基于機械仿形的鏇輪裝置設計與研究

文永翔，周文祥，陳陽，張曉陽

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

在機車車輛進行滾動振動試驗的方法中，是利用軌道輪的旋轉以3～6 m左右的圓周長來模擬線路鋼軌的[1]。軌道輪斷面外形與鐵路軌頭相同，產生的磨耗形態與鋼軌類似，且磨耗累計效應高。由于硬度較低，磨耗速度比線路上的鋼軌快幾十倍，軌道輪的模擬效果隨著磨耗而下降。GB/T 32358-2015對軌頭型面的磨耗都有嚴格限制，軌頭型面的磨損不能>0.2 mm[2]。對于磨耗超限的軌道輪應及時進行鏇修，避免由于軌道輪的因素導致試驗結果的不可靠。傳統的軌道輪鏇修流程為：拆卸軌道輪并運送到機械加工車間，將軌道輪安裝在大型車床上進行車削，然后包裝運回原試驗臺處并進行組裝。整個檢修過程需耗時數周，這種修理方式效率低、費用高。因此研究設計一種可就地安裝使用的鏇輪裝置具有重要的實用意義。

1 技術方案提出并分析

軌道輪斷面及其與車輪的接觸關系如圖1所示，其中黑色粗實線即為軌道輪斷面外形，一般為1/40軌底坡放置的60 kg/m鋼軌[2]。

圖1 軌道輪與車輪接觸關系

由于機車滾動振動試驗臺的軌道輪單元包含特定精度的軸承、軸承座、主軸及其驅動調速系統[3]，它可以提供一定精度和速度的旋轉運動，作為切削需要的主運動。因此研究設計一種快速對準、安裝到工作位置的仿形鏇修裝置，就可以在試驗臺現場就地構成軌道輪的基本鏇輪系統，如圖2所示。

圖2 鏇輪系統

常見的仿形裝置有3種：機械仿形、液壓仿形和電氣數控[4-6]。液壓仿形的核心為液壓系統，它的零部件精度要求非常高，與機械仿形和電氣仿形相比，液壓傳動的可動部分慣量小，這就保證了它具有很高的速度，并使刀頭能迅速換向和制動，但其體積較大，質量較重；電氣數控仿形通過預編程序控制幾個伺服電機的旋轉，最終實現刀頭的仿形路徑。由于機車滾動振動試驗臺環境的特殊性，一是安裝空間狹小，二是鏇削裝置必須即用即拆，每次的安裝位置都可能變化，所以上述兩種仿形方法都不太實用，而機械仿形恰恰能滿足上述條件，不僅拆卸方便而且占用空間小。

2 鏇輪裝置

2.1 機械仿形原理

軌道輪截面曲線為多段圓曲線和直線段的組合，可利用圓車刀與軌道輪外形曲線相切的原理進行仿形切削。仿形切削的路徑如圖3所示，實際圓車刀的平移運動軌跡為軌道輪外形曲線外加圓車刀半徑的包絡線。機械鏇輪裝置必須具有橫向對刀、縱向進刀和仿形進給三大功能。橫向對刀是指鏇修切削前使車刀對齊軌道輪端面；縱向進刀可以實現不同背吃刀量的調整。

本設計采用的是機械仿形的方法，最關鍵的是仿形功能，原理是利用齒輪齒條產生動力，使圓車刀的運動軌跡沿著導槽的運動軌跡。另外還要保證圓車刀的切削運動相對軌道輪不會出現相對轉動，仿形切削的軌跡精度由導槽的精度決定。圓車刀切削軌跡如圖3所示。下面進一步研究實現各功能的具體結構。

圖3 圓車刀切削軌跡

2.2 運動機構

機械仿形鏇輪裝置如圖4、圖5所示，所需要的三大功能分別對應橫向對刀手輪1、縱向進刀手輪2和進給手輪3(或電機)。

圖4 鏇輪裝置立體圖

1—底座；2—圓柱滾子導軌；3—馬鞍板；4—手輪2；5—進刀絲桿；6—車刀座；7—墊塊；8—上框；9—橫梁板；10—減速機；11—仿形軸；12—齒輪；13—銅套；14—弧形齒條板；15—保持框；16—導槽板；17—壓柄；18—壓蓋；19—車刀；20—車刀桿；21—螺紋塊。圖5 鏇輪裝置剖視圖

首先由于切削運動的需要，車刀相對于底座必須能夠靈活地運動，同時又不能相對轉動。因此利用導軌和馬鞍板構成十字滑臺，如圖6所示。底座與馬鞍板通過橫向導軌連接，車刀座與馬鞍板通過縱向導軌連接，車刀安裝在車刀座上。

圖6 鏇輪十字滑臺機構

鏇輪裝置的縱向進刀機構就包含車刀座。利用絲桿螺母機構，轉動進刀手輪2實現車刀的縱向運動。

考慮到材料磨耗后的更換問題，將仿形所用導槽和弧形齒條單獨加工成零件，固定在固定框中，如圖7所示。通過橫向對刀手輪1帶動對刀絲桿旋轉，使保持框的橫向運動，最終實現橫向的對刀運動。

圖7 橫向對刀機構

從圖5中可以觀察出，仿形軸從上至下依次穿過減速機座、保持框中弧形齒條板、導槽板、車刀座，動力從電機或手輪3輸入后，經過減速機傳遞到仿形軸上。軸上的齒輪與齒條嚙合產生動力，仿形軸沿著導槽運動。車刀座相對底座的運動為平動，不會發生旋轉，車刀的仿形運動軌跡為導槽的中心線軌跡，最終實現車刀的仿形切削。

2.3 安裝與使用

一般來說，可以根據不同的試驗臺空間環境，搭配不同的底架，就可以實現鏇輪裝置相對軌道輪任意的傾斜角度安裝。當底架和鏇輪裝置安裝完畢后，啟動試驗臺電機帶動軌道輪以一定速度旋轉，并作為鏇輪的主運動，旋轉對刀手輪使車刀對齊軌道輪端面，再旋轉進刀手輪調整車刀調整到初始切削位置，啟動鏇輪裝置電機或仿形手輪實現車刀仿形進給運動，最后完成仿形鏇削(圖8)。

圖8 鏇輪裝置安裝位置示意圖

3 設計要素

3.1 導槽齒條設計

如圖9所示，所需鏇修的軌道輪截面型線為黑藍線條，由五段圓弧加一條線段構成。由上文的分析得知，導槽的軌跡應為軌道輪截面型線外加圓車刀半徑的包絡線，齒輪的運動軌跡為導槽中心線，則弧形齒條的節圓線為導槽中心線外加齒輪節圓半徑的包絡線(因本刊為黑白印刷，如有疑問之處，可咨詢作者)。

圖9 三線關系

確定導槽中心線和弧形齒條節圓線后，設計的導槽和弧形齒條如圖10所示。根據仿形軸的尺寸確定導槽的寬度，利用CAD軟件中的偏移命令即可完成導槽的設計。而弧形齒條根據節圓線進行分段設計，每段圓弧齒的模數和齒輪保持一致。在兩段圓弧的交接處采用齒頂或齒根過渡，導槽和弧形齒條都采用慢走絲線切割加工，然后對配合表面進行熱處理。由于切削的精度不需要齒輪齒條的嚙合保證，因此齒輪齒條的配合稍有間隙也不影響裝置的使用。

圖10 導槽和齒條設計

3.2 切削范圍

根據仿形切削需要，保證足夠的橫向對刀和縱向進刀的調整量，因此車刀的切削范圍如圖11所示，包含4個極限位置，車刀的起始切削位置應在4個極限點圍成的矩形范圍內。

通常橫向對刀調整量為30mm，縱向對刀量為20mm，切削軌跡線的橫向范圍約80mm，縱向范圍為30mm。因此在導軌的選擇上，應保證：橫梁上的橫向對刀導軌行程應>30mm；而馬鞍板的橫向導軌不僅要滿足橫向對刀的移動量，還要滿足車刀仿形切削的橫向移動量，橫向導軌的行程應>110mm；縱向導軌應>30mm。

圖11 仿形切削的范圍

3.3 切削計算

指數形式的切削力經驗公式應用比較廣泛，其形式如下[7]：

(1)

(2)

(3)

式中：Fc、Fp、Ff分別表示切削力、進給力和背向力；CFc、CFp、CFf取決于工件材料和切削條件的系數；xFc、yFc、nFc、xFp、yFp、nFp、xFf、yFf、nFf代表3個分力公式中背吃刀量、進給量和切削速度的指數；KFc、KFp、KFf為各種因素對各切削分力的修正系數。式中各種系數和指數都可以在切削用量手冊中查到。

仿形鏇輪裝置的使用條件是：背吃刀量0.2mm，進給量為0.5mm/r，切削速度為10m/s。代入上式，取修正系數為1，計算得到的切削力為286 N，進給力為134N，背向力為112N。切削時的各向力都較小，因此沒必要對裝置進行靜力學校核。

4 試驗情況

本裝置研發生產后，對一小段的圓棒進行鏇修，試驗情況如圖12所示。鏇輪裝置的3種典型工作位置狀態為：水平、60°傾斜和垂直，在不同的工況下使用結果如表1所示(試驗結果分別代表切屑狀態和振動情況)。試驗結果表明垂直狀態下裝置工作最穩定，振動對切削速度比較敏感，裝置在切削速度較低時出現較為嚴重的振動，可能是由于裝置本身自振頻率較低導致的，而背吃刀量影響切屑的連續狀態，試驗表明：背吃刀量在0.15～0.3mm之間最合適。

圖12 裝置的3種工作位置

表1 背吃刀量不同工況下的試驗結果

5 結語

本文研究提出了一種適合機車車輛試驗臺的軌道輪就地鏇修方法，設計了基于機械仿形的鏇輪裝置，利用齒輪齒條產生的動力靠導向槽實現仿形運動，結構緊湊。現已用于某機車輪軸驅動系統試驗臺中。運用結果表明：1)使用方便，可隨時組裝隨時使用，體積小，質量輕；2)運動平穩可靠，無不良機械振動產生；3)切削結果表明：圓跳動量為±0.1 mm，形狀精度為±0.1 mm。