轴承自动压装系统

石建刚，任 帅

（国能铁路装备有限责任公司包头车辆维修分公司，内蒙古 包头 014060）

随着铁路货车轮轴检修数量剧增，轮对轴承压装数量随之增加，现有检修单位轴承的压装，还是人工作业，轮对的输送靠人工推送，轴承和后挡等也是人工通过小车推送，劳动强度大，效率低，质量受人为干扰大。研制的轴承自动压装系统，在压装时机械臂自动抓取待压装轴承同时定位轴承内部中隔圈，从而实现不同型号轮对及轴承压装工作，同时设备在压装过程中自动旋转轴承并检测轴承是否卡滞等功能，自动化程度高，将更换压装引套及压头、中隔圈手动定位等工作由60 min 以上压缩至2～3 min，极大提高了轮对轴承压装效率，且杜绝了人工操作失误和发生工伤的危险。解决了轴承压装过程中人工更换压装引套及压头、人工调整中隔圈等劳动强度大且易发生工伤、效率低等问题，既保证轴承压装的质量，又节省了人力、物力，提高了生产效率。

1 轴承自动压装系统结构

轴承自动压装系统主要由轴承压装机主机、悬挂式智能机械臂、后挡压装机械手、轴承翻转台、自动挂后挡机械手、轴承上料线和后挡料架等设备组成。

轴承压装机主机为压装系统的主体部分，悬挂式智能机械臂及自动挂后挡机械手安装于主机横梁上。悬挂式智能机械臂用于更换不同轴型轮对的压装法兰与芯套以及轴承的自动上料；自动挂后挡机械手从后挡旋转工作台上水平抓取后挡翻转90°后将后挡自动挂靠在压装位轮对轴肩上。

后挡压装机械手从后挡料架上抓取后挡与塑钢隔圈的组合件，在轴承翻转台处完成353130B 与353132B 型号轴承与后挡及塑钢隔圈的自动压装。

轴承翻转台处为悬挂式智能机械臂的取轴承位置。当翻转台翻转90°时，轴承变为立放，由后挡压装机械手完成后挡与轴承的压装，完成压装后翻回等待智能机械臂取轴承上料。

轴承上料线为轴承的缓存线，用于存储轴承和轴承的自动分料。

总体布局如图1 所示。

图1 总布局图

1.1 轴承压装机主机

轴承压装机主机主要由机座、压装油缸、压装油缸立柱、机械臂悬挂横梁、轮对升降及锁定装置、压盘及心套存放架、轴承引装及旋转检测装置和轮对自动上下料装置等组成。可实现轮对的准确停轮、轮对定心与限位以及轴承的自动引装及自动压装轴承、轴承自动旋转等功能。轮对顶升装置由托轮架、托轮杆、导向轴、升降油缸、升降油缸座和升降限位装置等组成。升降油缸活塞伸出，托轮架托住轮对车轴轴身升起使轮对车轴轴线与压装机压装油缸轴线同轴。不同轴型升降高度的调整通过升降限位装置实现，升降限位装置由气缸、限位垫等组成。

轮对锁紧装置由连杆、随动摆块、连接座、锁紧油缸座和锁紧油缸等组成。轮对升起后，锁紧油缸活塞伸出驱动连杆摆动，随动摆块撑住内侧轮辋，连杆2 基本拉平，处于四杆机构的“死点位置”，当压装力达到设计额定压力600 kN，随动摆块也会撑住轮辋内侧面不会被压回，从而防止轮对在压装过程中左右窜动影响压装曲线的正确性。

轮对锁紧装置的主要受力部位采用平键定位，如连接座与压装机主机机座、锁紧油缸座与机座，可承受额定设计压力600 kN 作用下的剪切应力，主要受力部件连杆3、随动摆块、定位销等选用40Cr 调质，经受力分析，在额定压力下不会产生变形，最大应力不到材料许用应力的1/2，满足压装长期使用的安全性和稳定性。轮对升降装置与轮对锁紧装置结构图如图2 所示。

图2 轮对升降装置与轮对锁紧装置结构图

压盘及心套存放架安装主机机座上，可存放RD2、RE2 型轮对轴承压装所需的压装心套和压装法兰。压装前根据轮对信息由程序自动判断心套和压装法兰是否与轴型一致，若不一致，由悬挂式智能机械臂将更换下来的压装心套与法兰放在指定位置后再抓取相应的压装法兰、压装心套放到主机压装油缸位置。

轴承引装及旋转检测装置安装在压装主油缸的压装活塞前端，其结构由随动辊组成、抱紧辊组成、轴承旋转检测装置、压盘定位装置、后挡挡板、安装板和气缸等组成。安装板与压装油缸的压装活塞连接，其余机构均与安装板建立连接。

轴承旋转检测装置由气缸、电动轮、检测轮和弹簧等组成，压盘定位装置由气缸、插板等组成。

取轴承时压装活塞带动轴承引装及旋转检测装置伸出一定行程，抱紧辊组成的3 个后挡挡板由气缸驱动伸出，抱紧气缸驱动转板旋转，带动3 个抱紧辊随动辊同时向内收紧，3 个抱紧辊夹住轴承，然后3 个后挡挡板板回退压住不带后挡的轴承或带后挡整体压装轴承的后挡，压装活塞再回退，从而将轴承引装到压装定心活塞杆的心套上。

对于带后挡与轴承组合后一起压装的353130B 与353132B 型号轴承，压装时抱紧辊不张开，保持后挡挡板始终能压住后挡但又不与轴承接触。轴承旋转检测装置的电动轮由气缸驱动摆下与轴承接触带动轴承旋转，检测轮在弹簧拉力作用下始终与轴承接触，轴承带动检测轮旋转并由旋转编码器将信息反馈给控制系统，判断轴承在压装过程中是否有卡滞现象。

1.2 悬挂式智能机械臂

悬挂式智能机械臂安装于主机横梁上。由水平走行机构、升降摆动机构和夹爪机构等组成。采用伺服控制方式，定位精度准确可靠，更换压盘和心套采用夹爪夹取方式，轴承及后挡或单独轴承的上料采用夹爪撑内孔的方式，可防止中隔圈脱落，夹爪上镶有铜带不会对轴承内孔造成损伤。

悬挂式智能机械臂为四轴机械手，安装于主机横梁上。由水平走行机构、升降-摆动机构和夹爪机构等组成。用于不同轴型轴承压装心套和压盘的自动更换以及轴承的引装上料。各运动轴均采用伺服控制方式，定位精度准确可靠，更换压盘和心套采用夹爪夹取方式，轴承及后挡或单独轴承的上料采用夹爪撑内孔的方式，可防止中隔圈脱落。夹爪上镶有铜带不会对轴承内孔造成损伤。

夹爪机构旋转180°掉头为压装机另一侧更换压盘和心套以及轴承的引装上料。谐波减速器精度高，传动比大，承载能力高，并且体积小、重量轻，传动平稳、无冲击，满足了空间尺寸小、旋转角度准确的使用要求。

1.3 自动挂后挡机械手与后挡旋转工作台

自动挂后挡机械手安装于主机横梁上，位于悬挂式智能机械臂的对侧，在轨道两侧各布置一台自动挂后挡机械手，可同时从后挡旋转工作台上水平抓取后挡再翻转90°后为压装位轮对自动挂后挡。挂后挡机械手主要由连接臂、气缸、升降-摆动机构和夹爪装置等几部分组成。升降立柱与夹爪装置的升降由伺服电机驱动，齿轮齿条传动，直线导轨副导向，定位精度准，运行平稳可靠。

后挡旋转工作台位于挂后挡机械手下方，是后挡的缓存位。挂后挡机械手从旋转工作台的上料位夹取后挡。

后挡工作台由机架组成、旋转台和微型减速器等组成。为了兼容不同轴型后挡的定位，可更换旋转台立柱上的尼龙定位套，满足不同后挡抓取时的定位要求。

1.4 后挡压装机械手、后挡料架及轴承翻转台

轴承压装机前轨道两侧各布置一套后挡压装机械手、后挡料架及轴承翻转台，两侧可同时完成后挡和塑钢隔圈的组合件与轴承的自动压装。

轴承由上料线滚动至轴承翻转台V 型托上后，翻转台的压紧机构压住轴承将轴承翻转90°，翻转台对中机构将轴承对中、定位，后挡压装机械手从后挡料架抓取后挡及塑钢隔圈的组合件并将其放在轴承上与轴承压装为一体后再由翻转台将轴承翻回等待悬挂式智能机械臂取轴承上料。

后挡压装机械手由立柱、横梁、水平走行机构、升降机构、夹爪装置和限位挡等组成。水平走行机构与升降机构均采用伺服电机驱动、齿轮齿条传动、直线导轨导向的方式，传动平稳，定位精度可靠。

夹爪装置由连接座、气缸、夹爪、转板和导轨固定座等组成。3 个夹爪由气缸驱动沿直线导轨同时向内夹紧或向外打开，夹爪装置的3 个夹爪与转板在运动过程中不与后挡料架的定位柱干涉。

后挡料架为后挡缓存上料工位，每个后挡料架可存放3 组后挡垛，每组后挡垛为10 个后挡和塑钢隔圈的组合件。由机架、定位柱和定位套等组成。不同直径的后挡通过在定位柱上加装定位套实现后挡定位。轴承翻转台是智能机械臂取轴承上料位，同时也是后挡与塑钢隔圈组合件和轴承的压装工位。由机架、压紧机构、对中机构、气缸和翻转架等几部分组成。具体结构如图3 所示。

图3 轴承翻转台结构图

1.5 轴承上料线

轴承上料线是轴承的缓存工位，升降机从地下线升起轴承送入上料线后，轴承自动滚动至双阻挡装置处，由双阻挡装置完成轴承的分料，将轴承逐个送入轴承翻转台。轴承上料线由立柱、轴承滚道和双阻挡装置等组成。推挡轮机构：轴承压装机主机前轮对缓存工位设置一套推挡轮机构，由框架组成、轨道、油缸、推轮板和摆轴等部件组成，同时起到挡轮对将轮对落入轨道V 型槽和将轮对推出的作用。采用液压控制方式，可将轮对平稳缓慢落入轨道V 型槽内，防止轮对晃动。

1.6 液压系统

本液压站设计型号为SD-ZCYZJ-01，泵装置卧式配置于油箱上，控制阀组及压力观测点（组）均设在油箱上，整个系统压力调整、观测十分方便。技术参数如下：

电机功率：15 kW；

液压泵最大流量：96 L/min；

电磁铁电压：DC24 V。

1.7 电气部分

控制系统采用工业微机作为主控系统，由液晶显示器和触摸屏作为显示终端，由键盘、鼠标作为操作工具；工业级PLC 用于压装动作和机械手上下料的执行，并将压装实时数据传递给主控系统，并配有手动旋钮进行各动作操作。控制部分主要包括：主板、无源底板、硬盘、PLC、I/O 扩展模块、模拟量采集模块和通信模块等。电器元件主要有：空气开关、接触器、开关电源、伺服驱动器、压力传感器、位移传感器和位移变送器等。

压力传感器、位移传感器把所反应的信号量送到模拟量采集模块，进行数据采集，由于数据采集模块的信号值均为模拟量，处理器无法识别，必须转换成数字量。因此，把采集模块采集的数据进行模拟-数字的转换。最后把转换的数值由CPU 进行数据处理。然后把得到的压力、位移值乘以相应的转换系数，便得到实际的压力（kN）、位移（mm）。这样，压力值（kN）、位移值（mm）和时间（t）3 个变量组成两条曲线，即时间-压力曲线、位移-压力曲线。并在显示终端显示出来。

设备具备自检功能：压装曲线存储和回放功能，压装工艺参数存储功能，压装数据处理和压装记录、报告、校验打印功能，HMIS 轮轴数据采集，USB 接口。

2 轴承压装过程

具体的压装过程如图4 所示。

图4 轴承压装流程图

3 结论

设备采用自动化以及智能化机械手臂结构，仿人工形式抓取轴承，同时改变现有轴承压装机油缸结构，设计智能化全自动轴承压装机，实现铁路车辆的轮对的轴承快速定位，自动更换压装压盘及引套、轴承自动上料、轴承自动压装、轴承与后挡的自动压装、轮对轴径自动挂后挡及自动完成轴承压装工作。设备具有机械手自动定位中隔圈，自动抓取轴承上料，自动压装，在压装过程中自动旋转轴承并检测轴承是否卡滞等功能，设备自动化程度高，杜绝了工人操作的危险，提高了铁路车辆轮对轴承压装效率。