軌道交通內燃機關鍵制造技術及裝備

中車戚野堰機車有限公司 虞行國

軌道交通內燃機關鍵制造技術及裝備

中車戚野堰機車有限公司 虞行國

我國軌道交通裝備的電力機車、內燃機車、動車組、鐵道客車、鐵道貨車、城軌車輛、機車車輛關鍵部件、信號設備、牽引供電設備、軌道工程機械設備等系統和車輛，支撐著我國軌道交通事業的發展。在以國家實施的《中國制造2025》和“一帶一路”戰略指引下，軌道交通裝備制造業在創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色環保等方向的發展有廣闊的前景。

根據目前的形勢，全球軌道交通裝備市場呈現出強勁的增長態勢，泛亞高鐵、中亞高鐵、歐亞高鐵、中俄高鐵四條世界級的高鐵線路，在亞投行的正式運營下，會有實質性的進展。加上中國中車的品牌得到不斷強化和提升，品牌“溢出”效益將顯現，越來越多的國家會選擇中車的高性價比產品。中車海外市場份額會越來越大,軌道交通裝備市場需求潛力巨大。中國中車采用280系列柴油機的內燃機車已經先后銷往幾內亞、伊朗、沙特、委內瑞拉等國家。2016年2月27日首列由哈爾濱始發終到葉卡捷琳堡的“中俄”國際貨運班列正式發車，這標志著中國北疆對俄貿易交通網絡又增加了一條新的鐵路貨運通道。擔當牽引“中俄”國際貨運班列的火車頭就是中車精心制造的HXN5型內燃機車。

內燃機車在現階段各個領域還都在廣泛地應用，例如船用、鐵路、工程機械、發電等，在遇到戰爭和突發的災害時期更加能發揮其優勢和作用。但在科技發達、技術進步和綠色環保要求的今天，用戶對內燃機車的柴油發動機使用的出功功率、油耗、噪聲、機破等指標有更高的要求。這就要求設計人員具有符合國際標準的設計思路，制造廠商有先進的制造工藝和先進高端的制造設備來迎合市場的需求。

內燃機車的柴油發動機機體制造技術及裝備

內燃機車的柴油發動機總成有上千個零件所組成，但是我們所說的關鍵還是五大件，即：機體、曲軸、凸輪軸、連桿和缸頭等。（見圖1）

作為內燃機車柴油發動機總成的母體當然是機體。柴油機機體是一個典型復雜的箱體零件，是裝配各個零部件的基礎件，八個表面平面上大約有大小螺栓孔上千個，而且箱體內部結構復雜。而對V型柴油機機體主要精度尺寸體現在三孔即主軸承孔、二側凸輪軸孔、氣缸孔和這三孔的空間相交尺寸。這些孔徑的精度尺寸直接影響到柴油機的使用壽命和造成機破事件發生的機率。

針對柴油機機體主軸孔和凸輪軸孔的精度有著較高的精度要求，要求機體在5m長度的九檔孔徑上，主軸孔直線度全長誤差要控制在0.08mm，兩孔之間相鄰誤差要控制在0.035mm；同樣凸輪軸孔直線度全長誤差要控制在0.10mm，兩孔之間相鄰誤差要控制在0.035mm的精度。這就要求加工柴油機機體的設備具有和滿足加工高精度、精度保持性好，同時還要有先進的加工工藝及強大的數控功能支撐。并且還需要嚴格控制和掌握設備在加工機體時工件壓裝時的變形量等一系列因素。這就是機體加工的技術難點和相適應的裝備制造技術難點。如圖2所示。

加工機體時，要達到加工的精度難點就在設備本身X軸的直線度是否達到工藝要求。臺面移動式的數控龍門加工中心X軸的精度要比龍門框架式移動的精度要高，因為這二種形式的機床結構受到基礎的變形和溫度的變化不同，會直接影響到產品的加工精度。目前有國外機床廠家考慮到溫度變化對精度的影響，在龍門框架的結構上采用龍門立柱不于床身剛性聯接的方案，避免因溫度變化而引起床身熱脹冷縮以及立柱因溫度變化造成主軸中心線前傾后仰互相干擾的現象。因機體形狀和結構所決定，加工時不是三軸聯動一刀加工成形，而是有X、Y和Z軸分段插補程序運行，特別要求Y、Z軸進行九次以上定位加工的重復定位精度指標。因為在加工主軸孔和凸輪軸孔時，都是通過滑枕及附件銑頭一檔一檔地進行加工，Y軸和Z軸的多次重復定位精度決定主軸孔的直線度。同時附件銑頭有二項精度會影響產品的直線精度，即附件銑頭的主軸中心線與滑枕主軸中心線的中心偏差以及附件銑頭180°轉中心的偏差精度都應該小于0.01mm，在加工箱體零件時附件銑頭從0°、90°、180°、270°旋轉后才能保證加工的產品在直線度和垂直度方面符合加工工藝要求。這兩

圖1　內燃機車柴油發動機總成和加工中的機體

圖2　柴油機簡圖和加工壓裝

個中心線偏差越小越能反映和保證主軸加工的中心點和裝置附件銑頭加工的中心點在空間尺寸鏈的精度（見圖3）。

目前在加工內燃機車柴油機機體的行業內，設備制造廠家有：意大利的英賽貝拉爾蒂、德國瓦德里希·科堡、德國瓦德里希·希根、法國弗雷斯特·里內、日本三菱等，其中最具有代表性的還是德國瓦德里希·科堡公司的數控龍門加工中心。在設備硬件設計上具有精度穩定切削高剛性，導軌全靜壓無磨損，附件頭配套齊全，在軟件設計上接地氣符合用戶的需求，多年積累的加工工藝得到廣大用戶的肯定。

雖然國產大型龍門加工中心關鍵功能部件都選用進口件，但還是只承擔柴油機機體的粗加工和半精加工工序，精加工工序全被德國、日本等國際品牌進口設備所壟斷，我國的設備現狀離高端裝備制造應具有的高精高效以及設備故障自診斷、加工自適應、附件系統自動識別、在線自動補償及測量等智能化功能還存在差距，絕大部分工作還需人工干預完成，這有待我們彎道超車，追上和縮小與世界先進制造業的設計思想和工藝制造水平差距。

圖3　主軸孔加工和附件銑頭的精度測量

內燃機車柴油機曲軸的制造技術及裝備

如果把發動機比喻為柴油機車“心臟”的話，曲軸（見圖4）則是“心臟中的心臟”。曲軸是發動機中承受沖擊載荷、傳遞動力的重要零件，在工作中它要承受交變載荷、彎曲和剪切應力，對疲勞、耐磨和強度等性能指標都有較高的要求，同時對材質的毛坯、熱處理工藝等都有嚴格的技術操作流程。一根5t左右重的全纖維擠壓曲軸從毛坯加工到成品，需要從粗車主軸頸、粗車連桿頸、半精車主軸頸、半精車連桿頸、精車主軸頸、精車連桿頸、粗磨主軸頸、粗磨連桿頸、精磨連桿頸、精磨主軸頸、熱處理、檢查、化驗等近40道子工序。對于形狀不規則的曲軸產品加工是典型細長軸加工，該產品對磨床設備來講無疑是精度要求最高、復雜程度及相關干涉因素最多，是產品零件達到工藝要求的最終加工機床。對能夠加工工件長度超過6m以上，重量超過5t，工件的主軸頸和連桿頸表面粗糙度要達到Ra=0.4 ～0.6μm，主軸頸、連桿頸直徑公差在0.008mm，主軸頸和連桿頸直線度在0.01mm/ 200 mm，連桿頸圓柱度0.015mm，連桿頸分度±15″的技術要求并且能加工不同角度和不同偏心量（沖程量）的主軸頸、連桿頸磨削的大型曲軸磨床的要求就更高了。

針對主軸頸直徑、連桿頸直徑、連桿頸平行度、圓柱度、表面粗糙度、主軸頸跳動等這么多的精度要求，曲軸磨床本身的制造也是經過一系列的發展。最原先的加工工藝是采用兩臺磨床或者兩道工序，分別對主軸頸直徑和連桿頸直徑進行切入式磨削。特別在連桿頸直徑磨削時需多次調整偏心距和角度分度才能完成對連桿頸的磨削加工，并且還要考慮曲軸的偏性配重裝置。早期形式的磨床頭尾架是通過機械同步軸傳動和頭尾架電動機同步傳動來實現的（見圖5）。

圖4二種平衡塊結構形式的曲軸

圖5機械同步軸傳動和電機伺服同步傳動曲軸磨

但是，要使主軸頸和連桿頸的精度達到0.02mm，特別是對多缸機的多拐連桿頸相互平行度的精度達到0.02mm是很難保證的。大型曲軸質量大，具有很大的轉動慣量，故其回轉運動時需要很大的驅動力矩；另一方面大型曲軸長徑比大曲拐的空間分布情況復雜，又因曲軸整體抗扭剛度較低，因此曲軸回轉運動時易產生較大的扭轉變形,這就需要設備的頭架尾架在同步上下功夫，做到旋轉運動分度上分秒不差。所以頭架和尾架的同步技術水平決定曲軸回轉運動時的扭轉變形以及影響各連桿頸平行度的精度。

為了要達到高效加工及一次夾裝同時磨削主軸頸和連桿頸又保證磨削精度，目前在進口大型磨床設備上已經采用新的磨削工藝即隨動磨削或者稱跟蹤磨削。為提高大型曲軸切點跟蹤磨削的工件輪廓精度，克服曲軸扭轉變形對連桿頸形位精度的影響，高精度高響應特性的砂輪架進給系統以及切點跟蹤磨削運動軌跡的誤差控制，砂輪架進給系統是切點跟蹤磨削的關鍵部件。砂輪架進給系統及切點跟蹤磨削運動軌跡的誤差決定主軸頸和連桿頸圓度精度，它對保證連桿頸磨削的輪廓精度起著至關重要的作用，也是考核設備優良的關鍵項目。圖6是曲軸隨動磨。

曲軸隨動磨床在使用和工藝上有著其優越性，不斷地得到用戶廣泛應用和肯定。但是，在制造上因其裝備制造硬件精度及結構復雜、在軟件技術應用技術含量高，所以國外制造這種大型曲軸隨動磨床的沒有幾家，例如捷克的TOS、日本的唐津、德國的英格索爾那克沙斯等。我國的上海機床廠多年的能力已經研制成功了能夠磨削8m長的大型曲軸隨動磨床（見圖7）。

該設備在外形設計、配套件布局、操作性能以及強大的功能暫時還不能與國外高端機床進行比較，但是已經基本滿足大型曲軸的工藝要求，同時要不斷地通過完善和提升在線自動測量和撓度線性測量、圓度自動采集補償等一系列適應曲軸磨削加工的自動化智能操作手段和完善的功能，讓用戶通過使用和長時間運行考核來證明產品的可靠性和可行性。□

圖6　曲軸隨動磨

虞行國，中車戚墅堰機車有限公司設備專家，江蘇興業機電設備有限公司總工程師，在設備選型和維修方面有很深的造詣。