一種火車輪對打標機的設計

胡士華，萬里榮，覃莉莉

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616）

0 引言

輪對打標機是一種用于鐵路車輛的維修保養和管理的設備，它主要用于對輪對進行打標操作。輪對是車輛重要的組成部分，對車輛的行駛、安全和運營起著至關重要的作用[1-2]。

通過在輪對上打上標記，可以方便地對輪對的磨損和疲勞程度進行評估。該標記可以用于記錄輪對的使用壽命、檢測輪緣損傷等信息，為輪對的維護和更換提供依據。火車輪對通常是以一定規格進行生產的。通過在輪對上進行標記，可以方便地識別和區分不同規格的輪對。在火車車輛維修和更換輪對時，可以根據標記來選擇合適的輪對進行匹配，確保車輛的正常運行。輪對的狀況直接關系到火車車輛的安全性。通過定期檢測輪對的磨損和疲勞程度，并及時采取維護和更換措施，可以有效預防由于輪對問題引發的事故和故障[3-4]。輪對上的標記可以使得相關數據得以記錄并分析。這些數據可以用于輪對質量的追溯和統計分析，為生產、運營和管理提供參考依據。同時，通過對標記數據的分析，也可以為輪對的改進和優化提供支持和指導。

綜上所述，輪對打標機的好壞影響到輪對狀況評估、輪對匹配和管理、預防事故發生以及數據記錄和分析等方面，通過提供便捷的輪對標記功能，為輪對的維護和管理提供支持和指導，確保火車車輛的安全和正常運行。針對以上作用，一款有效的火車車輪氣動打標機應運而生。

1 設計要求

為了能精確地實現精準打標，火車輪對打標機的設計需要考慮以下幾個設計要求：

（1）給輪對打標的方式：可以采用噴涂、刻印或深度打標等方式進行輪對上的標記。根據具體需求，選擇合適的打標方式，并確保標記的持久性和清晰度。

機械結構設計：設計一個穩定的主架系統來安裝各個零部件，并確保其在打標過程中保持良好的穩定性和平衡性。考慮到被加工件輪對的尺寸和重量，設計時還要考慮到打標機運行過程中要與輪對保持一定距離。

（2）打標系統設計：選擇適合輪對打標的打標設備，如噴涂槍或刻字設備，并根據需求確定合適的打標位置。考慮到輪對在運行中的高溫和高速環境，需要選擇耐磨損、防水、耐高溫的打標設備，采用高強度、硬度的打標針頭。

（3）控制系統設計：設計一個可靠的控制系統，實現對打標過程的精確控制。確保打標操作簡便方便，可以通過控制面板或者計算機界面設置打標參數，如字體大小、位置等。

（4）安全性考慮：對于火車輪對打標機的設計，安全性是非常重要的。確保機械結構穩定可靠，避免任何可能導致傷害的部件或操作。另外，根據實際情況考慮防護措施或緊急停機裝置，確保工作人員的安全。

（5）自動化和智能化：在設計過程中，可以考慮引入自動化和智能化技術，使其能夠實現自動識別待打標輪對、自動調整打標參數等功能，提高生產效率和準確，新型火車輪對打標機是一種專門用于在火車輪對上進行標記的設備。它采用高精度傳感器和先進的圖像處理算法，可以準確地識別并標記輪對上的各種信息，如制造日期、車輛編號等。

2 結構設計

本打標機為了能實現多自由度移動裝置帶動打標頭進行標刻，解決打標效率低下的問題，可用于不同型號車輪快速打標，主要從以下三個部分來進行創新設計。

2.1 主架結構設計

一臺良好的打標機要實現精準快速打標，各個部件的安裝基礎穩定性非常重要，作為安裝及承載的基礎主架結構上需要安裝的部件很多，包含動力源橫向、垂向、縱向三個維度的步進電機及對應電機支座，包含縱向、垂向、橫向三個維度的傳遞運動的絲杠及相對應的滑板，包括傳遞扭矩的聯軸器、直接與被加工件接觸的打標頭、用于發送指令的電腦，此外還要考慮到輪對尺寸，與鋼軌的配合，設計的主架圖見圖1，該結構能滿足以上部件的安裝，且具有較高的穩定性。

圖1 主架

2.2 打標頭模塊設計

圖2 顯示的是打標機的打標頭模塊，打標頭主要是用來實現打標作業的執行機構。該打標頭的設計要考慮到能單獨在x軸、y軸、z軸三個方向獨作立的進給運動，比如在垂向z的進給運動，垂直步進電機是通過電機支座設置在主架上，垂直步進電機通過垂向絲杠驅動垂直滑板沿豎直方向上升降。需要說明的是，垂直滑板與之轉動連接的螺母，該螺母與垂直絲桿螺紋連接，垂直絲杠與螺母組成絲杠螺母機構，這樣的組合結構可以完成z軸方向的打標，又或者對于復雜字體，只需通過控制打標頭兩軸或三軸聯動即可完成。

圖2 打標頭模塊示意圖

2.3 控制傳輸模塊

打標機控制模塊是指打標機設備中負責控制和管理整個打標過程的模塊或系統。該部分通常由硬件和軟件組成，旨在實現高效準確的打標操作。打標機控制部分通過協調硬件和軟件的工作，實現對打標機設備的整體控制和管理。它的良好設計和高效運行將直接影響到打標操作的質量和效率。所以對于硬件方面要有合適的控制器、合適的執行機構。軟件方面，良好的用戶界面可以提供友好的人機交互界面，使操作員能夠方便地設置和調整打標參數，監控打標過程和結果。界面可以是嵌入式觸摸屏、PC 端軟件等形式。

2.4 總體設計

將以上主架、打標頭、控制模塊幾個部分再配合聯軸器、傳動絲杠等連接部分就可以得到輪對打標機的設計總體，圖3、4 是設計的輪對打標機。包括工件輪對1，和鋼軌2，橫向步進電機3，主架4，垂向步進電機5，縱向步進電機6，縱向絲杠7，橫向絲杠8，垂向絲杠9，打標頭10，L 型滑板11，垂向滑板12，電腦13，電機支座14，橫向電機安裝座15，縱向電機安裝座16，聯軸器17。

圖3 打標機主視圖

3 實施原理及可行性說明

3.1 實施原理

參考圖3、圖4，該裝置在使用時，首先將工件輪對1，移置鋼軌2 上面，如需對輪對作橫向打標運動，可由電腦13 發送指令控制橫向步進電機3，電機3通過聯軸器17 傳遞動力到橫向絲杠8，橫向絲杠8轉動，帶動L 型滑板11 橫向運動，同時打標頭10 作橫向進給運動；如需對輪對作縱向打標運動，可由電腦13 發送指令控制縱向步進電機6，電機6 通過聯軸器傳遞動力到縱向絲杠7，絲杠7 轉動，帶動L 型滑板11 與橫向打標頭10 作橫向進給運動；如需對輪對作垂向打標運動，可由電腦13 發送指令控制垂向步進電機5，電機5 通過聯軸器傳遞動力到垂向絲杠9，絲杠9 轉動，帶動垂向滑板12 與橫向打標頭10 作垂向向進給運動；如需實現更復雜字體，則三軸聯動，完成打標作業。

圖4 打標機立體圖

3.2 可行性說明

為驗證設計的產品具有可行性，從工廠調研確定技術性能指標，如打標的精度、速度、穩定性、運動可靠性等。設計的打標機指標能滿足實際需求和應用場景，可確保設計的可行性。

為進一步驗證，將設計的打標機通過SolidWorks軟件創建動畫來展示和演示產品的運動和功能。先創建裝配，將零部件組裝成一個完整的產品裝配，確保每個零件都正確對位和連接。再設置場景，選擇合適的環境和背景設置，添加燈光和相機視角，確保動畫效果更加逼真和生動。最后使用SolidWorks 的運動分析工具，對打標機進行動力學分析，以模擬產品運動的物理行為，能更準確地預測和展示產品的運動效果，結果得到滿足。

最后，采用3D 打印工具將設計的打標機其制作出來，并進行運動分析分析和測試，驗證效果良好。綜合以上幾點，設計的火車輪對打標機具有一定的可行性。

4 結語

本裝置可以實現精準快速達標，其使用可以提高輪對管理的效率和準確性，同時降低人工操作的風險。它可以廣泛應用于鐵路維護和保養工作中，幫助鐵路公司實現軌道安全和運營管理的目標。在后續的跟進中，輪對打標機可以考慮加進數據采集功能，還可以搭載相關的傳感器設備，實現對輪對的溫度、壓力、振動等數據的實時采集和監測，為維修保養的決策提供依據，并能及時發現輪對存在的問題，預防故障發生。