金屬3D打印技術在鐵路大型養路機械檢修中的應用

摘 要：金屬3D打印技術是一種新型現代增材生產制造技術，主要是基于三維數字模型技術，通過逐層疊加增材的生產制造方式形成實體零部件。通過闡述金屬3D打印技術的現狀與發展趨勢，結合現階段的鐵路大型養路機械設備最新檢修方式與要求，探討金屬3D打印技術在鐵路大型養路機械檢修中，對損壞零部件的再制造與表面輕微損傷零部件的修復等應用方式，有效地降低了檢修時間與成本，提高鐵路大型養路機械設備技術性能的穩定性、可靠性、安全性，延長設備使用壽命，助力于金屬3D打印技術在鐵路大型養路機械檢修中推廣。

關鍵詞：金屬3D打??；三維數字模型；鐵路；大型養路機械；檢修

中圖分類號：U216" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）03-0087-03

0 引言

傳統的金屬加工主要是對金屬進行車、銑、鏜等削去金屬外層，形成精度、尺寸與外觀符合要求的零部件制品[1]。金屬3D打印技術又稱增材生產制造技術，不同于傳統的金屬機加工制造技術。金屬3D打印技術是基于三維數字模型技術，將零部件生產材料進行逐個層級的堆積成型，形成實體產品的新型加法生產制造工藝[2]。因此，金屬3D打印技術可以加速產品型號的更新迭代，在面對結構復雜的零部件生產制造上也可以快速提出加工工藝方案，屬于現代化生產制造領域中的新發展方向[3]。

其中金屬3D打印技術的工藝包括有選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、電子束熔化（EBM）、熔融沉積建模（FDM）、電弧增材制造（WAAM）、激光熔覆式成型技術（LMD）以及直接金屬激光成形（DMLS）等17種[4]。金屬3D打印技術適用于多種環境，經濟價值高。在對大型養路機械檢修現狀分析中，發現鐵路大型養路機械種類較多，實際配件繁多。在大型養路機械檢修中，不僅存在進口配件供應周期長問題，從而影響檢修進度，還存在機械本體解體后配件磨損或損壞程度較高等問題[5]。將用金屬3D打印的修復、再制造等技術，應用在鐵路大型養路機械檢修，對大型機械的檢修工作省時省材，提高檢修效率，提高設備利用率[6]。

1 鐵路大型養路機械檢修方式與要求

1.1 現階段鐵路大型養路機械檢修問題情況

1.1.1 傳統檢修方式無法滿足新需求

鐵路運輸行業在發展起步階段時，我國工業化能力比較低，機械化應用程度也較低，機械使用時間基本固定。因此，在冬季集中進行檢修鐵路大型養路機械[7]。但是現階段我國的鐵路運輸任務體量已經早于遠超過起步階段數百倍以上的需求量，導致鐵路大型養路機械設備的檢修技術人員以及檢修場所的增長速度，無法跟上養路機械設備的增長速度，所以傳統的鐵路大型養路機械檢修方式已經無法滿足現階段的新需求[8]。

1.1.2 檢修預防意識不到位

現階段人們比較關注大型養路機械的使用情況，對這些養路機械的檢修保養工作重視程度較低。但鐵路大型養路機械設備一旦出現故障，就會產生巨大的影響，并有可能會給鐵路運輸行業造成不小的經濟損失[9]。因此，對這些大型養路機械設備要以預防為主，做好預防檢修措施，保障大型養路機械設備正常運行工作。

1.2 維修保養方式與要求

現階段對鐵路大型養路機械設備的維修保養主要有3種方式，分別是機械設備的計劃性預防保養維修方式、機械設備專屬項目的專項保養維修方式以及機械設備出現故障時的故障維修方式。其中機械設備的專屬項目保養維修一般主要是針對儀器儀表等相關需要第三方校準機構進行檢測維修的委外檢測保養服務；機械設備出現故障維修方式是主要對故障設備或者是遺留問題的維修處理[10]。計劃性預防保養維修方式有利于提前發現故障隱患或安全性問題，并進行有針對性的維修保養工作，可有效提高鐵路大型養路機械設備精確性和使用壽命。計劃性預防保養維修方式相關要求有如下4點。

第一，在對鐵路大型養路機械設備進行全面的維修保養前，先對這些機械設備的相關部位進行有針對性的維修保養工作，如對機械設備動力傳輸結構按規范標準要求進行潤滑調節操作，或對機械設備中的一些關鍵部位進行緊固檢查，以有效地降低大型養路機械設備在使用過程中的磨損程度與被破壞程度，減少對機械設備的檢修次數，避免影響對鐵路線路正常運行。同時也可以有效延長了大型養路機械設備的使用壽命。

第二，對鐵路大型養路機械設備的重要裝置進行日常性的專項維修保養工作，尤其是對機械設備中的動力裝置中的相關零部件進行潤滑調節，相關的緊固裝置維修保養等。在對發動機等動力系統的動力源進行檢測時，需要重點進行對電氣系統、液壓系統以及測量系統等方面，從安全性、穩定性以及精準性等方面進行專項維修保養。

第三，在進行鐵路大型養路機械設備進行周期性的維修保養中，需要將工作裝置系統、測量系統、發動機系統、動力傳動系統、液壓系統以及行走制動系統等，關乎養路機械設備能否正常運行的重要部件，進行深層次的保養，及時標準化維修或更換內部零部件，保證機械設備的使用性能滿足使用需求。

第四，鐵路運輸需求量較高，對鐵路大型養路機械設備的使用也比較頻繁，機械設備在不同季節都需要保證正常運行工作。因此，需要對大型養路的部分零部件進行有針對性的維修保養。如在換季之時，就需要對其進行預先保養維修的防護工作。部分的機械設備零部件在溫度變化的影響下會發生變形情況，外界溫度也會導致系統的非正常運行情況。要在不同的工作溫度環境下，保證機械設備到達相同標準的功效，就需要對這些特殊設備或零部件進行專項方式處理，如更換不同材質的零部件等方式。

2 金屬3D打印技術在軌道交通行業的應用

2.1 金屬3D打印技術的應用

金屬3D打印技術在軌道交通行業的應用，主要是集中在機械設備的生產制造與機械零部件表面的修復方面。傳統的軌道交通行業的機械生產制造工藝，需要經過大量的人員的工藝開發與設計，并依靠高精密的加工機床設備與熟練的操作人員來完成機械的生產制造。金屬3D打印技術可以將三維設計模型與機械生產制造設備結合在一起，減少了機械減法生產制造過程的各項工序，直接利用機械增材的生產制造方式，逐層疊加材料，形成一件完整實體的金屬零部件，在保證金屬零部件的精度、尺寸、外觀與質量要求。同時大大降低了金屬零部件的生產制造周期，降低了對原材料的浪費，提升了軌道交通行業機械零部件生產制造的工作效率。

2.2 金屬3D打印技術的優勢

金屬3D打印技術在軌道交通行業金屬生產制造中具有降低零部件生產制造成本、提高金屬零部件生產制造效率的優勢。同傳統金屬零部件生產制造工藝進行比較，金屬3D打印技術工藝無需進行鑄件的生產工藝、表面熱處理工藝等，同時減少了傳統金屬零部件在生產制造過程中每道工藝的操作人員。在金屬3D打印技術工藝全流程工序中，一位技術人員就可以對金屬3D打印技術設備進行操作生產制造，并能快速完成對零部件的生產制造，大大降低了金屬零部件的生產制造成本。而且金屬3D打印技術在生產制造過程中無需使用傳統金屬生產制造的刀具、夾具等生產制造輔助工具，節省了換刀、換夾具的時間，縮短了金屬零部件的生產制造周期。在保證金屬零部件的精度、尺寸、外觀與質量要求的同時，還大大提高了金屬零部件的生產制造效率。

3 金屬3D打印技術在鐵路大型養路機械檢修中的應用

與其他行業領域相比，金屬3D打印技術在鐵路大型養路機械檢修中的應用，目前還是處于研究探索的起步環節?，F階段的應用研究主要針對鐵路大型養路機械檢修中損壞零部件的重新制造和輕微損壞零部件的修復兩方面。

3.1 檢修中損壞零部件的再制造

在鐵路大型養路機械檢修的過程中，機械設備中零部件損耗或損害的情況時有發生。當出現某一種零部件屬于非標準零部件，或者該零部件的型號規格不在生產時，若單獨對該損壞零部件進行生產，制造的時間與經濟成本就會大大增加。此時，通過采用金屬3D增材打印技術，無需開模等工藝直接進行增材生產，就可以快速生產出結構復雜的零部件，滿足鐵路大型養路機械設備的非正常零部件更換需求。例如，可以通過對鐵路大型養路機械設備中已損壞的軸承類型的零部件進行優化設計，利用金屬3D打印技術生產出新的軸承零部件，并有效地提高了零部件的耐磨性以及抗振動性等效果。

鐵路大型養路機械設備中，有些工作裝置零部件是通過電焊或者是鉚接兩種連接工藝進行生產裝配，在零部件的連接處強度較低，經常出現因扭轉應力的作用破壞連接方式。而通過利用金屬3D打印技術將工作裝置零部件一體化成型的制造出來，有效地提高了連接處的強度性能、抗壓性能等相關的力學性能，同時提高了零部件尺寸精度，有效滿足了鐵路大型養路機械設備的使用需求。

3.2 檢修中輕微損傷零部件的修復

隨著金屬3D打印技術的發展，國內外開始針對車鉤、車軸、輪餅的表面損傷利用金屬3D打印技術進行修復研究，并對該修復后的車軸與同型號的原車軸進行疲勞試驗。進行修復后的車軸比原車軸在疲勞性能上要強。對修復的工藝參數與所需的修復材料進一步的改進升級處理，大大提高了相關技術的穩定性與可靠性。

國內的相關研究院所等單位也開始對表面損傷零部件的金屬3D打印修復技術的研究，并取得了較好的成績。在對鐵路大型養路機械設備的檢修中，若發現相關車軸、輪緣、齒輪等零部件出現表面損傷時，可以利用計算機三維建模技術，還原該零部件的原型三維模型圖，并結合金屬3D打印增材修復的技術對其進行修復，從而有效地減少鐵路大型養路機械設備的零部件更換成本、各零部件之間裝配后的磨合時間等，提高了鐵路大型養路機械設備檢修保養的效率。

4 結語

本文通過對金屬3D打印技術的研究與分析，結合現階段鐵路大型養路機械檢修的方式與要求，闡述了金屬3D打印技術應用在鐵路大型養路機械檢修中的應用，如對大型養路機械設備中的損壞零部件的重新制造，對車軸、齒輪等表面輕微受損零部件進行修復，同時保證了重新制造的零部件或表面受損修復后的零部件在力學性能等方面都滿足使用需求，有效地提高了鐵路大型養路機械檢修的工作效率，降低了檢修過程中零部件更換的成本和檢修周期，推廣金屬3D打印技術在鐵路大型養路機械設備檢修的應用。

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