劉進(jìn)華 周萬平 鄭俊琦

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，株洲 412001）

軌道交通部件走行部在設(shè)計(jì)中大量采用過盈聯(lián)接方式，如各類銷套聯(lián)接、車軸與車輪的聯(lián)接、小齒輪與電機(jī)軸的聯(lián)接、軸承與軸的聯(lián)接、六連桿銷與車輪孔的聯(lián)接等。它們均通過孔、軸之間的過盈量實(shí)現(xiàn)可靠的聯(lián)接，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。采用冷壓裝是工業(yè)上過盈聯(lián)接普遍采用的組裝工藝，壓裝方式較為簡(jiǎn)單，在過盈量不大的零件上具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[1]。

根據(jù)IRIS國際鐵路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南6中特殊過程[2]的定義，壓裝過程被定義為生產(chǎn)的特殊過程。這是因?yàn)閴貉b工藝的質(zhì)量無法用經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的方法進(jìn)行檢查。對(duì)壓裝質(zhì)量結(jié)果的檢測(cè)一般采用反壓法，而這是一種破壞性不可逆的測(cè)試法[3]，在實(shí)際生產(chǎn)中不具備可行性。反壓法一般只能用于對(duì)特殊過程的定期確認(rèn)。對(duì)特殊過程的質(zhì)量控制方面，質(zhì)量體系中強(qiáng)調(diào)針對(duì)特殊過程的5M1E（人機(jī)料法環(huán)測(cè)）生產(chǎn)要素進(jìn)行控制，而對(duì)5M1E的控制往往存在很大的不確定性，如人的執(zhí)行力和效果、機(jī)器的偶發(fā)故障、材料批次性能不合格、檢查批次不能全覆蓋、環(huán)境因素變化等，均會(huì)對(duì)壓裝質(zhì)量造成影響。如果對(duì)配合的對(duì)偶件實(shí)現(xiàn)100%檢查，勢(shì)必會(huì)大幅增加檢查工作量，導(dǎo)致成本增加和生產(chǎn)周期的延長(zhǎng)。因此，軌道交通部件壓裝配合零件的質(zhì)量一般采取抽檢方式，但這在實(shí)際生產(chǎn)中很難保證產(chǎn)品的合格率滿足要求。

根據(jù)分析，壓裝聯(lián)接設(shè)計(jì)的最終要求是松脫力，即使得壓裝失效的力。這個(gè)力與壓裝時(shí)的力存在很大關(guān)聯(lián)，二者基本一致。因此，可以通過檢測(cè)壓裝過程的壓裝力來判斷壓裝質(zhì)量[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展以及壓裝智能化設(shè)備的發(fā)展，對(duì)壓裝過程的壓裝力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋并控制壓裝過程已經(jīng)成為可能[5]。本文介紹軌道交通基礎(chǔ)制動(dòng)裝置固定叉體套壓裝的智能控制的壓裝力參數(shù)研究。

1 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置固定叉體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介及作用原理

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

固定叉體是軌道交通車輛盤形制動(dòng)裝置的受力部件，如圖1所示。固定叉體在車輛制動(dòng)時(shí)，承受閘片摩擦力引起的閘片托體垂向力的作用。通過固定叉體保證了盤形制動(dòng)裝置安裝的穩(wěn)定性和制動(dòng)受力的可靠傳遞。

圖1 盤形制動(dòng)裝置示意圖

1.2 作用原理

圖2為固定叉體力的傳遞示意圖。閘片托體通過銷1、套1將力傳遞到固定叉體。固定叉體又通過銷2、套2將力傳遞到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，由此平衡閘片與盤的制動(dòng)摩擦力，確保整套機(jī)構(gòu)產(chǎn)生可靠的制動(dòng)力。其中，套1、套2分別與固定叉體對(duì)應(yīng)的孔過盈聯(lián)接。

圖2 固定叉體力的傳遞示意圖

套1、套2與固定叉體的壓裝可靠性至關(guān)重要。若套脫出，則銷1、銷2將無法可靠傳遞力，并直接與固定叉體接觸，加快固定叉體本體孔的磨耗，同時(shí)影響整套夾鉗機(jī)構(gòu)安裝的可靠性。此時(shí)，閘片托的位置將產(chǎn)生變化，導(dǎo)致閘片與盤的摩擦接觸面發(fā)生異常改變而產(chǎn)生異常磨耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)失效的可怕后果。

2 固定叉體套的智能壓裝工藝

固定叉體套壓裝的主要失效模式是套的松動(dòng)和脫出，原因是套孔過盈量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，可能是孔過大或套過小造成的。實(shí)際生產(chǎn)中，由于套和固定叉體生產(chǎn)批量大，為減少工作量，對(duì)套的外徑和固定叉體孔的內(nèi)徑采取20%比例抽檢，發(fā)現(xiàn)尺寸不合格的進(jìn)行返工或報(bào)廢處理。但是，另外80%未檢產(chǎn)品很難保證全部合格，如果存在不合格品，則這部分產(chǎn)品將流入生產(chǎn)過程，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)用中過盈聯(lián)接的失效。

考慮實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往先計(jì)算聯(lián)接所需的過盈力，推算出過盈量，再從中得出孔軸尺寸和公差，最終設(shè)計(jì)輸出往往只給定套的外徑和固定叉體孔的內(nèi)徑尺寸公差、配合要求，并未給出實(shí)際配合力。實(shí)際的配合力一般在計(jì)算報(bào)告中有相關(guān)數(shù)據(jù)。在過盈聯(lián)接中，配合力往往反映在套的壓出松脫力和壓裝力。前述已說明，壓出松脫力是破壞性測(cè)試，在實(shí)際生產(chǎn)中不可用，而壓裝力則是可測(cè)量的數(shù)據(jù)。因此，可以考慮通過實(shí)時(shí)檢測(cè)套壓裝過程的壓裝力來推斷過盈聯(lián)接的質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)要求。

壓裝工藝的智能控制原理圖，如圖3所示。

圖3 壓裝工藝智能控制原理圖

通過在壓裝設(shè)備上增加高精度的力傳感器、位移傳感器，全過程檢測(cè)壓裝過程的力-位移的大小和關(guān)系繪制力-位移曲線，并利用計(jì)算機(jī)軟件監(jiān)測(cè)過程中壓裝力的峰值或壓裝均值（壓裝平穩(wěn)力）是否達(dá)標(biāo)。當(dāng)壓裝力在合格范圍，系統(tǒng)允許繼續(xù)壓裝并完成壓裝過程，否則報(bào)警并退出壓裝，從而實(shí)現(xiàn)壓裝工藝的智能控制，確保所有壓裝產(chǎn)品的合格。

圖4為基于以上原理研制的智能壓套機(jī)示意圖。

圖4 智能壓套機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 壓裝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究與控制參數(shù)確定

固定叉體壓套壓裝的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與控制參數(shù)包括固定叉體孔徑、壓套外徑、固定叉體的過盈量、固定叉體壓入力及壓入加速度、固定叉體壓出力及壓出加速度。

3.1 壓入力數(shù)據(jù)研究

固定叉體采用統(tǒng)一的尺寸。固定叉體各孔尺寸圖紙要求2800.033mm，上下孔配合要求均為H8/Z8。按照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可以確定部件配合具體尺寸，因此選取3種銷套2，其外徑尺寸分別為28.09 mm、28.10 mm以及28.11 mm.此外，選取9個(gè)固定叉體進(jìn)行壓裝（編號(hào)1～9），固定叉體兩個(gè)叉臂分別用-1和-2進(jìn)行進(jìn)一步編號(hào)。相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 固定叉體尺寸表

表2 壓套尺寸表

圖5 壓入力-位移趨勢(shì)圖

從圖5可知，整個(gè)壓裝過程中，當(dāng)壓套和固定叉體剛剛開始接觸的那一瞬間，壓入力出現(xiàn)了激增，然后馬上進(jìn)入平穩(wěn)壓入力階段。最后，智能壓套機(jī)與固定叉體進(jìn)行脫離臨界點(diǎn)，壓入力也有一個(gè)突變。為了進(jìn)一步分析固定叉體壓套壓入力與過盈量之間的關(guān)系，對(duì)所有固定叉體壓套平穩(wěn)壓入力和峰值壓入力進(jìn)行分析。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 峰值壓入力及平穩(wěn)壓入力表

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，通過圖6的折線圖可以得出峰值壓入力與平穩(wěn)壓入力相差范圍在1.50～0.04 kN，而且隨著過盈量的增加，最大壓入力與平穩(wěn)壓入力整體趨勢(shì)是逐漸變大，峰值壓入力與平穩(wěn)壓入力差距逐漸變小。

圖6 過盈量壓入力值

3.2 壓出力數(shù)據(jù)研究

采用固定叉體壓套工裝對(duì)壓入的壓套進(jìn)行反向壓出，并與壓入力對(duì)比分析，其壓出力-位移趨勢(shì)圖如圖7所示。

由圖7可見，壓出力在壓頭初始接觸套產(chǎn)生壓出力后急速上升為最大值。隨著套的脫出，壓出力呈線性下降，套與固定叉體孔脫離接觸后壓出力消失，整體的壓出力如表4所示。

表4 峰值壓入力及壓出力表

圖7 壓出力-位移趨勢(shì)圖

對(duì)比分析最大壓出力及壓入力，如圖8所示。壓出力力和壓入力都是隨著過盈量的增加而增加的，整體上壓出力都比壓入平穩(wěn)力大。因此，可以用壓入力作為判斷壓出力是否合格的標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 壓出力與壓入力的對(duì)比圖

3.3 控制參數(shù)確定

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)要求的實(shí)際過盈聯(lián)接控制參數(shù)為壓出力，但壓出力屬于破壞性檢測(cè)，不具備可測(cè)量性。平穩(wěn)壓入力比壓出力稍小，可以將平穩(wěn)壓入力作為控制參數(shù)。理論上，當(dāng)過盈量最小時(shí)，平穩(wěn)壓入力最小，可以將測(cè)試中最小的過盈量下的平穩(wěn)壓入力作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)表3的基礎(chǔ)壓入平穩(wěn)力數(shù)據(jù)，剔除不合格的6-1、6-2的數(shù)據(jù)，最小過盈量按0.06考慮，即表3中3-1和4-2的數(shù)據(jù)。選取較小的力作為控制標(biāo)準(zhǔn)，即3-1下的壓入平穩(wěn)力為5.8 kN，控制參數(shù)選定平穩(wěn)壓入力為5.8 kN。該控制力大于設(shè)計(jì)部門要求的最小松脫力5.5 kN，屬于可行和安全范疇。

4 結(jié)語

按上述控制參數(shù)進(jìn)行固定叉體壓裝，目前已經(jīng)完成近8萬個(gè)套的壓裝，在試驗(yàn)和運(yùn)行中至今沒有發(fā)生套松動(dòng)現(xiàn)象。本文介紹智能壓裝原理，并研究固定叉體壓套壓裝過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證分析固定叉體壓套的壓入及壓出，分析其結(jié)果數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：

（1）壓裝是軌道交通部件的特殊過程，采用智能壓裝工藝可以確保壓裝質(zhì)量得到很好的控制，并可以降低部件的檢測(cè)工作量和成本；

（2）對(duì)固定叉體進(jìn)行壓裝參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，固定壓套壓入的瞬間，壓入力出現(xiàn)了激增，后壓入力進(jìn)入平穩(wěn)力階段，且平穩(wěn)壓入過程中壓入力未有明顯變化；

（3）根據(jù)對(duì)固定叉體壓入和壓出力參數(shù)的研究，壓出力普遍稍大于平穩(wěn)壓入力，因此可以將平穩(wěn)壓入力作為固定叉體壓裝的控制參數(shù)，且實(shí)際效果驗(yàn)證了此判斷；

（4）由于實(shí)際壓裝力受多方面因素影響，如結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、傳感器誤差、壓裝配合面粗糙度、安裝的準(zhǔn)確度等，控制參數(shù)的測(cè)定需要大量的數(shù)據(jù)研究，但這勢(shì)必增加了研究成本，且本文研究中個(gè)別數(shù)據(jù)的跳變也說明了這個(gè)問題。