基于动车转向架空簧孔的永磁取屑装置设计

童伟++王廷和++刘松年+++孙若望++王玲

摘 要：设计了由强磁机构，离心机构和取屑放屑机构装配而成的永磁取屑装置。该装置利用强磁机构的强磁吸附能力和离心机构的离心解锁原理，实现自动化取屑、放屑功能。其中强磁机构使此装置具备超强的取屑能力；在装置完成放屑动作时，离心机构发挥离心解锁功能。实际运用表明，文章设计的永磁取屑装置解决了传统取屑时面临的深盲孔小空间技术难题，提高了动车转向架空簧孔的加工效率。

关键词：强磁机构；离心机构；取屑放屑机构

引言

动车组空气弹簧安装在高速列车转向架构架中部，上接车体，通过空簧孔，下接到转向架构架，是列车二系悬挂系统中的主要承载部件。空簧孔上部连接空簧，下端与侧梁、横梁气路联通，空簧孔的加工质量及内部的清洁度如尘埃、杂质，影响空簧的密封性及控制阀的精度，为保证空簧孔的加工质量，需采用三次粗镗和一次精镗的加工工艺。

动车转向架空簧孔是一类外小内大的台阶盲孔，在每次的镗削过程中都有大量的切屑沉积在空簧孔底部，目前，切屑是操作工人使用普通磁棒手动清理完成。由于普通磁棒的磁能较低，需要多次吸附，才能完成切屑清理，导致空簧孔的加工效率明显低于其他同类产品。

1 永磁取屑装置总体概况

1.1 永磁取屑装置的结构组成

为实现空簧孔底部切屑的自动化清理，根据生产现场工况，文章设计了该套永磁取屑装置。设计的永磁取屑装置主要由三个机构组成，结构示意图，如图1所示。

1.1.1 离心机构

离心机构是由离心块、离心法兰、上钩锁、钢丝绳、压缩弹簧组成，它主要是通过机床主轴旋转产生离心力使离心块带动上钩锁完成上钩锁的解锁动作。

1.1.2 取屑放屑机构

取屑放屑机构由下钩锁、套筒法兰、套筒、拉伸弹簧组成，它主要是通过拉伸弹簧的拉力使磁铁轴与套筒相对运动以完成取屑放屑的动作。

1.1.3 强磁机构

强磁机构是由永磁铁、磁铁轴、磁铁座组成，磁铁轴吸附在永磁铁的上端面，可以有效地改变其磁场分布，使磁铁取屑量显著增加。

1刀柄连杆，2离心块，3离心法兰，4上钩锁，5下钩锁6套筒法兰，7套筒，8磁铁座，9封头套筒，10压缩弹簧，11钢丝绳，12导向键，13拉伸弹簧，14磁铁轴，15永磁体，16封头

图1 永磁取屑装置示意图

1.2 永磁取屑装置的工作原理

永磁取屑装置是利用强磁吸附和离心解锁的原理实现其取屑放屑功能。其工作过程如下：需要清理切屑时，通过加工中心的换刀指令将该装置换装到主轴上。通过加工中心主轴的移动将该装置定位到所需清理盲孔的上方，Z轴负方向进给，当退屑套筒封头触碰到铁屑后继续运动，最终使上钩锁和下钩锁挂连在一起；为实现自动化，根据经验在程序里设定下降距离，保证每次下降时钩锁均能锁合，Z轴正向进给，移出空簧孔，主轴水平移动到退屑位置；主轴正转，产生离心力，使上钩锁在离心力的作用下打开，与下钩锁相连的退屑套筒在拉伸弹簧的拉伸力作用下回弹复位，即完成一次自动取屑退屑的过程。

2 永磁取屑装置硬件设计与强度分析

2.1 磁铁轴的设计

磁铁轴的结构示意图如图2所示，其中连接轴是磁铁轴与刀柄连杆和离心法兰的连接处，导向轴是套筒法兰在磁铁轴上滑动的导向部位，导向键装在键槽里，防止套筒相对磁铁轴转动，定位轴用来与磁铁座连接和定位。

2.2 拉伸弹簧、离心块及钩锁机构的受力分析

拉伸弹簧的选用：拉伸弹簧的受力和弹性系数是根据套筒释放铁屑所需的拉力F拉和套筒释放铁屑的临界距离L所确定。根据实验测定可得F拉=30N，L=40mm，为保证弹簧受力均匀，取弹簧两边载荷均为F均=32.3N，则选取B型拉伸弹簧，其参数为：材料直径？覬=0.8mm，中径Ф=5mm，自由长度L原始=41mm。

永磁取屑装置放屑时的动平衡验证：放屑时，取单边载荷为F单=32.3N，只考虑单侧受力，取摩擦系数μ=0.2，则上钩锁受到的水平摩擦力为Fμ=6.5N，压缩弹簧压缩至上下钩锁打开的临界状态时，压缩弹簧的反向弹力F反向=15N；则钩锁能打开的理论离心力F理论=Fμ+F反向=21.5N，所以实际离心力F实际？叟21.5N时才能打开钩锁。

由于离心法兰的尺寸限制，离心块的质心与中心轴轴心距离为76mm。考虑永磁取屑装置的动平衡性时，要求机床转速不能超过400r/min，初选离心块的质量m=0.18kg，则经计算可得：当单侧离心力为21.5N时，机床转速为380r/min，能够满足永磁取屑装置的动平衡要求。

2.3 强磁机构磁场分析

2.3.1 钕铁硼永磁体参数及尺寸选择

钕铁硼永磁材料属于稀土永磁材料，在磁场性能方面远优于普通的铁氧永磁体。根据空簧孔的尺寸大小和C形屑的切屑量，初步选取4块？覬30mm、高5mm的钕铁硼永磁铁作为永磁取屑装置的永磁体。

2.3.2 磁场分布有限元分析

圆柱状钕铁硼永磁体磁极在上下两个端面处，为利用钕铁硼永磁体磁力最强点，文章使永磁体的其中一极朝下，作为吸取铁屑的部位。

文章采用ANSYS有限元分析软件对钕铁硼永磁体的磁力线分布图进行模拟，如图3-a所示，令下端为N极，当不加磁铁轴时，磁力线从永磁体下端出发，环绕360°回到上端。此时磁力线的特点是：自N极出发后以很大的曲率开始弯转，导致永磁体正下方磁力线迅速变疏和磁化能迅速降低，致使吸取的切屑质量并不理想，达不到预期的清除效果。

（a）无磁铁轴磁场分布 （b）有磁体轴磁场分布

图3 磁力线分布对比图

为改善钕铁硼永磁体的磁场分布，本文在永磁体的其中一极吸附一根磁铁轴，使另一极的磁感线分布情况得到极大改善，磁力线曲率比不加磁铁轴时要小的多，如图3-b所示。

3 永磁取屑装置实验验证

使用永磁取屑装置，现场进行了10次取屑实验，钩锁机构工作顺畅，取屑放屑工作顺畅，现场最多采用4次取屑即可将切屑基本清除，其中第一次，第四次取屑量如图4所示，实验证明永磁取屑装置达到了预期的取屑效果。

（a）第一次取屑量 （b）第四次取屑量

图4 第一次、第四次取屑量效果对比图

4 结束语

永磁取屑装置可以利用机床指令完成取屑放屑的自动化过程，满足了空簧孔镗孔过程中切屑的自动取放的要求；利用该套装置可在1分钟之内完成一次镗孔的清理，明显减少了切屑的清理时间，只需调取程序即可完成取屑放屑操作，减少了人工操作的危险性。

综上所述，永磁取屑装置能够实现转向架空簧孔镗削切屑的自动化清理。

参考文献

[1]赵如意，关世玺.深孔钻削切屑形态的研究[J].新技术新工艺，2010 （2）： 42-43.

[2]周媛.螺旋铣刀在转向架加工中的开发应用[J].铁道机车车辆工人， 2001（2）： 9-10.

[3]樊铁镔.深孔加工的切屑处理[J].工具技术，1998，9：35-40.

[4]温旭东.（Fe，Co）-RE-B-M（M=Cu，Nb）永磁材料磁性能的研究[D].郑州大学，2012.

[5]陆敏，裴景玉，徐霖，等.自卸式铁屑甩油离心机转鼓应力分析[J].化工机械，2013（3）：373-375.

作者简介：童伟（1987-），男，硕士研究生，主要从事先进制造和制造业自动化等工作。

通讯作者：王廷和（1957-），男，硕士，教授，硕士生导师。endprint

摘 要：设计了由强磁机构，离心机构和取屑放屑机构装配而成的永磁取屑装置。该装置利用强磁机构的强磁吸附能力和离心机构的离心解锁原理，实现自动化取屑、放屑功能。其中强磁机构使此装置具备超强的取屑能力；在装置完成放屑动作时，离心机构发挥离心解锁功能。实际运用表明，文章设计的永磁取屑装置解决了传统取屑时面临的深盲孔小空间技术难题，提高了动车转向架空簧孔的加工效率。

关键词：强磁机构；离心机构；取屑放屑机构

引言

动车组空气弹簧安装在高速列车转向架构架中部，上接车体，通过空簧孔，下接到转向架构架，是列车二系悬挂系统中的主要承载部件。空簧孔上部连接空簧，下端与侧梁、横梁气路联通，空簧孔的加工质量及内部的清洁度如尘埃、杂质，影响空簧的密封性及控制阀的精度，为保证空簧孔的加工质量，需采用三次粗镗和一次精镗的加工工艺。

动车转向架空簧孔是一类外小内大的台阶盲孔，在每次的镗削过程中都有大量的切屑沉积在空簧孔底部，目前，切屑是操作工人使用普通磁棒手动清理完成。由于普通磁棒的磁能较低，需要多次吸附，才能完成切屑清理，导致空簧孔的加工效率明显低于其他同类产品。

1 永磁取屑装置总体概况

1.1 永磁取屑装置的结构组成

为实现空簧孔底部切屑的自动化清理，根据生产现场工况，文章设计了该套永磁取屑装置。设计的永磁取屑装置主要由三个机构组成，结构示意图，如图1所示。

1.1.1 离心机构

离心机构是由离心块、离心法兰、上钩锁、钢丝绳、压缩弹簧组成，它主要是通过机床主轴旋转产生离心力使离心块带动上钩锁完成上钩锁的解锁动作。

1.1.2 取屑放屑机构

取屑放屑机构由下钩锁、套筒法兰、套筒、拉伸弹簧组成，它主要是通过拉伸弹簧的拉力使磁铁轴与套筒相对运动以完成取屑放屑的动作。

1.1.3 强磁机构

强磁机构是由永磁铁、磁铁轴、磁铁座组成，磁铁轴吸附在永磁铁的上端面，可以有效地改变其磁场分布，使磁铁取屑量显著增加。

1刀柄连杆，2离心块，3离心法兰，4上钩锁，5下钩锁6套筒法兰，7套筒，8磁铁座，9封头套筒，10压缩弹簧，11钢丝绳，12导向键，13拉伸弹簧，14磁铁轴，15永磁体，16封头

图1 永磁取屑装置示意图

1.2 永磁取屑装置的工作原理

永磁取屑装置是利用强磁吸附和离心解锁的原理实现其取屑放屑功能。其工作过程如下：需要清理切屑时，通过加工中心的换刀指令将该装置换装到主轴上。通过加工中心主轴的移动将该装置定位到所需清理盲孔的上方，Z轴负方向进给，当退屑套筒封头触碰到铁屑后继续运动，最终使上钩锁和下钩锁挂连在一起；为实现自动化，根据经验在程序里设定下降距离，保证每次下降时钩锁均能锁合，Z轴正向进给，移出空簧孔，主轴水平移动到退屑位置；主轴正转，产生离心力，使上钩锁在离心力的作用下打开，与下钩锁相连的退屑套筒在拉伸弹簧的拉伸力作用下回弹复位，即完成一次自动取屑退屑的过程。

2 永磁取屑装置硬件设计与强度分析

2.1 磁铁轴的设计

磁铁轴的结构示意图如图2所示，其中连接轴是磁铁轴与刀柄连杆和离心法兰的连接处，导向轴是套筒法兰在磁铁轴上滑动的导向部位，导向键装在键槽里，防止套筒相对磁铁轴转动，定位轴用来与磁铁座连接和定位。

2.2 拉伸弹簧、离心块及钩锁机构的受力分析

拉伸弹簧的选用：拉伸弹簧的受力和弹性系数是根据套筒释放铁屑所需的拉力F拉和套筒释放铁屑的临界距离L所确定。根据实验测定可得F拉=30N，L=40mm，为保证弹簧受力均匀，取弹簧两边载荷均为F均=32.3N，则选取B型拉伸弹簧，其参数为：材料直径？覬=0.8mm，中径Ф=5mm，自由长度L原始=41mm。

永磁取屑装置放屑时的动平衡验证：放屑时，取单边载荷为F单=32.3N，只考虑单侧受力，取摩擦系数μ=0.2，则上钩锁受到的水平摩擦力为Fμ=6.5N，压缩弹簧压缩至上下钩锁打开的临界状态时，压缩弹簧的反向弹力F反向=15N；则钩锁能打开的理论离心力F理论=Fμ+F反向=21.5N，所以实际离心力F实际？叟21.5N时才能打开钩锁。

由于离心法兰的尺寸限制，离心块的质心与中心轴轴心距离为76mm。考虑永磁取屑装置的动平衡性时，要求机床转速不能超过400r/min，初选离心块的质量m=0.18kg，则经计算可得：当单侧离心力为21.5N时，机床转速为380r/min，能够满足永磁取屑装置的动平衡要求。

2.3 强磁机构磁场分析

2.3.1 钕铁硼永磁体参数及尺寸选择

钕铁硼永磁材料属于稀土永磁材料，在磁场性能方面远优于普通的铁氧永磁体。根据空簧孔的尺寸大小和C形屑的切屑量，初步选取4块？覬30mm、高5mm的钕铁硼永磁铁作为永磁取屑装置的永磁体。

2.3.2 磁场分布有限元分析

圆柱状钕铁硼永磁体磁极在上下两个端面处，为利用钕铁硼永磁体磁力最强点，文章使永磁体的其中一极朝下，作为吸取铁屑的部位。

文章采用ANSYS有限元分析软件对钕铁硼永磁体的磁力线分布图进行模拟，如图3-a所示，令下端为N极，当不加磁铁轴时，磁力线从永磁体下端出发，环绕360°回到上端。此时磁力线的特点是：自N极出发后以很大的曲率开始弯转，导致永磁体正下方磁力线迅速变疏和磁化能迅速降低，致使吸取的切屑质量并不理想，达不到预期的清除效果。

（a）无磁铁轴磁场分布 （b）有磁体轴磁场分布

图3 磁力线分布对比图

为改善钕铁硼永磁体的磁场分布，本文在永磁体的其中一极吸附一根磁铁轴，使另一极的磁感线分布情况得到极大改善，磁力线曲率比不加磁铁轴时要小的多，如图3-b所示。

3 永磁取屑装置实验验证

使用永磁取屑装置，现场进行了10次取屑实验，钩锁机构工作顺畅，取屑放屑工作顺畅，现场最多采用4次取屑即可将切屑基本清除，其中第一次，第四次取屑量如图4所示，实验证明永磁取屑装置达到了预期的取屑效果。

（a）第一次取屑量 （b）第四次取屑量

图4 第一次、第四次取屑量效果对比图

4 结束语

永磁取屑装置可以利用机床指令完成取屑放屑的自动化过程，满足了空簧孔镗孔过程中切屑的自动取放的要求；利用该套装置可在1分钟之内完成一次镗孔的清理，明显减少了切屑的清理时间，只需调取程序即可完成取屑放屑操作，减少了人工操作的危险性。

综上所述，永磁取屑装置能够实现转向架空簧孔镗削切屑的自动化清理。

参考文献

[1]赵如意，关世玺.深孔钻削切屑形态的研究[J].新技术新工艺，2010 （2）： 42-43.

[2]周媛.螺旋铣刀在转向架加工中的开发应用[J].铁道机车车辆工人， 2001（2）： 9-10.

[3]樊铁镔.深孔加工的切屑处理[J].工具技术，1998，9：35-40.

[4]温旭东.（Fe，Co）-RE-B-M（M=Cu，Nb）永磁材料磁性能的研究[D].郑州大学，2012.

[5]陆敏，裴景玉，徐霖，等.自卸式铁屑甩油离心机转鼓应力分析[J].化工机械，2013（3）：373-375.

作者简介：童伟（1987-），男，硕士研究生，主要从事先进制造和制造业自动化等工作。

通讯作者：王廷和（1957-），男，硕士，教授，硕士生导师。endprint

摘 要：设计了由强磁机构，离心机构和取屑放屑机构装配而成的永磁取屑装置。该装置利用强磁机构的强磁吸附能力和离心机构的离心解锁原理，实现自动化取屑、放屑功能。其中强磁机构使此装置具备超强的取屑能力；在装置完成放屑动作时，离心机构发挥离心解锁功能。实际运用表明，文章设计的永磁取屑装置解决了传统取屑时面临的深盲孔小空间技术难题，提高了动车转向架空簧孔的加工效率。

关键词：强磁机构；离心机构；取屑放屑机构

引言

动车组空气弹簧安装在高速列车转向架构架中部，上接车体，通过空簧孔，下接到转向架构架，是列车二系悬挂系统中的主要承载部件。空簧孔上部连接空簧，下端与侧梁、横梁气路联通，空簧孔的加工质量及内部的清洁度如尘埃、杂质，影响空簧的密封性及控制阀的精度，为保证空簧孔的加工质量，需采用三次粗镗和一次精镗的加工工艺。

动车转向架空簧孔是一类外小内大的台阶盲孔，在每次的镗削过程中都有大量的切屑沉积在空簧孔底部，目前，切屑是操作工人使用普通磁棒手动清理完成。由于普通磁棒的磁能较低，需要多次吸附，才能完成切屑清理，导致空簧孔的加工效率明显低于其他同类产品。

1 永磁取屑装置总体概况

1.1 永磁取屑装置的结构组成

为实现空簧孔底部切屑的自动化清理，根据生产现场工况，文章设计了该套永磁取屑装置。设计的永磁取屑装置主要由三个机构组成，结构示意图，如图1所示。

1.1.1 离心机构

离心机构是由离心块、离心法兰、上钩锁、钢丝绳、压缩弹簧组成，它主要是通过机床主轴旋转产生离心力使离心块带动上钩锁完成上钩锁的解锁动作。

1.1.2 取屑放屑机构

取屑放屑机构由下钩锁、套筒法兰、套筒、拉伸弹簧组成，它主要是通过拉伸弹簧的拉力使磁铁轴与套筒相对运动以完成取屑放屑的动作。

1.1.3 强磁机构

强磁机构是由永磁铁、磁铁轴、磁铁座组成，磁铁轴吸附在永磁铁的上端面，可以有效地改变其磁场分布，使磁铁取屑量显著增加。

1刀柄连杆，2离心块，3离心法兰，4上钩锁，5下钩锁6套筒法兰，7套筒，8磁铁座，9封头套筒，10压缩弹簧，11钢丝绳，12导向键，13拉伸弹簧，14磁铁轴，15永磁体，16封头

图1 永磁取屑装置示意图

1.2 永磁取屑装置的工作原理

永磁取屑装置是利用强磁吸附和离心解锁的原理实现其取屑放屑功能。其工作过程如下：需要清理切屑时，通过加工中心的换刀指令将该装置换装到主轴上。通过加工中心主轴的移动将该装置定位到所需清理盲孔的上方，Z轴负方向进给，当退屑套筒封头触碰到铁屑后继续运动，最终使上钩锁和下钩锁挂连在一起；为实现自动化，根据经验在程序里设定下降距离，保证每次下降时钩锁均能锁合，Z轴正向进给，移出空簧孔，主轴水平移动到退屑位置；主轴正转，产生离心力，使上钩锁在离心力的作用下打开，与下钩锁相连的退屑套筒在拉伸弹簧的拉伸力作用下回弹复位，即完成一次自动取屑退屑的过程。

2 永磁取屑装置硬件设计与强度分析

2.1 磁铁轴的设计

磁铁轴的结构示意图如图2所示，其中连接轴是磁铁轴与刀柄连杆和离心法兰的连接处，导向轴是套筒法兰在磁铁轴上滑动的导向部位，导向键装在键槽里，防止套筒相对磁铁轴转动，定位轴用来与磁铁座连接和定位。

2.2 拉伸弹簧、离心块及钩锁机构的受力分析

拉伸弹簧的选用：拉伸弹簧的受力和弹性系数是根据套筒释放铁屑所需的拉力F拉和套筒释放铁屑的临界距离L所确定。根据实验测定可得F拉=30N，L=40mm，为保证弹簧受力均匀，取弹簧两边载荷均为F均=32.3N，则选取B型拉伸弹簧，其参数为：材料直径？覬=0.8mm，中径Ф=5mm，自由长度L原始=41mm。

永磁取屑装置放屑时的动平衡验证：放屑时，取单边载荷为F单=32.3N，只考虑单侧受力，取摩擦系数μ=0.2，则上钩锁受到的水平摩擦力为Fμ=6.5N，压缩弹簧压缩至上下钩锁打开的临界状态时，压缩弹簧的反向弹力F反向=15N；则钩锁能打开的理论离心力F理论=Fμ+F反向=21.5N，所以实际离心力F实际？叟21.5N时才能打开钩锁。

由于离心法兰的尺寸限制，离心块的质心与中心轴轴心距离为76mm。考虑永磁取屑装置的动平衡性时，要求机床转速不能超过400r/min，初选离心块的质量m=0.18kg，则经计算可得：当单侧离心力为21.5N时，机床转速为380r/min，能够满足永磁取屑装置的动平衡要求。

2.3 强磁机构磁场分析

2.3.1 钕铁硼永磁体参数及尺寸选择

钕铁硼永磁材料属于稀土永磁材料，在磁场性能方面远优于普通的铁氧永磁体。根据空簧孔的尺寸大小和C形屑的切屑量，初步选取4块？覬30mm、高5mm的钕铁硼永磁铁作为永磁取屑装置的永磁体。

2.3.2 磁场分布有限元分析

圆柱状钕铁硼永磁体磁极在上下两个端面处，为利用钕铁硼永磁体磁力最强点，文章使永磁体的其中一极朝下，作为吸取铁屑的部位。

文章采用ANSYS有限元分析软件对钕铁硼永磁体的磁力线分布图进行模拟，如图3-a所示，令下端为N极，当不加磁铁轴时，磁力线从永磁体下端出发，环绕360°回到上端。此时磁力线的特点是：自N极出发后以很大的曲率开始弯转，导致永磁体正下方磁力线迅速变疏和磁化能迅速降低，致使吸取的切屑质量并不理想，达不到预期的清除效果。

（a）无磁铁轴磁场分布 （b）有磁体轴磁场分布

图3 磁力线分布对比图

为改善钕铁硼永磁体的磁场分布，本文在永磁体的其中一极吸附一根磁铁轴，使另一极的磁感线分布情况得到极大改善，磁力线曲率比不加磁铁轴时要小的多，如图3-b所示。

3 永磁取屑装置实验验证

使用永磁取屑装置，现场进行了10次取屑实验，钩锁机构工作顺畅，取屑放屑工作顺畅，现场最多采用4次取屑即可将切屑基本清除，其中第一次，第四次取屑量如图4所示，实验证明永磁取屑装置达到了预期的取屑效果。

（a）第一次取屑量 （b）第四次取屑量

图4 第一次、第四次取屑量效果对比图

4 结束语

永磁取屑装置可以利用机床指令完成取屑放屑的自动化过程，满足了空簧孔镗孔过程中切屑的自动取放的要求；利用该套装置可在1分钟之内完成一次镗孔的清理，明显减少了切屑的清理时间，只需调取程序即可完成取屑放屑操作，减少了人工操作的危险性。

综上所述，永磁取屑装置能够实现转向架空簧孔镗削切屑的自动化清理。

参考文献

[1]赵如意，关世玺.深孔钻削切屑形态的研究[J].新技术新工艺，2010 （2）： 42-43.

[2]周媛.螺旋铣刀在转向架加工中的开发应用[J].铁道机车车辆工人， 2001（2）： 9-10.

[3]樊铁镔.深孔加工的切屑处理[J].工具技术，1998，9：35-40.

[4]温旭东.（Fe，Co）-RE-B-M（M=Cu，Nb）永磁材料磁性能的研究[D].郑州大学，2012.

[5]陆敏，裴景玉，徐霖，等.自卸式铁屑甩油离心机转鼓应力分析[J].化工机械，2013（3）：373-375.

作者简介：童伟（1987-），男，硕士研究生，主要从事先进制造和制造业自动化等工作。

通讯作者：王廷和（1957-），男，硕士，教授，硕士生导师。endprint