劉義考 ， 邵偉豪 ， 陳吉祥

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313099）

毋庸置疑，中國(guó)已成為世界上高速鐵路系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國(guó)家。大部分機(jī)車(chē)在凌晨0點(diǎn)到4點(diǎn)這個(gè)時(shí)間段是不會(huì)進(jìn)行工作的，這段時(shí)間也稱(chēng)之為空白天窗期，主要用來(lái)維護(hù)鐵路和檢查機(jī)車(chē)的各零部件；在凌晨0點(diǎn)到4點(diǎn)以外的時(shí)間，機(jī)車(chē)會(huì)始終在鐵路上運(yùn)行工作。然而，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行必定會(huì)對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂造成一定的磨損，所以機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂拆卸裝置在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。

1 移動(dòng)式機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂拆卸裝置的介紹

1.1 拆卸裝置概述

移動(dòng)式機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂拆卸裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置左側(cè)由加壓站、主體罩、液壓千斤頂、拉板、拉桿、導(dǎo)軌、導(dǎo)軌輪、伺服電機(jī)、同步帶、V型槽、輔助移動(dòng)式小車(chē)、升降手柄、螺栓等組成，裝置右側(cè)則由機(jī)車(chē)輪對(duì)、V型槽、輔助移動(dòng)式小車(chē)、升降手柄、導(dǎo)軌、導(dǎo)軌輪、伺服電機(jī)、同步帶、螺栓等組成。此拆卸裝置采用了水平分離式拆卸方法，并設(shè)計(jì)了輔助移動(dòng)式小車(chē)來(lái)實(shí)現(xiàn)整體裝置的移動(dòng)，是半自動(dòng)裝置，有利于工人師傅拆卸和安裝。工人師傅根據(jù)機(jī)車(chē)運(yùn)行工作的時(shí)間，定期通過(guò)超聲波、磁力、平衡測(cè)試等方式檢測(cè)出需要更換的輪對(duì)，再通過(guò)此裝置進(jìn)行拆卸更換[3-5]。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 拆卸裝置工作過(guò)程

先由行車(chē)吊起磨損的輪對(duì)，通過(guò)行車(chē)來(lái)調(diào)整輪對(duì)于水平位置，然后放置在輔助移動(dòng)式小車(chē)的V型槽上，輪對(duì)的兩端準(zhǔn)確卡在V型槽里。小車(chē)上的V型槽設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)的方式，通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)V型槽上的升降手柄使輪對(duì)與液壓千斤頂上下運(yùn)動(dòng)至同一水平線(xiàn)位置。隨后伺服電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)同步帶使兩輛小車(chē)開(kāi)始向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小車(chē)上的輪對(duì)移動(dòng)至拉板和拉桿位置時(shí)，左側(cè)車(chē)輪的左側(cè)邊與其拉板、拉桿貼合固定，緊接著由工人師傅手動(dòng)在左側(cè)車(chē)輪的右側(cè)邊安裝上另一拉板，完成車(chē)輪兩側(cè)邊的固定后，同步帶與小車(chē)停止工作。然后啟動(dòng)加壓站，加壓站開(kāi)始給油到液壓千斤頂，液壓千斤頂開(kāi)始運(yùn)行，在短暫的時(shí)間里向右對(duì)輪對(duì)產(chǎn)生沖擊力，車(chē)輪在液壓千斤頂沖擊力的作用下實(shí)現(xiàn)車(chē)輪輪轂分離。在分離過(guò)程中，兩輛小車(chē)會(huì)受到向右的推力，小車(chē)會(huì)沿著導(dǎo)軌方向右移，到達(dá)限位時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。分離下來(lái)的車(chē)軸由上方吊著的行車(chē)來(lái)穩(wěn)定住，拆卸下來(lái)的車(chē)輪和輪轂則由拉板、拉桿實(shí)現(xiàn)固定，然后利用行車(chē)促使輪對(duì)左右位置互換，再繼續(xù)進(jìn)行上述拆卸分離工作。工作過(guò)程如圖2所示[6-7]。

圖2 工作過(guò)程圖

2 拆卸裝置各零部件的介紹及作用

1）加壓站：加壓站是由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、液壓泵、油箱、節(jié)流閥、溢流閥等構(gòu)件組成的液壓裝置，按驅(qū)動(dòng)要求流向、壓力和供油流量，適用于各個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械上，這種液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的工作。加壓站最主要的作用是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，根據(jù)系統(tǒng)要求來(lái)提供壓力、流量和方向控制等多種功能，它是保證機(jī)械裝置系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的重要設(shè)備之一。本裝置的加壓站放置在裝置的最左側(cè)，通過(guò)管道來(lái)連接液壓千斤頂，負(fù)責(zé)將油輸送到液壓千斤頂，為液壓千斤頂提供動(dòng)力源。

2）螺栓：由頭部和螺桿（帶有外螺紋的圓柱體）兩部分組成的一類(lèi)緊固件，需與螺母配合，用于緊固連接兩個(gè)帶有通孔的零件。用于固定和連接裝置的大部分結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓將兩個(gè)工件連接在一起。

3）主體罩：主體罩內(nèi)部有拉桿、液壓千斤頂?shù)炔考瑢儆诒Ｗo(hù)外殼。用來(lái)保護(hù)主體罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠嚴(yán)防灰塵及硬沙粒等進(jìn)入內(nèi)部，減少外界異物對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，不僅不影響裝置的正常操作，還增加了產(chǎn)品的美觀性。

4）液壓千斤頂：液壓千斤頂是千斤頂中的一類(lèi)，是一種以液體為工作介質(zhì)，用來(lái)傳遞能量以實(shí)現(xiàn)工藝的機(jī)器。用來(lái)頂起重物，不僅在構(gòu)造方面比較簡(jiǎn)單，而且便于攜帶，能夠時(shí)常拿著液壓千斤頂走動(dòng)，效果十分不錯(cuò)。此裝置中選擇的液壓千斤頂型號(hào)規(guī)格為DYG630-300T，支撐重量為630 t，材料為40Cr，安裝在裝置的主體罩內(nèi)部，用于拆卸工作，產(chǎn)生沖擊力使車(chē)輪和輪轂實(shí)現(xiàn)分離[8]。

5）導(dǎo)軌輪：亦稱(chēng)導(dǎo)向輪，是液力變矩器的反應(yīng)元件，引導(dǎo)傳動(dòng)皮帶移動(dòng)或轉(zhuǎn)換傳動(dòng)皮帶方向時(shí)所用的一種滑輪。安裝在相關(guān)部件的底部，相當(dāng)于給部件加了雙“腳”，帶動(dòng)其部件移動(dòng)，協(xié)助裝置工作。

6）拉桿：在裝置中共設(shè)計(jì)了6條拉桿，一部分長(zhǎng)度隱藏在主體罩內(nèi)部，剩下的長(zhǎng)度露在外頭。裝置中的拉桿不僅可以穩(wěn)定住主體罩里的液壓千斤頂，還能用來(lái)拉住和固定車(chē)輪，防止車(chē)輪在工作過(guò)程中掉落，提高了工作過(guò)程中的安全性。

7）拉板：在裝置中共設(shè)計(jì)了兩塊拉板，一塊拉板位于車(chē)輪左側(cè)邊，另一塊位于車(chē)輪右側(cè)邊。左側(cè)拉板與拉桿連接著，當(dāng)裝置啟動(dòng)時(shí)，與移動(dòng)過(guò)來(lái)的車(chē)輪左側(cè)邊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)貼合，不需要手動(dòng)安裝到車(chē)輪；而右側(cè)拉板則需要等左側(cè)拉板與車(chē)輪左側(cè)邊貼合后，再由人工安裝到車(chē)輪右側(cè)邊，需要手動(dòng)安裝。兩拉板固定在車(chē)輪兩邊位置，保證在工作時(shí)整體輪對(duì)的穩(wěn)定性，可隨時(shí)進(jìn)行拆卸安裝，并且可以起到緩沖作用。

8）伺服電機(jī)：伺服電機(jī)是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置，在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)，是一種可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，又稱(chēng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)可以使兩輛輔助移動(dòng)式小車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)，分別安裝在兩輛小車(chē)上，運(yùn)行PLC程序來(lái)帶動(dòng)同步帶，用來(lái)啟動(dòng)小車(chē)工作，實(shí)現(xiàn)了裝置的半自動(dòng)化，減輕了工人師傅的工作強(qiáng)度[9]。

9）同步帶：以鋼絲繩或玻璃纖維為強(qiáng)力層，外覆以聚氨酯或氯丁橡膠的環(huán)形帶，帶的內(nèi)周制成齒狀，使其與齒形帶輪嚙合。在本裝置中，同步帶中的齒輪與軸相連接，帶動(dòng)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)兩輛小車(chē)同時(shí)運(yùn)行，有著傳動(dòng)比準(zhǔn)確、對(duì)軸作用力小、結(jié)構(gòu)緊湊、耐磨性好、抗老化性能好等優(yōu)點(diǎn)。

10）機(jī)車(chē)輪對(duì)：機(jī)車(chē)行走離不開(kāi)輪對(duì)，輪對(duì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)行走的重要零部件，由車(chē)輪、車(chē)軸等零部件構(gòu)成。機(jī)車(chē)輪對(duì)在本裝置中扮演著需要拆卸的角色。

11）V型槽：兩個(gè)輔助移動(dòng)式小車(chē)的頂端都設(shè)計(jì)了V型槽，槽口呈現(xiàn)V字形狀，用來(lái)放置車(chē)軸。其車(chē)軸左右兩端卡在V型槽的槽口，支撐起車(chē)軸，防止掉落。車(chē)軸屬圓柱體形狀，采用V型槽能更好地穩(wěn)定住車(chē)軸和輪對(duì)整體結(jié)構(gòu)，提高裝置的安全性。

12）輔助移動(dòng)式小車(chē)：整體式移動(dòng)裝置，由同步帶、伺服電機(jī)等部件構(gòu)成。設(shè)計(jì)在裝置的左右兩側(cè)，沿著導(dǎo)軌路線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)左右方向移動(dòng)，有利于工人師傅操作。

13）升降手柄：裝置的升降離不開(kāi)升降手柄，小小的升降手柄在其中發(fā)揮著大大的作用。升降手柄位于輔助移動(dòng)式小車(chē)上，用于控制V型槽的上升和下降，順時(shí)針搖動(dòng)手柄代表著上升，逆時(shí)針搖動(dòng)手柄則代表著下降。不僅用于協(xié)助V型槽工作，添加V型槽可上下移動(dòng)元素，還可以幫助兩輛輔助移動(dòng)式小車(chē)達(dá)到同一水平位置。

14）導(dǎo)軌：可承受、固定、引導(dǎo)移動(dòng)裝置，并減少其摩擦的一種裝置。設(shè)置了兩條導(dǎo)軌，是位于裝置最底下的部件，采用直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，和導(dǎo)軌輪相結(jié)合，為輔助移動(dòng)式小車(chē)等部件提供運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)承受上下左右的負(fù)荷，組裝容易，并具互換性、磨耗少、能長(zhǎng)時(shí)間維持精度等優(yōu)點(diǎn)。各零部件分布如圖3所示[10-11]。

圖3 各零部件分布圖

3 液壓千斤頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 結(jié)構(gòu)組成

1）動(dòng)力元件：將原動(dòng)機(jī)（電機(jī)、發(fā)動(dòng)）輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的壓力能的液壓泵裝置。2）輔助元件：過(guò)濾器、油箱、管路等。3）工作介質(zhì)：液壓油、液壓液。4）操縱控制元件：壓力控制閥、方向控制閥、流量控制閥等。5）執(zhí)行元件：液壓千斤頂，又叫液壓缸和液壓馬達(dá)。

3.2 材料

1）使用了高強(qiáng)度40Cr鋼，精工打磨，內(nèi)壁明亮，滾壓加工，抗張強(qiáng)度。2）熱處理調(diào)制工藝，采用了淬火+高溫回火的雙重?zé)崽幚怼?）活塞桿表面鍍硬鉻處理，鉻層硬度900 HV，外圓磨，鏡面工藝經(jīng)久耐用。4）斯特封，格萊圈，防塵圈，耐磨環(huán)，導(dǎo)向帶，支撐環(huán)，多道密封，高頻使用。

3.3 產(chǎn)品參數(shù)

類(lèi)型：DYG630-300T；噸位：630 t；行程：500 mm；本體高度：815 mm；伸張高度：1 315 mm；活塞直徑：250 mm；油缸直徑：360 mm；油缸外徑：508 mm。液壓千斤頂如圖4所示。

圖4 液壓千斤頂

4 具備的條件、缺少的條件及解決方法

4.1 已具備的研究條件

1）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索查閱到了機(jī)車(chē)輪對(duì)的整體結(jié)構(gòu)和組成。2）研究了各零部件對(duì)輪對(duì)的重要性，理清了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3）分析和借鑒了傳統(tǒng)的拆卸機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂的方式。4）逐漸完善了各個(gè)零部件，每個(gè)零部件都從實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)出了新型移動(dòng)式機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂拆卸裝置。

4.2 尚缺少的研究條件

1）有部分小零件沒(méi)有渠道購(gòu)買(mǎi)，無(wú)法進(jìn)行參照與實(shí)踐。2）因?yàn)槭怯嘘P(guān)于機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂的拆卸裝置，所以相關(guān)市場(chǎng)能提供的相關(guān)信息和資料并不多，市場(chǎng)分析情況搜集比較困難。3）有關(guān)于以往機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂拆卸過(guò)程的視頻寥寥無(wú)幾。4）相關(guān)零部件資料的信息量不大。

4.3 解決方法

1）利用數(shù)車(chē)、銑車(chē)來(lái)根據(jù)圖紙上的尺寸大小將其制作出來(lái)，做出多個(gè)零件進(jìn)行對(duì)比，從而選擇與目標(biāo)尺寸最貼近的零件。2）通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資料來(lái)對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂的拆卸過(guò)程進(jìn)行深入分析。3）多查看和分析近幾年關(guān)于機(jī)車(chē)輪對(duì)的磨損量，來(lái)得知市場(chǎng)的需要。4）向從事這方面的專(zhuān)業(yè)人士請(qǐng)教和了解相關(guān)信息。

5 材料清單

移動(dòng)式機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂拆卸裝置所需材料清單如表1所示。

表1 材料清單

6 拆卸裝置創(chuàng)新點(diǎn)

1）輔助移動(dòng)式小車(chē)：設(shè)計(jì)添加了裝置的移動(dòng)性元素，實(shí)現(xiàn)了裝置可移動(dòng)功能，便于工人師傅使用，減輕其勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省工作時(shí)間。

2）拉桿：共設(shè)計(jì)了6條拉桿在裝置左側(cè)，用來(lái)裝夾將要拆卸的車(chē)輪，預(yù)防工作過(guò)程中零件掉落，確保其過(guò)程的穩(wěn)固性，提高裝置使用安全性。

3）主體罩：屬于部分部件的保護(hù)外殼，不僅起到了保護(hù)和穩(wěn)定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，而且增加了產(chǎn)品的美觀度。

4）拉板：共有兩塊拉板，其中一塊拉板能自動(dòng)貼合，另一塊需工人師傅手動(dòng)安裝，固定在車(chē)輪的兩側(cè)邊位置，保證在工作過(guò)程中整體輪對(duì)的穩(wěn)定性，并可隨時(shí)進(jìn)行拆卸安裝。

5）雙長(zhǎng)條導(dǎo)軌：設(shè)計(jì)在裝置底部位置，為輔助小車(chē)提供運(yùn)動(dòng)軌跡。

6）支撐架：用來(lái)支撐和固定液壓千斤頂，保證液壓千斤頂有穩(wěn)定的工作過(guò)程。

7）伺服電機(jī)：添加了PLC程序元素在其中，伺服電機(jī)啟動(dòng)來(lái)帶動(dòng)同步帶工作。

8）升降手柄：設(shè)計(jì)了升降手柄來(lái)控制小車(chē)上的V型槽，實(shí)現(xiàn)V型槽上下運(yùn)動(dòng)的功能，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)升降輪對(duì)，使其與液壓千斤頂保持在同一水平位置。

9）水平分離式拆卸法：采用了水平分離式拆卸法，當(dāng)車(chē)輪和輪轂經(jīng)過(guò)液壓千斤頂分離后，可以根據(jù)車(chē)輪和輪轂的磨損率來(lái)進(jìn)行選擇性更換，檢測(cè)不合格的零件將重新?lián)Q上新的零件，檢測(cè)合格率達(dá)標(biāo)的零件可以繼續(xù)使用。

7 主要問(wèn)題的處理

7.1 液壓千斤頂規(guī)格大小的選擇

液壓千斤頂?shù)囊?guī)格大小需要根據(jù)機(jī)車(chē)輪對(duì)的形狀、重量來(lái)選擇，選擇適用于此裝置的液壓千斤頂。查閱有關(guān)資料和視頻，并經(jīng)過(guò)多次探討，最終選擇型號(hào)規(guī)格為DYG630-300T，支撐重量為630 t，材料為40Cr的液壓千斤頂。

7.2 液壓千斤頂如何固定

液壓千斤頂?shù)淖饔檬峭ㄟ^(guò)沖擊力來(lái)分解機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂，所以對(duì)液壓千斤頂?shù)墓潭ǚ绞綐O其重要。嘗試并驗(yàn)證了各種方法，逐一刪選，最后設(shè)計(jì)了拉桿和支撐架來(lái)固定住液壓千斤頂。

7.3 拆卸過(guò)程中如何固定住輪對(duì)

輪對(duì)需要通過(guò)液壓千斤頂產(chǎn)生的沖擊力來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輪輪轂分離，然而液壓千斤頂會(huì)在工作過(guò)程中的一瞬間產(chǎn)生較大的沖擊力，所以在液壓千斤頂工作時(shí)穩(wěn)定住輪對(duì)這極其重要。發(fā)明的裝置必須要把安全放在第一位，每個(gè)細(xì)節(jié)之處都需層層分析設(shè)計(jì)，從實(shí)際出發(fā)。因此，在車(chē)輪兩側(cè)位置設(shè)計(jì)了可隨時(shí)安裝和固定其車(chē)輪的拉板，還另外設(shè)計(jì)了拉桿來(lái)同時(shí)穩(wěn)定住車(chē)輪，由拉桿和拉板先固定住將要拆卸的輪對(duì)，再通過(guò)液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)車(chē)輪輪轂分離。這兩處設(shè)計(jì)不僅大大保證了輪對(duì)在拆卸過(guò)程中保持較高的穩(wěn)定性，裝置整體的安全性也隨之提升。

7.4 整個(gè)裝置在過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)

厚重的零部件離不開(kāi)移動(dòng)裝置，自動(dòng)化已深入人們的生活，所以設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌、同步帶、伺服電機(jī)和輔助移動(dòng)式小車(chē)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置的移動(dòng)。

8 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種移動(dòng)式機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂拆卸裝置，該裝置是針對(duì)機(jī)車(chē)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀而設(shè)計(jì)的，屬于半自動(dòng)化裝置，所以可以將其納入機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂拆卸作業(yè)線(xiàn)中。該裝置可以為工人師傅帶來(lái)極大的便捷，不僅有利于降低電力消耗，而且有利于減少經(jīng)濟(jì)成本，節(jié)省機(jī)車(chē)車(chē)輪輪轂更換的時(shí)間，從而推動(dòng)整個(gè)機(jī)車(chē)行業(yè)的發(fā)展。