軌道車輛精密軸承壓裝裝置機械結構設計與分析

楊婷婷　蘭清群

摘要：針對傳統軌道車輛軸承裝配過程中，易出現軸承壓裝設備工作效率低、人工干預比較大、壓裝效果差等問題。文章設計了一種軌道車輛精密軸承壓裝裝置，通過運動臺的設計，實現了運動與動力的傳輸；通過雙向運動棒軸承壓裝裝置，實現了軸兩端一起同時進行軸承安裝的功能。設計的軸承壓裝裝置壓裝效率高，效果好，達到精密軸承壓裝的技術要求。采用SolidWorks軟件設計精密軸承壓裝裝置零部件三維圖，并對核心部件進行了有限元分析。采用ADAMS軟件進行了運動學與動力學分析。

關鍵詞：軌道車輛軸承，壓裝，機械結構設計，有限元分析

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9545（2023）03-0032-（06）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.03.007

在城市軌道車輛中，只要是轉動旋轉的地方，都用到軸承^[1]。軸承是軌道車輛設備中一種重要零部件，它的主要功能是支撐機械旋轉體，降低其運動過程中的摩擦系數，并保證其回轉精度^[2]。根據零件配合的松緊程度的不同要求，配合分為間隙配合、過渡配合和過盈配合^[3]。轉軸的兩端均需要安裝軸承，但目前傳統的機械設備安裝軸承時，都是將軸承依次的在軸兩端進行安裝^[4]，無法在軸的兩端一起同時安裝。而且還需要人工配合作業來完成潤滑油的涂抹與上下料，從而給生產帶來不便，生產效率較低，裝配效果較差^[5]。

通過調研國內外軌道車輛精密軸承壓裝設備的技術發展，歸納傳統的軌道車輛精密軸承壓裝設備具有以下問題：①當前的軸承壓裝設備工作效率低、人工干預比較大、壓裝效果差^[6]；②需要人工配合作業來完成潤滑油的涂抹^[7]；③需要人工配合作業來完成軸與軸承的上下料。 因此，對軸承壓裝特點、潤滑油涂抹方法、軸與軸承的上下料裝置等的研究，能夠推動軌道車輛精密軸承壓裝方式的升級。 所以新型軌道車輛精密軸承壓裝裝置對于軸承壓裝效率、穩定性以及軸承壓裝質量具有重要的意義。

1研究內容

該設計以提升軌道車輛精密軸承壓裝效率和穩定性為目標，重點探索潤滑油涂抹方法、軸與軸承的上下料裝置、廢液收集裝置等壓裝的核心機構，以便設計一種軌道車輛精密軸承壓裝裝置，該車輛軸承壓裝裝置工作穩定性能好、壓裝效率高，滿足市場對車輛精密軸承壓裝裝置技術的更高需求。環顧國內外各企業和研究所重視軌道車輛軸承壓裝裝置的研制來看，特別是潤滑油的涂抹方式與軸與軸承的上下料技術，推斷出軌道車輛精密軸承壓裝裝置在壓裝過程中表現的缺點，進行分析，得到軌道車輛精密軸承壓裝技術的研制路徑^[8]。軌道車輛精密軸承壓裝裝置的創新性設計如下：

（1）設計運動臺，研制動力裝置機械結構，實現運動與動力穩定的傳輸。

（2）研制潤滑油涂抹裝置，實現潤滑油自動涂抹，有效地提高工作效率。

（3）研制軸與軸承的上下料裝置，實現自動上下料，有效的解決了人工干預上下料的問題。

（4）研制雙向軸承壓裝裝置，實現在軸的兩端一起同時安裝軸承功能，有效的解決了軸承壓本軌道車輛精密軸承壓裝裝置，包括工作臺機架、壓裝裝置、噴油裝置、廢油收集裝置。軌道車輛精密軸承壓裝裝置機構運動簡圖，如圖1所示。

2機械結構設計

2.1工作臺

工作臺分為上鋼架與下鋼架，上鋼架與下鋼架為一個整體的鋼架結構。上鋼架中間部位兩側設計有安裝凹口，上鋼架前端兩側設計為彎曲面。工作臺長度為2440mm，寬度為1000mm，高度為1400mm，材料為Q235。工作臺的機械結構如圖2所示。

2.2壓裝裝置

壓裝裝置包括運動臺，運動臺安裝在工作臺上方，運動臺下方活動安裝有限位條，限位條的一端與工作臺的一端安裝，運動臺下方的另一側安裝有齒條。工作臺底部安裝有步進電機，步進電機的輸出軸安裝有圓柱直齒輪，圓柱直齒輪與齒條嚙合傳動。靜止腔的一側開設有側槽口，靜止腔的一端設計有下料口，靜止腔的上方安裝有下料儲存腔，下料儲存腔通過下料口與靜止腔固定插接。運動臺長度為1200mm，寬度為800mm，材料為Q235。電機選用80ST-M01330步進電機。壓裝裝置的機械結構仰視圖，如圖3所示。壓裝裝置的機械結構俯視圖，如圖4所示。

2.3噴油裝置

兩個靜止腔的內部均設計有活動的運動棒，運動棒一端設計有配合槽，運動棒的另一端開設有凹槽。配合槽內部的圓周方向設計有若干個噴油通道，噴油通道與凹槽連通。噴油通道的另一端位于配合槽的外側并向配合槽的方向傾斜。運動棒的外側安裝有過渡件，過渡件在側槽口的內側滑動。兩個靜止腔的內部均安裝有塑料腔。塑料腔的一端固定安裝在凹槽的內部，塑料腔的進口與出口均安裝有單向閥。工作臺底部的安裝有儲油箱，儲油箱依次連通有進油管、塑料腔、噴油通道。運動臺的兩側均設計有連桿，連桿的一端與運動臺的一端轉動連接，連桿的另一端與過渡件轉動連接。運動臺靠近靜止腔一端的兩側均安裝有推桿。運動棒長度為400mm，直徑為80mm，材料選用40CrNiMo合金鋼。靜止腔長度為800mm，直徑為120mm，材料為Q235。運動棒的機械結構剖視圖如圖5所示，壓裝裝置機械結構橫向剖視圖如圖6所示，縱向剖視圖如圖7所示。

2.4廢油收集裝置

廢油收集裝置包括與工作臺固定安裝的接油箱。接油箱位于靜止腔的下方。接油箱的上端滑動連接有倒U形蓋板，倒U形蓋板通過彈簧與運動臺安裝。接油箱與倒U形蓋板使用滑槽的方式滑動連接。倒U形蓋板設計成U形，一端位于接油箱的外側，另一端位于接油箱的內側。從而在倒U形蓋板被拉動時，不會與接油箱發生脫離。接油箱長度為400mm，寬度為250mm，高度為300mm，材料選用Q235。廢油收集裝置的機械結構如圖8所示。

2.5軸承壓裝裝置機械結構總成

壓裝裝置安裝在工作臺的上端。靜止腔安裝在工作臺上的兩個安裝凹口上。廢油收集裝置安裝在工作臺的兩側。工作臺的上方固定安裝有軸放置筒，軸放置筒的底端位于運動臺的上方。進油管包括硬直管與軟管，硬直管與軟管相互連通。硬直管的一端從靜止腔遠離工作臺的一端插接在靜止腔的內部，且硬直管的一端與塑料腔的進口連通，軟管的一端與儲油箱內側的底部連通。軌道車輪精密軸承壓裝裝置整體長度為2440mm，總寬度為1500mm，總高度為1600mm。軌道車輪精密軸承壓裝裝置整體機械總成如圖9所示。

3運動功能分析

3.1動力傳輸

將兩個下料儲存腔的內部均放置上多個軸承。在初始狀態下，運動臺處于最遠離靜止腔的一端。此時運動棒處于靜止腔最靠近工作臺中部的一端，且運動棒將下料口擋住。步進電機可通過圓柱直齒輪帶動齒條，使齒條和運動臺一起移動。通過步進電機的正反轉，可以實現運動臺在工作臺上來回的移動。

3.2上料與噴油

壓裝時，首先將待壓裝軸放置在推桿的一端。然后步進電機帶動運動臺向安裝凹口的方向移動。此時推桿可以將待壓裝軸向安裝凹口的方向推動，運動臺通過兩側的連桿將兩個運動棒向兩側推動。當待壓裝軸的兩端被推至兩個安裝凹口的內部時，運動臺不再向前移動，此過程中運動棒向兩側移動。當運動棒越過下料口后，下料儲存腔內部的軸承落到靜止腔的內部，然后塑料腔與靜止腔的端壁接觸并且被擠壓。此時塑料腔內部的潤滑油則通過塑料腔出口的單向閥進入凹槽并從噴油通道噴出，噴到落下的軸承的內圈內壁上。

3.3壓裝

當步進電機帶動運動臺向后移動時，此時運動臺通過兩側的連桿帶動兩個運動棒向中部移動。塑料腔為橡膠囊，形狀可以恢復，可以將儲油箱內部的潤滑油通過進油管和進口的單向閥吸入塑料腔的內部。運動棒將落下的軸承向中部推動，將軸承推至待壓裝軸的兩端并壓裝。通過配合槽的設計，待壓裝軸的兩端可伸入配合槽的內部并與端壁頂住，頂住后即完成壓裝。此時運動臺又恢復至初始的位置。

重復上述壓裝的過程，當下一次將待壓裝軸推至安裝凹口的內部時，后一個待壓裝軸可以將前一個已經壓裝好的待壓裝軸推出。通過壓裝裝置的設計，利用運動臺的來回移動，不僅可以將待壓裝軸推至待壓裝的位置，而且可以帶動運動棒將兩個軸承壓裝至待壓裝軸的兩端，同時通過塑料腔的擠壓，可以對軸承的內圈噴潤滑油，以減少摩擦便于壓裝。

3.4廢油收集

當運動臺向后移動時，此時是將軸承壓裝在待壓裝軸兩端的過程。運動臺可以通過彈簧將倒U形蓋板從接油箱上拉開。從而壓裝過程中，從軸承內圈滴落的潤滑油會流進接油箱的內部。當運動臺向前移動時，倒U形蓋板又將接油箱關閉。通過廢油收集裝置，可以在運動臺前后移動的過程中，控制倒U形蓋板的打開和關閉，可以回收壓裝過程中使用的潤滑油，以降低生產成本。

4運動學與動力學分析

用solidworks軟件進行壓裝裝置的部件設計與結構總成設計后，圓柱直齒輪的傳動軸是重要的傳動部件，現對圓柱直齒輪的傳動軸進行運動學與動力學分析^[9-10]。打開ADAMS2017軟件，導入solidworks三維模型，添加部件材料特征與運動副約束。傳動軸的材料為合金鋼，彈性模量為210000MPa，泊松比為0.28。傳動軸的運動路徑為：先正向轉動1s，再停止運動2s，最后反向轉動1s，再停止運動2s。傳動軸正向轉動1s時，帶動運動臺向前移動，軸承壓裝裝置完成上料與噴油工序；傳動軸反向轉動1s時，帶動運動臺向后移動，軸承壓裝裝置完成壓裝工序。傳動軸的角位移如圖10所示，角速度如圖11所示，角加速度如圖12所示。

結合分析數據可知，0～1s時，傳動軸的角位移為0，角速度為0，角加速度為0；1～2s時，傳動軸角位移由0變為17.3°，角速度先從0上升為26.2rad/s，再下降為0，角加速度從0突變為115.6rad/s^2，再下降為-115.6rad/s^2；2～4s時，傳動軸角位移保持為17.3°，角速度保持為0，角加速度保持為0；4～5s時，傳動軸角位移由17.3°變為0，角速度從0下降為-26.2rad/s，再上升為0，角加速度從0突變為-115.6rad/s^2，再上升為115.6rad/s^2；5～6s時，傳動軸的角位移為0，角速度為0，角加速度為0。

傳動軸作為電機動力輸出的重要部件，其受力比較復雜，現對傳動軸在ADAMS2017軟件中做扭矩分析。傳動軸動力學分析后的扭矩圖如圖13所示。

動力學分析后可知，0～1s時，傳動軸的扭矩趨于平穩，保持在-37.2N·m；1～2s時，傳動軸的扭矩先突降為-63.2N·m，再從-63.2N·m平穩上升為63.2N·m；2～3s時，傳動軸的扭矩先突降為37.2N·m，再平穩降為24.6N·m。3～6s的過程中，傳動軸的扭矩呈對稱分布，電機滿足使用要求。

5有限元分析

該軌道車輛精密軸承壓裝裝置中，起到壓裝功能的執行部件為運動棒，該部件功能較多，受力情況也比較復雜^[10]。運動棒的運動精度會直接影響到軸承的裝配精度，所以需要對運動棒進行有限元分析。運動棒的材料為40CrNiMo合金鋼，彈性模量為205 000MPa，泊松比為0.32，質量密度為7850kg/m^3，屈服強度為710MPa。在SolidWorks Simulation軟件中打開運動棒三維模型，設置節點數為53160，單元數為36054，添加材料特征與約束，進行有限元分析。運動棒應力分布云如圖14所示，運動棒應變分布云如圖15所示。

運動棒應力最大值為過渡桿的圓孔處，應力最大值為0.00000794MPa，過渡桿從圓孔處到運動棒主體外側壁之間，應力逐漸減小，運動棒主題的應力較小，可以忽略。因為運動棒選用的材料為40CrNiMo合金鋼，屈服強度為710MPa，所以設計的運動棒的應力滿足要求。運動棒應變最大值為過渡桿的圓孔處，最大應變為0.000000002788mm，其余部位應變較小，可以可以忽略，所以設計的運動棒的應變滿足要求。

模態分析的對象為工作臺機架，現對工作臺機架進行3階模態分析，推出工作臺機架的各階振型及頻率。工作臺機架1階振型如圖16所示，2階振型如圖17所示，3階振型如圖18所示。

工作臺機架的第1階振型，頻率為253.38Hz，振動幅度最大處為上弧桿的最頂部。振動幅度從上弧桿的最外側順延斜桿逐漸減小，工作臺機架其他部位的振動幅度忽略不計。工作臺機架的第2階振型，頻率為259.34Hz，振動幅度最大處為左側上弧桿的最頂部。工作臺機架的第3階振型，頻率為299.76Hz，振動幅度最大處為右側上弧桿的最頂部。

6結語

針對傳統軌道車輛精密軸承裝配工作中，易出現軸承壓裝設備工作效率低、穩定性差、軸承壓裝效果差等問題，對軌道車輛精密軸承壓裝裝置進行了結構設計，完成了各零件的三維建模并裝配成軸承壓裝裝置。利用SolidWorks Simulation工具對軌道車輛精密軸承壓裝裝置的核心部件運動棒進行有限元分析。最后對精密軸承裝配裝置工作臺機架進行了模態分析，得到精密軸承裝配裝置工作臺機架的固有頻率特征。設計的軌道車輛精密軸承壓裝裝置，有效地解決了當前軸承壓裝設備工作效率低、穩定性差、壓裝效果差的問題；有效地解決了需要人工配合作業來完成潤滑油的涂抹的問題；有效地解決了需要人工配合作業來完成軸與軸承的上下料的問題。該研究為軌道車輛精密軸承壓裝裝置的設計提供了方法依據。

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Mechanical Structure Design and Analysis of Precision

Bearing Press Mounting Device for Rail Vehicles

YANG Tingting，LAN Qingqun

（Anhui Communications Vocational & Technical College，Hefei，Anhui 230051，China）

ABSTRACT In the process of traditional rolling stock bearing assembly， problems such as low working efficiency of bearing press mounting equipment， large manual intervention and poor press mounting effect were easy to occur. A press mounting device for precision bearings of rail vehicles is designed. Through the design of the motion table， the transmission of motion and power was realized; Through the two-way moving rod bearing press fitting device， the function of simultaneous bearin ginstallation at both ends of the shaft is realized. The designed bearing press fitting device had high press fitting efficiency and good effect， meeting the technical requirements of precision bearing press fitting. Using SolidWorks software to design the three-dimensional drawings of the components of the precision bearing press fitting device， and carried out the finite element analysis of the core components. The kinematics and dynamics were analyzed by ADAMS software.

KEY WORDS rolling stock bearing; Press fit; Mechanical structure design; finite element analysis

（責任編輯 王一諾）