動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架車軸檢測研究

中車唐山機(jī)車車輛有限公司 河北唐山 064000

2016年中國鐵路總公司發(fā)布實(shí)施《動(dòng)車組輪對管理辦法》，對輪軸生產(chǎn)提出了信息化管理和質(zhì)量追溯要求［1］。伴隨動(dòng)車組的高速發(fā)展，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架車軸新造和檢修產(chǎn)能不斷提升。為了高質(zhì)高效完成車軸生產(chǎn)來滿足市場需求，車軸生產(chǎn)線不斷引入新設(shè)備和信息管理系統(tǒng)，由機(jī)械化逐漸發(fā)展到數(shù)控化、半自動(dòng)化，自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)械手、自動(dòng)打標(biāo)與掃碼等設(shè)備相繼應(yīng)用到生產(chǎn)中，但仍不能滿足日益增長的生產(chǎn)需求。其中，車軸檢測和生產(chǎn)過程信息互聯(lián)是制造過程的瓶頸，因此，對車軸檢測進(jìn)行研究勢在必行。

1 車軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

車軸是機(jī)車重要的走行零件，其運(yùn)營環(huán)境復(fù)雜，長期承載交變載荷，是影響車輛運(yùn)營安全的核心零件之一。車軸有軸頸、軸身、輪座、齒輪箱座等結(jié)構(gòu)，主要功能是安裝軸承、車輪、制動(dòng)盤、齒輪箱等零部件。隨著高速鐵路和城市軌道交通的發(fā)展，空心車軸得到了推廣，其主要優(yōu)點(diǎn)是減小轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量，改善車輛的平穩(wěn)性，優(yōu)化輪軌關(guān)系。車軸斷裂主要發(fā)生在直徑不同的過渡區(qū)域，該區(qū)域均用圓弧過渡，并將圓弧設(shè)置得盡可能大，來降低應(yīng)力集中，并保證合理的階梯比和凸懸量。車軸的表面粗糙度必須得到保證，尤其是在配合部位，必須進(jìn)行磨光或滾壓，以提高車軸的抗疲勞、耐腐蝕能力。車軸基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車軸外形尺寸檢測主要包括軸全長、軸肩距、軸頸直徑、輪座直徑和各圓弧，為了保證車軸和其它零部件壓裝合格率，車軸徑向尺寸將公差設(shè)定為不大于0.025 mm，軸向尺寸公差設(shè)定為不大于0.1 mm，圓弧誤差設(shè)定為不大于0.05 mm。

車軸全尺寸檢測的傳統(tǒng)做法是由操作者在平臺(tái)或?qū)Ｓ弥Ъ苌贤瓿桑瑥较虺叽绮捎猛鈴角Х殖邷y量，軸向尺寸用專用測尺測量，圓弧用圓弧半徑規(guī)檢測。人工檢測車軸尺寸會(huì)帶來以下幾方面問題。

（1）不能實(shí)現(xiàn)鐵路客車信息化管理的要求，無法完成全過程的信息化管理和質(zhì)量追溯。

▲圖1 車軸基本結(jié)構(gòu)

（2）操作者自身容易干擾測量結(jié)果，人為因素影響大，且生產(chǎn)效率低。

（3）手工檢測儀器容易受到外界因素影響，測量誤差不易控制，且需要軸全長測尺、軸肩距測尺、深度尺、外徑千分尺、圓弧半徑規(guī)等多種檢測儀器才能完成一根軸的檢測。

（4）軸承裝配面、車輪裝配面等關(guān)鍵部位測量值不能共享，上下工序間數(shù)據(jù)傳遞存在壁壘，需要各道工序自行反復(fù)測量，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)效率。

基于企業(yè)管理軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，研發(fā)車軸檢測系統(tǒng)，同時(shí)采用自動(dòng)檢測，避免人為因素對測量結(jié)果的干擾，實(shí)現(xiàn)全過程的信息化管理和質(zhì)量追溯［2］。

2 車軸生產(chǎn)線

車軸生產(chǎn)線主要有傳統(tǒng)的實(shí)心軸生產(chǎn)線和空心軸生產(chǎn)線，以及新型的自動(dòng)檢測生產(chǎn)線。

2.1 實(shí)心車軸生產(chǎn)線

實(shí)心車軸生產(chǎn)從半精加工軸開始，采用工藝流程為：超聲探傷→軸端三孔檢測→半精車外圓→精磨軸頸→精磨輪座、盤座→車軸全尺寸檢測→熒光磁粉探傷→提交檢驗(yàn)、交出。實(shí)心車軸生產(chǎn)線配套設(shè)備為超聲探傷機(jī)、數(shù)控臥式車床、數(shù)控切入磨床、數(shù)控外圓磨床和磁粉探傷機(jī)。

實(shí)心車軸生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備數(shù)控化程度高，一般采用進(jìn)口高端機(jī)床，配置數(shù)字通信接口，具備信息傳輸和采集能力，但整體數(shù)字化、自動(dòng)化程度低，且極少配置自動(dòng)檢測設(shè)備，車軸檢測全部依賴操作者手工檢測。

2.2 空心車軸生產(chǎn)線

空心軸生產(chǎn)工藝流程除了空心處之外，其余與實(shí)心車軸差異不大。空心軸增加了車軸深孔加工和車軸深孔珩磨兩道工序［3-4］。空心軸主要的生產(chǎn)工序?yàn)榇帚姸嗣妫执蛑行目住周囃鈭A→精銑端面，精打中心孔→半精車外圓→車軸徑向超探→精車外圓→車軸表面高頻淬火→鉆車軸內(nèi)孔→珩磨車軸內(nèi)孔→車軸內(nèi)孔超聲探傷。主要配套設(shè)備有銑端面打中心孔機(jī)床、車軸徑向探傷機(jī)、數(shù)控車削中心、淬火設(shè)備、深孔加工機(jī)床、內(nèi)孔珩磨機(jī)床、內(nèi)孔超聲探傷機(jī)［5-6］。

空心軸生產(chǎn)線整體配置水平較高，很多廠家配置了自動(dòng)輸送小車和機(jī)械手，并部分實(shí)現(xiàn)了信息化管理，但是全程實(shí)現(xiàn)車軸信息化管理和質(zhì)量追溯仍有提升空間。

2.3 車軸自動(dòng)檢測生產(chǎn)線

根據(jù)生產(chǎn)線存在的問題，設(shè)計(jì)了新的自動(dòng)檢測生產(chǎn)線，整合原生產(chǎn)線設(shè)備，采用新的布局來配置，生產(chǎn)線主要由柔性輸送系統(tǒng)、車軸加工設(shè)備、清洗機(jī)、自動(dòng)檢測設(shè)備、磁粉探傷機(jī)、超聲探傷機(jī)、自動(dòng)照相打碼裝置、自動(dòng)貼碼裝置、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等組成。

自動(dòng)檢測生產(chǎn)線采用多級(jí)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)通信，各臺(tái)設(shè)備之間的信息均通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

車軸從半成品存放區(qū)通過天車吊運(yùn)到上料機(jī)的輥道上，經(jīng)自動(dòng)掃描條形碼后，通過機(jī)械手夾持到相應(yīng)加工設(shè)備進(jìn)行加工，具體工藝流程為：貼條碼→上線→掃碼→精車全部外圓→滾壓→磨削軸頸和防塵板座→磨削輪座、盤座→人工精整→清洗→自動(dòng)尺寸檢測→磁粉探傷→打探傷標(biāo)記→貼標(biāo)→下線。

3 車軸尺寸檢測

車軸檢測難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確、高效完成車軸的全尺寸檢測，且適應(yīng)車軸生產(chǎn)線多品種、大批量化的生產(chǎn)需求，并實(shí)現(xiàn)信息共享。

車軸全尺寸檢測中，線性尺寸檢測包括直徑檢測、圓弧檢測和軸向長度檢測，位置度檢測包括同軸度檢測和跳動(dòng)檢測。其中，直徑檢測中的軸頸直徑檢測是檢測和記錄的關(guān)鍵點(diǎn)，屬于高精度檢測。圓弧和軸向長度檢測同樣是難點(diǎn)。

車軸直徑檢測方法有機(jī)械測量法、氣動(dòng)法、超聲法、激光檢測法［7］。激光掃描測車軸直徑輪廓，優(yōu)點(diǎn)為無磨損，精度較高；缺點(diǎn)為對設(shè)備安裝要求過高，垂直度要求高，測量范圍普遍在100 mm以下。動(dòng)車車軸軸頸的直徑均大于120 mm，可見不適合激光掃描。機(jī)器視覺檢測作為一種非接觸、高精度的柔性坐標(biāo)檢測技術(shù)，通過設(shè)計(jì)可微調(diào)式車軸軸徑檢測裝置，解決大尺寸車軸軸徑檢測難的問題［8-9］。

圓弧檢測傳統(tǒng)方法是以半徑規(guī)作為樣板，采用透光法或染色法進(jìn)行檢測［10］，但檢測效率低，不能滿足多品種、大批量的生產(chǎn)需求。采用探頭掃描法進(jìn)行檢測，可以完成大部分圓弧的檢測任務(wù)，但是軸頸與防塵板座多段小圓弧和直線過渡區(qū)域?qū)儆跈z測盲區(qū)，無法完成檢測。采用激光檢測圓弧，相對成熟的范例是日本住友金屬工業(yè)公司，采用激光測長系統(tǒng)檢測圓弧，其原理為采用徑向探頭進(jìn)行半徑部分三點(diǎn)測量，然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行擬合計(jì)算確定半徑［11-12］。

軸向長度檢測傳統(tǒng)方法是采用軸全長測尺、軸肩距測尺、深度尺、游標(biāo)卡尺等量具組合完成，缺點(diǎn)是效率低。此外，量程大于2 000 mm的測尺，其自重大，需要兩人協(xié)作才能完成操作。另一方面，車軸各部位過渡區(qū)域均為圓弧，導(dǎo)致測量時(shí)存在檢測盲區(qū)。

通過比較上述方法的優(yōu)劣，車軸自動(dòng)檢測采用激光檢測方法，如圖2所示。承壓探頭可以垂向微調(diào)，以消除檢測機(jī)構(gòu)安裝和環(huán)境變化引起的系統(tǒng)誤差，也可避免測量點(diǎn)與直徑不重合造成的偏差。激光檢測采點(diǎn)后，擬合出圓弧與圓弧或圓弧與直線的交點(diǎn)，計(jì)算出各尺寸，并將檢測結(jié)果上傳至信息管理系統(tǒng)。

▲圖2 激光檢測

車軸自動(dòng)檢測省去多種檢測量具，實(shí)現(xiàn)了信息化管理和工序間的信息共享。一臺(tái)設(shè)備僅需要一名操作者，降低了企業(yè)人力成本，也避免了人為因素帶來的影響。經(jīng)計(jì)算，檢測一條車軸的時(shí)間由0.5 h縮短為0.3 h，提高40%的生產(chǎn)效率。

4 車軸檢測信息管理系統(tǒng)

車軸檢測信息管理系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括車軸全尺寸檢測系統(tǒng)、噴碼掃碼機(jī)構(gòu)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)等，主要負(fù)責(zé)車軸尺寸的信息采集、信息傳輸和信息存儲(chǔ)，同時(shí)為軟件部分提供數(shù)據(jù)傳輸接口。軟件部分主體為企業(yè)資源規(guī)劃管理系統(tǒng)，企業(yè)各級(jí)部門根據(jù)自身特點(diǎn)安裝管理子系統(tǒng)和服務(wù)終端［13］。網(wǎng)絡(luò)模式采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，分為車間級(jí)、企業(yè)級(jí)和集團(tuán)級(jí)。車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)由服務(wù)器、數(shù)控設(shè)備、檢測設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)終端等組成，采用以太網(wǎng)傳輸信息，用于接收和發(fā)出生產(chǎn)任務(wù)。車軸信息采集后，系統(tǒng)自動(dòng)比較判斷尺寸是否合格，合格數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，并發(fā)送至輪對壓裝信息、齒輪組裝和軸承組裝信息終端，用于組裝時(shí)信息查詢和選配。當(dāng)車軸尺寸超差時(shí)，信息自動(dòng)反饋至生產(chǎn)協(xié)作組、質(zhì)量管理和工藝技術(shù)組終端，由這三個(gè)部門協(xié)同處理不合格品。車間級(jí)和企業(yè)級(jí)的聯(lián)網(wǎng)方式為工業(yè)以太網(wǎng)，主要傳輸產(chǎn)品的關(guān)鍵信息，用于完成整車信息化管理和質(zhì)量追溯。集團(tuán)級(jí)和企業(yè)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)采用因特網(wǎng)進(jìn)行連接，方便遠(yuǎn)程查詢每個(gè)零件的基本信息。車軸檢測信息管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

隨著激光檢測技術(shù)的成熟及工業(yè)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車軸全尺寸自動(dòng)檢測不再是技術(shù)難題，且自動(dòng)激光檢測的效率和精度遠(yuǎn)高于人工檢測。對企業(yè)現(xiàn)有資源規(guī)劃軟件進(jìn)行開發(fā)，并對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、拓展，將車軸生產(chǎn)線、質(zhì)量管理系統(tǒng)和公司運(yùn)營系統(tǒng)串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化管理和質(zhì)量追溯是切實(shí)可行的。

5 結(jié)束語

對車軸檢測進(jìn)行研究，可以實(shí)現(xiàn)鐵路客車制造過程的信息化管理和質(zhì)量追溯，方便生產(chǎn)過程中的信息查詢與共享，提高生產(chǎn)效率，并簡化車輛質(zhì)量追溯過程。使用車軸自動(dòng)激光檢測，可以避免人為因素干擾檢測結(jié)果，降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短作業(yè)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，滿足日益增長的動(dòng)車組制造和檢修要求。

▲圖3 車軸檢測信息管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)