胡士華，萬里榮，覃莉莉

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 引言

輪對打標(biāo)機(jī)是一種用于鐵路車輛的維修保養(yǎng)和管理的設(shè)備，它主要用于對輪對進(jìn)行打標(biāo)操作。輪對是車輛重要的組成部分，對車輛的行駛、安全和運(yùn)營起著至關(guān)重要的作用[1-2]。

通過在輪對上打上標(biāo)記，可以方便地對輪對的磨損和疲勞程度進(jìn)行評估。該標(biāo)記可以用于記錄輪對的使用壽命、檢測輪緣損傷等信息，為輪對的維護(hù)和更換提供依據(jù)?；疖囕唽νǔＪ且砸欢ㄒ?guī)格進(jìn)行生產(chǎn)的。通過在輪對上進(jìn)行標(biāo)記，可以方便地識別和區(qū)分不同規(guī)格的輪對。在火車車輛維修和更換輪對時，可以根據(jù)標(biāo)記來選擇合適的輪對進(jìn)行匹配，確保車輛的正常運(yùn)行。輪對的狀況直接關(guān)系到火車車輛的安全性。通過定期檢測輪對的磨損和疲勞程度，并及時采取維護(hù)和更換措施，可以有效預(yù)防由于輪對問題引發(fā)的事故和故障[3-4]。輪對上的標(biāo)記可以使得相關(guān)數(shù)據(jù)得以記錄并分析。這些數(shù)據(jù)可以用于輪對質(zhì)量的追溯和統(tǒng)計(jì)分析，為生產(chǎn)、運(yùn)營和管理提供參考依據(jù)。同時，通過對標(biāo)記數(shù)據(jù)的分析，也可以為輪對的改進(jìn)和優(yōu)化提供支持和指導(dǎo)。

綜上所述，輪對打標(biāo)機(jī)的好壞影響到輪對狀況評估、輪對匹配和管理、預(yù)防事故發(fā)生以及數(shù)據(jù)記錄和分析等方面，通過提供便捷的輪對標(biāo)記功能，為輪對的維護(hù)和管理提供支持和指導(dǎo)，確?；疖囓囕v的安全和正常運(yùn)行。針對以上作用，一款有效的火車車輪氣動打標(biāo)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

1 設(shè)計(jì)要求

為了能精確地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打標(biāo)，火車輪對打標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個設(shè)計(jì)要求：

（1）給輪對打標(biāo)的方式：可以采用噴涂、刻印或深度打標(biāo)等方式進(jìn)行輪對上的標(biāo)記。根據(jù)具體需求，選擇合適的打標(biāo)方式，并確保標(biāo)記的持久性和清晰度。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一個穩(wěn)定的主架系統(tǒng)來安裝各個零部件，并確保其在打標(biāo)過程中保持良好的穩(wěn)定性和平衡性。考慮到被加工件輪對的尺寸和重量，設(shè)計(jì)時還要考慮到打標(biāo)機(jī)運(yùn)行過程中要與輪對保持一定距離。

（2）打標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：選擇適合輪對打標(biāo)的打標(biāo)設(shè)備，如噴涂槍或刻字設(shè)備，并根據(jù)需求確定合適的打標(biāo)位置。考慮到輪對在運(yùn)行中的高溫和高速環(huán)境，需要選擇耐磨損、防水、耐高溫的打標(biāo)設(shè)備，采用高強(qiáng)度、硬度的打標(biāo)針頭。

（3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一個可靠的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對打標(biāo)過程的精確控制。確保打標(biāo)操作簡便方便，可以通過控制面板或者計(jì)算機(jī)界面設(shè)置打標(biāo)參數(shù)，如字體大小、位置等。

（4）安全性考慮：對于火車輪對打標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)，安全性是非常重要的。確保機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，避免任何可能導(dǎo)致傷害的部件或操作。另外，根據(jù)實(shí)際情況考慮防護(hù)措施或緊急停機(jī)裝置，確保工作人員的安全。

（5）自動化和智能化：在設(shè)計(jì)過程中，可以考慮引入自動化和智能化技術(shù)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自動識別待打標(biāo)輪對、自動調(diào)整打標(biāo)參數(shù)等功能，提高生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確，新型火車輪對打標(biāo)機(jī)是一種專門用于在火車輪對上進(jìn)行標(biāo)記的設(shè)備。它采用高精度傳感器和先進(jìn)的圖像處理算法，可以準(zhǔn)確地識別并標(biāo)記輪對上的各種信息，如制造日期、車輛編號等。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本打標(biāo)機(jī)為了能實(shí)現(xiàn)多自由度移動裝置帶動打標(biāo)頭進(jìn)行標(biāo)刻，解決打標(biāo)效率低下的問題，可用于不同型號車輪快速打標(biāo)，主要從以下三個部分來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.1 主架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一臺良好的打標(biāo)機(jī)要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速打標(biāo)，各個部件的安裝基礎(chǔ)穩(wěn)定性非常重要，作為安裝及承載的基礎(chǔ)主架結(jié)構(gòu)上需要安裝的部件很多，包含動力源橫向、垂向、縱向三個維度的步進(jìn)電機(jī)及對應(yīng)電機(jī)支座，包含縱向、垂向、橫向三個維度的傳遞運(yùn)動的絲杠及相對應(yīng)的滑板，包括傳遞扭矩的聯(lián)軸器、直接與被加工件接觸的打標(biāo)頭、用于發(fā)送指令的電腦，此外還要考慮到輪對尺寸，與鋼軌的配合，設(shè)計(jì)的主架圖見圖1，該結(jié)構(gòu)能滿足以上部件的安裝，且具有較高的穩(wěn)定性。

圖1 主架

2.2 打標(biāo)頭模塊設(shè)計(jì)

圖2 顯示的是打標(biāo)機(jī)的打標(biāo)頭模塊，打標(biāo)頭主要是用來實(shí)現(xiàn)打標(biāo)作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該打標(biāo)頭的設(shè)計(jì)要考慮到能單獨(dú)在x軸、y軸、z軸三個方向獨(dú)作立的進(jìn)給運(yùn)動，比如在垂向z的進(jìn)給運(yùn)動，垂直步進(jìn)電機(jī)是通過電機(jī)支座設(shè)置在主架上，垂直步進(jìn)電機(jī)通過垂向絲杠驅(qū)動垂直滑板沿豎直方向上升降。需要說明的是，垂直滑板與之轉(zhuǎn)動連接的螺母，該螺母與垂直絲桿螺紋連接，垂直絲杠與螺母組成絲杠螺母機(jī)構(gòu)，這樣的組合結(jié)構(gòu)可以完成z軸方向的打標(biāo)，又或者對于復(fù)雜字體，只需通過控制打標(biāo)頭兩軸或三軸聯(lián)動即可完成。

圖2 打標(biāo)頭模塊示意圖

2.3 控制傳輸模塊

打標(biāo)機(jī)控制模塊是指打標(biāo)機(jī)設(shè)備中負(fù)責(zé)控制和管理整個打標(biāo)過程的模塊或系統(tǒng)。該部分通常由硬件和軟件組成，旨在實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的打標(biāo)操作。打標(biāo)機(jī)控制部分通過協(xié)調(diào)硬件和軟件的工作，實(shí)現(xiàn)對打標(biāo)機(jī)設(shè)備的整體控制和管理。它的良好設(shè)計(jì)和高效運(yùn)行將直接影響到打標(biāo)操作的質(zhì)量和效率。所以對于硬件方面要有合適的控制器、合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。軟件方面，良好的用戶界面可以提供友好的人機(jī)交互界面，使操作員能夠方便地設(shè)置和調(diào)整打標(biāo)參數(shù)，監(jiān)控打標(biāo)過程和結(jié)果。界面可以是嵌入式觸摸屏、PC 端軟件等形式。

2.4 總體設(shè)計(jì)

將以上主架、打標(biāo)頭、控制模塊幾個部分再配合聯(lián)軸器、傳動絲杠等連接部分就可以得到輪對打標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)總體，圖3、4 是設(shè)計(jì)的輪對打標(biāo)機(jī)。包括工件輪對1，和鋼軌2，橫向步進(jìn)電機(jī)3，主架4，垂向步進(jìn)電機(jī)5，縱向步進(jìn)電機(jī)6，縱向絲杠7，橫向絲杠8，垂向絲杠9，打標(biāo)頭10，L 型滑板11，垂向滑板12，電腦13，電機(jī)支座14，橫向電機(jī)安裝座15，縱向電機(jī)安裝座16，聯(lián)軸器17。

圖3 打標(biāo)機(jī)主視圖

3 實(shí)施原理及可行性說明

3.1 實(shí)施原理

參考圖3、圖4，該裝置在使用時，首先將工件輪對1，移置鋼軌2 上面，如需對輪對作橫向打標(biāo)運(yùn)動，可由電腦13 發(fā)送指令控制橫向步進(jìn)電機(jī)3，電機(jī)3通過聯(lián)軸器17 傳遞動力到橫向絲杠8，橫向絲杠8轉(zhuǎn)動，帶動L 型滑板11 橫向運(yùn)動，同時打標(biāo)頭10 作橫向進(jìn)給運(yùn)動；如需對輪對作縱向打標(biāo)運(yùn)動，可由電腦13 發(fā)送指令控制縱向步進(jìn)電機(jī)6，電機(jī)6 通過聯(lián)軸器傳遞動力到縱向絲杠7，絲杠7 轉(zhuǎn)動，帶動L 型滑板11 與橫向打標(biāo)頭10 作橫向進(jìn)給運(yùn)動；如需對輪對作垂向打標(biāo)運(yùn)動，可由電腦13 發(fā)送指令控制垂向步進(jìn)電機(jī)5，電機(jī)5 通過聯(lián)軸器傳遞動力到垂向絲杠9，絲杠9 轉(zhuǎn)動，帶動垂向滑板12 與橫向打標(biāo)頭10 作垂向向進(jìn)給運(yùn)動；如需實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜字體，則三軸聯(lián)動，完成打標(biāo)作業(yè)。

圖4 打標(biāo)機(jī)立體圖

3.2 可行性說明

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有可行性，從工廠調(diào)研確定技術(shù)性能指標(biāo)，如打標(biāo)的精度、速度、穩(wěn)定性、運(yùn)動可靠性等。設(shè)計(jì)的打標(biāo)機(jī)指標(biāo)能滿足實(shí)際需求和應(yīng)用場景，可確保設(shè)計(jì)的可行性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證，將設(shè)計(jì)的打標(biāo)機(jī)通過SolidWorks軟件創(chuàng)建動畫來展示和演示產(chǎn)品的運(yùn)動和功能。先創(chuàng)建裝配，將零部件組裝成一個完整的產(chǎn)品裝配，確保每個零件都正確對位和連接。再設(shè)置場景，選擇合適的環(huán)境和背景設(shè)置，添加燈光和相機(jī)視角，確保動畫效果更加逼真和生動。最后使用SolidWorks 的運(yùn)動分析工具，對打標(biāo)機(jī)進(jìn)行動力學(xué)分析，以模擬產(chǎn)品運(yùn)動的物理行為，能更準(zhǔn)確地預(yù)測和展示產(chǎn)品的運(yùn)動效果，結(jié)果得到滿足。

最后，采用3D 打印工具將設(shè)計(jì)的打標(biāo)機(jī)其制作出來，并進(jìn)行運(yùn)動分析分析和測試，驗(yàn)證效果良好。綜合以上幾點(diǎn)，設(shè)計(jì)的火車輪對打標(biāo)機(jī)具有一定的可行性。

4 結(jié)語

本裝置可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速達(dá)標(biāo)，其使用可以提高輪對管理的效率和準(zhǔn)確性，同時降低人工操作的風(fēng)險(xiǎn)。它可以廣泛應(yīng)用于鐵路維護(hù)和保養(yǎng)工作中，幫助鐵路公司實(shí)現(xiàn)軌道安全和運(yùn)營管理的目標(biāo)。在后續(xù)的跟進(jìn)中，輪對打標(biāo)機(jī)可以考慮加進(jìn)數(shù)據(jù)采集功能，還可以搭載相關(guān)的傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對輪對的溫度、壓力、振動等數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和監(jiān)測，為維修保養(yǎng)的決策提供依據(jù)，并能及時發(fā)現(xiàn)輪對存在的問題，預(yù)防故障發(fā)生。