铁路客车轮轴压装工艺研究

铁路客车轮轴压装工艺研究

轨道列车的发动机承受着所有车辆的所有负荷，并在负载下沿轨道行驶，这对发动机的制造工艺提出了非常高的要求。对车轮压力是最重要的过程之一。目前,国内主要有三种轮对压装工艺:冷压装、注油压装和热压装,冷压装应用较为普遍。1冷压装工艺过程中的一些问题长期以来,我国铁道车辆转向架的修、造部门一直采用轮轴冷压装工艺,即按照TB/T1718《铁道车辆轮对组装技术条件》的要求,采用基轴制(或基孔制),先确定过盈量,选配好车轮内孔直径与车轴轮座直径后,均匀涂抹植物油,用压力机一一对应进行压装。压装时应使轮轴处于同一温度下进行,一般是轮轴放在室内8h以上才进行组装。压装后,压装曲线是唯一的检查依据,为保证合格曲线,很多厂家人为的在车轴轮座上制造出一定的正向锥度,以使曲线形状及最终压力值这两个技术参数符合要求。冷压装的优点是压装方便,但从实际应用情况看,冷压装的工艺存在一些弊病。若轮对压装质量不好,在行车过程中会发生车轴与车轮出现松动和内侧距超差等现象,甚至酿成脱轨事故,直接威胁行车安全。在组装车轮时,人们比较重视的是车轮与车轴的紧固力,以防止车轮窜动,为此采取了许多措施,有时甚至把紧固力调到上限,这样做容易在组装时破坏车轴轮座处的应力均匀分布,形成轮座早期失效的隐患或裂纹胚芽。由于组装和加工工艺不科学,破坏了轮座与轮毂孔的配合和应力分布,使车轴出现应力集中区和产生裂纹的胚芽等,降低了车轴的使用寿命和安全性。此外,压装时,轮座与轮毂孔的配合是过盈配合,产生的摩擦力较大,压入时轮座表面的金属会发生纵向的滑移堆积。滑移堆积是压装的致命伤,纵向拉伤是数量最多的故障。金属表面出现的平行滑移带见图1,图2所示。冷压装工艺过程中常遇到的问题是压装曲线不合格,主要表现形式为:(1)压装过程中,压力曲线上升不平稳,曲线波动较大;(2)压装时,产生跳吨;(3)压装时,产生烧轴、烧孔(严重拉伤,压力曲线急剧上升)。若轮轴压装曲线的横坐标表示压装过程中车轮、车轴的相对位移,纵坐标表示压装力(又称压装吨位),见图3、图4。理想状态下,压装曲线应符合:F=πDLμP式中:F—压装力;D—轮座直径;L—接触面的长度;μ—摩擦因数;P—单位接触面积上的压力;P=δE(R2-r2)/4R2r(δ为过盈量,E为弹性系数,R为轮毂外半径,r为轮毂内半径)。式中π、μ为常数。因此,正常情况下冷压装曲线应如图3所示。但在实际生产过程中常出现不正常的压装曲线,见图4、图5。图4所示的压装曲线,是由于压装时压力上升不平稳,其中AB段降吨主要是由于车轴纵向中心线与车轮轮孔已重合,而车轴纵向中心线与车轮压装定位面垂直度不够,装卡定位精度低,车轮引入不正,车轮压装时,压装机压力迅速上升,直至将车轮压正,吨位下降至B点,然后压装过程恢复正常:BC段上升不平稳,这与轮孔加工工艺有关,由于精车时产生微观的螺旋状不平,造成表面粗糙度不合格,影响实际压装过盈量,从而使曲线波动较大。图5所示的压装曲线,是由于压装过程中产生跳吨,压装力不均匀,有明显的非匀速运动,即出现了机械运动中的爬行现象。在轮对实际压装过程中,产生爬行的临界速度与压装行程成正比,而轮对压装的速度(TB/T1718规定轮对压入速度30~200mm/min)一经确定就是一个定值,随着压入行程的增加,临界速度大于压装速度时,就产生了跳吨,消除跳吨的途径就是降低产生爬行的临界速度。一般情况下,解决跳吨的措施有:(1)减小轮轴摩擦副之间的摩擦因数之差,改进轮座加工工艺,降低轮座表面的加工硬化;(2)提高压装系统的刚度;(3)采用具有较大阻尼的润滑油。即使采用了上述措施,也难免产生烧轴、烧孔等,据统计冷压装废品率接近8%。2注油装压装力大,有效控制车轮传动注油压装即在车轮上与车轮内孔轴线相交一个角度处,加工1个注油孔,对应此孔在内孔加工1个环状油槽,轮对压装时,在车轴的轮座和轮毂孔之间,注入高于它们接触应力的高压油,使之形成油膜,随着轮座和毂孔接触面的增加,油不断渗透,使整个轮对压装过程处于油膜隔开的情况下进行,轮、轴超高压注油装配工艺与冷压装工艺相比较,可使轮、轴压装的最终压力值大大降低,冷压装最终压力值最大时可达1090kN,而注油压装在超高压注油前的压装力最大不超过600kN,车轴与车轮组装时的接触应力大幅度降低,可使车轴的使用寿命显著提高。轮、轴组装时,意外的戗轴事故会导致车轴及车轮报废(如果是带有齿轮箱的动车类轮对,后果将更加严重),采用注油压装时,曲线抖动式爬行现象发生的概率将大幅度降低。注油压装的轮对紧固力要比一般压装的轮对高30%,所以在保证同样紧固力条件下,过盈量可以相应地选小些,按现在规定的过盈量范围压装的轮对经105t反压,没有一只车轮移动,能使轮对压装后的静态应力减小15%~33%,有利于提高轮轴的疲劳寿命。注油压装以矿物油代替了植物油作为润滑剂,降低了生产成本。压装后,若注油油压未超过规定范围,退轮后原轮原轴可以重新压装,不会擦伤配合面。合格的注油压装曲线图如图6所示。注油压装压力机从信号捕捉到启动的反应时间不超过1s,并具有自动(可手动)注油退轮的功能,当压力机退轮装置给轮对施力0~200kN时,该自动注油装置自行启动,瞬间(1s左右)达到要求的压力值,当车轮位移20~60mm时,装置自行关闭,达到自动注油退轮的要求。注油压装在生产实际中的废品率仅在2%~5%之间,比冷压装的废品率低很多,大大提高了经济效益,该种工艺已批量应用于城轨车生产中,可以推广使用在铁路客车上。3超高压注油装置长春轨道客车股份有限公司与庞巴迪公司联合生产的广州地铁二号线及深圳地铁用转向架,执行欧洲铁路行业标准BS5892《铁路车辆制造材料》,要求轮、轴确定一个过盈量范围后,装配采用热压装工艺,这对于国内铁道车辆制造业来讲属于首次。按该标准加工完成的车轴轮座部分及车轮内孔均可以互换装配,采用过盈配合的过盈量接近于我国铁路标准TB/T1718,轮轴热压装工艺过程如下:(1)加工完的车轮表面进行全面清洗,露出金属表面;(2)清洗液自然干燥后,将车轮逐个放入加热箱(因达到了互换的车轮内孔,无须与轮座选配),同1根车轴2个车轮的踏面直径预先选配;(3)加热箱内温度升高到230℃~240℃时,保温180~240min;之后,依次将车轮装于对应的车轴上;(4)自然冷却后,逐个检测轮位差及内侧距,对于超差的车轮,实施超高压注油调整,重新检测直至合格;(5)经过超高压注油调整的车轮及首次热装即检测合格的车轮,在常温下存放24h之后,逐个按要求进行反压试验。冷装工艺、注油压装工艺及热压装工艺常见问题比较见表1。欧洲铁道车辆制造行业在十年前基本淘汰了轮轴冷压装工艺,改为热压装工艺。热压装工艺可以确保轮位差达到很高的精度值,而且可以100%的合格,保证不出现跳吨、戗轴等后果。轮位差越小甚至趋于零时能提高高速运行车辆的运行品质及性能。热压装工艺实施时,除了热恒温箱之外,超高压注油装置也是配套的工艺设备。从装配质量上讲,轮轴热压装工艺大大优于传统冷压装工艺,不仅杜绝了戗轴,跳吨等现象,其废品率几乎为零