火车车轴轴颈轴座非接触式测量方法研究.pdf

:./.火车车轴轴颈轴座非接触式测量方法研究胡秀勇王全先尚 钱乔中一(.安徽工业大学 机械工程学院安徽 马鞍山 .特种重载机器人安徽省重点实验室安徽 马鞍山)摘 要:火车轮对的压装是火车车轮生产过程中重要的工艺之一其装配有严格的过盈配合要求压装过程中需实时测量火车车轴轴颈轴座的外径尺寸 该文根据火车车轴轴颈轴座外径的测量要求提出了一种基于激光测距原理的自动测量系统和方法并对激光线存在的水平夹角和垂直夹角进行了标定 该系统能对 范围内的车轴进行测量且测量精度小于 克服了传统测量方法效率低、精度不高的缺点关键词:车轴测量非接触测量激光测距中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言在火车轮对的压装工艺中需要对火车轴的两对轴颈轴座进行现场测量并选配满足过盈配合要求的车轮和车轴进行装配 目前对轴径的测量方法主要分为接触测量法和非接触测量法 接触测量法包括使用外径千分尺、专用游标卡尺、三坐标测量仪等专用测量工具进行测量 非接触测量法主要包括激光测量法、激光三角法、图像测量法、结构光法等测量方式 非接触测量法具有测量精度高、响应速度快且不与测量工件直接接触等优点比较适合测量表面易损伤的工件 胡津等提出一种基于激光测量的锻件在线测量方法通过对锻件的上下扫描以及计算机拟合计算得出锻件的外径尺寸该方法实验的测量精度可达.张文文等提出了一种大尺寸环筒类零件的外径测量方法通过将 相机和激光扫描相结合的方式对环形锻件进行逆向三维重建并测量其外径 等设计了一种基于激光扫描的测量系统该系统可实现对热锻件的外径测量 德国研制出了 测量系统该系统采用激光扫描仪对测量零件进行连续扫描并获取零件完整表面的点云数据再通过对采集到的点云样点的分析实现对测量零件的几何尺寸的测量和三维重构笔者通过对车轴轴颈轴座测量要求的分析提出了基于激光测距的测量方法设计出了车轴轴颈轴座测量装置并对车轴测量系统进行了标定然后通过仿真与实际测量的验证对比验证了此测量方法的可靠性 应用该方法后车轴的测量精度达到了 满足了企业的实际生产要求 测量系统功能要求文中测量装置的测量对象主要是车轴的两对轴颈轴座的外径尺寸如图 所示图 火车轮对图机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:作者简介:胡秀勇()男安徽黄山人硕士研究生研究方向:机械/与信息集成.测量范围被测车轴直径范围:长度范围:最大测量质量:.测量要求该系统可以对多种型号的火车车轴进行测量并对单根车轴的两对轴颈轴座进行同时测量且测量精度小于 单根车轴测量时间(包括上下件)小于 测量系统工作温度为 测量结果可上传至本地数据库对不合格的车轴发出警报测量系统可实时接受外部操作指令 测量系统总体设计.总系统火车车轴轴颈轴座测量系统由硬件部分和软件部分组成软件部分由数据采集模块、数据处理模块、信号通讯模块、电机驱动模块、显示模块等部分构成 车轴轴颈轴座测量系统框图如图 所示 此套系统中含有多个压力、光电、接近传感器主要负责监测待测轴的状态信息 通过处理这些信息来控制驱动减速电机的运转 收集激光测距传感器的数据并通过/协议将数据上传至本地 服务器 与本地数据库和 系统相连实现外部操作指令的实时执行图 车轴轴颈轴座测量系统框图 硬件部分如图 所示 测量装置的工作台 是由 机床车身改造而得原有的溜板箱简化为用于固定激光测距传感器组件 的左溜板 并在右侧增设一个相同的右溜板 工作台 左侧装有电动分度盘 右侧装有电动尾座 这两个部件负责测量时待测轴的固定和旋转电动分度盘 与顶针 刚性连接且顶针 的轴线与电动尾座 所带顶针的轴线重合左溜板 与右溜板 上分别并排安装了两个相同的激光测距传感器组件 激光测距传感器组件与溜板均为刚性连接激光测距传感器与两个串联的高精度分度盘刚性连接实现激光测距传感器的上下左右偏转的调节丝杠机构 与右溜板 通过连接板刚性连接负责右溜板 的横向移动使激光测距传感器发出的激光线位于待测面区域测量系统的测量过程:连接软件系统启动测量装置对测量系统进行标定(见第四节)标定完成后将待测轴 由起吊机从待测区吊装至两个顶针之间等待车轴停稳之后工作台右侧的电动尾座顶针向前伸出与工作台前方的顶针相互配合使待测轴固定 激光测距传感器开始测量测量一次完成后电动分度盘 每旋转测量一次将测量数据上传至 系统测量完成使用起吊机将车轴吊装至下一工序工位重复上述步骤可实现对火车轴的连续测量图 火车车轴轴颈轴座外径测量装置结构图.电动分度盘.顶针.左溜板.工作台.待测轴.右溜板.电动尾座.激光测距传感器组件.丝杠机构.激光测距传感器组件设计激光测距传感器组件结构图如图 所示传感器与两个高精度分度盘串联实现了激光测距传感器在水平面和垂直面的转动图 激光测距传感器组件结构图 转动第一高精度分度台 的蜗杆可以使激光测距传感器在垂直面转动转动第二高精度分度台 的蜗杆可以使激光测距传感器在水平面转动.丝杠机构设计丝杠机构如图所示主要负责右溜板的横向调节图 丝杠机构结构图.固定座.丝杠.丝杠螺母.连接板.调节手轮.横向固定装置设计横向固定装置主要负责待测轴的固定和旋转该功能由工作台左侧的电动分度盘和右侧的电动尾座研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用实现电动分度盘上安装有顶针电动尾座内部有压力传感器可以检测压力值并对电机进行控制 测量原理火车车轴轴颈轴座外径测量原理如图 所示图中 点为激光测距传感器激光发射点 点为理论激光线与待测轴轴线的交点(注:激光线与待测轴轴线相交且垂直)点为实际激光线与待测轴圆周面的交点长度为激光测距传感器的读数 长度为 为实际激光线与理论激光线在水平面内的夹角为实际激光线与理论激光线在垂直面内的夹角图 火车车轴轴颈轴座外径测量原理图.激光测距传感器.待测轴 根据图 可以得出:()()因此被测圆周面的轴径为:()()()电动分度盘每旋转 激光测距传感器测量一次最终结果取四次的平均值 由于式()、()中包含未知量 和 所以为了求出待测圆周面的直径需要对 和 进行标定确定其大小 测量装置的标定在理论情况下激光线与待测轴线相交且垂直但在实际情况中实际激光线会与理论激光线产生水平夹角 和垂直夹角 因此为了保证车轴的测量精度需要对两个夹角进行标定具体标定方法如下将已知半径 的 标准棒固定在电动分度盘和电动尾座之间电动尾座的顶针伸出将 标准棒顶起调节激光测距传感器组件中的高精度分度盘使激光束在竖直平面和水平平面内进行扫描当扫描的数值达到最小时固定分度盘并保持传感器不再移动记录下此时激光测距传感器的读数 测量完成后将 标准棒卸下分别装上已知半径为 的标准棒、半径为 的 标准棒记录传感器读数、由公式()可得:()()()()由于激光测距传感器至标准棒轴线的距离没有改变所以有:()()()()()将、代入式()即可得一组激光测距传感器组件水平夹角 和垂直夹角 的、的大小同理可求得其余三个传感器组件激光线的水平夹角 和垂直夹角 的正余弦 仿真验证为了验证标定方法和测量公式的正确性在/三维空间中建立标定模型以图 中最左边的激光测距传感器组件为例模拟测量系统的标定过程 对不同直径的标准棒进行三次测量将数据代入式()图 测量模型计算得出 、将计算得出的 、与在/软件中实际测量的、的、值进行比较以验证标定过程的准确性 标定完成后在/三维空间中建立测量模型如图 所示将上述求出的标定结果代入式()求出此时待测的轴径将通过公式计算得出的轴径与软件中测量出的轴径进行比较以验证测量公式的正确性 仿真标定结果如表 所列表 仿真标定结果测量与标定对象测量与标定结果标准棒 :.标准棒 :.标准棒 :.水平夹角 值.垂直夹角 值.实测 值.实测 值.由表 可知计算得出的 、值与软件中实测的、的 、基本一致故可证明标定方法的正确性 仿真测量结果如表 所列 由表 可知计算值和软件测量值误差为.满足测量要求故测量公式正确(下转第 页)机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验压力稳定后开始保压保压时间为 保压过程中通过检漏仪检查中腔泄漏量并记录 上游端试验结束后在下游端施加压力.保压 并记录泄漏情况和试验结果合格判据:每个保压过程中记录的泄漏量不应超过 :的 级值 水下球阀密封试验结果如表 所列表 水下球阀密封试验结果试验名称试验压力/保压时间/泄漏要求/(/)实际泄漏量/(/)前阀座静水压试验.后阀座静水压试验.前阀座高压气密性试验.后阀座高压气密性试验.前阀座低压气密性试验.后阀座低压气密性试验.由表 可知阀座的低压气密性试验泄漏量满足要求表明阀座与球体的密封副质量可靠 阀座的静水压试验和阀座高压气密性试验结果均满足标准要求 另外对比阀座静水压试验和高压气密性试验的试验数据与前文仿真分析结果数据它们之间存在着一定的差异这是因为该水下的泄漏除了阀座密封面处外在阀座的外部圆周部分的密封圈也可能存在泄漏 结 语将水下球阀球体与阀座密封性能的仿真分析结果与设计计算、试验结果进行对比验证了采用有限元方法预测水下球阀密封性能的可行性可以为水下球阀的研制提供依据()通过仿真分析得知该水下球阀的阀座、球体密封面处的密封比压均大于计算的密封比压设计满足要求()阀座、球体密封面的密封比压分布特点为越接近密封面外径处密封比压越大越靠近密封面外缘密封越可靠()在壳体静水压试验零泄漏的基础上进行的阀座静水压试验、高压气密性试验和低压气密性试验试验结果均满足标准要求()试验结果与仿真分析之间存在差距主要是因为阀座处的泄漏除了阀座、球体密封面处外在阀座背部的密封圈也存在泄漏的风险试验结果中的泄漏也可能是通过密封圈泄漏的参考文献:李树勋把桥环贺连娟.天然气长输管线全焊接锻造球阀的密封研究.润滑与密封():.郝刘峰彭龑秦立林.低固定球阀密封比压分析.阀门():.石 磊李文年李想.海底管道球阀的选型设计及应用.阀门():.(上接第 页)表 仿真测量结果/测量项目左轴颈读数计算值激光器读数:.:.被测轴旋转 的读数:.:.被测轴旋转 的读数:.:.被测轴旋转 的读数:.:.平均计算值/:.软件测量值/.结 语根据测量要求提出了一种非接触式激光测量方法及其装置能对火车车轴轴颈轴座等四个外径同时进行高精度测量 针对激光线的水平夹角和垂直夹角提出了标定方法并对标定方法和测量公式在/软件中进行了仿真验证了标定方法和测量公式的正确性仿真最终结果与实际测量误差为.符合测量要求 针对车轴长度变化时顶针位置的改变可能会引起车轴轴线歪斜使得标定结果产生误差是该方法研究不足的地方有待进一步分析改进参考文献:朱德华.接触式测量技术和非接触式测量技术的融合.技术与市场():.罗胜彬宋春华韦兴平等.非接触测量技术发展研究综述.机床与液压():.胡 津魏青轩刘浩.基于激光的非接触锻件直径在线测量的研究.大型铸锻件():.张文文.环形锻件外径尺寸测量方法的研究.秦皇岛:燕山大学.():.():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验