专利名称：铁路车轮之浇口清除与研磨用的设备与方法
技术领域：
本发明涉及用于研磨铁路车轮的设备与方法，更具体地说，涉及铸钢铁路车轮浇口清除与精磨的设备与方法。
制造铸钢铁路车轮的最优方法是底部压力浇铸法，其中钢水在压力下受迫向上进入石墨模子内，并从底部往上充填。这种底部压力浇注法消除了铸造方法中与传统的顶注钢水有关的许多问题，例如溅射与不能充分填充模子。在浇铸铁路车轮时，通常使车轮的前侧，即，与模子上半部相对应的部分，具有隆起的中央毂部，取决于车轮的尺寸，有6至14个隆起段或浇口从车轮轮缘附近的轮板部分延伸出。这一隆起的毂部区和自轮板延伸出的隆起的浇口区乃是冒口的剩余物，这些冒口则是设计用来在车轮刚浇注完后的冷却与硬化过程中，能将添加的金属向下方填充到模子之内。中央隆起的毂部是在火焰切割轴毂的过程中除去，并在以后于毂孔加工中精整。这些浇口则是很难除去的，而要是采用手持砂轮机，那就需要付出很大的劳力。事实上，这种手持砂轮机的操作方式，目前已不用于这里的车轮加工工作中。当前采用的除去这类浇口的方法是所谓浇口清洗作业，相当于用碳弧来熔化隆起的浇口。利用空心电极来电熔浇口，并以空气吹过此电极的空心部分来吹掉熔出的金属液。这项作业类似于电弧焊接，只不过是没有材料沉积。不过，除去的金属液会沉积到车轮的邻近部位上，需要在以后削平，这是费时而又困难的方法，此外，这种清洗浇口的作业是在苛刻的工作环境下进行，操作人员必需穿上防护服，还需另设空气罩和加以适当的噪声防止措施。
在完成了这种浇口清洗与削平作业之后，必需对铸钢轮升温作热处理，然后让它冷却，用喷丸处理清洗车轮，然后精磨除去了浇口的表面区。这样的精磨是一种典型的手磨作业，因而对操作者仍是一道艰难的工序。
在钢铁工业中，钢锭与钢坯的机器研磨是周知的技术。通常，这类作业是在锭件冷却后修整锭件的表面来除去少量纹道或表面缺陷，但更好是采用某些当锭件仍处于高温时的修整作业。申请人尚未获悉有任何在车轮刚从初始浇注作业之后硬化时，来除去浇口的方法。
因此，本发明的目的即在于提供一种设备与方法，用在铸钢铁路车轮浇铸完与刚刚硬化之后，经自动研磨从其上除去浇口。
已然发现，当此车轮从初始浇铸冷却至800-1200°F(425-650℃)的温度时，从其上除去浇口有利。应该认识到，尽管最好是在车轮处于上述高温下来进行研磨，但也可在车轮已冷至环境温度时来完成这种研磨。在完成这种研磨中，用到的一种重磨轮或磨石尺寸约为25英寸直径乘3英寸厚度(63cm×7.6cm)，直接由200-250马力的大型变速交流电机带动。须知在上述高温下车轮较热，只需耗用较少的能量来除去浇口，这是因为车轮的钢材在这样的温度下的屈服点与抗张强度都比冷至环境温度时要低。已知在上述高温下除去这类浇口所耗用的能量，要比车轮在环境温度下除去浇口所需能量最高可减少50%。利用本发明的研磨作业来除去浇口时的另一些优点是，能够用同一磨轮在一道工序内完成除去浇口的粗加工，同时将此浇口区精磨至最终轮廓。但是，最好是在后续的作业中用类似设备，以较细的磨轮或磨石来从事精磨。应知，本发明热磨加工的结果，使得车轮比冷却后再研磨并经浇口洗涤作业来除去这种浇口时，具有较好的抗疲劳性，由此可使车轮在发生任何疲劳开裂之前能经受住较高的应力。
在本发明的设备中，是把铁路车轮装置于一车轮支承组件上，后者包括辊式机构，支持住车轮并使之能绕自身中心轴线转动。此车轮支承组件能进行摆动。
本发明的研磨设备包括一功率约为200-250马力的高功率马达，装设在一研磨支承结构上。马达的输出轴直接连到磨轮本身所装附在的磨轮主轴组件上。磨轮本身为一25英寸(63cm)直径与3英寸(7.62cm)厚的大型轮。磨轮马达的支承结构本身可沿横向朝铁路车轮运动，使磨轮能触合待研磨的铁路车轮表面。车轮与其支承结构绕支承轴的振动，以及磨轮支承结构绕支承轴的运动，均受到控制并编制了程序，使得车轮上的浇口能在一与已知和预选的表面轮廓相对应的精磨条件下，从车轮的表面上除去。
下面简述本发明之附图。
图1是本发明之研磨机的透视图;
图2是本发明之研磨机取部分横剖面的顶视图;
图3是本发明之研磨机的侧视图;
图4是本发明之研磨机的端视图;
图5是铸钢车轮在研磨之前带有浇口的横剖面图;
图6是在本发明研磨作业中一研磨用马达的电流相对于时间的曲线图。
现来参看图1-4，本发明一最佳实施例的车轮研磨机一般以10标明，它包括一些大型结构钢部件，经焊合或必要时由螺栓连接成能研磨铸钢车轮的极其牢固的机器。研磨机10包括一底架12，后者本身又包括一底架板14，由沿着此板宽底面上所焊接的若干桁梁16增强。同其它大部分架板一起用来构制此研磨机10的底架板14，最为通常的情形是由一种厚1-2英寸(2.5-5cm)的钢板构成。底架板14最为典型的面积约为8英尺×12英尺(约2.5m×4m)，据此可以大致设想出研磨机10的总体尺寸。
从底板14往上竖立有车轮支架柱18与19。支架柱18与19最好包括有跨立于一底架构件16上的分隔板构件。一般，车轮支架柱18与19都是焊合于底架板14和底架构件16之上。
车轮支架底板20一般为方形或矩形金属板，通常由厚约2英寸(5cm)的钢板制成。
车轮支架背板22一般为钢制矩形金属板，通常经焊接固定在车轮支架底板20的纵边上。车轮支架上板24则沿纵边焊合在车轮支架背板22的上部，并在车轮支架底板20上方平行延伸。边板21与23则与此上板24和底板20结合。车轮支架凸缘延伸部26与30从底板20的侧边往下延伸。此两个凸缘延伸部26与30都是平的一般为钢制的金属板，沿着底板20的侧向底边焊合。凸缘延伸部26与30上分别有圆孔28和32。
车轮支架轴70通过凸缘延伸部26的孔28。须知此轴70同时置纳在适当的车轮支承轴承74中，后者则安装在车轮支架柱18之顶端。类似地，有一车轮支架轴72通过凸缘延伸部30的孔32，并置纳在适当的车轮支承轴承76中，后者则安装在车轮支架柱19之顶端。
杠杆组件80通过与轴帽82接合而固定于车轮支架轴72的一端。杠杆组件80的一端上有一销子组件84，后者之中安装液压缸88的活塞端86的一端。此压液缸88的另一端则通过适当的销子机构，固定于从底架板14向上伸延的一隆起部90之上。
利用装载臂33将铁路车轮34经入口35进入此车轮支架组件中。同时参看图5，其中所示的铸钢车轮34包括一在轮缘部38与轮毂部40间延伸的板部36。轮缘38上伸出有凸缘部46。位于轮毂部40中央的包括一向上伸入车轮模具中的隆起部42。从板部36靠近轮缘部38处还向上延伸出一批浇口44，它们正是计划由本发明之研磨机来除去的。
入口35乃是一溜槽装置的一部分，此溜槽包括边部90与92，用来将从车轮34上磨下的料引下而收集于一漏斗内。从图中还可看到，车轮支架底板20与入口35触合，有效地将车轮34密封于一封闭式结构内。车轮34的这种密封方式能在研磨作业中有效地消除伴随发生的所有烟尘与粉粒。上面业已指出，这种磨下的料可以通过溜槽装置的边板90与92而落入一收集漏斗之中。工作缸94的活塞96经适当的销子装置连到入口35之门的外表面上，通过此活塞96的收缩与伸张能够开启与闭关入口35。
铁路车轮支承驱动马达50接附于车轮支架背板22靠近其侧边的外表面上。此驱动马达50的功率一般约为15马力。马达50的输出轮51处于此马达安装位置的底部，经车轮支承驱动马达皮带52连至齿轮减速箱56底部上的类似的轴上。此齿轮减速箱56亦安装在车轮支架背板外表面上的侧部的中心附近。还能将马达50安装成使其输出轴直接连至减速箱56。齿轮减速箱56的输出轮58经变速箱的输出皮带54连接着两个驱动辊输入轮60与66。驱动辊输入轮60连接一从车轮支承驱动辊62顶端伸出的轴，而驱动辊输入轮66则接在一从车轮支承驱动辊64顶端伸出的轮上。驱动辊62与驱动辊64如图3所示是类似的，驱动辊62包括一根轴组件65，固定于底板20与上板24两者之上。驱动辊62包括一辊头63，后者的一个边上有一入口部可安装车轮34的凸缘46。
有一车轮支承辊100固定在一支承辊臂102的一端，而这一端则接在一枢轴104上。支承辊臂102的另一端则接到车轮的支承辊110的一端。类似地，车轮支承辊112则装在支承辊臂114的一端，后者则支承在枢轴点116上。此车轮支承辊臂114的另一端则与作动缸110的活塞端118相连。当活塞118伸张时，支承辊臂102与114两者分别绕枢轴点104与116运动，使支承辊100与112朝内与车轮34之轮缘融合，这时，车轮34的轮缘也与支承驱动辊62的辊头63以及支承驱动辊64的类似头部触合，使得车轮为驱动辊62与64以及支承辊100与112同时支承。应知，当装载臂33将车轮34经入口35带到研磨机10之内时，支承辊100与112即扩展到它们的横向最大开口位置。在装载臂33撤走之前，支承辊100与112则与车轮34之轮缘部38接触而支承着车轮34，这之后，装载臂33才经打开的入口35撤出，然后再起动工作缸94与活塞96而关闭上入口35，此时，车轮34即为支承辊100与112以及驱动辊62与64所支承。底板20上设有弧形缺口部106以适合支承辊100作弧形运动。类似地，底板20上设有适应支承辊112作弧形运动的弧形缺口部108。
液压缸88经一枢轴于点90处连至自底架板14伸出的一个延伸部上。液压缸88的活塞86伸张出并为一合适的销子装置连至一从轴帽82伸出的杠杆组件80之上，而此轴帽82则固定于车轮支架轴72的端部。当活塞86伸张，轴72即于轴承76中转动，使得车轮支架凸缘延伸部30与整个车轮支架组件绕车轮支架轴70与72转动。当液压缸的活塞86伸张与回撤时，车轮支承组件便能围绕车轮支架轴70与72摆动。当活塞56完全退回，此整个车轮支承组件就能如图3所示依反时针走向转动，达到车轮支架轴70右侧的垂直构型。
磨轮支承底板122是一种普通三角形结构的金属板，一般由厚约2至3英寸(5-7.5cm)的钢制成。在这种三角形的磨轮支承底板122的相对畸角处，朝外延伸出磨轮的支承轴124与126。支承轴124安装于轴承组件128中，后者则支承在磨轮支柱组件132上。此支柱组件132向上延伸，固定于底架板14的外侧边附近。类似地，支承轴126安装于轴承组件130中，后者则支承在磨轮支柱组件134的顶端上。此支承组件134从底板14的外侧边附近向上伸延。
磨轮支承工作缸144从固定于底架板14的磨轮支承活塞接附点156处延伸出。此工作缸144一般为液压缸，从中有活塞146伸出。活塞146的端部接附于磨轮支承的倾翻式托架140上，后者又连接到从磨轮支轴124延伸出并与之作操作连接的磨轮支承凸缘152上。类似地，有一相同的磨轮支承工作缸148从一个与活塞接附点156相对的类似连接点处延伸出，此连接点在底支承板14另一侧边附近。工作缸活塞150从工作缸148伸出并接附到另一磨轮支承倾翻式托架142上，后者又操作连接着固定于磨轮支轴126上的磨轮支承凸缘154。当磨轮支承工作缸144与148相互驱动时，就能使磨轮支承底板从图3所示工作位置向上和朝反向转动180°。有关这种工作方式的细节将于后面讨论。
磨轮马达160安装于磨轮支承底板122的上表面，此马达通常是一种额定功率为200-250马力的三相交流电机，它的输出轴162则接在一互连件164上。随之，有一磨轮驱动轴166从此互连件164上延伸出，并安装于一轴承支承组件170上，后者则固定于磨轮支承底板122的上表面。磨轮168本身很大，厚约3英寸，直径为25英寸(7.6cm×63cm)。磨轮马达160与磨轮168应选择成，使得磨轮168的正常空载的运转速率约为2625rpm(转/分)。
磨轮支承控制缸172以其一端178安装在固定于底基板14且向上延伸的支座上。磨轮支承控制缸172包括一从其中延伸出并终止于一弧形端板174处的活塞180。此控制缸活塞的端板则装设于一磨轮支承座176中，后者固定于磨轮支承底板122的底面且包括一键合的弧形缺口182，其中安装着车轮支承控制缸端板174。当车轮支承控制缸172(最普通的是一种液压缸)起动，活塞180便能于此伸出并回撤，使得磨轮支承底板122绕磨轮支承轴124与126的运动能控制到精确的上升程度内。这种运动，当车轮34被纳置于车轮支承驱动辊62以及车轮支承辊100与112之间时，就能使磨轮168作朝向或脱离开车轮34的接近侧向的运动。自然，磨轮168与车轮34间作这种接触时，应使车轮支架底板20接近于图3所示的水平位置。如上所述，要是需要换磨轮168，可通过将液压工作缸活塞86撤回于液压工作缸88内，而使车轮支架底板20与相关的设有绕车轮支架轴70与72(如图3所示)作顺时针走向转动。这样就可使磨轮支承工作缸144与148相互致动，而让磨轮支承底板122上升脱离开磨轮支承控制缸端板174，并如图3所示逆时针走向转过近180°，给磨轮168敞开通路，以便对之进行各种维修或更换工作。
下面参看图5与6以及前述的图1至4，来概述本发明研磨机10的一般作业。铸钢车轮34于适当模子内浇铸成后，令其冷却到800-1200°F(425°-650℃)。作为本发明的一部分，业已发现，可在这样的温度下将此车轮从这种通常为石墨制的模子内取出，并在车轮处于这样的温度下时立即送至研磨机10。沿着装配线运动，用装载臂33将车轮34稍稍举起，经入口35送入研磨机10内。使车轮支承辊100与112与车轮34的轮缘38与凸缘46触合以支承住车轮34。撤离装载臂33并关闭入口35。在研磨机10工作时，磨轮168作有效的连续运动。采用适当的控制机构带动车轮底板20，按顺时针走向绕车轮支架轴70与72转动，使此车轮的浇口区44来到磨轮168上方并与之侧向相对。由上述控制机构驱动磨轮支承控制缸172，使活塞180伸出，上举磨轮支承底板122及固定于其上的磨轮马达60和磨轮168本身。这样，磨轮168便同车轮34的浇口区触合上，此时的车轮由于它的支承驱动辊62与64的起动而绕其自身轴线转动。磨轮马达160的载荷极易由它的电流图测出，这在图6中由曲线的纵标表明，而磨轮168的空转情形则示明于图6中的190处。当磨轮168触合上浇口，马达160的载荷电流则快速地增至图6所示192处。对液压缸88作适当控制，就可使车轮34如图3所示绕其支架轴70与72依一般的反时针方向转动。这便保证可迅即除去车轮34上所隆起的一切浇口。应该指出，取决于车轮34的尺寸与结构，一般从浇口区有6至14个这样的浇口凸出。当清除掉此种浇口时，马达160的输出载荷即降至图6中194处。这时便完成了浇口的初始磨除的工作，而车轮的轮廓基本上如图5在184处所表明的。但是，从图5中可以看到，最终选择的车轮轮廓是在186处，而这是根据待研磨之车轮34的特定类型所预先选定的设计。为此，必须有控制地起动磨轮支承控制缸172，使磨轮再度触合车轮34而继续进行研磨。再次测量了磨轮160的输出电流载荷，它在图6中上升至196所对应数值。车轮的这种精磨可以获得最终设计的轮廓186。应该指出，为了完成这种精磨，同样需要通过液压缸88与活塞86的伸张和回撤来实现车轮的受控振动。随着接近于最终轮廓186、从图6可以看出，马达输出电流却减至点198处，此时便完成了车轮表面的最终精磨加工。由此可知，利用来发明的设备与方法，用一道工序即完成了铸钢车轮浇口的粗磨除去与精磨整修。
权利要求
1.一种研磨设备，它包括一底架；一车轮支承组件，包括有车轮支架和安装于此支架上的支承辊装置，其中某些支承辊装置操作连接着辊驱动装置，当有车轮保持于此种车轮支承辊装置上时，此车轮能绕其自身中心轴线转动；一研磨支承组件，包括有磨轮马达、与此磨轮马达操作连接的磨轮、上面安装有此磨轮马达的磨轮支架，此磨轮支架是可动的，能使磨轮与车轮触合。
2.如权利要求1所述的研磨设备，它还包括有车轮支架轴与轴承装置以及从上述车轮支架向下延伸的凸缘部，此凸缘部包括有孔和轴承装置，用来安装上所说的车轮支架轴装置。
3.如权利要求2所述的研磨设备，它还包括第一工作缸，以其一端接附于上述底架上;一种杠杆，从上述支架轴的一端伸出，此杠杆的一端连接着上述第一工作缸的另一端，使得当此第一工作缸伸张时，能令前述车轮支架绕所说车轮支架轴装置转动。
4.如权利要求1所述的研磨设备，它还包括一安装在前述支架上的驱动马达，此驱动马达有一与选定的车轮支承辊装置作操作连接的输出轴，使得在此马达起动时，这些选定的车轮支承辊装置的转动可让车轮绕自身中心轴线转动。
5.如权利要求4所述的研磨设备，它还包括一齿轮减速箱，前述的驱动马达之输出轴则通过第一皮带连接装置与此齿轮减速箱连接，同时，此齿轮减速箱有一经由第二皮带装置与前述选定的车轮支承辊装置相连的齿轮输出轴。
6.如权利要求4所述的研磨设备，它还包括两个夹臂，分别连至两个上述车轮支承辊装置中之一，这种夹臂的运动可使这两个车轮支承辊装置取这样的运动使所说的车轮对准前述选定的车轮支承辊装置，同时使这两个车轮支承装置密贴此车轮。
7.如权利要求5所述的研磨设备，它还包括一车轮支承辊起动缸，后者的一端操作地连接着前述夹臂中之一，而另一端则操作地连接着另一夹臂，使得当此车轮支承辊起动缸伸张时，前述的两个车轮支承辊装置与车轮触合。
8.如权利要求3所述研磨设备，其中当所说第一工作缸完全伸张时，前述车轮支架能绕该车轮支架轴装置转过一定程度，使得研磨支承组件转过约180°。
9.如权利要求1所述研磨设备，它还包括一围绕车轮支承辊装置的封闭结构，以及一能敞开而让车轮进入此支承辊装置内的入口，而此入口又能相对于前述车轮支架的一边闭合。
10.如权利要求1所述研磨设备，它还包括磨轮支架轴与轴承装置以及从磨轮支架向上伸出的凸缘部，此凸缘部有安装磨轮支架轴装置的孔和轴承装置。
11.如权利要求10所述的研磨设备，它还包括有各以其一端接附于前述底架上的第一与第二工作缸以及各接附于一凸缘部的两个倾翻式托架装置，而每一所说的工作缸的另一端则接附于这两个倾翻式托架装置中之一，使当所说工作缸起动时，该研磨支承组件能绕磨轮支架轴装置转动约180°。
12.如权利要求10所述研磨设备，它还包括一控制的起动缸，它的一端接在底架上，另一端接在磨轮支架上，使当此控制起动缸伸张时，磨轮支架可绕磨轮支架轴装置转动。
13.如权利要求12所述的研磨设备，它还包括一固定于磨轮支架上的柱形杆座以及一接附于前述控制起动缸的另一端的弧形杆端轴承，后者则设置在上述柱形杆座之内。
14.研磨车轮的一种方法，它包括下述步骤准备好表面上有一批浇口凸出的铸钢车轮;当此车轮从其初始浇注温度冷却至约1200°F(650℃)时，以适当速度转动此车轮;提供一磨轮马达和一磨轮，并以较高速率转动此磨轮，让此磨轮与车轮触合而磨去前述浇口，在此车轮上留下一光洁的研磨表面。
15.如权利要求14所述的方法，它还包括下述步骤在研磨浇口的过程中让车轮摆动，使此磨轮接触到车轮需要处理的表面区。
16.如权利要求15所述的方法，其中所说的磨轮在车轮处于摆动之际能沿横向贴向或离开此车轮;通过一控制程序将实际的磨轮马达电流同关联到存储之车轮研磨轮廓的磨轮马达电流预设的数值相比较，来对上述磨轮的横向运动与车轮振动运动进行控制。
17.一种研磨车轮的方法，它包括如下步骤将车轮装载到一车轮支架与车轮支轴组件上，使车轮绕其中心轴线转动;提供一安装在车轮支架与车轮支轴组件上的马达驱动的磨轮，转动此磨轮并使之相对于车轮作横向运动;在用磨轮研磨车轮的过程中使车轮支架绕车轮支承轴组件作摆动运动。
18.如权利要求17所述的方法，其中所说的车轮支架包括一辊组件，它绕车轮的外缘与凸缘与之接触并给以其支承，使车轮绕自身中心轴线转动。
19.如权利要求17所述的方法，其中所说的车轮支架绕车轮支轴组件的转动被控制成，使得车轮一预选定的区域与此磨轮触合。
20.如权利要求17所述的方法，其中所说的磨轮相对于车轮的横向运动按如下方式控制将实际的磨轮马达载荷同一已知的磨轮马达载荷相对于时间的关系加以比较，用以作出研磨车轮的最终设计。
21.如权利要求17所述的方法，其中的磨轮转动速率被控制成，在空载情形下达到磨轮外表面速率的一预选定速率。
22.如权利要求17所述的方法，其中所说的车轮支架在研磨车轮的起始时围绕车轮支轴组件转动到一初始位置;然后使磨轮支架运动到使磨轮与车轮触合上来开始研磨;通过与一预先选定的车轮设计相比较，在车轮支架摆动过程中控制车轮在一弧形部段内摆动。
23.如权利要求22所述的方法，其中所说的磨轮支架的运动，是通过将磨轮马达的实际载荷与预选定的用于待研磨之车轮设计中的马达载荷，相对于时间的关系加以控制。
全文摘要
研磨铸钢车轮的一种方法与设备。此设备包括一车轮支承组件，后者有一辊组可置纳并保持车轮并使其绕自身中心轴线转动。还设置一具有为马达带动的磨轮之研磨组件。马达与磨轮安装在支承组件上。研磨中，车轮支承组件绕一轴装置摆动。研磨组件设计成可在研磨中将磨轮沿横向推进贴合车轮。磨轮的横动与车轮的摆动是受控的，能使车轮的预定表面区精磨至预先选择的轮廓。
文档编号B24B5/46GK1070137SQ9210502
公开日1993年3月24日 申请日期1992年6月24日 优先权日1991年8月30日
发明者C·戴尔·克里斯蒂, 查尔斯·W·塔夫, 佳美·F·波佐 申请人:阿姆斯泰德工业公司