文/張鋒，姚景霖·機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司天津分公司

火車車軸鍛造工藝分析及車間設(shè)計(jì)

文/張鋒，姚景霖·機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司天津分公司

2016年國務(wù)院批準(zhǔn)的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中指出，到2025年，中國鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到17.5萬公里左右，其中高速鐵路3.8萬公里左右。根據(jù)規(guī)劃，“十三五”期間，全國新建鐵路將不低于2.3萬公里，總投資不低于2.8萬億元人民幣。同時(shí)在《中國制造2025》的工業(yè)強(qiáng)基工程中提出到2020年，航天裝備、通信裝備、發(fā)電與輸變電設(shè)備、工程機(jī)械、軌道交通裝備、家用電器等產(chǎn)業(yè)急需的核心基礎(chǔ)零部件（元器件）和關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的先進(jìn)制造工藝將得到推廣應(yīng)用。隨著中國軌道交通的快速發(fā)展和國家對裝備制造業(yè)的重視，作為軌道交通核心零部件的車軸必將迎來廣闊的市場前景和發(fā)展空間。本文以某火車車軸的工廠設(shè)計(jì)為例，簡要介紹車軸的生產(chǎn)工藝和車間設(shè)計(jì)。

圖1 火車車軸生產(chǎn)工藝流程圖

火車車軸生產(chǎn)工藝分析

火車車軸的主要生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

鍛造車間車軸主要生產(chǎn)工藝如下：

⑴車軸坯下料：車軸原材料為長2.33～2.8m的長方棒料，采用臥式帶鋸床鋸切成1.4～1.6m的短料。

⑵車軸坯加熱：坯料加熱采用環(huán)形爐，加熱到1150℃后進(jìn)行保溫。

⑶鍛造：采用8MN快鍛機(jī)（下拉式）進(jìn)行鍛造，分為制坯、預(yù)鍛、終鍛三個(gè)基本工序，鍛出工件后由頂料器頂出。

⑷校直：在鍛造生產(chǎn)過程中，由于冷卻不均，鍛件可能會產(chǎn)生彎曲變形，采用校直模進(jìn)行校直，鍛軸的校直溫度不得低于700℃。

鍛造車間設(shè)計(jì)

車間任務(wù)

鍛造車間主要承擔(dān)車軸原材料存放、下料、加熱、鍛造及鍛件的臨時(shí)周轉(zhuǎn)等任務(wù)，屬于單品種大批量生產(chǎn)性質(zhì)，工作班制為三班工作制。

車間設(shè)計(jì)原則

⑴盡量采用國內(nèi)外先進(jìn)、高效、節(jié)能的工藝設(shè)備，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，改善工人勞動條件，增加經(jīng)濟(jì)效益、減少環(huán)境污染。

⑵車間的跨度、柱距、吊車軌頂高度和車間大門尺寸根據(jù)產(chǎn)品尺寸、重量、設(shè)備條件、生產(chǎn)綱領(lǐng)和經(jīng)濟(jì)性擬定。車間內(nèi)部的過跨物流及與其相關(guān)車間之間的物流，采用輥道、叉車和AGV小車等。

⑶在車間工藝平面布置上，使工藝流程布局合理，物流順暢，運(yùn)輸路線短捷方便，盡量避免工件的往返運(yùn)輸。

⑷本次設(shè)計(jì)新選用的工藝設(shè)備使鍛件精密化，設(shè)備操作伺服化，設(shè)備聯(lián)動化，管理數(shù)字化。

車間物流設(shè)計(jì)

車間物流包括外部物流和內(nèi)部物流，車間外部物流包括車軸鋼坯進(jìn)入車間和車軸粗加工成品的運(yùn)出；車間內(nèi)部物流以車軸的加工工藝流程為主線。物流設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容有物料區(qū)域設(shè)置，物流周轉(zhuǎn)運(yùn)輸方式、途徑，物流路線圖確定等。車軸生產(chǎn)車間工藝區(qū)劃和物流線路如圖2所示。

車間物流過程簡要描述如下：

步驟1：汽車運(yùn)輸車軸鋼坯到車間下料工部的鋼坯儲存區(qū)；

步驟2：通過輥道將下好料的方棒料送至環(huán)形爐的上料臺；

步驟3：加熱后的工件通過出料輥道及機(jī)械手送至快鍛機(jī)組的送料小車上；

步驟4：鍛造校直后的鍛件通過叉車和吊車送至熱處理工部；

步驟5：采用AGV無人搬運(yùn)車將熱處理后的工件送至粗加工部。采用的AGV小車可沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)及各種物料搬運(yùn)的功能，可代替叉車和拖車等傳統(tǒng)物料搬運(yùn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)少人化操作。具有安全性高、作業(yè)效率高、投入成本低、管理難度小、可靠性高、較好的柔性和可拓展性等優(yōu)點(diǎn)。

步驟6：車軸粗加工成品通過平板車運(yùn)到精加工車間。

主要設(shè)備選則

⑴環(huán)形加熱爐。

車間鍛件加熱采用轉(zhuǎn)底式環(huán)形加熱爐，料坯的裝爐和出爐采用專用的輥道及機(jī)械手，每裝一次料爐底轉(zhuǎn)動一個(gè)角度，然后又加下一塊料坯。裝爐與出爐同時(shí)進(jìn)行，并且可以與爐底傳動裝置聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)裝出料的自動化，屬于連續(xù)加熱爐。加熱能源為天然氣，最大裝爐量為44個(gè)工件，8～10分鐘可出一根。其主要優(yōu)點(diǎn)：①爐子的轉(zhuǎn)速和坯料之間的間隔距離可以準(zhǔn)確地控制，各段的溫度可以根據(jù)需要通過調(diào)整供熱量及利用中間煙道實(shí)行控制。爐子的產(chǎn)量、熱工制度等都有較大的靈活性。②由于料坯之間有間隙，三面受熱，溫度均勻，沒有水管黑印，加熱質(zhì)量好。③可以加熱推送式爐和步進(jìn)爐所不能加熱的異形料坯。④和斜底爐相比，加熱圓坯停軋時(shí)料坯在爐內(nèi)長期停留，便于更換料坯規(guī)格。

圖3 環(huán)形加熱爐

⑵8MN快速鍛造液壓機(jī)組。

8MN快速鍛造液壓機(jī)組是目前鍛造加工火車車軸類零件的主要設(shè)備，由一臺整體框架下拉式壓機(jī)及其液壓系統(tǒng)、兩臺3噸鍛造操作機(jī)、一臺雙工位直移式砧庫、兩臺5噸送料小車、電氣和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、與機(jī)組配套的公用設(shè)施等組成。8MN快速鍛造液壓機(jī)組如圖4所示。生產(chǎn)效率為8～10根/小時(shí)。機(jī)組設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)先進(jìn)，自動化程度高，操作方便，鍛造控制精度高，生產(chǎn)效率高，節(jié)能、節(jié)材，改善了工人的勞動條件和勞動環(huán)境。

鍛造車間工藝圖

鍛造車間的工藝平面如圖5所示，車間為單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，在車間端頭設(shè)辦公室和工具間。北跨為鋼坯儲存和下料工部，內(nèi)布置鋸床，設(shè)10噸電動雙梁起重機(jī)，車間跨度24m，軸線面積1728m2；南側(cè)為鍛造工部，內(nèi)布置環(huán)形爐和8MN快速鍛造液壓機(jī)組，設(shè)5噸電動單梁起重機(jī)，車間跨度24m，軸線面積1728m2。

圖4 8MN快速鍛造液壓機(jī)組

綠色建筑設(shè)計(jì)

面對日趨強(qiáng)化的資源環(huán)境約束，增強(qiáng)危機(jī)意識，本項(xiàng)目將節(jié)能減排、綠色設(shè)計(jì)理念融合到設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，體現(xiàn)到車間設(shè)計(jì)的多個(gè)方面，并取得了顯著的節(jié)能效果。

建筑設(shè)計(jì)

⑴廠房采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)建筑是非常優(yōu)秀的綠色建筑材料，自重輕、強(qiáng)度高，可循環(huán)性高，相比混凝土建筑大幅減少了建造周期以及自然資源的消耗。

⑵車間建筑材料采用低VOC材料，可保護(hù)環(huán)境，減少揮發(fā)性物質(zhì)對人體的傷害。

⑶車間屋面采用白色金屬屋面板，它具有極佳的太陽能反射和散熱能力，能夠?qū)?4%以上的太陽光和熱量反射回去，避免室內(nèi)升溫過快以及夜間熱島效應(yīng)。

⑷屋面及墻面采用巴特勒開發(fā)的節(jié)能屋面系統(tǒng)，增加了保溫隔熱處理，避免冷凝現(xiàn)象產(chǎn)生，可有效減少濕氣滲透，其熱阻值高達(dá)R-40，大大降低了建筑物的能量消耗。

圖5 鍛造車間工藝平面圖

⑸在車間的高噪聲工位設(shè)計(jì)并安裝穿孔吸音板，有效降低噪聲漫反射和室內(nèi)噪聲程度，保護(hù)員工職業(yè)健康。

公用系統(tǒng)

⑴車間照明采用無極燈。無極燈具有更長的使用壽命，光衰更小，更節(jié)能、光線更穩(wěn)定的特點(diǎn)。節(jié)約能源，保護(hù)員工視力。

⑵車間采用新型高透光拱形采光板。為室內(nèi)提供漫散射的自然光，透光率超過普通采光板20%以上，可節(jié)約照明能源。

⑶車間采用天然氣輻射采暖系統(tǒng)。使用清潔的天然氣在室內(nèi)充分燃燒，直接照射取暖，并分區(qū)域進(jìn)行溫度自動控制，靈活地降低能量消耗。

⑷車間設(shè)屋頂自然通風(fēng)系統(tǒng)。采用自然通風(fēng)器來安排建筑物的氣流路徑，幫助建筑物內(nèi)部工業(yè)廢氣等有害氣體的排出，并同時(shí)安裝屋脊氣樓和斜坡氣樓來增強(qiáng)通風(fēng)量。

⑸廠房和廠區(qū)地面設(shè)地下雨水收集系統(tǒng)。通過雨水收集管網(wǎng)進(jìn)行雨水收集，并對收集的雨水進(jìn)行過濾、排泥和消毒，供廠區(qū)綠化使用。

⑹在空壓站內(nèi)利用空壓機(jī)余熱收集供應(yīng)淋浴熱水。空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)采用冷熱交換原理，利用空壓機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的余熱，將高溫潤滑油熱量轉(zhuǎn)換為55～76℃熱水，用于員工生活熱水及輔房供暖系統(tǒng)。

⑺在環(huán)形爐煙氣排放管道中安裝余熱二次利用換熱器，對煙氣的顯熱和煙氣中水蒸氣的凝結(jié)潛熱進(jìn)行回收供淋浴使用，可提高天然氣的利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

⑻變電站和空壓站設(shè)置在車間內(nèi)，靠近負(fù)荷中心，減少能耗損失。

結(jié)束語

此鍛造車間滿足軌道交通行業(yè)車軸大批量生產(chǎn)的要求，大幅度提高了鍛造加工過程的自動化和信息化水平，提高了生產(chǎn)效率、產(chǎn)品精度和質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本和能源的消耗。同時(shí)在車間建筑設(shè)計(jì)上利用多項(xiàng)綠色節(jié)能技術(shù)，并在運(yùn)維過程中取得了良好的節(jié)能效果，將鍛造車間打造成一個(gè)現(xiàn)代化、節(jié)能化的綠色工廠。