鐵路貨車柔性軸承外圈除銹機的設計與制作

孫叔雷，姚鐵明，羅應輝，肖昌武

（中車貴陽車輛有限公司，貴州貴陽 550017）

0 引言

如圖1 所示，CXW-30B 軸承外圈除銹機的工作原理為：將軸承置于兩轉軸之上，其中一根轉軸在除銹過程中做旋轉運動帶動軸承旋轉；軸承上端為鋼絲輪，鋼絲輪軸端為皮帶輪，由電機驅動皮帶輪轉動進而驅動鋼絲輪旋轉并接觸軸承外圈的外徑面及凹槽，從而達到軸承外圈除銹的目的。由于鋼絲輪及其固定架質量較小，因此在進行除銹作業時，鋼絲輪與軸承之間的壓緊力較小，在相同轉速條件下，鋼絲輪對軸承外圈除銹的效果不理想。若加大鋼絲輪與軸承之間的壓緊力，會導致電機負荷增大而燒壞電機。此外，由于軸承置于兩根轉軸之上，且在進行除銹過程中沒有固定軸承的夾緊裝置，若使用轉速較大電機會使軸承在旋轉時脫離除銹工位，若轉速較小則亦無法保證較好的除銹效果。

圖1 CXW-30B 型軸承外圈除銹機

1 解決方案

解決方案：①將控制鋼絲輪的鉸鏈裝置置于軸承上端，控制鋼絲輪進行上下運動的氣缸固定于除銹機側向外殼內部，使軸承和鋼絲輪之間存在一定夾角；②鋼絲輪鉸鏈裝置質量較大，包括鋼絲輪、鋼絲輪軸、鐵板及相關連接件等，故鋼絲輪對軸承的壓緊力亦較大，提升了除銹效果；③采用較大功率電機，保證鋼絲輪對軸承施加壓緊力的條件下，電機不會損壞；④采用雙氣缸控制鋼絲輪固定架，其中托舉氣缸對鋼絲輪進行動作控制，在進行柔性除銹時，柔性氣缸增加或減小鋼絲輪對軸承的壓緊力；⑤采用雙向兩側氣缸推動連接桿和夾緊裝置，夾緊軸承內圈，在除銹作業時可達到對軸承的定位作用，避免軸承在旋轉時脫離除銹工位。

2 鐵路貨車軸承外圈除銹機設計與制作

2.1 軸承外圈除銹機的構造

如圖2 所示，在進行除銹作業時，軸承由進口進入除銹機內部夾緊裝置處，夾緊裝置對軸承內圈夾緊定位，托舉氣缸降下使鋼絲輪與軸承外圈相接觸。電機工作，通過皮帶輪帶動鋼絲輪旋轉開始除銹作業。在此過程中，柔性氣缸活塞桿伸出一定量，達到對鋼絲輪固定架施加一定壓力的作用，增大鋼絲輪對軸承壓緊力，從而改善除銹效果。待除銹作業完畢后，夾緊裝置松開，托舉氣缸將鋼絲輪固定架舉起，軸承由出口滾出。

圖2 軸承外圈除銹機

2.2 主要設計參數的計算

軸承外圈除銹機的主要改進之處，在于增加了軸承夾緊裝置對軸承定位，并增加柔性氣缸控制鋼絲輪對軸承的壓緊力，故在設計軸承外圈除銹機時，需對夾緊裝置夾緊力F、提升力F提升和鋼絲輪功率P3進行計算。選用SC80-100 型氣缸控制夾緊裝置進行夾緊和松開動作，由氣缸型號及車間生產風壓等情況，可知計算夾緊力的各參數：氣缸內徑D=0.08 m；氣壓P=0.5 MPa；氣缸效率一般取0.8～0.9，此次取η=0.85。

計算夾緊力為：

夾頭的結構如圖3 所示。

由圖3 可知，夾頭前端側面與垂直方向的夾角為18.26°，因此可計算出垂直方向的單側提升力F單側提升為：

可知，夾緊裝置對軸承的提升力F提升為：

因軸承的質量為28～32 kg，故其所受重力為274.4～313.6 N，可知F提升＞313.6 N，故選用SC80-100 型氣缸可滿足在除銹過程中軸承夾緊力的要求。

根據對不同型號、不同銹蝕程度軸承及不同型號電機的試驗結果可知，電機電流強度應在9～14 A，且鋼絲輪除銹驅動力應為400～600 N，故選用7.5 kW 電機。由電機功率與轉速可知電機輸出轉矩為：

圖3 夾緊裝置夾頭

式中 T1——電機輸出轉矩，N·m

P1——電機功率，kW

n1——電機轉速，r/min

其中電機轉速n1即主動輪轉速。因主動輪安裝于電機軸上，故電機輸出轉矩T1即主動輪轉矩。

由能量守恒定律可知：

式中 P2——從動輪功率，kW

P1——主動輪功率，kW

T1——主動輪轉矩，N·m

ω1——主動輪角速度，rad/s

η1——V 帶傳動效率，一般取η1=0.9～0.95

其中V 帶選用型號為B1422，簾布結構。

主動輪角速度為：

因鋼絲輪與從動輪同軸，二者角速度相等，且可將軸視為剛體，故鋼絲輪功率與從動輪功率相等（不計損耗），即：

式中 P3——鋼絲輪功率，kW

計算鋼絲輪功率及其除銹驅動力各參數：電機功率，P1=7.5 kW；電機轉速，n1=1455 r/min；V 帶傳動效率，η1=0.9；主動輪半徑，r1=50 mm；從動輪半徑，r2=72.5 mm；鋼絲輪半徑，r3=110 mm。

計算主動輪轉矩T1、主動輪角速度ω1及鋼絲輪功率P3分別為：

因從動輪與鋼絲輪同軸，故鋼絲輪角速度與從動輪角速度相等，即：

鋼絲輪除銹驅動力F3為：

故由式（9）、式（10）、式（11）及P3=6.75 kW 可得，鋼絲輪除銹驅動力F3=581.9 N，因此選用7.5 kW 電機可滿足除銹要求。

3 軸承外圈除銹機PLC 控制流程

對于單個自動運行周期，軸承外圈除銹機的工作流程大致分為以下步驟：設備復位→水霧收集器啟動→復位完成→自動條件滿足→進出門處于開啟狀態→鋼絲輪處于上位→接料氣缸上升→夾緊裝置處于打開狀態→開始進料→進料到位→按下自動運行按鈕，開始除銹→放入軸承到位→夾緊裝置夾緊→進出門關閉→鋼絲輪下壓，水泵啟動→電機啟動，以低速運行→電機高速運行→除銹完成，水泵停止工作→鋼絲輪升起→夾緊裝置松開→進出門打開→出料氣缸將軸承推出→設備各部回位→進入下一個自動循環。

4 軸承外圈除銹效果對比分析

由圖4 中對比353130B 型軸承外圈的除銹效果可知，自行設計制作的柔性軸承外圈除銹機相較于CXW-30B 型軸承外圈除銹機，在除銹能力上有了明顯提升。解決了軸承外圈外徑面和凹槽除銹不徹底的問題。

圖4 353130B 型軸承外圈除銹效果對比

5 結論

通過自主改進與制作柔性軸承外圈除銹機的使用表明，該設備較大幅度提升了軸承外圈的除銹質量，避免了因除銹質量不合格而導致二次除銹的工作。通過改進該設備的機械結構設計，提升了鋼絲輪在旋轉除銹過程中的除銹能力。由于該設備安裝了軸承兩端夾緊裝置，在設備進行除銹作業時可有效保證軸承不會偏離除銹工位。