CN112879451A - 一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管及其制造方法，属于高精密零部件技术领域。它解决了现有的轨道机车联轴器因为其中的金属波纹管各方面性能上还欠缺诸多改进的问题。本金属波纹管包括由内外两层管体经液压成型制成的本体管，管体由不锈钢材质制成，本体管具有5～8个结构尺寸一致的环形波纹且两端是直壁端接口，直壁端接口连接有轴承，本体管的具体尺寸限定为：本体管的外径为150±1.25mm，本体管的内径120±0.70mm，本体管的整体长度为62.7±1mm，本体管的接口尺寸为121.65～122mm，本体管的壁厚为0.15±0.01mm，本体管的刚度为10±2N/mm。与现有技术相比，本金属波纹管的相较于普通产品耐压性能更好、位移量更大、使用寿命更长。

Description

一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管及其制造方法

技术领域

本发明属于高精密零部件技术领域，涉及一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管及其制造方法。

背景技术

高速铁路及城市轨道交通的发展不但缩短区域间距离、带动区域经济发展，而且具有低能耗、安全、环保等特征，是我国重点并且快速发展的产业。联轴器是轨道机车核心部件之一，我国机车用联轴器长期以来依赖于进口，随着轨道机车国产化工作全面推进，联轴器的整体国产化也迫在眉睫。国内某研究所在受中车集团委托进行机车用联轴器的国产化工作后，因为联轴器中承受高频率、重载荷、三维全周向的压缩和拉伸等工况的核心部件金属波纹管组件一直达不到疲劳寿命的技术指标，导致联轴器国产化工作进展缓慢。所以，对金属波纹管组件进行深入研究，以提高其整体性能，对当今时代来说具有庞大的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有的轨道机车联轴器因为其中的金属波纹管各方面性能上还欠缺诸多改进的问题，而提出的一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管及其制造方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管，包括由内外两层的管体经液压成型制成的本体管，管体由不锈钢材质制成，本体管具有5～8个结构尺寸一致的环形波纹且两端是直壁端接口，直壁端接口连接有环形轴套，其特征在于，本体管的具体尺寸限定为：本体管的外径为150±1.25mm，本体管的内径120±0.70mm，本体管的整体长度为62.7±1mm，本体管的接口尺寸为121.65～122mm，本体管的壁厚为0.15±0.01mm，本体管的刚度为10±2N/mm。

在上述的一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管中，所述的本体管的外径为150mm，本体管的内径120mm，本体管的整体长度62.7mm，本体管的接口尺寸为122mm，本体管的壁厚为0.15mm，本体管的刚度为10N/mm。

一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管的制造方法，包括以下步骤：

步骤(1)：取不锈钢钢带，截取并绕卷使其收尾对接，再将其两端焊接，形成外管形基材；取不锈钢钢带，截取并绕卷使其收尾对接，再将其两端焊接，形成内管形基材；其中，外管形基材的长度比内管形基材长1～6mm，外管形基材的直径比内管形基材大1～6mm，外管形基材和内管形基材的厚度一致；

步骤(2)：用不锈钢冷酸将外管形基材和内管形基材清洗10～20秒，冲洗后用去离子水浸泡，之后烘干，以将外管形基材和内管形基材的接口毛刺去除；

步骤(3)：然后将内管形基材一端接口内翻，内管形基材塞入外管形基材内，经过定位补偿装置的使得内管和外管定位在同轴状态，并且将两者缝隙中的颗粒异物除去，再通过滚焊方式将外管形基材和内管形基材管口进行封口处理，得到管坯；

步骤(4)：取管坯，放入压型模具中，将若干模片、定位契以周期间隔的形式步入型腔中，提供10～12MPa的成型压力；

步骤(5)：对模板的位置进行调整，管坯以使管坯进行整形功效，得到半成品；

步骤(6)：将半成品放入浓度为5％g/100ml的除油剂中，加温至50～55℃，静置180分钟以上；

步骤(7)：对半成品进行酸洗处理；

步骤(8)：用压缩空气气枪吹干半成品表面；

步骤(9)：对半成品进行烘干处理，温度控制在150～160℃，持续3～4小时；

步骤(10)：通过车床和磨床对半成品的接口进行车削和抛光；

步骤(11)：采用氦质谱检漏，检测出漏率小于1×10^8Pa·m3/s的半成品为检漏合格品；

步骤(12)：将检漏合格品进行真空老化试验，保持温度为350±10℃，并保温1小时，内外表面干净的检漏合格品为老化试验合格品；

步骤(13)：通过肉眼观察老化试验合格品，无明显外观缺陷的即为波纹管成品。

在上述的一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管的制造方法中，所述的压型模具包括若干间隔周期设置的模板和定位契，模板的中心开设有与管坯外径一致的通孔，模板的两端面还设有口径尺寸大于通孔的型腔孔，使通孔呈现中间端口径小、两端口径大的阶梯型，通孔的中间端用于成型波纹管的波谷，相邻两模板相互朝向的型腔孔与两者的之间的定位契所形成的整体腔体用于成型波纹管的波峰。

在上述的一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管的制造方法中，所述的定位补偿装置包括架体、固定设置在架体上并用于套上内管形基材和外管形基材的加工主轴、固定设置在加工主轴尾端并用于对内管形基材和外管形基材的尾端进行阻挡限位的限位盘轴、竖直固定设置在架体上的滑杆、固定设置在架体上的补偿驱动部件、竖直转动设置在架体上且通过补偿驱动部件提供转动动力的双向丝杆、升降滑动设置在滑杆上的两个对向块、固定设置在对向块上的挤压体、固定设置在架体上并能进行线性输出的刮料驱动件、固定设置在刮料驱动件的线性输出轴上的刮料筒、固定设置在架体上并用于提供刮料驱动件能源的电能组件；刮料筒与加工主轴同轴，在刮料驱动件的线性输出作用下刮料筒能将加工主轴套设住；加工主轴的外径与内管形基材的内径相同，刮料筒的内径与内管形基材的外径相同，刮料筒的外径与外管形基材的内径相同；两个对向块上的挤压体对向设置；双向丝杆以加工主轴所在的横向中间截面为分界面，分界面的上部分为正螺纹，分界面的下部分为反螺纹，正螺纹和反螺纹的参数相同但螺纹方向相反；两个对接块以分界面为中心对称滑动设置，两个对接块分别与双向丝杆的正螺纹和反螺纹对接并在该双向丝杆的驱动下以分界面为中心进行同步靠近或远离；挤压体上竖向活动设有挤压头，挤压头与挤压体之间设有第一弹性件并通过第一弹性件使挤压头在不受外力时处于弹出状态，挤压头上固定设有导电材质制成的连通块；电能组件与刮料驱动件处于同一线路中，它们的线路中还包括导线，导线穿过挤压体内部并具有截断处，当挤压头内缩到底部后连通块会使导线的截断处对接上使线路连通，线路连通后刮料驱动件获得了电能组件所提供的能源就会启动，以驱使刮料筒插入到内管形基材和外管形基材所形成的缝隙中将颗粒异物刮除；刮料驱动件能具有第二弹性件，第二弹性件能使刮料驱动件在没有能源来源使其输出轴回归到初始状态。

与现有技术相比，本金属波纹管的相较于普通产品耐压性能更好、位移量更大、使用寿命更长。

附图说明

图1是本体管的结构示意图；

图2是压型模具的截面结构示意图；

图3是定位补偿装置的结构原理图；

图4是电能组件和刮料驱动件所在线路的结构原理图；

图中，1、本体管；2、环形轴套；3、模板；4、定位契；5、通孔；6、型腔孔；7、加工主轴；8、限位盘轴；9、滑杆；10、双向丝杆；11、对向块；12、挤压体；13、刮料驱动件；14、刮料筒；15、电能组件；16、挤压头；17、连通块；18、导线；19、截断处。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管包括由内外两层管体经液压成型制成的本体管1，管体由不锈钢材质制成，本体管1具有5～8个结构尺寸一致的环形波纹且两端是直壁端接口，直壁端接口连接有环形轴套2，其特征在于，本体管1的具体尺寸限定为：本体管1的外径为150±1.25mm，本体管1的内径120±0.70mm，本体管1的整体长度为62.7±1mm，本体管1的接口尺寸为121.65～122mm，本体管1的壁厚为0.15±0.01mm，本体管1的刚度为10±2N/mm。

作为优选，本体管1的外径为150mm，本体管1的内径120mm，本体管1的整体长度62.7mm，本体管1的接口尺寸为122mm，本体管1的壁厚为0.15mm，本体管1的刚度为10N/mm。

最终得到的产品参数如下：

外径：Φ150±1.25mm；

内径：Φ120±0.70mm；

整体长度：62.7±1mm；

接口尺寸：Φ122-0.35mm；

成型管单层壁厚：0.15±0.01mm；

刚度：10±2N/mm；

真空漏率：真空压力0.09MPa下无泄漏；

最大承受工作内压力0.15MPa时，应不渗漏；

最大轴向位移：10mm；

最大偏转角度：5度；

使用寿命：安装至联轴器整机运行，使用次数不低于1×10^8次。

该金属波纹管在联轴器中的主要作用是：1.满足联轴器内齿位移的平衡复位；2.实现齿轮咬合润滑油完全密封；3.适应轴间的径向、轴向及偏角三向变位；4.提供驱动轴系必要的弹性，以降低传动噪声。

一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管的制造方法，包括以下步骤：

步骤(1)：取不锈钢钢带，截取并绕卷使其收尾对接，再将其两端焊接，形成外管形基材；取不锈钢钢带，截取并绕卷使其收尾对接，再将其两端焊接，形成内管形基材；其中，外管形基材的长度比内管形基材长1～6mm，外管形基材的直径比内管形基材大1～6mm，外管形基材和内管形基材的厚度一致；

步骤(2)：用不锈钢冷酸将外管形基材和内管形基材清洗10～20秒，冲洗后用去离子水浸泡，之后烘干，以将外管形基材和内管形基材的接口毛刺去除；

步骤(3)：然后将内管形基材一端接口内翻，内管形基材塞入外管形基材内，经过定位补偿装置的使得内管和外管定位在同轴状态，并且将两者缝隙中的颗粒异物除去，再通过滚焊方式将外管形基材和内管形基材管口进行封口处理，得到管坯；

步骤(4)：取管坯，放入压型模具中，将若干模片、定位契以周期间隔的形式步入型腔中，提供10～12MPa的成型压力；

步骤(5)：对模板的位置进行调整，管坯以使管坯进行整形功效，得到半成品；

步骤(6)：将半成品放入浓度为5％g/100ml的除油剂中，加温至50～55℃，静置180分钟以上；

步骤(7)：对半成品进行酸洗处理；

步骤(8)：用压缩空气气枪吹干半成品表面；

步骤(9)：对半成品进行烘干处理，温度控制在150～160℃，持续3～4小时；

步骤(10)：通过车床和磨床对半成品的接口进行车削和抛光；

步骤(11)：采用氦质谱检漏，检测出漏率小于1×10^8Pa·m3/s的半成品为检漏合格品；

步骤(12)：将检漏合格品进行真空老化试验，保持温度为350±10℃，并保温1小时，内外表面干净的检漏合格品为老化试验合格品；

步骤(13)：通过肉眼观察老化试验合格品，无明显外观缺陷的即为波纹管成品。

如图2所示，压型模具包括若干间隔周期设置的模板3和定位契4，模板3的中心开设有与管坯外径一致的通孔5，模板3的两端面还设有口径尺寸大于通孔5的型腔孔6，使通孔5呈现中间端口径小、两端口径大的阶梯型，通孔5的中间端用于成型波纹管的波谷，相邻两模板3相互朝向的型腔孔6与两者的之间的定位契4所形成的整体腔体用于成型波纹管的波峰。

成型时，需要先将模板3和定位契4按照周期的间隔安装好，然后放入管坯，并将液压成型模具的型腔与外界封闭，然后冲管状基材的管内通入液压油，达到足够的压力值后管状基材会被挤压向外膨胀，从而往整体腔体的方向内膨胀，形成波纹管形状。

采用以上工艺制成的金属波纹管，具有以下优势：

因为波纹管采用双层管坯镶套结构，有效降低波纹管刚性，提升强度；

管坯A和管坯B成型后，两者之间无颗粒异物，避免了颗粒物挤压薄壁管后形成应力集中点而影响波纹管强度；

波纹管在成型后，会在波纹部分形成一定的应力，要提升使用强度，需要彻底的消除产品存在的残余应力，以上工艺选择了高温短时间去应力方式彻底消除波纹管残余内应力，稳定产品性能和强度；

总之，该工艺成型的金属波纹管相较于传统产品耐压性能更好、位移量更大、使用寿命更长的优势。

另外，因为内管和外管的口径有偏差，所以两者在焊接成管坯之前，需要将两者定位在同轴的状态下才能保证成品精度，而且，内管和外管的夹层之间也具有颗粒异物，如果能消除这些颗粒异物，那么就能防止颗粒物挤压薄壁管后形成应力集中点，所以，本发明还专门提供了定位补偿装置来解决这个问题。

如图3和图4所示，定位补偿装置包括架体、固定设置在架体上并用于套上内管形基材和外管形基材的加工主轴7、固定设置在加工主轴7尾端并用于对内管形基材和外管形基材的尾端进行阻挡限位的限位盘轴8、竖直固定设置在架体上的滑杆9、固定设置在架体上的补偿驱动部件、竖直转动设置在架体上且通过补偿驱动部件提供转动动力的双向丝杆10、升降滑动设置在滑杆9上的两个对向块11、固定设置在对向块11上的挤压体12、固定设置在架体上并能进行线性输出的刮料驱动件13、固定设置在刮料驱动件13的线性输出轴上的刮料筒14、固定设置在架体上并用于提供刮料驱动件13能源的电能组件15。

刮料筒14与加工主轴7同轴，在刮料驱动件13的线性输出作用下刮料筒14能将加工主轴7套设住；

加工主轴7的外径与内管形基材的内径相同，刮料筒14的内径与内管形基材的外径相同，刮料筒14的外径与外管形基材的内径相同；

两个对向块11上的挤压体12对向设置；

双向丝杆10以加工主轴7所在的横向中间截面为分界面，分界面的上部分为正螺纹，分界面的下部分为反螺纹，正螺纹和反螺纹的参数相同但螺纹方向相反；

两个对接块以分界面为中心对称滑动设置，两个对接块分别与双向丝杆10的正螺纹和反螺纹对接并在该双向丝杆10的驱动下以分界面为中心进行同步靠近或远离；

挤压体12上竖向活动设有挤压头16，挤压头16与挤压体12之间设有第一弹性件并通过第一弹性件使挤压头16在不受外力时处于弹出状态，挤压头16上固定设有导电材质制成的连通块17；

电能组件15与刮料驱动件13处于同一线路中，它们的线路中还包括导线18，导线18穿过挤压体12内部并具有截断处19，当挤压头16内缩到底部后连通块17会使导线18的截断处19对接上使线路连通，线路连通后刮料驱动件13获得了电能组件15所提供的能源就会启动，以驱使刮料筒14插入到内管形基材和外管形基材所形成的缝隙中将颗粒异物刮除。

定位补偿装置的具体实施过程如下：

将内管形基材先套在加工主轴7上直至被尾部被限位盘轴8挡住证明在轴线方向上已经完成了定位，然后再将外管形基材套在内管形基材上，此时会因为外管形基材本身的重力作用且外管形基材和内管形基材之间留有缝隙的原因，而使外管形基材挂在内管形基材上，外管形基材的轴线处于偏下方。

接着启动补偿驱动部件，在双向丝杆10的驱动下对接块进行同步对向移动，直到挤压体12上的挤压头16从外管形基材的上下两个表面挤压，使其抬升，直到外管形基材处于两个挤压体12的对称中心面上，这个过程完了外管形基材的径向定位，使外管形基材的轴线与内管形基材的轴线处于同一高度平面，基本上也处于同轴状态(也可能因为外界因素的原因产生略微误差，导致两者的轴线在横向上偏移)。

注意补偿驱动部件的功率不能太大，保证挤压头16被挤压至完全缩回状态后，就不会继续带动挤压体12移动导致将工件夹碎的情况，为了保险可以在补偿驱动部件内设置一个碟刹结构。

然后因为挤压头16压到了外管形基材而导致了回缩，回缩后设置在它上的连通块17与导线18的截断处19完成了对接，所以电能组件15与刮料驱动件13所在的线路通路，刮料驱动件13就会带动刮料筒14插入到内管形基材和外管形基材所在的缝隙内(因为之前已经将外管形基材进行高度补偿调节位移了，所以两者的形成了缝隙就能够实现插入)，将颗粒异物刮除，另外也能将原先外管形基材和内管形基材可能产生的略微横向偏移进行准确的定位。

而为了使得刮料筒14更容易插入到外管形基材和内管形基材的缝隙内，可以将刮料筒14的前端端部进行倒角，这样具有锥形倾斜度后也会更容易插入。

接下来因为外管形基材和内管形基材的定位和内部物料都清理干净了，只需要人工进行操作焊接即可。

以上记载中，补偿驱动部件的目的是驱动双向丝杆10转动，刮料驱动件13的目的是进行线性输出，碟刹结构的作用是及时使补偿驱动部件停滞，以上都是现有技术中非常成熟的技术方案，所以本发明只进行了简单概述。

应该理解，在本发明的权利要求书、说明书中，所有“包括……”均应理解为开放式的含义，也就是其含义等同于“至少含有……”，而不应理解为封闭式的含义，即其含义不应该理解为“仅包含……”。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管，包括由内外两层管体经液压成型制成的本体管(1)，管体由不锈钢材质制成，本体管(1)具有5～8个结构尺寸一致的环形波纹且两端是直壁端接口，直壁端接口连接有轴承(2)，其特征在于，本体管(1)的具体尺寸限定为：本体管(1)的外径为150±1.1mm，本体管(1)的内径120±0.70mm，本体管(1)的整体长度为62.7±1mm，本体管(1)的接口尺寸为121.65～122mm，本体管(1)的壁厚为0.15±0.01mm，本体管(1)的刚度为10±2N/mm。

2.根据权利要求1所述的一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管，其特征在于：所述的本体管(1)的外径为150mm，本体管(1)的内径120mm，本体管(1)的整体长度62.7mm，本体管(1)的接口尺寸为122mm，本体管(1)的壁厚为0.15mm，本体管(1)的刚度为10N/mm。

3.一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管的制造方法，包括以下步骤：

步骤(1)：取不锈钢钢带，截取并绕卷使其收尾对接，再将其两端焊接，形成外管形基材；取不锈钢钢带，截取并绕卷使其收尾对接，再将其两端焊接，形成内管形基材；其中，外管形基材的长度比内管形基材长1～6mm，外管形基材的直径比内管形基材大1～6mm，外管形基材和内管形基材的厚度一致；

步骤(2)：用不锈钢冷酸将外管形基材和内管形基材清洗10～20秒，冲洗后用去离子水浸泡，之后烘干，以将外管形基材和内管形基材的接口毛刺去除；

步骤(3)：然后将内管形基材一端接口内翻，内管形基材塞入外管形基材内，经过定位补偿装置的使得内管和外管定位在同轴状态，并且将两者缝隙中的颗粒异物除去，再通过滚焊方式将外管形基材和内管形基材管口进行封口处理，得到管坯；

步骤(4)：取管坯，放入压型模具中，将若干模片、定位契(4)以周期间隔的形式步入型腔中，提供10～12MPa的成型压力；

步骤(5)：对模板(3)的位置进行调整，管坯以使管坯进行整形功效，得到半成品；

步骤(6)：将半成品放入浓度为5％g/100ml的除油剂中，加温至50～55℃，静置180分钟以上；

步骤(7)：对半成品进行酸洗处理；

步骤(8)：用压缩空气气枪吹干半成品表面；

步骤(9)：对半成品进行烘干处理，温度控制在150～160℃，持续3～4小时；

步骤(10)：通过车床和磨床对半成品的接口进行车削和抛光；

步骤(11)：采用氦质谱检漏，检测出漏率小于1×10^8Pa·m3/s的半成品为检漏合格品；

步骤(12)：将检漏合格品进行真空老化试验，保持温度为350±10℃，并保温1小时，内外表面干净的检漏合格品为老化试验合格品；

步骤(13)：通过肉眼观察老化试验合格品，无明显外观缺陷的即为波纹管成品。

4.根据权利要求3所述的一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管的制造方法，其特征在于：所述的压型模具包括若干间隔周期设置的模板(3)和定位契(4)，模板(3)的中心开设有与管坯外径一致的通孔(5)，模板(3)的两端面还设有口径尺寸大于通孔(5)的型腔孔(6)，使通孔(5)呈现中间端口径小、两端口径大的阶梯型，通孔(5)的中间端用于成型波纹管的波谷，相邻两模板(3)相互朝向的型腔孔(6)与两者的之间的定位契(4)所形成的整体腔体用于成型波纹管的波峰。

5.根据权利要求3所述的一种轨道机车联轴器用高寿命金属波纹管的制造方法，其特征在于：所述的定位补偿装置包括架体、固定设置在架体上并用于套上内管形基材和外管形基材的加工主轴(7)、固定设置在加工主轴(7)尾端并用于对内管形基材和外管形基材的尾端进行阻挡限位的限位盘轴(8)、竖直固定设置在架体上的滑杆(9)、固定设置在架体上的补偿驱动部件、竖直转动设置在架体上且通过补偿驱动部件提供转动动力的双向丝杆(10)、升降滑动设置在滑杆(9)上的两个对向块(11)、固定设置在对向块(11)上的挤压体(12)、固定设置在架体上并能进行线性输出的刮料驱动件(13)、固定设置在刮料驱动件(13)的线性输出轴上的刮料筒(14)、固定设置在架体上并用于提供刮料驱动件(13)能源的电能组件(15)；刮料筒(14)与加工主轴(7)同轴，在刮料驱动件(13)的线性输出作用下刮料筒(14)能将加工主轴(7)套设住；加工主轴(7)的外径与内管形基材的内径相同，刮料筒(14)的内径与内管形基材的外径相同，刮料筒(14)的外径与外管形基材的内径相同；两个对向块(11)上的挤压体(12)对向设置；双向丝杆(10)以加工主轴(7)所在的横向中间截面为分界面，分界面的上部分为正螺纹，分界面的下部分为反螺纹，正螺纹和反螺纹的参数相同但螺纹方向相反；两个对接块以分界面为中心对称滑动设置，两个对接块分别与双向丝杆(10)的正螺纹和反螺纹对接并在该双向丝杆(10)的驱动下以分界面为中心进行同步靠近或远离；挤压体(12)上竖向活动设有挤压头(16)，挤压头(16)与挤压体(12)之间设有第一弹性件并通过第一弹性件使挤压头(16)在不受外力时处于弹出状态，挤压头(16)上固定设有导电材质制成的连通块(17)；电能组件(15)与刮料驱动件(13)处于同一线路中，它们的线路中还包括导线(18)，导线(18)穿过挤压体(12)内部并具有截断处(19)，当挤压头(16)内缩到底部后连通块(17)会使导线(18)的截断处(19)对接上使线路连通，线路连通后刮料驱动件(13)获得了电能组件(15)所提供的能源就会启动，以驱使刮料筒(14)插入到内管形基材和外管形基材所形成的缝隙中将颗粒异物刮除；刮料驱动件(13)能具有第二弹性件，第二弹性件能使刮料驱动件(13)在没有能源来源使其输出轴回归到初始状态。

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