅(qū)動技術(shù)有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

彈性車輪是一種在輪箍和輪芯之間鑲嵌橡膠的車輪，一般由輪箍、輪芯、壓環(huán)、橡膠環(huán)及聯(lián)接螺栓組成。彈性車輪是近現(xiàn)代城市軌道交通車輛的主要車輪之一，它能降低輪軌沖擊噪聲、緩和輪軌沖擊振動、減少傳動轉(zhuǎn)向架裝置的動應(yīng)力和降低輪軌的磨耗，提高線路車輛的使用壽命。彈性車輪的作用越來越重要，已成為了軌道車輛的主要組成部件，市場需求也越來越多[1，2]。本文以我公司生產(chǎn)的某種出口型整體式彈性車輪為例，主要介紹這種彈性車輪的壓裝設(shè)備及工裝設(shè)計、橡膠壓力智能監(jiān)控和橡膠均衡壓縮安裝方法。

2 產(chǎn)品介紹

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

該出口型整體式彈性車輪結(jié)構(gòu)（見圖1）主要由輪芯、橡膠環(huán)、輪箍、接地線和緊固螺栓等幾部分組成。

圖1 出口型整體式彈性車輪結(jié)構(gòu)

2.2 關(guān)鍵組裝技術(shù)要求

（1）轉(zhuǎn)矩 螺栓轉(zhuǎn)矩300N·m。

（2）跳動 軸向圓跳動≤0.5mm，徑向圓跳動≤0.3mm。

（3）靜不平衡 靜不平衡值≤125g·m。（4）試驗(yàn)要求 具體如下。

1）型式試驗(yàn)：①徑向剛度≥400kN/mm，軸向剛度≥65kN/mm。②扭轉(zhuǎn)剛度23.9kN/mm。③遲緩量0.3mm以內(nèi)。

2）疲勞試驗(yàn)：①試驗(yàn)后輪箍、輪芯和壓環(huán)表面磁粉探傷無缺陷；遲緩量10m m以內(nèi)。②扭轉(zhuǎn)剛度車輪試驗(yàn)前后軸向、徑向圓跳動值變化率≤±20%，同時軸向圓跳動值需≤0.5m m，徑向圓跳動值需≤0.3m m。③試驗(yàn)后剛度值需滿足600kN/mm≥徑向剛度≥320kN/mm，100kN/mm≥軸向剛度≥52kN/mm。④遲緩量10mm以內(nèi)。

2.3 產(chǎn)品分析

（1）產(chǎn)品跳動 該出口型產(chǎn)品與我公司前期國內(nèi)開發(fā)的某輕軌彈性車輪結(jié)構(gòu)基本相同，但產(chǎn)品組裝后的跳動值要求提高了，具體見表1。

表1 出口型彈性車輪與某輕軌彈性車輪跳動值要求（mm）

前期某輕軌彈性車輪采用的組裝設(shè)備、工裝及組裝方法僅能勉強(qiáng)滿足其組裝質(zhì)量要求，如果不重新設(shè)計設(shè)備、工裝，改進(jìn)組裝方法，肯定無法滿足該出口型彈性車輪跳動值要求。

（2）剛度試驗(yàn) 該出口型彈性車輪批量大，如何保證每個產(chǎn)品的剛度試驗(yàn)都滿足要求是我們面臨的難題。每個產(chǎn)品都進(jìn)行剛度試驗(yàn)，條件不允許，如果采用控制單個零件質(zhì)量與抽檢剛度試驗(yàn)的方法，則存在零件圓錐面尺寸及形狀檢測成本高、交付周期長且組裝后質(zhì)量不確定性較高的問題。

通過對出口型彈性車輪強(qiáng)度進(jìn)行分析計算，在各零件材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，影響彈性車輪剛度的主要因素就是由各零件組裝尺寸及幾何公差累積造成的橡膠件壓力值。因此只要計算出滿足彈性車輪強(qiáng)度的最小壓力值，通過控制壓裝橡膠最小壓力值與抽檢彈性車輪剛度就能實(shí)現(xiàn)對彈性車輪剛度試驗(yàn)的監(jiān)控。

通過計算，彈性車輪的軸向壓裝力范圍為11.625～15t，考慮到壓裝過程中系統(tǒng)內(nèi)金屬件間的摩擦阻力、橡膠硬度差異對于壓裝力的影響以及計算的誤差，為安全起見，最終確定控制在12.5～16t為合格。

3 自動、智能化壓裝設(shè)備設(shè)計

3.1 壓裝設(shè)備設(shè)計要求

按照通用原有工裝，不管采用立式油壓機(jī)還是螺桿預(yù)壓緊方式均不能滿足要求：①預(yù)壓緊行程速度不受控，影響產(chǎn)品跳動值。②預(yù)壓緊力不精確，不能自動保壓。③每個橡膠實(shí)際壓緊力值是否滿足要求無法判斷。

為解決上述問題，壓裝設(shè)備必須設(shè)計成通過程序能自動輸入預(yù)壓裝力、壓裝速度和保壓時間的自動壓裝機(jī)；同時要能以某種形式輸出橡膠實(shí)際壓緊力判斷值。為了質(zhì)量的可追溯性，還必須有質(zhì)量記錄保存功能。為了方便預(yù)壓緊后彈性車輪四周緊固螺栓打扭，也需將原壓緊裝置改成拉緊裝置。

3.2 壓裝設(shè)備主機(jī)及配套工裝設(shè)計

（1）主機(jī)設(shè)計 工裝主機(jī)設(shè)計如圖2所示，將液壓缸裝在機(jī)身中間，活塞桿向上，活塞桿上端開卡環(huán)槽。壓裝時通過采用分塊式復(fù)合塊拉壓產(chǎn)品，壓裝時使彈性車輪上部無壓裝設(shè)備部件，方便人工兩邊同時對四周緊固螺栓打扭。將位移傳感器裝在液壓缸內(nèi)下端部，用于測量液壓缸活塞桿移動的位置。

圖2 工裝主機(jī)設(shè)計

（2）主要配套工裝 根據(jù)彈性車輪輪芯配置軸向圓跳動在0.03mm內(nèi)的輪芯墊塊，用作壓裝前和過程中彈性車輪的端面定位；根據(jù)彈性車輪輪芯內(nèi)孔尺寸配置1件輪芯定位塊，用作壓裝前和過程中彈性車輪的徑向定位。根據(jù)彈性車輪壓蓋尺寸配置壓塊，用作壓裝過程中彈性車輪壓蓋的均衡壓緊。圓周配置4個帶手輪的輪箍調(diào)節(jié)裝置，用于在帶橡膠的輪箍吊裝上壓裝設(shè)備時，壓裝前徑向偏心的預(yù)調(diào)節(jié)。

3.3 控制部分設(shè)計

（1）壓裝速度設(shè)計 在整個壓裝過程中，需在彈性車輪設(shè)計的橡膠最大壓裝力值的基礎(chǔ)上加50kN設(shè)定，以確保彈性車輪壓蓋與輪芯臺階端面能壓緊到位。壓裝前對輪芯、輪箍均進(jìn)行了預(yù)定位校準(zhǔn)，因此在壓裝開始時希望能保持預(yù)定位精度不變，同時由于同一個橡膠環(huán)厚度一致性存在誤差，安裝橡膠時也存在四周壓縮不均勻及定位偏差，因此在彈性車輪壓裝過程中存在因四周壓應(yīng)力不一致，導(dǎo)致壓裝后跳動超差的現(xiàn)象。要解決這一問題就要求安裝橡膠工藝能保障橡膠的四周壓縮均勻性及定位精度，同時在壓裝過程中橡膠蠕變較小時能在預(yù)定位基礎(chǔ)上較快速壓裝；在后半部分橡膠壓力和蠕變量增大的情況下，通過減緩壓裝速度來釋放橡膠的應(yīng)力集中，達(dá)到四周壓應(yīng)力基本均衡的狀態(tài)，提高彈性車輪壓裝后的跳動精度。

設(shè)備采用電液伺服數(shù)控液壓機(jī)、PLC可編程控制器和工控機(jī)采集處理數(shù)據(jù)，使液壓缸拉壓力與拉壓速度均可進(jìn)行設(shè)定與調(diào)節(jié)，同時空行程可進(jìn)行手動快上、快下設(shè)計。在提高組裝效率的前提下，滿足拉緊液壓缸運(yùn)行速度設(shè)計調(diào)節(jié)范圍要求。

根據(jù)橡膠環(huán)材質(zhì)及特性，壓裝速度選用0.5～5mm/s，彈性車輪整個預(yù)壓裝過程按2個行程編制壓裝參數(shù)，前半部分行程設(shè)定3～4mm/s，后半部分行程設(shè)定0.5～1.5mm/s（壓裝參數(shù)設(shè)置見圖3）。

圖3 壓裝參數(shù)設(shè)置

（2）保壓設(shè)計 彈性車輪預(yù)壓裝到位后需手動放置螺栓或螺母，同時由兩人按180°方向分2～3次有序擰緊螺栓，因此在彈性車輪預(yù)壓裝到位后設(shè)備需設(shè)計保壓功能。采用自動壓裝設(shè)備后將彈性車輪緊固螺栓均按2次均勻擰緊，第一次必須在保壓力下按設(shè)計緊固螺栓轉(zhuǎn)矩力值的80%有序均勻擰緊；為防止橡膠反作用力影響，第二次在未保壓下按設(shè)計緊固螺栓轉(zhuǎn)矩力值有序均勻擰緊。根據(jù)不同產(chǎn)品螺栓數(shù)量及擰緊力不同，1次螺栓擰緊時間基本在10～15min，因此壓裝設(shè)備需設(shè)計保壓時間功能，具體產(chǎn)品根據(jù)不同保壓時間設(shè)定保壓參數(shù)（保壓參數(shù)設(shè)置見圖4）。

圖4 保壓參數(shù)設(shè)置

3.4 橡膠軸向壓裝力監(jiān)控設(shè)計

在彈性車輪預(yù)壓裝過程中，當(dāng)彈性車輪壓蓋與輪芯臺階完全接觸后，液壓缸壓力繼續(xù)加大時，液壓缸活塞將不產(chǎn)生位移，因此位移與壓力曲線變化拐點(diǎn)的對應(yīng)壓力值加上輪箍與橡膠的重力就是彈性車輪橡膠所受的軸向壓力值。因此只需要設(shè)計輸出位移-壓力壓裝曲線圖（見圖5），同時在圖上設(shè)置橡膠軸向壓裝力值判定線，就可以對橡膠軸向壓裝力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

圖5 位移-壓力壓裝曲線

設(shè)備數(shù)據(jù)通過液壓缸上的壓力傳感器和位移傳感器來測量，通過可編程序控制器PLC、工業(yè)工控機(jī)在顯示器上顯示出來。同時為了曲線的精確性，采集數(shù)據(jù)設(shè)計成每隔100ms導(dǎo)出壓力和位移變化具體精確的數(shù)值點(diǎn)，連接繪制成位移-壓力壓裝曲線圖。為了驗(yàn)證個別產(chǎn)品壓力與位移曲線變化拐點(diǎn)對應(yīng)的壓力值，也可通過調(diào)用圖形采集數(shù)據(jù)進(jìn)行精確判定（壓裝曲線導(dǎo)出數(shù)據(jù)見表2）。還可以設(shè)計成將采集的數(shù)據(jù)與工藝設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判定合格與否。但由于提高了判定值，所以該功能暫未實(shí)施。

表2 位移-壓力壓裝曲線導(dǎo)出數(shù)據(jù)

圖形及數(shù)據(jù)檢測后自動保存，分時間段拷貝后備份保存，便于產(chǎn)品質(zhì)量追溯。

4 橡膠應(yīng)力均衡安裝方法設(shè)計

為了保證橡膠自動定位精度及橡膠壓裝后蠕變的均勻性，橡膠外徑與輪箍內(nèi)徑采用過盈配合，一般過盈量為3mm左右[3，4]。因此在安裝橡膠時，最后安裝進(jìn)去的橡膠部分存在過度擠壓現(xiàn)象，造成四周橡膠擠壓應(yīng)力不均勻，導(dǎo)致壓裝后部分彈性車輪跳動超差。

通過摸索，我們采用將橡膠環(huán)180°方向兩邊同時先擠壓進(jìn)輪箍，調(diào)整余下兩邊橡膠壓縮量使其基本一致的情況下，再將兩邊橡膠擠壓進(jìn)輪箍的方法，從后擠壓進(jìn)輪箍的橡膠點(diǎn)處開始用橡膠錘沿兩邊圓周方向均勻錘緊，以使橡膠壓應(yīng)力受力均勻（橡膠環(huán)擠壓方法見圖6）；反面按90°錯開后也按上述方法安裝另一邊橡膠環(huán)。

圖6 橡膠環(huán)擠壓方法

壓裝前采用預(yù)壓裝方式消除橡膠四周應(yīng)力不均勻性：在車輪正式壓裝前預(yù)壓一次車輪，并保壓3～5min后卸掉壓力，可以釋放部分車輪橡膠的應(yīng)力集中，使橡膠與輪箍、輪芯和壓環(huán)之間貼合更均勻、緊密，使跳動更穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計自動化壓裝設(shè)備并改進(jìn)橡膠壓裝方法后，經(jīng)大批量出口彈性車輪組裝驗(yàn)證，組裝跳動質(zhì)量與以前國產(chǎn)某彈性車輪組裝質(zhì)量相比有顯著提升（壓裝效果對比驗(yàn)證見圖7，其中出口型彈性車輪組裝采用了新壓裝設(shè)備和壓裝方法），經(jīng)剛度與疲勞試驗(yàn)，結(jié)果均符合要求，各項(xiàng)性能參數(shù)完全滿足出口型彈性車輪的質(zhì)量要求。

圖7 壓裝效果對比驗(yàn)證

通過本次彈性車輪組裝工藝的研究與實(shí)施，公司整體式彈性車輪的組裝工藝已達(dá)到先進(jìn)水平，對壓裝質(zhì)量與監(jiān)控提供了有效保障。產(chǎn)品質(zhì)量經(jīng)公司具備CNAS資質(zhì)的試驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證與用戶使用驗(yàn)證，均符合要求。