数控不落轮车床的技术升级研究_孟立显.pdf

设备管理与维修2023 5（下）0引言江岸机务段和武昌南机务段检修车间两台 DLC-25GA 数控不落轮车床，因其加工效率极低、故障频发，影响正常生产使用，处于半停机状态。机床经常出现机车轮对还未镟修完成就出现故障，导致无法继续镟修工作，机车无法正点出库运行。而段检修车间又急需增强机车轮对镟修能力。本着“利用改造”的基本思路，对旧机床结构设计的薄弱环节，进行有针对性的改进、优化，既节省了新购置设备的大笔资金投入，又提升机床运行稳定性和加工效率，为机务段检修能力提供了可靠的设备与技术支撑。1数控不落轮车床技术升级采用标准及要求满数控不落轮车床技术升级的相关技术文件按国家或行业标准的最新版本、中国国家铁路集团有限公司（原铁道部或铁路集团公司）相关标准等进行编制（表 1），规范设备的解体大修理工作，使其恢复设备出厂精度。2原车床存在的问题数控不落轮车床主要包括摩擦主传动装置、抬升装置、轴向控制轮装置、数控刀架系统、外轴箱支撑装置、轴箱压下装置、碎屑集屑输送系统、自动测量系统、液压系统、电气及控制系统等。存在的问题主要有：（1）车床摩擦主传动装置结构不合理，刚性较低（加工轮对时须满足最大轴重30 t 的基本要求）。左右 2 个托轮架及 4 个摩擦驱动轮的工作不能协调一致，造成驱动力不足、传动精度差。（2）车床轴向控制轮装置设计刚性较低，对轮对轴向控制能力不足。（3）由于车床外轴箱支撑装置和轴箱压下装置设计，全部采用液压马达驱动普通梯形螺纹丝杠上下运动来支撑和锁紧轮对轴箱。该设计会引起锁死轴箱时，轴箱支撑及轴箱压下装置丝杠和螺母抱死，造成松开困难，导致加工中的机车压在机床上退不下来的严重后果。（4）车床数控刀架系统各主要部件磨损特别严重。（5）镟修精度不能满足工艺要求：踏面磨耗镟修最大进刀量应为 5 mm，因机床主传动磨损、传动力不足，不能满足工艺要求；踏面镟修后，踏面滚动圆圆周跳动不能达到工艺要求，实际滚动圆跳动大于 0.2 mm。3技术升级的目的数控不落轮车床适用于各类型电力机车、内燃机车、地铁列车、客车车辆和工程轨道车辆，可在轮对不解体的条件下，对轮缘和踏面进行自动仿形、加工、修复和测量的工作需要。本次技术升级的目的包括：（1）实现机车在车下转向架轮对不落轮的条件下，对车辆单个轮对的车轮踏面和轮缘进行镟削加工。（2）实现对已落架的转向架上的单个轮对车轮踏面和轮缘进行不落轮镟削加工。（3）实现对已落轮、带轴箱的单个轮对车轮踏面和轮缘进行镟削加工。（4）提升车床摩擦主驱动、轮对轴箱支撑及压紧和数控刀架刚性。4技术升级方案与实施4.1摩擦主传动系统装置修理拆除左、右主传动 4 个摩擦传动架及主传动箱，更换全新设计的整体式摩擦主传动装置。大修后，整机升级为只有左、右侧 2 套摩擦轮架，摩擦轮架采用 45 号钢锻造件强度更高，每套摩擦轮架中装有 2 根摩擦轮传动主轴及 2个摩擦轮。摘要：武汉局与广汉快速铁路设备有限公司合作，对 DLC-25GA 数控不落轮车床摩擦主传动装置、抬升装置、轴向控制轮装置、数控刀架系统、外轴箱支撑装置、轴箱压下装置、碎屑集屑输送系统、自动测量系统、液压系统和电气控制系统进行优化设计，实施升级改造。升级改造后，机床的加工精度和效率明显改善，发挥了老设备的新作用，增强了机车车轮镟修通过能力，取得良好效果。关键词：数控不落轮车床；技术升级；加工精度中图分类号：TG519.5文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.05D.46数控不落轮车床的技术升级研究孟立显1，王永喆2（1.中国铁路武汉局集团有限公司机务部，湖北武汉430061；2.中国铁路武汉局集团有限公司武昌南机务段，湖北武汉430070）序号标准号标准名称1GB/T 190012015质量管理和质量保证2TB/T 31362006机车车辆不落轮车床技术条件3GB/T 90612006金属切削机床通用技术条件4GB 5226.12002 机械安全机械电气设备 第 1 部分：通用技术条件5JB/T 100511999金属切削机床液压系统通用技术条件6GB/T 65762002机床润滑系统7GB 157602004金属切削机床安全防护通用技术条件8JB/T 98721999金属切削机床机械加工件通用技术条件9JB/T 98741999金属切削机床装配通用技术条件10JB/T 8356.11996机床包装技术条件11GB 1911990包装储运图示标志表 1相关标准103设备管理与维修2023 5（下）升级后的每侧摩擦主传动装置各自具有独立随动功能。轮对在车削过程中，由外轴箱支撑和轴箱压下装置对轮对外轴箱加以保持和锁定，从而固定其定位轴线位置。由于被镟削的轮对踏面是有缺陷的被加工面，每侧摩擦驱动双滚轮支撑装置采用液压支撑和液压补偿，保证每侧的两个滚轮都具有独立的上下浮动功能，动作灵敏，以保证驱动滚轮和车轮踏面间始终能够良好接触，使驱动滚轮和车轮踏面间形成无相对滑动的纯滚动以获得最大的传动转矩。摩擦驱动装置作为车床驱动系统的主传动装置，具有各自独立的随动功能（图 1）。车床左、右两侧各自独立的摩擦驱动装置在工作状态下，摩擦驱动滚轮在液压力 F1.2作用下始终贴附在轮对踏面上，其接触长度为 L1，加工切削过程中使 L1逐渐缩短到 L2，直至为 0（图 2）。同时，摩擦驱动滚轮在液压力 F1.2作用下跟随切削过程，随动填充切削时留下的切隙，使整个轮对加工过程中摩擦滚轮至始至终紧紧贴附在轮对踏面上（图 3），满足了轮对加工切削过程中所需要的传动转矩。4.2抬升装置修理配置全新的摩擦轮架抬升装置及抬升油缸。在机床原机座上加工出安装抬升油缸和抬升装置的位置。4.3轴向控制轮装置修理拆除轴向控制轮装置，安装全新设计的轴向控制轮装置。新的轴向控制轮装置采用液压传动，由底座、油缸、滑动块及防窜轮等组成（图 4）。油缸伸出，推动滑块带动防窜轮压紧在轮缘内侧面上，防止轮对轴向窜动。4.4数控刀架系统修理解体数控仿形刀架，检查刀架各主要部件磨损情况。进行仿形刀架检修和导轨磨削，使其恢复精度。X 向滑枕磨削要求为：各面全长直线度0.02 mm；各面的平面度0.04 mm；刀架导轨镶在刀架座上整体磨削时，导轨两垂直平面与进给系统变速箱安装面垂直度0.03 mm；磨削刀纹均匀；磨削时以 X 向丝杆安装孔中心线为基准找正误差0.01 mm。更换 X 向导轨滑动面耐磨板（采用聚四氟乙稀导轨板），人工研磨刮削 X 向导轨滑动面，须满足 GB 90612006 金属切削机床通用技术条件 标准规定级精度。机床的特别重要滑动接合面，接触率要求每 25 mm25 mm 内接触点不少于 68 点，0.04 mm 塞尺不入，同时保证 X 向丝杆丝母安装孔中心线与 X向导轨面平行度0.03mm。拆除 Z 向直线导轨，安装淬火镶钢导轨，新导轨耐磨性能好、强度高、使用寿命长。Z 向导轨磨削要求为：V 形导轨槽角度误差30；各面的直线度0.02 mm；各面的平面度0.02 mm；各面的平行度0.03 mm；以 Z 向丝杆安装孔中心线找正，基准误差0.01 mm；磨削刀纹均匀；导轨磨削后须表面淬火处理，淬硬层大于0.5 mm，淬火硬度55 HRC。更换 Z 向导轨滑动面耐磨板（采用锡青铜板 SQ10-1），人工合研刮削 Z 向导轨滑动面，须满足 GB 90612006 标准规定级精度。机床的特别重要滑动接合面接触率要求每 25 mm25 mm内接触点不少于 68 点，0.04 mm 塞尺不入，同时保证 Z 向丝杆丝母安装孔中心线与 Z 向导轨面平行度0.03 mm。更换配制合研刀架刹铁；修理刀架进给系统变速装置；更换刀架滚珠丝杆、轴承，轴承采用国标 D 级以上或进口品牌；清理图 1摩擦驱动装置图 3随动功能图 2工作状态图 4轮对轴向定位装置104设备管理与维修2023 5（下）刀架各润滑管道，使之保持畅通。4.5外轴箱支撑装置和轴箱压下装置更换由于原设备外轴箱支撑装置和轴箱压下装置设计全部采用的是液压马达驱动普通梯形螺纹丝杠上下运动来支撑和锁紧轮对轴箱。该设计会引起锁死轴箱时，轴箱支撑及轴箱压下装置丝杠和螺母抱死，造成松开困难，导致加工中的机车压在机床上退不下来的严重后果。而且支撑装置和轴箱压下装置同时采用液压马达驱动丝杠螺母来锁紧外轴箱，压紧力量无法控制，可能损伤车轮轴承。现场使用经常发生轴箱支撑下降后无法升起来的现象。根据 TJ/JW 1132018机车数控不落轮车床暂行技术条件（铁总机辆 2018 32 号），其中 5.3.1 小节要求“不落轮车床应采用轴箱支撑，固定回转中心定位，使轮对轮廓坐标基准与车床坐标基准重合或平行”；5.3.6 小节要求“采用可靠的加工、测量定位方式，轮对垂向定位应采用轴箱定位方式”。广汉快速铁路设备有限公司在不落轮车床大修升级中，采用不落轮车床内外轴箱定位固定回转中心的专利技术以及不落轮车床内外轴箱平衡支撑装置专利技术，对外轴箱支撑装置和轴箱压下装置进行技术升级和改造，保证大修后车床运行稳定、满足加工精度要求。将原液压马达驱动普通丝杠轴箱支撑装置更换为机械传动升降的不落轮车床内外轴箱平衡支撑装置，采用电机驱动蜗杆带动蜗轮，蜗轮旋转带动丝杠螺母座直线升降运动，控制外轴箱支撑装置升降。蜗轮蜗杆的良好自锁功能可以准确定位外轴箱支撑装置，在轴箱压下装置作用下锁紧轮对轴箱，防止在加工时轮对上下浮动。将原液压马达驱动普通丝杠的轴箱压下装置更换为液压油缸下压、上升和液压油缸推动压爪前进、后退的新设计技术结构。4.6碎屑集屑输送系统修理拆除原有碎屑机，更换为全新设计的碎屑机。新碎屑机具有故障率低、碎屑效率高、碎屑效果好等优点。加高输送机输送链板高度，更换输送机的链板、链条、齿轮、轴、轴承座等部件。4.7自动测量系统大修升级拆除原有测量系统，安装全新设计的全轮廓自动测量系统。新自动测量系统配备左、右各 1 套测量装置，测量装置均采用优质的测量装置硬件和软件系统。测量系统设有自动保护/防护装置，采用自动防护门盖等措施，在不测量时系统防护门自动关闭。自动测量装置具备检测车轮直径和车轮轮廓的功能。轮对加工前，轮对的轮廓采用连续测量方式来进行，即轮廓跟踪扫描，能够对同一车辆中各轮对踏面、轮缘部分的磨损情况进行准确测量，通过系统自动控制的“加工建议”功能选择并优化车削工艺，确定镟修加工的最小深度，使轮径差满足运行规定的限度要求。升级后的测量系统技术参数见表 2、表 3。4.7.1测量功能在轮对车轮廓形上设定 500720 个测点，采用连续测量方式测量车轮全尺寸参数，包括轮径、内侧距、踏面轮廓、径跳函数、轴向窜动、轮缘厚度、轮缘高度、QR 值、等效锥度、踏面径向跳动、车轮多边形等。轮对的全尺寸测量将用于评估轮对技术状态的测量和参数计算。测量轮廓时，测量头始终保持与旋转轮对接触的状态。由接触测量头从轮缘顶部向轮对踏面轮廓进行扫描跟踪，收集轮廓数据，不间断地测量轮对的轮廓，动态采集轮廓数据，以保证轮廓的测量精度。采集测量点数量为 500720 个，可根据需要进行调整。检测数据由计算机处理，进行加工量推荐或作为自动加工的选择依据，真正实现合理的经济镟修。根据测量数据，在中央控制操作台上由数控系统拟合成真实的测量轮廓曲线，并与标准廓型进行比较。在用户界面上自动绘制显示加工前磨损的踏面外形图及加工完成后的新踏面外形图，并与标准踏面外形图进行对比，直观感受加工和测量过程情况（图 5）。上述测量功能是由系统自动完成的，且可在轮对的 2个车轮上同时进行（图 6图 8）。4.7.2加工建议及建议更正功能系统加工建议及建议更正功能，能够将测量所得的数据与序号项目参数1直径测量滚轮数量2 个2直径测量滚轮直径80 mm3直径测量范围7501400 mm4直径测量方式全圆周接触式测量5直径测量值显示精度精确到 0.01 mm表 2直径测量序号项目参数1定位磨损测量装置2 套2定位磨损测量滚轮直径80 mm3内侧面定位测量方式预压式全圆周接触测量4定位测量头与内侧面接触方式预压式5定位测量头预压缩行程5 mm6定位测量点的数量及分布内侧面全圆周连续点7轮廓及磨损测量方式连续无间断扫描式测量8廓及磨损测量点的数量500720 点9磨损测量值显示精度精确到 0.01 mm10测量系统单位制公制11测量传感器元件供应商HEIDENHAIN、AMO12测量轴数量6 轴（每侧包括UX 轴、VZ 轴、AD 轴）表 3定位磨损测量装置图 5轮廓曲线显示界面105设备管理与维修2023 5（下）计算机数控系统中存储的每一种廓形进行比较分析，从而得出新的廓形和直径加工建议。系统计算并给出最大加工深度、粗车和精车的分配、进刀量和切削深度以及加工面的建议。此建议可显示在控制面板上，操作者可根据建议对相关参数进行更正。自动测量轮对后，系统可自动推荐目标加工参数组，并能对大切削量进行自动分刀，生成轮缘踏面轮廓测量曲线（图 9图 11）。4.7.3修正/补偿功能数控系统提供一个通过计算参数来修正测量轮磨损的方法，如果轴的错位太大，不落轮车床的测量系统就会对轮对的位置误差进行补偿。4.7.4测量数据存储功能测量系统具有数据存储和转存功能。在每一次加工后，加工前的测量数据、加工建议、加工数据以及加工后的测量数据，均可以保存在本地磁盘或转存至其他存储设备上。4.7.5自动切除功能空载试验或作业时，可将自动测量切除，使该功能不可使用。4.8液压系统大修升级拆除原有不合理液压系统，安装全新设计的液压系统。新的液压系统配置如下：（1）液压系统由液压泵站、各种控制阀组、集成块、蓄能器、液压管路及电气配电盘等部分组成（图 12）。（2）系统配有带电气监控的滤油器，油箱设有液位指示器、温度检测控制器、油温冷却装置。（3）油管全部采用精密无缝钢管，并经过专用液压冲洗试验台冲洗，确保管壁内没有氧化皮及污物。在管路和集成块的适当位置设有多处压力测试点，并在液压泵站及操作台上设有压力表及测试转换开关。（4）液压系统主要零部件（如泵、马达、电磁阀体等）均采用质量可靠的国际知名品牌产品。图 6自动测量装置测量直径、轮廓磨耗及轮廓图 7自动测量装置轮对内侧定位测量图 8加工前后测量对比图 11轮缘踏面轮廓测量曲线图 10自动分刀确定切削次数图 9推荐目标加工参数组106设备管理与维修2023 5（下）（5）液压油符合所列标准及 CE 标准，液压装置的设计符合CE 噪声标准。（6）液压系统所有组件均易于维护与拆卸。4.9电气控制系统修理升级重新设计电气控制系统。更换继电器、接触器、限位开关及可编程逻辑接口模块等。机柜的接地或接零、绝缘处理符合标准。安装工业空调系统，改善机柜通风散热效果。对原有840D 交流伺服数控系统进行升级，增加电源功能模块，使用驱动装置具有过流、过负荷等保护功能，对瞬时停电有自身保护功能。确保轮对加工中数控保证性能，保证轮对加工精度。配置合理的不落轮车床控制系统并配有先进的控制软件，包括但不限于数控系统速度控制模块软件、轮对踏面跳动测量模块嵌入式软件等。4.10其他升级优化4.10.1加装集中润滑装置整体布局机床润滑管路，加装由 PLC 控制的独立润滑系统，对机床传动系统的各运动部件定时定量地进行循环润滑。4.10.2加装安全防护系统（1）机床前端安装有可视化铁屑飞溅防护装置，并设有电气安全联锁。增设 5 个非自复式紧急停机按钮，1 个在中央控制台上、1 个在手持单元上、1 个在电气箱上，另 2 个分别设在不落轮车床的两侧。（2）在机床操作人员侧设置安全防护门，将操作者与运动元件（驱动滚轮等）隔离（图 13）。电气接触器可控制车床安全防护门的关闭，并进行有效地锁定。在中央控制器上显示“操作人员可将机床安全防护门开启并进入工作区域”的提示。（3）在机床两侧易于观察的位置加装工作状态安全指示灯。采用四色安全信号灯，其中两色显示轮对的初定位状态，另外两色显示被加工车辆是否可通行的状态。其中，绿色表示设备处于原位状态，可过车；红色表示设备有部件不在原位（例如夹紧状态），不可动车；黄色、蓝色用于表示轮对的初定位状态，轮对自动对位后黄色、蓝色提示对位信息。4.10.3整体喷涂油漆机床整体喷涂油漆。油漆施工按 ZBJ 500121989 出口机床涂漆技术条件 执行，油漆寿命10 年，涂料涂层总厚度80 m。5大修升级后技术参数数控不落轮车床大修升级后的技术参数见表 4表 8。表 4基本参数6结束语数控不落轮车床大修升级改造后，消除了原车床加工精度达不到工艺要求的顽疾，解决了轴箱压下装置易卡死机车的安全隐患，简化了轮对的装夹过程，并采用自动测量、自动对刀装置，单刀加工时间可缩短10 min。改造前车床每天只能加工 12 对轮对，改造后每天可以加工 6 对以上轮对，镟修轮对效率显著提高，镟修精度满足不落轮车床技术标准，综合估算作业效率较升级改造前提高 3 倍以上。通过先后对江岸机务段、武昌南机务段两台同型号数控不图 12液压系统图 13车床安全防护门系统序号项目参数1额定功率100 kW2工作电源三相 AC 380 V10%，50 Hz（动力）单相AC 220 V10%，50 Hz交流电（其他）3电气柜散热方式空调调节，恒温除湿、防尘功能4电气柜防护等级IP545加工节拍（按 2 刀切削和 2 次测量计）30 min/轮对6单刀加工时间12 min（提升 10 min）7最大切削面积（单刀）12 mm28最大切削深度5 mm9全尺寸测量时间2.5 min10设备噪声（不含切削噪声）80 dB序号项目参数1轨距1435 mm2车轮直径7501400 mm3轮辋宽度120155 mm4轴重30 t表 5轮对加工范围序号项目参数1主驱动装置功率60 kW2主驱动电机防护等级IP54表 6驱动装置107设备管理与维修2023 5（下）落轮车床的技术升级，验证了摩擦主传动装置、外轴箱支撑装置和轴箱压下装置改进的技术思路，减少人工操作的步骤和工作量，积累改型车床的升级改造经验。在两个机务段，升级改造后的数控不落轮车床投入使用 12 年时间，现场反映良好，完全满足机车检修要求，节约了设备投资成本，具有明显的经济效益和推广价值。编辑张韵序号项目参数1同一转向架轮径差0.30 mm2测量圆上的径向跳动量0.10 mm（提升 0.10 mm）3轮廓几何偏差0.20 mm4轮廓加工表面粗糙度 Ra12.5 m5车轮多边形低阶峰值20 dB高阶峰值0 dB表 7加工精度序号项目参数1等效锥度（相对等效锥度标准轮）5%2径跳测量精度0.05 mm3车轮多边形（相对车轮多边形标准轮）高低阶多边形阶次一致4峰值偏差3 dB5轮径测量精度0.1 mm6内侧距测量精度0.2 mm7端面跳动测量精度0.05 mm表 8测量系统精度0引言随着铝加工产品的不断发展，铝铸轧产品也在不断转型升级，由以前的低轧制力窄幅产品转向高轧制力宽幅的合金，铸轧铸嘴厚度不断减少，最终导致轧制力越来越大，设备所能承载的负荷也越来越接近上限范围，特别是轧辊轴承使用寿命越来越短，给铸轧机的生产带来巨大损失。1轴承损坏分析1.1现状调查近期一些铸轧机发生了铸轧辊轴承损坏的情况，以其中一台为例：轧辊尺寸为 960 mm1900 mm/820 mm1800 mm，生产速度约 7501300 mm/min，目前驱动侧和操作侧使用的最大轧制力单边 7500 kN，系统压力单边小于 23 MPa。运行约 14个月后，上工作辊操作侧出现轴承装机出现异响，停机检查后发现轴承滚动体破裂，出现损坏情况的是目前在用的国产双列圆柱滚子轴承和四点接触球轴承（图 1）。对轴承进行拆套，检查后发现：轴承一侧多颗滚子破裂；内圈一侧小挡边有多处破裂，与破裂滚子位置对应（图 2图 3）。1.2原因分析对该轴承在 7000 kN 和 3500 kN 下进行受力分析，结果如图 4 和表 1 所示。其中，LC_pH_max 表示接触承载最大的载荷，pH_max、pH_max_IR 和 pH_max_OR 分别为最高载荷接触压力、内圈最高载荷接触压力和外圈最高载荷接触压力。（1）内圈出现金属颗粒物压伤表面磨损（图 5）。内圈（硬度5860 HRC）表面出现垫伤是轴承常见的损坏方式之一，成因有两个：一是油脂不良或混入了异物杂质；二是保持架磨损后碎屑留在滚道内，造成持续研磨直至出现垫伤。（2）滚珠之间有金属片状粉末（图 6）。考虑到金属片状粉末的量非常大，并且新轴承出现该现象的程度较为轻微，可以判断是黏着磨损，轴承工作面上的金属呈很薄的碾压层脱落。造成这摘要：以铝铸轧机轧辊轴承为对象，通过对损坏部位的现场调查，从结构设计、材料、装配要求、使用环境等方面分析铝铸轧机轧辊轴承的损坏原因。通过改进设计、材料，完善提高装配要求及维护保养等措施，有效解决轴承损坏问题，延长轴承使用寿命。关键词：轧制力；轴承保持架；结构设计；装配要求；维护保养中图分类号：TH133.33文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.05D.47铝铸轧机轧辊轴承损坏原因分析与改进周德刚，杨宝洲，周根荣（乳源东阳光优艾希杰精箔有限公司，广东韶关512721）图 1轴承滚动体破裂图 2轴承滚子碎片图 3内圈小端面挡边破裂108