軸承前蓋、后擋智能測量選配系統的研制
2019-12-9 來源：內蒙古包頭 河南鄭州 作者：秦春林 孫寶民 尹建鋒
引言
輪軸是鐵路車輛中的重要互換部件之一，其技術狀態直接影響鐵路車輛的運行安全和速度。軸承、軸承附件與輪對的選配壓裝，其技術狀態直接影響車輛的運行安全。軸承與輪對軸徑的選配壓裝一直被作為保障安全的關鍵指標，所以歷來受到重視，軸承選配壓裝的各種自動化設備發展比較快，目前已比較齊全，自動化程度高。但是軸承附件一直以來都沒有得到足夠的重視，然而軸承附件的選配壓裝也至關重要，后擋選配不合適，壓裝產生裂紋、斷裂同樣影響鐵路車輛的運行安全，但是目前還沒有一套自動系統能夠完成軸承附件檢修的所有工序，以及選配工作。
本文闡述研制一套系統完成軸承前蓋和后擋的檢修選配工作，根據《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規則》（鐵總運[2016]191 號）及其相關文件規定的檢修項目及選配原則，設計軸承前蓋、后擋智能測量選配系統。該系統可對貨車 60 t，70 t 軸承前蓋、后擋，進行自動清洗、烘干、測量、智能分類并按規格公差存放（不合格品直接放入廢料箱） 和計算機自動化管理的智能系統。
1 預期目標
（1）設計完成一套適用于鐵路貨車輪軸檢修的軸承前蓋、后擋輸送、清洗、烘干、測量、選配、存放系統，實現對軸承前蓋、后擋檢修的流水線作業。
（2）清洗、烘干、測量裝置技術滿足工藝要求，均達到行業較高水平。
（3）系統作業節拍≥1.6 件/min。
（4）系統大修周期達到 5 a，系統整體使用壽命≥10 a。
（5）軸承前蓋、后擋清洗、烘干、智能測量選配系統的設備日常檢查標準和設備檢修標準。
2 系統工藝過程及布局（圖 1）
3 系統主要組成及主要參數
（1）系統的主要組成。輸送線、清洗室、烘干室前、后擋測量機、蓋測量機、上下料機械手、機器人智能選配及存儲、存儲庫、工控機、電控柜、氣路系統和工作軟件。
（2） 系統主要技術參數。系統總功率：＜75 k W；電源：AC380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護接地；氣源種類：壓縮空氣（經過凈化）；氣源壓力（0.35～0.7）MPa；工作壓力 0.4MPa；生產能力：一班（7 h）檢修 60 輛車的前蓋、后擋；生產形式：雙工位；系統作業節拍≥1.6 件/min，系統運行方式：連續/間歇；系統運行控制方式：手動/自動；系統運行速度：可調。
圖 1 工藝流程
4 主要部件的組成和主要技術參數
4.1 輸送線
（1）主要組成。減速機驅動裝置總成、頭部傳動總成、鏈條總成、尾部張緊裝置總成、結構鋼支撐架總成、網狀托物架、電器控制總成和安全保護裝置等幾大部件構成。
（2）輸送線的主要技術參數。①輸送線形式：傳送帶（不銹鋼網鏈）結構；立體循環形式；②驅動形式：電機驅動；③調速方式：變頻調速（無極調速）；④運行方式：連續和間歇式（可切換）；通過式流水作業；⑤運行速度：（0.1～6）m/min（可調）；⑥傳送帶承載能力：≤250 kg/m2；⑦輸送線長 10 000 mm、寬（500～550）mm、高700 mm；⑧工作溫度：（-20～60）℃；⑨工作噪聲：≤50 d B。
（3）輸送線功能。該輸送線承擔軸承前蓋、后擋進行清洗、烘干、測量作業工序的銜接和輸送物料的功能，輸送線根據軸承前蓋、后擋外形尺寸結構設計為雙排雙工位（一排放置前蓋、一排放置后擋，輸送線材料選用不銹鋼，設計高度符合現場人工作業易上料操作，輸送線長度根據現場位置、工作節拍及作業量進行設計，傳輸速度及存放工位數量根據清洗、烘干及測量節拍合理配置，輸送速度范圍內可調，輸送線設計結構合理、故障率低，易于后期保養和維修。
（4）工藝過程。人工上料時采用連續模式，當清洗機前的所有工位放滿后，輸送線自動進入間歇模式，此時系統開始進入清洗、烘干、測量等工作狀態；當最后一組工件被運至測量機工位時，輸送線重新轉入連續模式，如若有人工上料，則輸送線繼續運行，否則輸送線停止工作。
4.2 清洗、烘干機
軸承前蓋和后擋清洗、烘干機是按照鐵總運[2016]191 號文件規定的清洗、烘干標準，對貨車軸承前蓋和后擋進行自動清洗、烘干的智能系統。該系統可用于清洗工件表面的鐵屑、油污、廢塵等；吹干后工件表面無滴油、磕碰傷等現象。
清洗效率高，清洗后配件表面無殘留污漬，效果符合現場檢修要求，清洗機整體材料采用不銹鋼，設計污水槽、清水槽、過濾裝置及高壓水泵裝置，結構設計合理，布局緊湊，換水作業方便。
烘干裝置用于清洗完成后的烘干作業，烘干后配件徹底干燥，符合現場測量要求。清洗、烘干裝置的工藝節拍與測量機構配合設計，保證流水線作業流暢。
（1）主要組成。該設備有 2 個噴淋清洗室、1 個風干室、1 個熱風烘干室，共 4 個工位。
（2）主要性能。①設備用途：滿足軸承前蓋、后檔清洗和烘干的要求；②適應范圍：新造、檢修 60 t，70 t 貨車軸承前蓋和后擋；③清洗方式：前蓋、后擋成套，工件同時進行高壓噴淋清洗。④清洗效果：用于清洗工件表面的鐵屑、油污和廢塵等。⑤烘干方式：循環熱風加常溫壓縮空氣風刀。⑥吹干效果：吹干后工件表面無滴油、磕碰傷等現象。⑦工藝流程：人工上料→在線輸送→噴淋粗清洗→噴淋精清洗→風泵吹干→熱風烘干→過渡→風泵吹勻、降溫→測量工位。
（3）設備技術參數。清洗工件：前蓋、后檔；清洗能力（產量）：日工作量滿足 49 臺車；生產節拍：≥1.6 件/min；零件通過最大高度：250 mm；設備工作時間：7 h/d；
清洗液：水劑、清洗劑、防銹劑；作業方式：流水線作業，通過式，風源壓強（0.4～0.6）MPa；工作噪聲≤50 d B；污染環境：無；工作速度 0.5 m/min；線速度（0.1～5）m/min 可調（變頻調速）；噴淋段水壓（0.5～6）MPa，流量 10 m3/h，電機功率 4 k W；加熱功率 45 k W/380 V（交流）；設備總功率：約 65 k W；加熱功率：45 k W/380 V（交流）；總重量：約 3 t；電源電壓 AC 380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護接地；控制方式：手動和自動可切換；指示方式：溫度指示，噴淋槽溫度顯示；過載保護：電機、泵、風機過載；溫度異常；急停保護。液位報警：液位控制欠液報警指示。
4.3 前蓋測量機
該設備可提高軸承前蓋檢測的精度、選配可靠性、穩定性及可追溯性；配合鐵路車輛計算機網絡化管理系統，為保障鐵路車輛的運行安全，提供了快捷、準確、可靠的手段；可與 HMIS 聯網，并可與上下位機聯網與數據共享。
（1）主要組成部分。機架總成、測量部及定位機構、上料機構、下料機構、氣路系統、電控部、工控機、故障診斷系統和工作軟件。
（2）各部分功能介紹。機架總成：測量部基礎、設備的基礎與框架；定位機構及測量部：對前蓋進行定位并對軸頸配合面直徑和臺階高度進行測量；上料機構：將前蓋從輸送線上，運至測量位置，完成前蓋的自動上料；下料機構：對測量完成的前蓋下料；工控機：完成測量全過程的控制及測量數據的處理、貯存、打印輸出；電、氣控制部：設備電源、電氣控制；氣源及氣動控制；氣路系統：支持測量部動作；故障自診斷系統：在系統運行過程中，進行監控，出現故障時，報警，自動停機。
（3）主要性能。主要功能：實現自動上、下料及前蓋尺寸的自動檢測，判定是否合格；
測量項目：軸頸配合面直徑，軸頸配合面臺階高度；適應范圍：新造、檢修貨車 60 t，70 t 軸承前蓋；測量機采用開放式數據庫：系統采用 Windows2000 以上版本（以方便和其他子系統聯網和數據共享）；測量具體位置及標準：測量的具體位置和標準按相關規定執行；附屬配置：測量裝置配備有自動上、下料裝置，能夠自動完成測量機的上、下料工作，實現設備生產的自動化。
（4）主要技術參數。節拍時間＜1 min（上、下料、測量）；電源AC 380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護接地；額定電流 2 A/AC 380 V，3 A/AC 220 V；功率消耗＜2 k W；氣源種類：壓縮空氣（經過凈化）；氣源壓力（0.35～0.7）MPa；工作壓力 0.35MPa；測量精度：檢測重復精度 0.01 mm；測量精度±0.01 mm；分辨率 0.001 mm；測量方式：相對測量原理接觸式測量方式。
（5）系統工作原理。系統基本工作原理如圖 2 所示，測量工藝過程：輸送線輸送前蓋至測量機上料工位→上料機械手把前蓋抓放至測量位→各測量單元進入測量位→各測量單元進行測量取值→測量結束各測量單元復位→保存測量數據并分析測量結果→下料機械手下料。
（6）參數的測量方法。本測量系統采用的是相對測量原理，采用接觸式測量方式。全部測量及動作過程均由計算機自動控制，自動完成。
4.4 后擋測量機
該系統可提高軸承后擋檢測的精度、選配可靠性、穩定性及可追溯性；配合鐵路車輛計算機網絡化管理系統，為保障鐵路車輛的運行安全，提供了快捷、準確、可靠的手段；可與 HMIS 聯網，并可與上下位機聯網與數據共享。
圖 2 系統基本工作原理
（1）主要組成部分。機架總成、測量部 1、定位機構及測量部2、上料機構、下料機構、氣路系統、電控部、工控機、故障診斷系統和工作軟件。
（2）各部分功能介紹。機架總成：測量部基礎、設備的基礎與框架；測量部 1：對密封座配合面及臺階高度等部分進行測量；定位機構及測量部 2：對后擋進行定位并對防塵板座配合面直徑進行測量；上料機構：將后擋從輸送線上，運至測量位置，完成后擋的自動上料；下料機構：對測量完成的后擋下料；工控機：完成測量全過程的控制及測量數據的處理、貯存、打印輸出。電、氣控制部：設備電源、電氣控制；氣源及氣動控制；氣路系統：支持測量部動作；故障自診斷系統：在系統運行過程中，進行監控，出現故障時，報警，自動停機；
（3）主要性能。主要功能：實現自動上、下料及后擋尺寸的檢測，判定是否合格；測量項目：防塵板座配合面直徑，密封座配合面直徑，端面高度、槽深度，后擋翹曲度；適應范圍：新造、檢修貨車60 t，70 t 軸承后擋；測量機采用開放式數據庫：系統采用Windows2000 以上版本 （以方便和其他子系統聯網和數據共享）；測量具體位置及標準：測量的具體位置和標準按相關規定執行；附屬配置：測量裝置配備有自動上、下料裝置，能夠自動完成測量機的上、下料工作，實現設備生產的自動化；
（4）主要技術參數。節拍時間：＜1 min（上、下料、測量）；電源電壓：AC 380 V/220 V±10%，50 Hz，三相五線制，保護接地；額定電流：2 A/AC 380 V，3 A/AC 220 V；功率消耗＜2 k W；氣源種類：壓縮空氣（經過凈化）；氣源壓力（0.35～0.7）MPa；工作壓力 0.35 MPa；測量精度：檢測重復精度 0.01 mm；測量精度±0.01 mm；分辨率：0.001 mm；測量方式：相對測量原理接觸式測量方式。
（5）系統工作原理。系統基本工作原理如圖 3 所示，測量工藝過程：輸送線輸送后擋至測量機上料工位→上料機械手把后擋抓取放至測量位→定位機構對后擋進行夾緊定位→測量裝部1 下降到位→測量部 1，2 各測量單元同時對后擋測量取值→測量結束各測量單元復位→保存測量數據并分析測量結果→下料機構下料。
圖 3 系統基本工作原理
（6）參數的測量方法。本測量系統采用的是相對測量原理，采用接觸式測量。全部測量及動作過程均由計算機自動控制，自動完成。
4.5 機器人智能分類存儲系統
分類存儲系統用于軸承前蓋、后擋的智能分類，免去人工選配工作，為后續軸承壓裝工位服務。軸承前蓋、后擋尺寸經測量機檢測完成后，測量機自動判別合格與否并判定品種和降級規格，由機器人接受測量機傳輸的前蓋、后檔數據進行分類，不合格品放置于不合格品區域，同時對合格的后擋要實現按公差帶范圍和類別分別存放在各自的運料小車上，10 個為一份，每輛小車可存放 8 份，計 80 工件。測量機測量結果并與現有HMIS 系統資源共享、與現有軸承壓裝機實現軸承前蓋、后擋的智能分類功能。
（1）機器人主要功能。對測量機傳輸來的前蓋、后擋數據進行分析和執行，根據前、后擋選配原則進行分類存放，實現從檢測工位拿取工件、旋轉、移動將合格品放置在指定的位置。
（2）機器人技術參數。軸數：3 軸；重復定位進度±0.1 mm；腕部連接法蘭：ISO 9409-1-A100；抓取重量 8 kg；防護等級：IP65/IP67；運動范圍 1300 mm（最大前后跨度）；電源頻率（50～60）Hz（±2 Hz）；電器容量 12 k V·A；工作環境溫度（+5～+45）℃；環境溫升要求 1.5 ℃/min。
（3）完成一個工件單個循環節拍 20.5 s。
（4）機器人自動化分類方案。設備通信：工件檢測機跟機器人交互作業時，工件檢測機提供呼叫、完成兩組信號；工件檢測機檢測完畢呼叫機器人抓取零件，以及機器人抓取完成退到安全區后給工件檢測機完成信號；工件類型、選配相關數據由檢測機判斷比較完成，機器人只接收，分類好的產品編碼。例如：當前檢測一個零件，檢測完成后，檢測機告訴機器人，這個零件是前蓋或后擋的原型或降幾級。
5 結束語
該系統可提高軸承前蓋、后擋檢測的精度、選配可靠性、穩定性及可追溯性并且提高勞動生產率、降低工人勞動強度、改善了作業環境；配合鐵路車輛計算機網絡化管理系統，為保障鐵路車輛的運行安全，提供了快捷、準確、可靠的手段；可與 HMIS（Hmanagement Information System，鐵路貨車技術管理信息系統）聯網，并可與上下位機聯網與數據共享。
該系統在鐵路車輛檢修中具有創新性。測量使用先進、成熟的測量技術；選配和存放使用工業智能機器人，效率高、穩定可靠。配合鐵路系統的網絡化管理、減員增效保障鐵路車輛的安全運行具有重要的現實意義。
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