軌道交通部件智能壓裝工藝的參數研究

劉進華 周萬平 鄭俊琦

（中車株洲電力機車有限公司，株洲 412001）

軌道交通部件走行部在設計中大量采用過盈聯接方式，如各類銷套聯接、車軸與車輪的聯接、小齒輪與電機軸的聯接、軸承與軸的聯接、六連桿銷與車輪孔的聯接等。它們均通過孔、軸之間的過盈量實現可靠的聯接，具有結構簡單、工藝簡便的優點。采用冷壓裝是工業上過盈聯接普遍采用的組裝工藝，壓裝方式較為簡單，在過盈量不大的零件上具有較強的適應性[1]。

根據IRIS國際鐵路工業標準應用指南6中特殊過程[2]的定義，壓裝過程被定義為生產的特殊過程。這是因為壓裝工藝的質量無法用經濟、簡便的方法進行檢查。對壓裝質量結果的檢測一般采用反壓法，而這是一種破壞性不可逆的測試法[3]，在實際生產中不具備可行性。反壓法一般只能用于對特殊過程的定期確認。對特殊過程的質量控制方面，質量體系中強調針對特殊過程的5M1E（人機料法環測）生產要素進行控制，而對5M1E的控制往往存在很大的不確定性，如人的執行力和效果、機器的偶發故障、材料批次性能不合格、檢查批次不能全覆蓋、環境因素變化等，均會對壓裝質量造成影響。如果對配合的對偶件實現100%檢查，勢必會大幅增加檢查工作量，導致成本增加和生產周期的延長。因此，軌道交通部件壓裝配合零件的質量一般采取抽檢方式，但這在實際生產中很難保證產品的合格率滿足要求。

根據分析，壓裝聯接設計的最終要求是松脫力，即使得壓裝失效的力。這個力與壓裝時的力存在很大關聯，二者基本一致。因此，可以通過檢測壓裝過程的壓裝力來判斷壓裝質量[4]。隨著計算機技術和傳感器技術的發展以及壓裝智能化設備的發展，對壓裝過程的壓裝力進行實時檢測和反饋并控制壓裝過程已經成為可能[5]。本文介紹軌道交通基礎制動裝置固定叉體套壓裝的智能控制的壓裝力參數研究。

1 基礎制動裝置固定叉體結構簡介及作用原理

1.1 結構簡介

固定叉體是軌道交通車輛盤形制動裝置的受力部件，如圖1所示。固定叉體在車輛制動時，承受閘片摩擦力引起的閘片托體垂向力的作用。通過固定叉體保證了盤形制動裝置安裝的穩定性和制動受力的可靠傳遞。

圖1 盤形制動裝置示意圖

1.2 作用原理

圖2為固定叉體力的傳遞示意圖。閘片托體通過銷1、套1將力傳遞到固定叉體。固定叉體又通過銷2、套2將力傳遞到轉向架構架上，由此平衡閘片與盤的制動摩擦力，確保整套機構產生可靠的制動力。其中，套1、套2分別與固定叉體對應的孔過盈聯接。

圖2 固定叉體力的傳遞示意圖

套1、套2與固定叉體的壓裝可靠性至關重要。若套脫出，則銷1、銷2將無法可靠傳遞力，并直接與固定叉體接觸，加快固定叉體本體孔的磨耗，同時影響整套夾鉗機構安裝的可靠性。此時，閘片托的位置將產生變化，導致閘片與盤的摩擦接觸面發生異常改變而產生異常磨耗，嚴重時會導致制動失效的可怕后果。

2 固定叉體套的智能壓裝工藝

固定叉體套壓裝的主要失效模式是套的松動和脫出，原因是套孔過盈量達不到設計要求，可能是孔過大或套過小造成的。實際生產中，由于套和固定叉體生產批量大，為減少工作量，對套的外徑和固定叉體孔的內徑采取20%比例抽檢，發現尺寸不合格的進行返工或報廢處理。但是，另外80%未檢產品很難保證全部合格，如果存在不合格品，則這部分產品將流入生產過程，會導致運用中過盈聯接的失效。

考慮實際設計時，設計人員往往先計算聯接所需的過盈力，推算出過盈量，再從中得出孔軸尺寸和公差，最終設計輸出往往只給定套的外徑和固定叉體孔的內徑尺寸公差、配合要求，并未給出實際配合力。實際的配合力一般在計算報告中有相關數據。在過盈聯接中，配合力往往反映在套的壓出松脫力和壓裝力。前述已說明，壓出松脫力是破壞性測試，在實際生產中不可用，而壓裝力則是可測量的數據。因此，可以考慮通過實時檢測套壓裝過程的壓裝力來推斷過盈聯接的質量是否滿足設計要求。

壓裝工藝的智能控制原理圖，如圖3所示。

圖3 壓裝工藝智能控制原理圖

通過在壓裝設備上增加高精度的力傳感器、位移傳感器，全過程檢測壓裝過程的力-位移的大小和關系繪制力-位移曲線，并利用計算機軟件監測過程中壓裝力的峰值或壓裝均值（壓裝平穩力）是否達標。當壓裝力在合格范圍，系統允許繼續壓裝并完成壓裝過程，否則報警并退出壓裝，從而實現壓裝工藝的智能控制，確保所有壓裝產品的合格。

圖4為基于以上原理研制的智能壓套機示意圖。

圖4 智能壓套機結構圖

3 壓裝基礎數據研究與控制參數確定

固定叉體壓套壓裝的基礎數據與控制參數包括固定叉體孔徑、壓套外徑、固定叉體的過盈量、固定叉體壓入力及壓入加速度、固定叉體壓出力及壓出加速度。

3.1 壓入力數據研究

固定叉體采用統一的尺寸。固定叉體各孔尺寸圖紙要求2800.033mm，上下孔配合要求均為H8/Z8。按照機械設計手冊，可以確定部件配合具體尺寸，因此選取3種銷套2，其外徑尺寸分別為28.09 mm、28.10 mm以及28.11 mm.此外，選取9個固定叉體進行壓裝（編號1～9），固定叉體兩個叉臂分別用-1和-2進行進一步編號。相關尺寸數據如表1和表2所示。

表1 固定叉體尺寸表

表2 壓套尺寸表

圖5 壓入力-位移趨勢圖

從圖5可知，整個壓裝過程中，當壓套和固定叉體剛剛開始接觸的那一瞬間，壓入力出現了激增，然后馬上進入平穩壓入力階段。最后，智能壓套機與固定叉體進行脫離臨界點，壓入力也有一個突變。為了進一步分析固定叉體壓套壓入力與過盈量之間的關系，對所有固定叉體壓套平穩壓入力和峰值壓入力進行分析。具體數據如表3所示。

表3 峰值壓入力及平穩壓入力表

經過數據分析，通過圖6的折線圖可以得出峰值壓入力與平穩壓入力相差范圍在1.50～0.04 kN，而且隨著過盈量的增加，最大壓入力與平穩壓入力整體趨勢是逐漸變大，峰值壓入力與平穩壓入力差距逐漸變小。

圖6 過盈量壓入力值

3.2 壓出力數據研究

采用固定叉體壓套工裝對壓入的壓套進行反向壓出，并與壓入力對比分析，其壓出力-位移趨勢圖如圖7所示。

由圖7可見，壓出力在壓頭初始接觸套產生壓出力后急速上升為最大值。隨著套的脫出，壓出力呈線性下降，套與固定叉體孔脫離接觸后壓出力消失，整體的壓出力如表4所示。

表4 峰值壓入力及壓出力表

圖7 壓出力-位移趨勢圖

對比分析最大壓出力及壓入力，如圖8所示。壓出力力和壓入力都是隨著過盈量的增加而增加的，整體上壓出力都比壓入平穩力大。因此，可以用壓入力作為判斷壓出力是否合格的標準。

圖8 壓出力與壓入力的對比圖

3.3 控制參數確定

根據上述分析，設計要求的實際過盈聯接控制參數為壓出力，但壓出力屬于破壞性檢測，不具備可測量性。平穩壓入力比壓出力稍小，可以將平穩壓入力作為控制參數。理論上，當過盈量最小時，平穩壓入力最小，可以將測試中最小的過盈量下的平穩壓入力作為控制標準。

根據表3的基礎壓入平穩力數據，剔除不合格的6-1、6-2的數據，最小過盈量按0.06考慮，即表3中3-1和4-2的數據。選取較小的力作為控制標準，即3-1下的壓入平穩力為5.8 kN，控制參數選定平穩壓入力為5.8 kN。該控制力大于設計部門要求的最小松脫力5.5 kN，屬于可行和安全范疇。

4 結語

按上述控制參數進行固定叉體壓裝，目前已經完成近8萬個套的壓裝，在試驗和運行中至今沒有發生套松動現象。本文介紹智能壓裝原理，并研究固定叉體壓套壓裝過程中的基礎數據，驗證分析固定叉體壓套的壓入及壓出，分析其結果數據，可以得出如下結論：

（1）壓裝是軌道交通部件的特殊過程，采用智能壓裝工藝可以確保壓裝質量得到很好的控制，并可以降低部件的檢測工作量和成本；

（2）對固定叉體進行壓裝參數研究發現，固定壓套壓入的瞬間，壓入力出現了激增，后壓入力進入平穩力階段，且平穩壓入過程中壓入力未有明顯變化；

（3）根據對固定叉體壓入和壓出力參數的研究，壓出力普遍稍大于平穩壓入力，因此可以將平穩壓入力作為固定叉體壓裝的控制參數，且實際效果驗證了此判斷；

（4）由于實際壓裝力受多方面因素影響，如結構、材質、傳感器誤差、壓裝配合面粗糙度、安裝的準確度等，控制參數的測定需要大量的數據研究，但這勢必增加了研究成本，且本文研究中個別數據的跳變也說明了這個問題。