□ 康鳳偉 □ 王文剛 □ 周素霞 □ 郭子豪 □ 張 軍

1.神華鐵路貨車運(yùn)輸有限責(zé)任公司 北京 100011

2.北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100044

1 設(shè)計(jì)背景

目前大量鋁合金鐵路貨車已使用多年，即將進(jìn)入維修高峰期，若缺乏合適的設(shè)備與技術(shù)，將影響到維修和運(yùn)輸工作。貨車車體采用鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)，在裝車受到意外撞擊時(shí)，車體容易出現(xiàn)破損，有些車輛被鐵路沿線侵入物劃傷，造成不規(guī)則的凹坑甚至漏洞，這些都給運(yùn)輸帶來了較大的安全隱患［1-2］。在鐵道車輛檢修中，根據(jù)所檢修貨車車體具體車況，其側(cè)墻、端墻、地板等部分需要進(jìn)行挖補(bǔ)、截?fù)Q或更換，這就需要進(jìn)行焊接操作。由于鋁合金焊接操作技能的要求較高，在貨車檢修中一直沒有得到推廣應(yīng)用，且采用傳統(tǒng)電弧焊會(huì)導(dǎo)致較大缺陷，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低［3-4］。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外都在深入研究、推廣應(yīng)用摩擦攪拌焊技術(shù)，摩擦攪拌焊技術(shù)主要應(yīng)用于其它焊接手段難以焊接的薄片輕金屬中。為了減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高可靠性，筆者設(shè)計(jì)的焊補(bǔ)設(shè)備將摩擦攪拌焊技術(shù)引入鋁合金車體檢修中，可獲得非常平滑、外觀均勻的表面，從根本上提高了焊接質(zhì)量［5］，因此適用于軌道車輛側(cè)墻焊補(bǔ)作業(yè)。摩擦攪拌焊技術(shù)使用非自耗損的旋轉(zhuǎn)工具，沿兩個(gè)部件的連接處移動(dòng)，形成高質(zhì)量的對(duì)接焊縫［6～7］。目前，在檢修貨車車體的端墻與側(cè)墻破損故障時(shí)，均采取整板更換方式。更換前，必須先將支柱和環(huán)槽部位所有連接切割掉，使檢修成本提高，時(shí)間延長(zhǎng)，周轉(zhuǎn)變慢，大幅度增加了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本［8-9］。因此，有必要設(shè)計(jì)出能夠在不拆解車體的條件下完成貨車車體側(cè)墻焊補(bǔ)的維修設(shè)備。

筆者深入研究了摩擦攪拌焊技術(shù)，并將其應(yīng)用到鋁合金車體焊接維修中，由此研制了一套適合軌道車輛車體側(cè)墻維修的可移動(dòng)摩擦攪拌焊設(shè)備，以解決鋁合金車體不能使用傳統(tǒng)焊接鉚接方法修復(fù)的缺陷。這一設(shè)備具有焊縫質(zhì)量好、成本低、效率高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，可以為鋁合金車輛的生產(chǎn)、使用、維修單位解決實(shí)際困難，提升維修效能。

2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)軌道車輛車體側(cè)墻焊補(bǔ)要求，且與設(shè)備各種工作狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，筆者設(shè)計(jì)的焊補(bǔ)設(shè)備主要由機(jī)頭、升降機(jī)構(gòu)、固定機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等組成，其作業(yè)示意圖如圖1所示。通過主軸提供攪拌焊動(dòng)力，自動(dòng)完成焊補(bǔ)過程。

▲圖1 軌道車輛車體焊補(bǔ)設(shè)備作業(yè)示意圖

軌道車輛車體焊補(bǔ)設(shè)備的技術(shù)核心是摩擦攪拌焊，其攪拌頭和傳動(dòng)裝置安裝在機(jī)頭內(nèi)。構(gòu)架為機(jī)頭移動(dòng)和固定提供了支撐，通過固定機(jī)構(gòu)與車體側(cè)墻保持平行。升降機(jī)構(gòu)由X軸構(gòu)架與Z軸構(gòu)架組成，X軸構(gòu)架、Z軸構(gòu)架與機(jī)頭之間由電機(jī)提供動(dòng)力，通過絲杠螺母副傳動(dòng)。構(gòu)架間移動(dòng)設(shè)置滑塊導(dǎo)軌以減小摩擦。絲杠螺母副傳動(dòng)裝置具有精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合于精確進(jìn)給的設(shè)備。在溫度很高和壓力很大的情況下，由電氣系統(tǒng)控制完成機(jī)頭與車體側(cè)墻之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車體側(cè)墻自動(dòng)焊補(bǔ)的過程。

3 工作原理

焊補(bǔ)設(shè)備運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)坐標(biāo)及設(shè)備簡(jiǎn)化圖如圖2所示，各機(jī)構(gòu)沿各自坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，完成焊補(bǔ)作業(yè)。軌道車輛車體焊補(bǔ)設(shè)備的焊補(bǔ)工作流程如圖3所示。在車體側(cè)墻焊補(bǔ)前，將焊補(bǔ)設(shè)備與車體固定在一起，采用固定機(jī)構(gòu)，上夾鉗液壓夾緊，下夾鉗手動(dòng)夾緊。為保證焊補(bǔ)部分平整，將車體破損部分銑削成標(biāo)準(zhǔn)圓孔，通過伸縮臂與壓輪將焊補(bǔ)材料鋁合金圓板鑲嵌到圓孔內(nèi)。在焊補(bǔ)過程中，根據(jù)被焊區(qū)域的大小，調(diào)整攪拌頭位置后繞Z軸旋轉(zhuǎn)。Z軸構(gòu)架可沿Z軸移動(dòng)，確定焊補(bǔ)區(qū)域。主軸帶動(dòng)攪拌頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)，沿X軸接近側(cè)墻，機(jī)頭同時(shí)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在焊補(bǔ)完成后，機(jī)頭繞Z軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，沿X軸返回，主軸停止旋轉(zhuǎn)。

▲圖2 焊補(bǔ)設(shè)備基準(zhǔn)坐標(biāo)及設(shè)備簡(jiǎn)化

▲圖3 焊補(bǔ)工作流程

4 機(jī)頭

4.1 機(jī)頭結(jié)構(gòu)

機(jī)頭是在安全使用基礎(chǔ)上保證焊接質(zhì)量的焊補(bǔ)設(shè)備關(guān)鍵組成部分，其性能直接影響到焊補(bǔ)設(shè)備的安全及其焊補(bǔ)質(zhì)量，機(jī)頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由于機(jī)頭是攪拌頭振動(dòng)的承受體，而且還要承受較大焊補(bǔ)壓力的反作用力，因此在設(shè)計(jì)中要使機(jī)頭具有較高的強(qiáng)度。攪拌頭在焊補(bǔ)過程中產(chǎn)生大量的摩擦熱，攪拌頭及機(jī)頭所處的環(huán)境條件惡劣。殼體采用2014-T6鋁合金板材料制作。此外，攪拌頭還裝有壓力傳感器與位移傳感器，能夠檢測(cè)在焊補(bǔ)車體側(cè)墻過程中的壓力和位置變化。

進(jìn)給電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)，使攪拌頭繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承滿足承載軸向力和徑向力的要求，且能獲得高精度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸帶動(dòng)攪拌頭自轉(zhuǎn)，攪拌頭上安裝位移傳感器可實(shí)現(xiàn)位移跟蹤。在殼體下設(shè)置調(diào)節(jié)滑道，攪拌頭可根據(jù)焊補(bǔ)大小調(diào)節(jié)行程。這一焊補(bǔ)設(shè)備能夠?qū)︿X合金板銑削直徑150～300 mm的孔。

▲圖4 機(jī)頭結(jié)構(gòu)

4.2 主軸扭矩

焊補(bǔ)設(shè)備在摩擦攪拌焊過程中承受頂鍛力和前進(jìn)抗力，在進(jìn)行摩擦攪拌焊主軸結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計(jì)時(shí)，需要計(jì)算主軸結(jié)構(gòu)受載和摩擦扭矩。

主軸結(jié)構(gòu)的受載可借助有限元分析得出，而摩擦扭矩的計(jì)算涉及到物理簡(jiǎn)化與假設(shè)、摩擦力分布假設(shè)和積分計(jì)算。在焊補(bǔ)過程中，攪拌頭受到的扭矩由軸肩和攪拌針旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生，并以軸肩扭矩為主，因此，軸肩和攪拌針扭矩的計(jì)算成為主軸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［10］。通過一系列簡(jiǎn)化處理，得到軸肩產(chǎn)生的摩擦力扭矩MS的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：μ為軸肩與車體側(cè)墻間摩擦因數(shù)；F為主軸頂鍛力；RS為軸肩半徑；r為與軸肩半徑有關(guān)的變量；θ為軸肩角。

前進(jìn)抗力產(chǎn)生的摩擦力扭矩MP數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：T為攪拌針長(zhǎng)度；RP為攪拌針半徑；n為余量因數(shù)，一般取1/3～1/2；z為攪拌針變量。

理論上主軸扭矩必須不小于攪拌工具與車體側(cè)墻之間的摩擦扭矩，但不可避免地存在誤差。在設(shè)計(jì)時(shí)，一般將1.5～2.5倍攪拌工具摩擦扭矩作為主軸輸出扭矩，這一焊補(bǔ)設(shè)備的主軸扭矩為18～23 N·m。

5 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)由X軸構(gòu)架與Z軸構(gòu)架組成，采用鋁合金結(jié)構(gòu)，保證升降過程中具有足夠的強(qiáng)度。升降機(jī)構(gòu)采用由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠螺母副傳動(dòng)，具有過載保護(hù)功能和安全自鎖功能。

5.1 構(gòu)架

構(gòu)架作為焊補(bǔ)設(shè)備的骨架，采用如圖5所示截面的鋁合金型材，通過支角架固定連接。在鋁合金內(nèi)部焊接十字形鍛鋁，以提高型材的強(qiáng)度。構(gòu)架分成Z軸構(gòu)架與X軸構(gòu)架，為導(dǎo)軌、絲杠、固定機(jī)構(gòu)等提供安裝位置。

▲圖5 構(gòu)架型材截面

圖6所示為Z軸構(gòu)架結(jié)構(gòu)，在Z軸構(gòu)架的中心安裝機(jī)頭裝置。通過絲杠與導(dǎo)軌，機(jī)頭及攪拌頭可沿Z軸方向相對(duì)于構(gòu)架上下移動(dòng)。這種可伸縮攪拌頭消除了焊縫末尾的“鑰匙孔”。在焊補(bǔ)過程中，機(jī)頭產(chǎn)生的頂鍛反作用力與振動(dòng)通過絲杠與導(dǎo)軌傳遞到Z軸構(gòu)架上。

▲圖6 Z軸構(gòu)架結(jié)構(gòu)

X軸構(gòu)架為長(zhǎng)方形，在其長(zhǎng)邊的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有為固定機(jī)構(gòu)提供安裝位置的空間，其上端也安裝有固定機(jī)構(gòu)，圖7所示為X軸構(gòu)架結(jié)構(gòu)。X軸構(gòu)架材料和連接方式與Z軸構(gòu)架相同，在X軸構(gòu)架的內(nèi)部是Z軸構(gòu)架。在焊補(bǔ)過程中，通過絲杠與導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)Z軸構(gòu)架與機(jī)頭沿X軸方向進(jìn)給，主要受到的頂鍛反力通過安裝在Z軸構(gòu)架上的滑塊傳遞到X軸構(gòu)架上。

焊補(bǔ)設(shè)備的結(jié)構(gòu)安全性很大程度依賴于構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此，對(duì)型材的強(qiáng)度、剛度、韌性、抗疲勞性、穩(wěn)定性和耐腐蝕性提出了很高的要求。

▲圖7 X軸構(gòu)架結(jié)構(gòu)

5.2 傳動(dòng)單元

升降機(jī)構(gòu)由電機(jī)提供動(dòng)力，動(dòng)力傳遞給絲杠，使絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺母直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)［11］。在構(gòu)架型材上安裝導(dǎo)軌與滑塊，配合螺母移動(dòng)，使焊補(bǔ)設(shè)備在高負(fù)載的情況下承載一定扭矩，實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)。

焊補(bǔ)設(shè)備采用齒輪傳動(dòng)，目的是保證攪拌頭繞Z軸精確、穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。升降機(jī)構(gòu)采用移動(dòng)傳動(dòng)單元，結(jié)構(gòu)互換性好，可靠性高，滿足焊補(bǔ)設(shè)備的要求［12］。采用兩個(gè)齒輪傳動(dòng)，獲得了較大的傳動(dòng)比，并有效提高了傳動(dòng)效率。在保證足夠強(qiáng)度的前提下，可采用較小的齒輪模數(shù)，使齒輪傳動(dòng)具有尺寸結(jié)構(gòu)緊湊、精確，以及輸出轉(zhuǎn)矩較大等優(yōu)點(diǎn)。

齒輪均采用42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，其密度為7 850 kg/m3，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28。通過有限元分析，齒輪等效應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖8可知，齒面嚙合時(shí)最大應(yīng)力為109.9 MPa，可見齒輪滿足強(qiáng)度要求。

▲圖8 齒輪等效應(yīng)力云圖

6 固定機(jī)構(gòu)

固定機(jī)構(gòu)尤為重要，不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且與焊補(bǔ)質(zhì)量有關(guān)。軌道車體和焊補(bǔ)設(shè)備是相互分離的，焊補(bǔ)設(shè)備安裝在小車上，以便移動(dòng)和維護(hù)。考慮到焊補(bǔ)設(shè)備在軌道車體側(cè)墻處安裝和拆卸的方便，采用夾鉗式固定方式。由于焊補(bǔ)設(shè)備自身質(zhì)量和焊補(bǔ)時(shí)所施加壓力的反作用力較大，車體側(cè)墻受力較大，因此，在構(gòu)架左上方和右上方采用液壓夾鉗，在構(gòu)架左下方和右下方采用螺母夾鉗。在夾鉗與車體接觸處鑲尼龍保護(hù)板，以防止壓力過大對(duì)車體造成損壞。以C80型車輛為例，固定機(jī)構(gòu)如圖9所示。

▲圖9 固定機(jī)構(gòu)

在焊補(bǔ)過程中，攪拌頭與被焊補(bǔ)車體側(cè)墻之間會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，攪拌頭會(huì)對(duì)車體側(cè)墻施加壓力，進(jìn)而對(duì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的反作用力。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，焊接8 mm鋁合金板承受的頂鍛力為10 kN，因此需要在焊補(bǔ)的另一側(cè)，即側(cè)墻內(nèi)部托住焊補(bǔ)區(qū)域。在兩側(cè)墻之間設(shè)置砧板，提供支持力，約束焊補(bǔ)區(qū)域沿Z軸方向的自由度。伸縮臂可以根據(jù)焊補(bǔ)位置的不同，調(diào)節(jié)砧板的位置。砧板與伸縮臂如圖10所示。

在機(jī)頭下側(cè)設(shè)置壓輪，目的是在焊補(bǔ)車體時(shí)降低攪拌頭旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)。

▲圖10 砧板與伸縮臂

7 電氣控制系統(tǒng)

焊補(bǔ)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子828D數(shù)控系統(tǒng)、1FK系列伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器。這一系統(tǒng)集數(shù)控機(jī)床、可編程序控制器、操作界面，以及6軸測(cè)量控制回路于一體。西門子828D數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功能強(qiáng)大，配備有諸多高級(jí)數(shù)控功能，如坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能和強(qiáng)大的管理功能，在滿足車體焊補(bǔ)功能的同時(shí)使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。這一電氣控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，可操作性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的開放性，如圖11所示。

為保證焊補(bǔ)表面的質(zhì)量，焊補(bǔ)設(shè)備在焊補(bǔ)過程中采用恒壓力控制，使用高精度壓力傳感器。在主軸上配備接觸式位移傳感器，進(jìn)行實(shí)時(shí)距離跟蹤檢測(cè)，可將檢測(cè)誤差實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可對(duì)X軸進(jìn)行實(shí)時(shí)位置補(bǔ)償，并且X軸采用閉環(huán)控制，保證了焊補(bǔ)方向的精度。

根據(jù)焊補(bǔ)設(shè)備的各項(xiàng)控制需求，電氣控制系統(tǒng)配備相應(yīng)的電路，硬件部分由控制電柜、顯示操作臺(tái)兩部分組成。

控制電柜是主要電氣元器件的安裝柜，數(shù)字控制單元、電源單元、軸驅(qū)動(dòng)單元、元器件、開關(guān)電源、斷路器及繼電器等都集中安裝在控制電柜內(nèi)。強(qiáng)電控制設(shè)備安裝在控制電柜的右側(cè)，弱電部分安裝在左側(cè)，使系統(tǒng)元件與強(qiáng)電的控制電路分開。控制電柜上裝有空調(diào)制冷機(jī)，可使控制電柜具有良好的冷卻和通風(fēng)效果，以保證電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

顯示操作臺(tái)是設(shè)備的控制監(jiān)視中心。顯示面板、數(shù)字鍵盤及設(shè)備操作面板均集中在操作臺(tái)上，監(jiān)控錄像的顯示、操作也都集中在操作臺(tái)上。

▲圖11 焊補(bǔ)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)

8 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一種軌道車輛車體焊補(bǔ)設(shè)備。這一焊補(bǔ)設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、焊補(bǔ)質(zhì)量高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道車輛車體側(cè)墻的焊補(bǔ)。這一焊補(bǔ)設(shè)備在軌道交通領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景和研發(fā)價(jià)值，可以提高鐵道車輛的焊補(bǔ)質(zhì)量。