不落輪車床定位技術的研究和應用

俞國根

（中國鐵路上海局集團有限公司機務部，上海 200071）

0 引言

列車運營一段時間后，輪對會產生擦傷、外部輪廓磨損等情況，造成輪對運行失圓。現在對失圓輪對的修復主要采用不落輪車床鏇修方式進行輪對鏇修恢復。目前國內列車不落輪對加工時對車輪定位大部分采用以設備的主傳動摩擦輪與加工列車車輪踏面外圓徑向隨動的定位方式，是以待加工已經失圓的車輪輪廓外圓踏面為基準的定位技術，會使加工車輪外圓輪廓隨動出現不規則多邊形的現象。

1 現有定位技術的不足

徑向隨動定位方式在工作狀態下（圖1），設備的摩擦輪在Fx.z 作用下緊緊貼附在車輪的踏面上，開始貼附長度L1隨著刀具切削加工逐漸縮短至L2直至消失的過程中，主傳動摩擦輪在Fx.z 作用下隨著切削加工過程填充切削留下的切削間隙量，其機床與輪對（加工件）踏面外圓作徑向隨動定位。在隨動定位過程中，輪對（加工件）的軸心線始終隨著切削的間隙量隨動跳動，由于機床的X（徑）、Z（軸）向坐標是固定的，這樣車輪外部踏面切屑間隙的隨動跳動量與機床固定的X（徑）、Z（軸）向坐標始終處于輪軸不同心的跳動狀態中，所以會導致加工的輪對踏面外圓出現失圓的狀況。

圖1 現有不落輪車床摩擦輪與輪對踏面外圓隨動定位工作原理

根據金屬切削機床加工原理，機床與加工工件的回轉中心必須固定，中心線保持不變，且工件回轉中心線必須與機床中心線平行或重合。需要加工的輪對本身就是其外部輪廓經過輪軌相互磨損，已使其踏面外圓具有相當的失圓程度，如擦傷、剝離、磨損等，因此利用已經失圓的踏面作徑向隨動定位，失圓的列車輪對踏面外圓存在著長短的徑差。車輪的多邊形是車輪外圓至圓心的徑距偏差導致，以車輪圓心至車輪外圓失圓呈不規則多邊形的一種狀態。在輪對的車削旋轉中，失圓的車輪與驅動摩擦輪的受力臂存在長和短的現象，那么在輪對加工過程中，驅動摩擦輪與輪對之間就會存在波磨或間隙，造成輪對中心線上下浮動，輪對在加工切削過程中就形成了多邊形，必然會進一步加大加工輪對踏面外圓的同心精度失圓的誤差。所以目前國內鐵路機務段、車輛段以及動車使用不落輪車床加工的列車車輪的精度始終存在著加工同心精度偏差呈多邊形失圓的問題，這就造成列車運行一段時間后車輪存在失圓多邊形擴大的必然現狀。

不落輪鏇修設備采用輪對（工件）徑向隨動定位的方式使加工后的列車輪對踏面外圓失圓，失圓的外圓至圓心的半徑距離必定存在著長短的徑差，那么失圓的徑差列車車輪在運行中與軌道的著力臂存在長和短的現象。

2 向心力與離心力原理

2.1 向心加速度

其中a 為向心加速度，單位m/s2；r 為圓周運動的半徑，單位m；υ 為線速度，單位m/s；ω 為角速度，單位rad/s。

2.2 向心力（離心力）

其中F 為向心力（離心力），單位N（圖2）。

圖2 向心力

2.3 失圓踏面的影響

根據以上物體在旋轉運動中的向心力與離心力理論可知道“旋轉運動中的物體受力臂越長（圓周運動半徑長），其向、離心力矩越大；受力臂越短（圓周運動半徑短），其向、離心力矩越小”，輪對動靜平衡中去重即采用該理論。不規則踏面外圓的輪對在列車牽引力作用下作勻速運動，同速而失圓踏面在軌道上長期運行會產生不同的頻率使輪軌相互產生波磨，輪軌高頻振動與列車轉向架固有頻率產生的共振，造成轉向架走行部件故障。

3 不落輪車床定位技術優化研究

對不落輪車床與列車輪對加工工件定位技術研究的重點是對加工列車車輪的不圓度（多邊形）通過加工進行消除，也就是對失圓輪對進行切削加工，使輪對的徑向跳動恢復至正常的范圍之內，達到消除車輪多邊形的目的。

3.1 軸箱支撐定位回轉中心技術結構的主要依據

不落輪車床屬金屬切削加工機床范疇，根據GB/T 9061—2006《金屬切削機床通用技術條件》要求，金屬切削機床主軸在加工過程中“加工件的軸心線與機床的軸中心線保持一致且不變”，根據標準要求，不落輪車床的軸心線在輪對加工過程中應使加工輪對軸心線保持不變。因此采用支撐輪對軸箱回轉中心的技術定位結構，能夠滿足金屬切削機床車削的加工要求。

3.2 軸箱支撐定位技術加工輪對的應用實施及效果

在機務段安裝了1 臺采用軸箱支撐定位的不落輪車床，對其加工的車輪的不圓度進行測試，其結果為“鏇輪前，所測試車輪圓周非均勻磨耗主要表現為16～24 邊形，其中18～22 邊形尤為明顯，2 軸和5 軸車輪多邊形最為明顯，表現為18 邊形，各車輪同時還表現出偏心；鏇輪后，所測車輪原始多邊形均已消除，且偏心現象得到改善”。經過跟蹤，發現利用該不落輪加工的機車投入運行半年，機車及輪對各項技術指標均正常，無需進行鏇修。而過去未使用該臺不落輪車床加工的輪對一般在不到2 個月左右就會要求鏇修，否則機車就會出現多項報警等故障，無法滿足機車運行的要求。因此，采用軸箱支撐定位回轉中心技術結構的不落輪車床，其加工輪對的利用率得到了大大提高，同時也增加了機車的利用率，節約了大量的檢修和維護成本，并能取得良好的社會和經濟效益。

3.3 利用不同定位技術的不落輪車床使用情況分析

采用機床主傳動摩擦輪與車輪外圓輪廓踏面接觸的徑向隨動定位，其加工列車車輪的不圓度（高階多邊形）無法消除至規定的正常值范圍內，這樣的列車輪對在運行中會對鋼軌造成波磨，會發生輪軌高頻振蕩并與列車轉向架等固有頻率發生共振，造成列車慣性振動，使走行部件的砂管支撐、腳蹬、齒輪箱合口螺絲、軸頭端蓋螺栓、一系圓簧等部件發生裂損故障，造成走行部件質量問題，危及列車行車安全。而采用了軸箱支撐定位回轉中心的不落輪車床加工的列車輪對能夠將車輪的不圓度（高階多邊形）控制在規定的范圍內，從而在投入運行后，不會發生上述故障現象。

4 結語

解決列車車輪存在失圓多邊形問題，首先要使設備加工后的輪對輪廓精度及其同心圓跳動偏差處在輪對規定指標內。列車不落輪車床加工車輪宜采用軸箱支撐固定定位方式，滿足車輪回轉中心固定不變，且車輪回轉中心線必須與機床回轉軸心線平行或重合。依據GB/T 9061—2006《金屬切削機床通用技術條件》，對列車不落輪車床定期進行最大切削抗力試驗，參考重型機床最大切削抗力參數，建議該機床最大切削抗力試驗切削截面積為16 mm2，即進給深度≥7 mm，經最大切削抗力試驗后檢測加工后車輪輪廓精度及同心圓跳動是否在規定范圍之內，設備主傳動摩擦滾輪徑向跳動偏差保持在≤0.05 mm。