夏劍敏

(上海動車段 上海 201812)

1 現(xiàn)狀分析

經(jīng)調(diào)研國內(nèi)機(jī)車車輛檢修行業(yè), 軸端檢修組裝中的扭矩控制方法主要分四類：一是手工組裝零部件，沒有扭矩反饋，主要靠手感；二是采用機(jī)械聲響扭矩扳手，當(dāng)扭矩達(dá)到設(shè)定值時有聲響提示，并以聲響提示作為唯一合格標(biāo)準(zhǔn)，缺點(diǎn)是無法獲知實(shí)際扭矩值，手動操作容易造成扭矩超限；三是使用大扭矩扳手時需要使用扭矩倍增器，而扭矩倍增器需要從工件上借力，對車體零部件有損傷的風(fēng)險；四是使用風(fēng)動扭矩扳手進(jìn)行擰緊，雖然效率較高，但是扳手頭輸出扭矩值的大小無法精確控制。

目前國外機(jī)車車輛檢修行業(yè)中, 軸端檢修組裝已經(jīng)采用電動離合器扳手或數(shù)顯扭矩扳手，其特點(diǎn)是精度較好，但作業(yè)重復(fù)性方面仍然不足，無法支持智能組裝和過程的自動卡控管理，主要應(yīng)用在單工位、單工步作業(yè)，適用面窄，比較適用于作業(yè)量較小的情況。

通過比較國內(nèi)外同類技術(shù)，同時結(jié)合目前全路動車組數(shù)量的逐年大幅度增加且輪對軸端裝配任務(wù)越來越重的現(xiàn)實(shí)情況，有必要開展動車組輪軸裝配工裝現(xiàn)代化的研究，目的是實(shí)現(xiàn)按標(biāo)準(zhǔn)流程引導(dǎo)螺栓緊固裝配、自動采集作業(yè)數(shù)據(jù)、裝配過程防錯、作業(yè)人員身份校核、工具智能校驗(yàn)、結(jié)果遠(yuǎn)程查閱、歷史數(shù)據(jù)分析等功能，實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、安全化、高效化，并以動車組高級修輪軸組裝工位為試點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

2 研究內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)動車組輪對檢修作業(yè)指導(dǎo)書和現(xiàn)場零件緊固裝配工藝規(guī)程，研發(fā)形成一套搭載智能裝配管理系統(tǒng)的動車組輪對軸端檢修智能裝配工裝，并配套安裝于檢修工位之上。具備實(shí)時采集和存儲安裝數(shù)據(jù)、順序、人員等信息，糾正安裝錯誤，實(shí)現(xiàn)裝配的全過程管理，提高檢修裝配質(zhì)量，降低安全風(fēng)險、降低作業(yè)人員勞動強(qiáng)度等特點(diǎn)，主要應(yīng)用方向是動車段動車組輪對軸端檢修組裝過程的智能化螺栓緊固作業(yè)質(zhì)量卡控。

2.2 總體方案

工裝全部安裝在專門設(shè)計(jì)制造的龍門滑軌式框架內(nèi)， 框架內(nèi)的系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示， 由無線電動扭矩扳手、 有線電動扭矩扳手、 智能控制柜A/B、 扭矩分析管理、 人員識別模塊、 無線掃碼系統(tǒng)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程查看客戶端組成。電動伺服扭矩扳手用于預(yù)緊、擰緊作業(yè)時采集扭矩?cái)?shù)值，具有針對設(shè)定扭矩值超限報(bào)警的功能?？刂乒馎/B用于將車組編號、人員、螺栓位置、扭矩等信息關(guān)聯(lián)。扭矩分析管理在網(wǎng)頁端運(yùn)行，用于分析管理扭矩?cái)?shù)據(jù)，具備扭矩輸出擰緊曲線預(yù)設(shè)功能，可實(shí)時形成分析圖表，輔助質(zhì)量分析和提高質(zhì)量。人員識別模塊用于作業(yè)時卡控操作者資質(zhì)，自動識別比對作業(yè)人員是否已經(jīng)過培訓(xùn)考試合格并取得設(shè)備操作證，避免人為引起操作失誤和財(cái)產(chǎn)損失。無線掃碼系統(tǒng)用于自動采集錄入待作業(yè)輪對編碼信息。服務(wù)器采用高可靠性磁盤陣列確保數(shù)據(jù)安全，作業(yè)扭矩、安裝時間、作業(yè)人員等各類信息本地實(shí)時存儲，通過鐵路內(nèi)網(wǎng)實(shí)時上傳本地信息或從服務(wù)器下載作業(yè)任務(wù)，技術(shù)管理層可修改服務(wù)器內(nèi)工藝數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)更新和替換，其他管理層可訪問數(shù)據(jù)庫掌握最新的作業(yè)動態(tài)、合格率統(tǒng)計(jì)、用時統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)查詢等。作業(yè)流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖2 作業(yè)流程圖

2.3 軸端組裝框架結(jié)構(gòu)的研制

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研動車組高級修輪軸間輪對軸端組裝工位，構(gòu)思了多套輪對軸端組裝框架結(jié)構(gòu)方案。

方案1：單軸作業(yè)地軌龍門滑動框架結(jié)構(gòu)模式(見圖3)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是可以避開現(xiàn)場的起重機(jī)吊車作業(yè)，車間作業(yè)空間占用少，移動方便靈活，可實(shí)現(xiàn)單條輪對同時作業(yè)。缺點(diǎn)是需要在地面鋪設(shè)2條滑軌，地基施工量大；在沿著東西軌道方向上始終占有一個框架寬度的尺寸；多條輪對同時作業(yè)時，只能逐個進(jìn)行，不能兩側(cè)輪對軸端分開離散作業(yè)，機(jī)動性較差。

圖3 單軸作業(yè)地軌龍門式滑動框架圖

方案2：雙軸作業(yè)地軌龍門滑動框架結(jié)構(gòu)模式(見圖4)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是可以避開現(xiàn)場的吊車作業(yè)；車間作業(yè)空間占用少，移動方便更靈活；可實(shí)現(xiàn)單條輪對同時作業(yè)；可實(shí)現(xiàn)輪對軸端雙軸作業(yè)，工作效率高。缺點(diǎn)是需要在地面鋪設(shè)兩條滑軌，地基施工量大；在沿著東西軌道方向上始終占有一個框架寬度的尺寸；多條輪對同時作業(yè)時，只能逐個作業(yè)，不能兩側(cè)輪對軸端分開離散作業(yè)，機(jī)動性差。

圖4 雙軸作業(yè)地軌龍門式滑動框架圖

方案3：單軸作業(yè)龍門框架結(jié)構(gòu)模式，如圖5所示。此方案的優(yōu)點(diǎn)是幾乎無地基施工量；可以單條輪對兩側(cè)同時作業(yè)，也可以兩端輪對離散作業(yè)，既可以實(shí)現(xiàn)單個作業(yè)，也可以實(shí)現(xiàn)層級作業(yè)，工作方式多樣，可自由組合，工作效率高，機(jī)動性強(qiáng)。缺點(diǎn)是設(shè)備區(qū)域不能使用車間內(nèi)起重機(jī)吊物，龍門框架占用面積較大。

圖5 單軸作業(yè)龍門框架圖

由于現(xiàn)場輪軸間輪對軸端組裝作業(yè)區(qū)域不需要使用起重機(jī)，再結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)節(jié)拍、物料供應(yīng)、人員安排等因素，實(shí)際工作除了單條輪對作業(yè)外，還存在多條輪對雙側(cè)離散作業(yè)的情況，綜合考慮后最終選擇方案3的單軸作業(yè)龍門框架結(jié)構(gòu)。

2.4 擰緊工具的選擇

為驗(yàn)證各類工具效果，將扭矩扳手、動態(tài)傳感器、靜態(tài)傳感器串行安裝，對各種扭矩扳手的作業(yè)控制精度進(jìn)行測試。第一步測試是在設(shè)定值為23 N·m的條件下，采集擰緊過程扭矩的首峰值和峰值，得到的典型擰緊曲線如圖6、圖7和圖8所示。第二步測試是分別設(shè)定15 N·m和30 N·m條件下測試50次，得到測試值和誤差方面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表1、表2所示。綜合第一步和第二步的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，人工操作聲響扭矩扳手，出現(xiàn)聲響提示音時的扭矩值與設(shè)定值始終無法對應(yīng)，其誤差值偏大，且存在一次扭力釋放后二次瞬間加力超限的情況。數(shù)顯扭矩扳手在人工操作下扭力能平穩(wěn)增加且柔和地達(dá)到設(shè)定值，缺點(diǎn)是此曲線的實(shí)現(xiàn)對人員的技能和體力要求極高，完全靠人的熟練度以及人為保持緩慢加力，實(shí)際操作中前后兩次的扭矩曲線上升加力段斜率偏差較大，不僅一致性差，而且作業(yè)效率低。電動伺服扳手由于采用了程序控制，每次的擰緊過程一致性很好，在扭矩達(dá)到設(shè)定值時能立即釋放，且能二次施加一次小于設(shè)定值的扭矩，進(jìn)一步確保擰緊有效。因此，在擰緊工具配置中優(yōu)先選用電動伺服扳手作為擰緊工具，其優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)軸端螺栓擰緊作業(yè)過程完全程序化，作業(yè)效率高，不受操作人員影響，可以匹配獲得最好的實(shí)際安裝值。

圖6 機(jī)械聲響扭矩扳手

圖7 數(shù)顯扭矩扳手

圖8 電動伺服扳手

表1 15 N·m條件下，50次測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 30 N·m條件下，50次測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.5 軸端裝配安裝典型錯誤的防范

生產(chǎn)過程中，常見的輪對軸端安裝錯誤有螺栓太短/長、漏裝/多裝墊片、螺紋亂扣/螺釘放偏、盲孔、滑牙/工件變形等。防范措施如下：(1)工裝選配的電動扭矩扳手內(nèi)置傳感器可實(shí)時檢測螺栓擰緊時遇到的阻力，軟件可分析比對各狀態(tài)下的擰緊扭矩-時間特征曲線、扭矩-角度特征曲線，計(jì)算出合格安裝與不合格安裝的臨界閾值，通過自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和力矩，避免速度、力矩突變過大而造成擰緊缺陷。(2)軟硬件結(jié)合后具備自動檢測和報(bào)警螺栓墊片選配錯誤功能，可通過扭矩-角度互控判別圖(見圖9)自動識別各錯誤安裝并報(bào)警。(3)軟件設(shè)計(jì)同步考慮將套筒選擇器和各個作業(yè)工序精確對應(yīng)，在錯拿套筒時，給出聲光報(bào)警提示，防止扭矩錯打。(4)優(yōu)化工藝過程管理卡控，通過實(shí)時采集和存儲所有工藝步驟點(diǎn)的扭矩值，與工藝流程設(shè)定值比對，實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程卡控。

圖9 扭矩與角度互控判別圖

2.6 可平衡重力及抵抗反力的擰緊裝置的設(shè)計(jì)

為防止操作人員擰軸端螺栓時被反作用力傷害，同時也為提高工作效率，專門設(shè)計(jì)制作了一款與龍門框架結(jié)構(gòu)匹配的可平衡重力及抵抗反力的擰緊裝置，用于替代傳統(tǒng)的反作用力機(jī)械臂，如圖10所示?；嚱M件固定安裝在平衡器滑軌上，平衡器滑軌位于水平方向，平衡器滑軌底部開設(shè)有T型槽，T型槽內(nèi)安裝有滑環(huán)；彈簧平衡器的一端連接在滑環(huán)上，并可以沿著平衡器滑軌的左右方向滑動，另一端與電動扳手手柄上的掛環(huán)連接；碳桿反力臂為彈性可伸縮結(jié)構(gòu)，其兩端分別通過鉸鏈連接在電動扳手的手柄上和滑車組件上，碳桿反力臂上的相鄰兩節(jié)反力臂連接處設(shè)有限位套，增加相鄰兩節(jié)反力臂之間的摩擦力，提高抗壓強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的反作用力機(jī)械臂相比，采用彈簧平衡器和碳桿反力臂進(jìn)行擰緊作業(yè)時，整個擰緊機(jī)構(gòu)帶動扳手移動位置非常靈活，工人可以輕松地用扳手頭尋找螺栓孔的位置，實(shí)現(xiàn)擰緊作業(yè)，完成不同輪對軸端的組裝作業(yè)，大幅降低了勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。目前根據(jù)該裝置申請的“一種可平衡重力及抵抗反力的擰緊結(jié)構(gòu)”已獲國家專利。

圖10 可平衡重力及抵抗反力的擰緊裝置

3 總結(jié)

該工裝已在上海動車組高級修輪軸組裝工位成功投入使用，實(shí)現(xiàn)了動車組輪對軸端組裝的過程控制、扭矩管理、工具管理、配件識別、人員管理、數(shù)據(jù)記錄、錯誤提示、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，輪對軸端的螺栓預(yù)緊效率提高了3倍，軸端安裝作業(yè)更加精確、高效、規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了裝配作業(yè)的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、安全化、高效化，對動車組輪對軸端檢修組裝的過程卡控起到了良好的示范作用。