整體式彈性車輪組裝方案

邱永紅，姚奎旭，鄧超

株洲九方裝備驅動技術有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

彈性車輪是一種在輪箍和輪芯之間鑲嵌橡膠的車輪，一般由輪箍、輪芯、壓環、橡膠環及聯接螺栓組成。彈性車輪是近現代城市軌道交通車輛的主要車輪之一，它能降低輪軌沖擊噪聲、緩和輪軌沖擊振動、減少傳動轉向架裝置的動應力和降低輪軌的磨耗，提高線路車輛的使用壽命。彈性車輪的作用越來越重要，已成為了軌道車輛的主要組成部件，市場需求也越來越多[1，2]。本文以我公司生產的某種出口型整體式彈性車輪為例，主要介紹這種彈性車輪的壓裝設備及工裝設計、橡膠壓力智能監控和橡膠均衡壓縮安裝方法。

2 產品介紹

2.1 產品結構

該出口型整體式彈性車輪結構（見圖1）主要由輪芯、橡膠環、輪箍、接地線和緊固螺栓等幾部分組成。

圖1 出口型整體式彈性車輪結構

2.2 關鍵組裝技術要求

（1）轉矩 螺栓轉矩300N·m。

（2）跳動 軸向圓跳動≤0.5mm，徑向圓跳動≤0.3mm。

（3）靜不平衡 靜不平衡值≤125g·m。（4）試驗要求 具體如下。

1）型式試驗：①徑向剛度≥400kN/mm，軸向剛度≥65kN/mm。②扭轉剛度23.9kN/mm。③遲緩量0.3mm以內。

2）疲勞試驗：①試驗后輪箍、輪芯和壓環表面磁粉探傷無缺陷；遲緩量10m m以內。②扭轉剛度車輪試驗前后軸向、徑向圓跳動值變化率≤±20%，同時軸向圓跳動值需≤0.5m m，徑向圓跳動值需≤0.3m m。③試驗后剛度值需滿足600kN/mm≥徑向剛度≥320kN/mm，100kN/mm≥軸向剛度≥52kN/mm。④遲緩量10mm以內。

2.3 產品分析

（1）產品跳動 該出口型產品與我公司前期國內開發的某輕軌彈性車輪結構基本相同，但產品組裝后的跳動值要求提高了，具體見表1。

表1 出口型彈性車輪與某輕軌彈性車輪跳動值要求（mm）

前期某輕軌彈性車輪采用的組裝設備、工裝及組裝方法僅能勉強滿足其組裝質量要求，如果不重新設計設備、工裝，改進組裝方法，肯定無法滿足該出口型彈性車輪跳動值要求。

（2）剛度試驗 該出口型彈性車輪批量大，如何保證每個產品的剛度試驗都滿足要求是我們面臨的難題。每個產品都進行剛度試驗，條件不允許，如果采用控制單個零件質量與抽檢剛度試驗的方法，則存在零件圓錐面尺寸及形狀檢測成本高、交付周期長且組裝后質量不確定性較高的問題。

通過對出口型彈性車輪強度進行分析計算，在各零件材料、結構參數確定后，影響彈性車輪剛度的主要因素就是由各零件組裝尺寸及幾何公差累積造成的橡膠件壓力值。因此只要計算出滿足彈性車輪強度的最小壓力值，通過控制壓裝橡膠最小壓力值與抽檢彈性車輪剛度就能實現對彈性車輪剛度試驗的監控。

通過計算，彈性車輪的軸向壓裝力范圍為11.625～15t，考慮到壓裝過程中系統內金屬件間的摩擦阻力、橡膠硬度差異對于壓裝力的影響以及計算的誤差，為安全起見，最終確定控制在12.5～16t為合格。

3 自動、智能化壓裝設備設計

3.1 壓裝設備設計要求

按照通用原有工裝，不管采用立式油壓機還是螺桿預壓緊方式均不能滿足要求：①預壓緊行程速度不受控，影響產品跳動值。②預壓緊力不精確，不能自動保壓。③每個橡膠實際壓緊力值是否滿足要求無法判斷。

為解決上述問題，壓裝設備必須設計成通過程序能自動輸入預壓裝力、壓裝速度和保壓時間的自動壓裝機；同時要能以某種形式輸出橡膠實際壓緊力判斷值。為了質量的可追溯性，還必須有質量記錄保存功能。為了方便預壓緊后彈性車輪四周緊固螺栓打扭，也需將原壓緊裝置改成拉緊裝置。

3.2 壓裝設備主機及配套工裝設計

（1）主機設計 工裝主機設計如圖2所示，將液壓缸裝在機身中間，活塞桿向上，活塞桿上端開卡環槽。壓裝時通過采用分塊式復合塊拉壓產品，壓裝時使彈性車輪上部無壓裝設備部件，方便人工兩邊同時對四周緊固螺栓打扭。將位移傳感器裝在液壓缸內下端部，用于測量液壓缸活塞桿移動的位置。

圖2 工裝主機設計

（2）主要配套工裝 根據彈性車輪輪芯配置軸向圓跳動在0.03mm內的輪芯墊塊，用作壓裝前和過程中彈性車輪的端面定位；根據彈性車輪輪芯內孔尺寸配置1件輪芯定位塊，用作壓裝前和過程中彈性車輪的徑向定位。根據彈性車輪壓蓋尺寸配置壓塊，用作壓裝過程中彈性車輪壓蓋的均衡壓緊。圓周配置4個帶手輪的輪箍調節裝置，用于在帶橡膠的輪箍吊裝上壓裝設備時，壓裝前徑向偏心的預調節。

3.3 控制部分設計

（1）壓裝速度設計 在整個壓裝過程中，需在彈性車輪設計的橡膠最大壓裝力值的基礎上加50kN設定，以確保彈性車輪壓蓋與輪芯臺階端面能壓緊到位。壓裝前對輪芯、輪箍均進行了預定位校準，因此在壓裝開始時希望能保持預定位精度不變，同時由于同一個橡膠環厚度一致性存在誤差，安裝橡膠時也存在四周壓縮不均勻及定位偏差，因此在彈性車輪壓裝過程中存在因四周壓應力不一致，導致壓裝后跳動超差的現象。要解決這一問題就要求安裝橡膠工藝能保障橡膠的四周壓縮均勻性及定位精度，同時在壓裝過程中橡膠蠕變較小時能在預定位基礎上較快速壓裝；在后半部分橡膠壓力和蠕變量增大的情況下，通過減緩壓裝速度來釋放橡膠的應力集中，達到四周壓應力基本均衡的狀態，提高彈性車輪壓裝后的跳動精度。

設備采用電液伺服數控液壓機、PLC可編程控制器和工控機采集處理數據，使液壓缸拉壓力與拉壓速度均可進行設定與調節，同時空行程可進行手動快上、快下設計。在提高組裝效率的前提下，滿足拉緊液壓缸運行速度設計調節范圍要求。

根據橡膠環材質及特性，壓裝速度選用0.5～5mm/s，彈性車輪整個預壓裝過程按2個行程編制壓裝參數，前半部分行程設定3～4mm/s，后半部分行程設定0.5～1.5mm/s（壓裝參數設置見圖3）。

圖3 壓裝參數設置

（2）保壓設計 彈性車輪預壓裝到位后需手動放置螺栓或螺母，同時由兩人按180°方向分2～3次有序擰緊螺栓，因此在彈性車輪預壓裝到位后設備需設計保壓功能。采用自動壓裝設備后將彈性車輪緊固螺栓均按2次均勻擰緊，第一次必須在保壓力下按設計緊固螺栓轉矩力值的80%有序均勻擰緊；為防止橡膠反作用力影響，第二次在未保壓下按設計緊固螺栓轉矩力值有序均勻擰緊。根據不同產品螺栓數量及擰緊力不同，1次螺栓擰緊時間基本在10～15min，因此壓裝設備需設計保壓時間功能，具體產品根據不同保壓時間設定保壓參數（保壓參數設置見圖4）。

圖4 保壓參數設置

3.4 橡膠軸向壓裝力監控設計

在彈性車輪預壓裝過程中，當彈性車輪壓蓋與輪芯臺階完全接觸后，液壓缸壓力繼續加大時，液壓缸活塞將不產生位移，因此位移與壓力曲線變化拐點的對應壓力值加上輪箍與橡膠的重力就是彈性車輪橡膠所受的軸向壓力值。因此只需要設計輸出位移-壓力壓裝曲線圖（見圖5），同時在圖上設置橡膠軸向壓裝力值判定線，就可以對橡膠軸向壓裝力進行實時監控。

圖5 位移-壓力壓裝曲線

設備數據通過液壓缸上的壓力傳感器和位移傳感器來測量，通過可編程序控制器PLC、工業工控機在顯示器上顯示出來。同時為了曲線的精確性，采集數據設計成每隔100ms導出壓力和位移變化具體精確的數值點，連接繪制成位移-壓力壓裝曲線圖。為了驗證個別產品壓力與位移曲線變化拐點對應的壓力值，也可通過調用圖形采集數據進行精確判定（壓裝曲線導出數據見表2）。還可以設計成將采集的數據與工藝設定值進行比較，根據比較結果判定合格與否。但由于提高了判定值，所以該功能暫未實施。

表2 位移-壓力壓裝曲線導出數據

圖形及數據檢測后自動保存，分時間段拷貝后備份保存，便于產品質量追溯。

4 橡膠應力均衡安裝方法設計

為了保證橡膠自動定位精度及橡膠壓裝后蠕變的均勻性，橡膠外徑與輪箍內徑采用過盈配合，一般過盈量為3mm左右[3，4]。因此在安裝橡膠時，最后安裝進去的橡膠部分存在過度擠壓現象，造成四周橡膠擠壓應力不均勻，導致壓裝后部分彈性車輪跳動超差。

通過摸索，我們采用將橡膠環180°方向兩邊同時先擠壓進輪箍，調整余下兩邊橡膠壓縮量使其基本一致的情況下，再將兩邊橡膠擠壓進輪箍的方法，從后擠壓進輪箍的橡膠點處開始用橡膠錘沿兩邊圓周方向均勻錘緊，以使橡膠壓應力受力均勻（橡膠環擠壓方法見圖6）；反面按90°錯開后也按上述方法安裝另一邊橡膠環。

圖6 橡膠環擠壓方法

壓裝前采用預壓裝方式消除橡膠四周應力不均勻性：在車輪正式壓裝前預壓一次車輪，并保壓3～5min后卸掉壓力，可以釋放部分車輪橡膠的應力集中，使橡膠與輪箍、輪芯和壓環之間貼合更均勻、緊密，使跳動更穩定。

5 結束語

通過設計自動化壓裝設備并改進橡膠壓裝方法后，經大批量出口彈性車輪組裝驗證，組裝跳動質量與以前國產某彈性車輪組裝質量相比有顯著提升（壓裝效果對比驗證見圖7，其中出口型彈性車輪組裝采用了新壓裝設備和壓裝方法），經剛度與疲勞試驗，結果均符合要求，各項性能參數完全滿足出口型彈性車輪的質量要求。

圖7 壓裝效果對比驗證

通過本次彈性車輪組裝工藝的研究與實施，公司整體式彈性車輪的組裝工藝已達到先進水平，對壓裝質量與監控提供了有效保障。產品質量經公司具備CNAS資質的試驗室試驗驗證與用戶使用驗證，均符合要求。