一种火车轮对打标机的设计

胡士华，万里荣，覃莉莉

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616）

0 引言

轮对打标机是一种用于铁路车辆的维修保养和管理的设备，它主要用于对轮对进行打标操作。轮对是车辆重要的组成部分，对车辆的行驶、安全和运营起着至关重要的作用[1-2]。

通过在轮对上打上标记，可以方便地对轮对的磨损和疲劳程度进行评估。该标记可以用于记录轮对的使用寿命、检测轮缘损伤等信息，为轮对的维护和更换提供依据。火车轮对通常是以一定规格进行生产的。通过在轮对上进行标记，可以方便地识别和区分不同规格的轮对。在火车车辆维修和更换轮对时，可以根据标记来选择合适的轮对进行匹配，确保车辆的正常运行。轮对的状况直接关系到火车车辆的安全性。通过定期检测轮对的磨损和疲劳程度，并及时采取维护和更换措施，可以有效预防由于轮对问题引发的事故和故障[3-4]。轮对上的标记可以使得相关数据得以记录并分析。这些数据可以用于轮对质量的追溯和统计分析，为生产、运营和管理提供参考依据。同时，通过对标记数据的分析，也可以为轮对的改进和优化提供支持和指导。

综上所述，轮对打标机的好坏影响到轮对状况评估、轮对匹配和管理、预防事故发生以及数据记录和分析等方面，通过提供便捷的轮对标记功能，为轮对的维护和管理提供支持和指导，确保火车车辆的安全和正常运行。针对以上作用，一款有效的火车车轮气动打标机应运而生。

1 设计要求

为了能精确地实现精准打标，火车轮对打标机的设计需要考虑以下几个设计要求：

（1）给轮对打标的方式：可以采用喷涂、刻印或深度打标等方式进行轮对上的标记。根据具体需求，选择合适的打标方式，并确保标记的持久性和清晰度。

机械结构设计：设计一个稳定的主架系统来安装各个零部件，并确保其在打标过程中保持良好的稳定性和平衡性。考虑到被加工件轮对的尺寸和重量，设计时还要考虑到打标机运行过程中要与轮对保持一定距离。

（2）打标系统设计：选择适合轮对打标的打标设备，如喷涂枪或刻字设备，并根据需求确定合适的打标位置。考虑到轮对在运行中的高温和高速环境，需要选择耐磨损、防水、耐高温的打标设备，采用高强度、硬度的打标针头。

（3）控制系统设计：设计一个可靠的控制系统，实现对打标过程的精确控制。确保打标操作简便方便，可以通过控制面板或者计算机界面设置打标参数，如字体大小、位置等。

（4）安全性考虑：对于火车轮对打标机的设计，安全性是非常重要的。确保机械结构稳定可靠，避免任何可能导致伤害的部件或操作。另外，根据实际情况考虑防护措施或紧急停机装置，确保工作人员的安全。

（5）自动化和智能化：在设计过程中，可以考虑引入自动化和智能化技术，使其能够实现自动识别待打标轮对、自动调整打标参数等功能，提高生产效率和准确，新型火车轮对打标机是一种专门用于在火车轮对上进行标记的设备。它采用高精度传感器和先进的图像处理算法，可以准确地识别并标记轮对上的各种信息，如制造日期、车辆编号等。

2 结构设计

本打标机为了能实现多自由度移动装置带动打标头进行标刻，解决打标效率低下的问题，可用于不同型号车轮快速打标，主要从以下三个部分来进行创新设计。

2.1 主架结构设计

一台良好的打标机要实现精准快速打标，各个部件的安装基础稳定性非常重要，作为安装及承载的基础主架结构上需要安装的部件很多，包含动力源横向、垂向、纵向三个维度的步进电机及对应电机支座，包含纵向、垂向、横向三个维度的传递运动的丝杠及相对应的滑板，包括传递扭矩的联轴器、直接与被加工件接触的打标头、用于发送指令的电脑，此外还要考虑到轮对尺寸，与钢轨的配合，设计的主架图见图1，该结构能满足以上部件的安装，且具有较高的稳定性。

图1 主架

2.2 打标头模块设计

图2 显示的是打标机的打标头模块，打标头主要是用来实现打标作业的执行机构。该打标头的设计要考虑到能单独在x轴、y轴、z轴三个方向独作立的进给运动，比如在垂向z的进给运动，垂直步进电机是通过电机支座设置在主架上，垂直步进电机通过垂向丝杠驱动垂直滑板沿竖直方向上升降。需要说明的是，垂直滑板与之转动连接的螺母，该螺母与垂直丝杆螺纹连接，垂直丝杠与螺母组成丝杠螺母机构，这样的组合结构可以完成z轴方向的打标，又或者对于复杂字体，只需通过控制打标头两轴或三轴联动即可完成。

图2 打标头模块示意图

2.3 控制传输模块

打标机控制模块是指打标机设备中负责控制和管理整个打标过程的模块或系统。该部分通常由硬件和软件组成，旨在实现高效准确的打标操作。打标机控制部分通过协调硬件和软件的工作，实现对打标机设备的整体控制和管理。它的良好设计和高效运行将直接影响到打标操作的质量和效率。所以对于硬件方面要有合适的控制器、合适的执行机构。软件方面，良好的用户界面可以提供友好的人机交互界面，使操作员能够方便地设置和调整打标参数，监控打标过程和结果。界面可以是嵌入式触摸屏、PC 端软件等形式。

2.4 总体设计

将以上主架、打标头、控制模块几个部分再配合联轴器、传动丝杠等连接部分就可以得到轮对打标机的设计总体，图3、4 是设计的轮对打标机。包括工件轮对1，和钢轨2，横向步进电机3，主架4，垂向步进电机5，纵向步进电机6，纵向丝杠7，横向丝杠8，垂向丝杠9，打标头10，L 型滑板11，垂向滑板12，电脑13，电机支座14，横向电机安装座15，纵向电机安装座16，联轴器17。

图3 打标机主视图

3 实施原理及可行性说明

3.1 实施原理

参考图3、图4，该装置在使用时，首先将工件轮对1，移置钢轨2 上面，如需对轮对作横向打标运动，可由电脑13 发送指令控制横向步进电机3，电机3通过联轴器17 传递动力到横向丝杠8，横向丝杠8转动，带动L 型滑板11 横向运动，同时打标头10 作横向进给运动；如需对轮对作纵向打标运动，可由电脑13 发送指令控制纵向步进电机6，电机6 通过联轴器传递动力到纵向丝杠7，丝杠7 转动，带动L 型滑板11 与横向打标头10 作横向进给运动；如需对轮对作垂向打标运动，可由电脑13 发送指令控制垂向步进电机5，电机5 通过联轴器传递动力到垂向丝杠9，丝杠9 转动，带动垂向滑板12 与横向打标头10 作垂向向进给运动；如需实现更复杂字体，则三轴联动，完成打标作业。

图4 打标机立体图

3.2 可行性说明

为验证设计的产品具有可行性，从工厂调研确定技术性能指标，如打标的精度、速度、稳定性、运动可靠性等。设计的打标机指标能满足实际需求和应用场景，可确保设计的可行性。

为进一步验证，将设计的打标机通过SolidWorks软件创建动画来展示和演示产品的运动和功能。先创建装配，将零部件组装成一个完整的产品装配，确保每个零件都正确对位和连接。再设置场景，选择合适的环境和背景设置，添加灯光和相机视角，确保动画效果更加逼真和生动。最后使用SolidWorks 的运动分析工具，对打标机进行动力学分析，以模拟产品运动的物理行为，能更准确地预测和展示产品的运动效果，结果得到满足。

最后，采用3D 打印工具将设计的打标机其制作出来，并进行运动分析分析和测试，验证效果良好。综合以上几点，设计的火车轮对打标机具有一定的可行性。

4 结语

本装置可以实现精准快速达标，其使用可以提高轮对管理的效率和准确性，同时降低人工操作的风险。它可以广泛应用于铁路维护和保养工作中，帮助铁路公司实现轨道安全和运营管理的目标。在后续的跟进中，轮对打标机可以考虑加进数据采集功能，还可以搭载相关的传感器设备，实现对轮对的温度、压力、振动等数据的实时采集和监测，为维修保养的决策提供依据，并能及时发现轮对存在的问题，预防故障发生。