動車組轉向架車軸檢測研究

中車唐山機車車輛有限公司 河北唐山 064000

2016年中國鐵路總公司發布實施《動車組輪對管理辦法》，對輪軸生產提出了信息化管理和質量追溯要求［1］。伴隨動車組的高速發展，動車組轉向架車軸新造和檢修產能不斷提升。為了高質高效完成車軸生產來滿足市場需求，車軸生產線不斷引入新設備和信息管理系統，由機械化逐漸發展到數控化、半自動化，自動運輸機械手、自動打標與掃碼等設備相繼應用到生產中，但仍不能滿足日益增長的生產需求。其中，車軸檢測和生產過程信息互聯是制造過程的瓶頸，因此，對車軸檢測進行研究勢在必行。

1 車軸結構特點

車軸是機車重要的走行零件，其運營環境復雜，長期承載交變載荷，是影響車輛運營安全的核心零件之一。車軸有軸頸、軸身、輪座、齒輪箱座等結構，主要功能是安裝軸承、車輪、制動盤、齒輪箱等零部件。隨著高速鐵路和城市軌道交通的發展，空心車軸得到了推廣，其主要優點是減小轉向架簧下質量，改善車輛的平穩性，優化輪軌關系。車軸斷裂主要發生在直徑不同的過渡區域，該區域均用圓弧過渡，并將圓弧設置得盡可能大，來降低應力集中，并保證合理的階梯比和凸懸量。車軸的表面粗糙度必須得到保證，尤其是在配合部位，必須進行磨光或滾壓，以提高車軸的抗疲勞、耐腐蝕能力。車軸基本結構如圖1所示。

車軸外形尺寸檢測主要包括軸全長、軸肩距、軸頸直徑、輪座直徑和各圓弧，為了保證車軸和其它零部件壓裝合格率，車軸徑向尺寸將公差設定為不大于0.025 mm，軸向尺寸公差設定為不大于0.1 mm，圓弧誤差設定為不大于0.05 mm。

車軸全尺寸檢測的傳統做法是由操作者在平臺或專用支架上完成，徑向尺寸采用外徑千分尺測量，軸向尺寸用專用測尺測量，圓弧用圓弧半徑規檢測。人工檢測車軸尺寸會帶來以下幾方面問題。

（1）不能實現鐵路客車信息化管理的要求，無法完成全過程的信息化管理和質量追溯。

▲圖1 車軸基本結構

（2）操作者自身容易干擾測量結果，人為因素影響大，且生產效率低。

（3）手工檢測儀器容易受到外界因素影響，測量誤差不易控制，且需要軸全長測尺、軸肩距測尺、深度尺、外徑千分尺、圓弧半徑規等多種檢測儀器才能完成一根軸的檢測。

（4）軸承裝配面、車輪裝配面等關鍵部位測量值不能共享，上下工序間數據傳遞存在壁壘，需要各道工序自行反復測量，進一步降低了生產效率。

基于企業管理軟件和網絡系統，研發車軸檢測系統，同時采用自動檢測，避免人為因素對測量結果的干擾，實現全過程的信息化管理和質量追溯［2］。

2 車軸生產線

車軸生產線主要有傳統的實心軸生產線和空心軸生產線，以及新型的自動檢測生產線。

2.1 實心車軸生產線

實心車軸生產從半精加工軸開始，采用工藝流程為：超聲探傷→軸端三孔檢測→半精車外圓→精磨軸頸→精磨輪座、盤座→車軸全尺寸檢測→熒光磁粉探傷→提交檢驗、交出。實心車軸生產線配套設備為超聲探傷機、數控臥式車床、數控切入磨床、數控外圓磨床和磁粉探傷機。

實心車軸生產線的關鍵設備數控化程度高，一般采用進口高端機床，配置數字通信接口，具備信息傳輸和采集能力，但整體數字化、自動化程度低，且極少配置自動檢測設備，車軸檢測全部依賴操作者手工檢測。

2.2 空心車軸生產線

空心軸生產工藝流程除了空心處之外，其余與實心車軸差異不大?？招妮S增加了車軸深孔加工和車軸深孔珩磨兩道工序［3-4］。空心軸主要的生產工序為粗銑端面，粗打中心孔→粗車外圓→精銑端面，精打中心孔→半精車外圓→車軸徑向超探→精車外圓→車軸表面高頻淬火→鉆車軸內孔→珩磨車軸內孔→車軸內孔超聲探傷。主要配套設備有銑端面打中心孔機床、車軸徑向探傷機、數控車削中心、淬火設備、深孔加工機床、內孔珩磨機床、內孔超聲探傷機［5-6］。

空心軸生產線整體配置水平較高，很多廠家配置了自動輸送小車和機械手，并部分實現了信息化管理，但是全程實現車軸信息化管理和質量追溯仍有提升空間。

2.3 車軸自動檢測生產線

根據生產線存在的問題，設計了新的自動檢測生產線，整合原生產線設備，采用新的布局來配置，生產線主要由柔性輸送系統、車軸加工設備、清洗機、自動檢測設備、磁粉探傷機、超聲探傷機、自動照相打碼裝置、自動貼碼裝置、數據管理系統、視頻監控管理系統、安全防護裝置等組成。

自動檢測生產線采用多級網絡聯網通信，各臺設備之間的信息均通過網絡傳輸，實現數據共享。

車軸從半成品存放區通過天車吊運到上料機的輥道上，經自動掃描條形碼后，通過機械手夾持到相應加工設備進行加工，具體工藝流程為：貼條碼→上線→掃碼→精車全部外圓→滾壓→磨削軸頸和防塵板座→磨削輪座、盤座→人工精整→清洗→自動尺寸檢測→磁粉探傷→打探傷標記→貼標→下線。

3 車軸尺寸檢測

車軸檢測難點在于如何準確、高效完成車軸的全尺寸檢測，且適應車軸生產線多品種、大批量化的生產需求，并實現信息共享。

車軸全尺寸檢測中，線性尺寸檢測包括直徑檢測、圓弧檢測和軸向長度檢測，位置度檢測包括同軸度檢測和跳動檢測。其中，直徑檢測中的軸頸直徑檢測是檢測和記錄的關鍵點，屬于高精度檢測。圓弧和軸向長度檢測同樣是難點。

車軸直徑檢測方法有機械測量法、氣動法、超聲法、激光檢測法［7］。激光掃描測車軸直徑輪廓，優點為無磨損，精度較高；缺點為對設備安裝要求過高，垂直度要求高，測量范圍普遍在100 mm以下。動車車軸軸頸的直徑均大于120 mm，可見不適合激光掃描。機器視覺檢測作為一種非接觸、高精度的柔性坐標檢測技術，通過設計可微調式車軸軸徑檢測裝置，解決大尺寸車軸軸徑檢測難的問題［8-9］。

圓弧檢測傳統方法是以半徑規作為樣板，采用透光法或染色法進行檢測［10］，但檢測效率低，不能滿足多品種、大批量的生產需求。采用探頭掃描法進行檢測，可以完成大部分圓弧的檢測任務，但是軸頸與防塵板座多段小圓弧和直線過渡區域屬于檢測盲區，無法完成檢測。采用激光檢測圓弧，相對成熟的范例是日本住友金屬工業公司，采用激光測長系統檢測圓弧，其原理為采用徑向探頭進行半徑部分三點測量，然后用計算機進行擬合計算確定半徑［11-12］。

軸向長度檢測傳統方法是采用軸全長測尺、軸肩距測尺、深度尺、游標卡尺等量具組合完成，缺點是效率低。此外，量程大于2 000 mm的測尺，其自重大，需要兩人協作才能完成操作。另一方面，車軸各部位過渡區域均為圓弧，導致測量時存在檢測盲區。

通過比較上述方法的優劣，車軸自動檢測采用激光檢測方法，如圖2所示。承壓探頭可以垂向微調，以消除檢測機構安裝和環境變化引起的系統誤差，也可避免測量點與直徑不重合造成的偏差。激光檢測采點后，擬合出圓弧與圓弧或圓弧與直線的交點，計算出各尺寸，并將檢測結果上傳至信息管理系統。

▲圖2 激光檢測

車軸自動檢測省去多種檢測量具，實現了信息化管理和工序間的信息共享。一臺設備僅需要一名操作者，降低了企業人力成本，也避免了人為因素帶來的影響。經計算，檢測一條車軸的時間由0.5 h縮短為0.3 h，提高40%的生產效率。

4 車軸檢測信息管理系統

車軸檢測信息管理系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括車軸全尺寸檢測系統、噴碼掃碼機構、工業控制計算機、服務器、打印機等，主要負責車軸尺寸的信息采集、信息傳輸和信息存儲，同時為軟件部分提供數據傳輸接口。軟件部分主體為企業資源規劃管理系統，企業各級部門根據自身特點安裝管理子系統和服務終端［13］。網絡模式采用三級網絡，分為車間級、企業級和集團級。車間級網絡由服務器、數控設備、檢測設備、網絡終端等組成，采用以太網傳輸信息，用于接收和發出生產任務。車軸信息采集后，系統自動比較判斷尺寸是否合格，合格數據會自動存儲至數據庫，并發送至輪對壓裝信息、齒輪組裝和軸承組裝信息終端，用于組裝時信息查詢和選配。當車軸尺寸超差時，信息自動反饋至生產協作組、質量管理和工藝技術組終端，由這三個部門協同處理不合格品。車間級和企業級的聯網方式為工業以太網，主要傳輸產品的關鍵信息，用于完成整車信息化管理和質量追溯。集團級和企業級的網絡采用因特網進行連接，方便遠程查詢每個零件的基本信息。車軸檢測信息管理系統基本結構如圖3所示。

隨著激光檢測技術的成熟及工業化應用，實現車軸全尺寸自動檢測不再是技術難題，且自動激光檢測的效率和精度遠高于人工檢測。對企業現有資源規劃軟件進行開發，并對現有網絡升級、拓展，將車軸生產線、質量管理系統和公司運營系統串聯，實現信息化管理和質量追溯是切實可行的。

5 結束語

對車軸檢測進行研究，可以實現鐵路客車制造過程的信息化管理和質量追溯，方便生產過程中的信息查詢與共享，提高生產效率，并簡化車輛質量追溯過程。使用車軸自動激光檢測，可以避免人為因素干擾檢測結果，降低操作者的勞動強度，縮短作業時間，提高生產效率，滿足日益增長的動車組制造和檢修要求。

▲圖3 車軸檢測信息管理系統基本結構