空心軸橡膠關節外壁折彎工藝分析及工裝優化設計

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

1 概述

輪對空心軸式結構在機車及動力集中型動車組中廣泛應用。空心軸橡膠關節的組裝是輪對空心軸式結構轉向架組裝中的重要一環。空心軸結構如圖1所示。空心軸由軸身與軸端兩個部分組成，這兩部分通過焊接的方式連接在一起。軸端上6個圓孔需安裝橡膠關節，并要求對橡膠關節外壁折彎使其與空心軸表面緊貼，以保證連接的可靠性。橡膠關節如圖2所示，主要由內球，外環和橡膠組成，橡膠分布在內球與外環之間。橡膠關節通過擠壓或拉伸橡膠可實現一定量的軸向或徑向移動。

圖1 空心軸結構

圖2 橡膠關節

2 工藝分析

2.1 橡膠關節組裝工藝分析

空心軸軸端橡膠關節安裝孔尺寸為φ100(0，+0.054)，橡膠關節在未安裝狀態下外圓參考尺寸為φ102。因此，在安裝橡膠關節時，需通過外力將橡膠關節外環收縮2 mm左右，使其裝入空心軸橡膠關節安裝孔中，直至橡膠關節外環止擋與空心軸接觸。

2.2 橡膠關節折彎工藝分析

橡膠關節壓入空心軸安裝孔中后，需將其外壁折彎，使其緊貼空心軸表面，保證安裝牢靠。橡膠關節外壁折彎為HXD1D型機車和FXD1型動車組輪對驅動裝置組裝的工藝難點之一。待折彎的橡膠關節外壁示意圖如圖3所示，高度約為3.50 mm，厚度約為1.30 mm。待折彎材料機械性能與45#鋼類似，且折彎的工作空間較為狹窄，工作尺寸較為細小。可采用如下兩種方式進行橡膠關節外壁折彎：①使用鏨子配合鐵錘進行敲擊，沿圓周方向將整圈橡膠關節外壁逐步敲擊至緊貼空心軸表面。②設計制作專用折彎工裝，借助立式壓力機，將橡膠關節外壁折彎至緊貼空心軸表面。折彎后橡膠關節示意圖如圖4所示。

圖3 待折彎橡膠關節示意圖

圖4 折彎后橡膠關節示意圖

以上兩種方式均可簡單便捷地實現橡膠關節的外壁折彎。但是采用第一種方式進行折彎完全依賴人工，因敲擊力度難以掌控，折彎后表面不平整，折彎質量較差。因此宜采用第二種方式。

3 工裝設計及優化

橡膠關節原折彎工裝結構如圖5所示，當橡膠關節壓入空心軸橡膠關節安裝孔后，將該工裝放置在橡膠關節待折彎處，并左右調整工裝，使工裝工作面卡在六連桿橡膠關節外壁的內側，再啟動單柱立式壓力機，使得六連桿橡膠關節外壁沿著該工裝工作面的外形軌跡移動，從而完成翻邊。該工裝使用效果良好，但是仍然存在約1%的報廢率。

圖5 原橡膠關節折彎工裝

對報廢橡膠關節形態進行統計分析，發現大部分是向內側折彎或者外壁被工裝從中間切斷。形態如圖6、圖7所示。

圖6 折彎報廢橡膠關節形態1

圖7 折彎報廢橡膠關節形態2

3.1 結合橡膠關節折彎原理，分析橡膠關節報廢原因

1)由于空心軸橡膠關節安裝內孔尺寸比橡膠關節外圓尺寸小，橡膠關節壓入空心軸時，呈壓縮狀態，其待折彎的外壁有向內側彎曲的形態，且圓度變大，因此橡膠關節外壁可能未按理想狀態沿著工裝軌跡運動，造成橡膠關節外壁內翻或者從中間被切斷。

2)橡膠關節折彎數量龐大，每臺車需使用折彎工裝144次，根據目前產量估算，年折彎達4萬次以上。而工裝的工作面是由幾段細小的圓弧組成，因此極易造成工裝工作面疲勞磨損，從而導致工裝失效，折彎成功率降低。

3)工裝安裝時無定位裝置，完全依靠操作者經驗判斷是否安裝到位。容易產生因“人”的因素導致橡膠關節報廢。

根據上述原因，對工裝結構進行了優化設計，如圖8所示。

圖8 優化后的橡膠關節折彎工裝

3.2 優化步驟

1)由原來“一步到位”的折彎方式改為分步進行，先使用A面朝上對六連桿橡膠關節外壁進行預折彎，即向外側翻轉60°，再用另一面將其壓緊，使其緊貼工件表面。即使六連桿橡膠關節外壁在壓入工件時向內傾斜或者不圓，也不影響預折彎。

2)增加了定位裝置。中間的立柱既是定位裝置又是壓頭，操作者在安裝工裝時無需再進行調整，只需將立柱套入六連桿橡膠關節內孔中即可。

3)將工裝的材料由原來的45鋼更改為40Cr。40Cr的淬透性更好，在熱處理后，工裝的強度、硬度等機械性能會明顯提升。一方面新工裝工作面的磨損對其功能產生的影響較小，另一方面新工裝機械性能大幅提升，因此新工裝的使用壽命將大大增加。

新工裝經工藝驗證，能較好地實現橡膠關節外壁折彎，如圖9所示。長期跟蹤結果表明，新工裝折彎成功率達到100%。

圖9 試用新工裝折彎效果圖

4 結語

本文對橡膠關節外壁折彎工藝進行了分析，并討論研究了對原有橡膠關節外壁折彎工裝進行優化設計。優化設計后的工裝能有效提升折彎成功率，實現了六連桿橡膠關節翻邊從需熟練工操作的“技術活”到新人也能操作的“機械活”，為企業節省了大量物料和人工成本。