常杰 鮑星旭 趙順強(qiáng) 仇鵬 張立

1.河北鐵科翼辰新材科技有限公司， 石家莊 052160； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

高速鐵路扣件是連接鋼軌和軌枕的中間聯(lián)結(jié)件，作用是將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距和阻止鋼軌相對于軌枕縱橫向移動(dòng)［1-2］。近年來，高速鐵路WJ-8 型扣件應(yīng)用越來越廣泛，對扣件非金屬零部件的需求量逐年增加。然而高速鐵路扣件注塑成品的后處理工序，仍采用傳統(tǒng)人工作業(yè)模式，存在加工誤差大、品質(zhì)不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低、用工成本高等一系列問題，急需關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

本文以WJ-8扣件（圖1）D1預(yù)埋套管為例，首先針對傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝存在的問題提出改造方法，然后從結(jié)構(gòu)到工藝進(jìn)行針對性優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)機(jī)械化生產(chǎn)。

圖1 WJ-8型扣件結(jié)構(gòu)

1 D1預(yù)埋套管傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝

WJ-8 扣件組裝前把D1 預(yù)埋套管預(yù)埋于軌道板中，組裝時(shí)通過旋入道釘，壓縮彈條，起到緊固鋼軌、定位扣件系統(tǒng)的作用［3］。

傳統(tǒng)D1 預(yù)埋套管注塑成型過程中需要一名操作員在操作一臺注塑設(shè)備的同時(shí)，完成套管注塑后的工序處理。一方面要確保設(shè)備、模具工作過程正常，出現(xiàn)異常后及時(shí)反饋處理；另一方面要對注塑成型后的產(chǎn)品進(jìn)行修邊、泡水及碼放。

根據(jù)TB/ T 3395.3—2015《高速鐵路扣件 第3 部分：彈條V 型扣件》［4］中套管平面度檢測要求，套管端口與檢測平面縫隙應(yīng)小于0.5 mm。若平面度大于0.5 mm，預(yù)埋套管預(yù)埋于軌道板時(shí)就無法與軌道板貼合，產(chǎn)生較大縫隙，使得混凝土進(jìn)入縫隙封堵套管，導(dǎo)致套管下沉，軌枕承軌面的精度就很難達(dá)到要求，從而影響到列車運(yùn)營的安全［5-6］。因此，注塑成型后還需安排專人對套管端口進(jìn)行打磨。

D1預(yù)埋套管傳統(tǒng)生產(chǎn)線主要工序見表1［7］。

表1 D1預(yù)埋套管傳統(tǒng)生產(chǎn)線主要工序

人工打磨端口存在很大的安全隱患和人為質(zhì)量誤差。可從以下三個(gè)方面對傳統(tǒng)生產(chǎn)線進(jìn)行改造。

1）降低勞動(dòng)強(qiáng)度。全自動(dòng)機(jī)械化生產(chǎn)的主要目的就是通過機(jī)械來替代繁重的體力勞動(dòng)，尤其是完成物料輸送、搬運(yùn)及重復(fù)性的動(dòng)作，并避免高強(qiáng)度、連續(xù)性的體力勞動(dòng)影響人身安全。

2）提高生產(chǎn)效率。利用傳感器、視覺系統(tǒng)等機(jī)械化、智能化裝置代替人工定位，縮短各工序反應(yīng)時(shí)間，增設(shè)質(zhì)量檢測、自動(dòng)包裝、自動(dòng)碼垛等機(jī)械裝置，對各工序合理化設(shè)計(jì)。

3）降低生產(chǎn)經(jīng)營成本。加強(qiáng)質(zhì)量控制，有效降低人工操作引起的失誤、誤差。采用故障自動(dòng)檢測技術(shù)降低生產(chǎn)線故障發(fā)生率，降低大故障對生產(chǎn)工期的影響。減少對用工人數(shù)的依賴，采用自動(dòng)化生產(chǎn)替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)用工人數(shù)的最優(yōu)化［8-9］。

2 預(yù)埋套管自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)埋套管自動(dòng)化系統(tǒng)（圖2）主要包括套管夾取機(jī)構(gòu)、水口剪切機(jī)構(gòu)、端口打磨機(jī)構(gòu)和吹掃機(jī)構(gòu)［10］。

圖2 預(yù)埋套管自動(dòng)化系統(tǒng)

1）套管夾取機(jī)構(gòu)

套管夾取機(jī)構(gòu)安裝在多軸機(jī)器人法蘭端部，與多軸機(jī)器人通過手動(dòng)快換機(jī)構(gòu)連接，方便檢修更換。套管夾取機(jī)構(gòu)包括負(fù)壓吸取裝置和夾爪裝置，見圖3。負(fù)壓吸取裝置吸取模具腔內(nèi)的套管后，由夾爪裝置持續(xù)夾持。由多軸機(jī)器人帶動(dòng)預(yù)埋套管按次序在各個(gè)工位進(jìn)行相應(yīng)處理。通過多個(gè)傳感器的反饋信號對負(fù)壓吸取裝置和夾爪裝置進(jìn)行控制。

圖3 套管夾取機(jī)構(gòu)

2）水口剪切機(jī)構(gòu)

將氣動(dòng)剪鉗安裝在彈性機(jī)構(gòu)上，與套管夾取機(jī)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)單模4 個(gè)套管水口的剪切，如圖4 所示。套管夾取機(jī)構(gòu)夾持產(chǎn)品移動(dòng)至剪切位，產(chǎn)品被下壓，產(chǎn)品底部緊貼剪刀刃口，完成水口的自動(dòng)剪切。水口剪切后，殘余量小于0.1 mm。

圖4 套管水口位置及水口剪切機(jī)構(gòu)

3）端口打磨機(jī)構(gòu)

端口打磨機(jī)構(gòu)包括夾持機(jī)構(gòu)、打磨機(jī)、打磨倉等，如圖5 所示。預(yù)埋套管先通過卡槽，再用電動(dòng)推桿將預(yù)埋套管固定。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)和絲杠傳動(dòng)，使夾持機(jī)構(gòu)前后往復(fù)移動(dòng)，帶著預(yù)埋套管向打磨機(jī)行進(jìn)，完成對預(yù)埋套管端口的打磨。限位擋板用于限制預(yù)埋套管行進(jìn)位置，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打磨。打磨機(jī)上的打磨頭設(shè)于圓柱形的打磨倉內(nèi)，打磨倉下端通過氣管與吸氣裝置連通，將打磨下來的碎屑吸走。吸氣管上端內(nèi)部設(shè)有離子發(fā)生器，產(chǎn)生正負(fù)離子，中和靜電，防止吸氣管內(nèi)壁積塵。

圖5 端口打磨機(jī)構(gòu)

4）吹掃機(jī)構(gòu)

吹掃機(jī)構(gòu)中的吹氣管可伸入到預(yù)埋套管內(nèi)，吸氣倉與預(yù)埋套管端口對接，吹氣管和吸氣倉同軸設(shè)置，如圖6所示。

圖6 吹掃機(jī)構(gòu)

吹氣管吹出的氣體是空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體，在通過離子發(fā)生器后變成帶有正負(fù)電荷的氣體，可以中和預(yù)埋套管表面的靜電，同時(shí)吹走預(yù)埋套管和吹掃機(jī)構(gòu)內(nèi)的積塵。負(fù)壓發(fā)生裝置通過吸塵管道連接至吸氣倉，在負(fù)壓發(fā)生裝置產(chǎn)生的吸力作用下將預(yù)埋套管內(nèi)碎屑通過吸塵管道吸入集塵桶內(nèi)。吹掃機(jī)構(gòu)工作效率高，清掃徹底。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

D1預(yù)埋套管生產(chǎn)過程分為注塑和后處理兩部分，見圖7。注塑機(jī)合模、注塑保壓與后處理同時(shí)進(jìn)行。

圖7 D1預(yù)埋套管生產(chǎn)過程

D1 預(yù)埋套管自動(dòng)化生產(chǎn)周期為58 s。各工序用時(shí)見表2。

表2 D1預(yù)埋套管自動(dòng)化生產(chǎn)各工序起始時(shí)間及用時(shí) s

生產(chǎn)中無需人工盯機(jī)，預(yù)埋套管自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)將出模產(chǎn)品剪切、打磨后，投入下料口。從下料口直接掉落至周轉(zhuǎn)筐中。產(chǎn)品每20 min 即可落滿一筐，只需人工每20 min更換一次周轉(zhuǎn)筐即可。

預(yù)埋套管自動(dòng)化系統(tǒng)通過采用多軸機(jī)器人配合夾取機(jī)構(gòu)完成套管夾取，在各個(gè)工位上依次轉(zhuǎn)移，完成套管的后期全自動(dòng)生產(chǎn)，并且機(jī)器人夾取更準(zhǔn)確更穩(wěn)定，可控性好。

各個(gè)工位的布局可根據(jù)現(xiàn)場空間因地制宜、靈活多變。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，省時(shí)省力，工作效率和產(chǎn)品精度高，且碎屑清理徹底，工作環(huán)境衛(wèi)生。

3 經(jīng)濟(jì)效益對比

傳統(tǒng)D1 預(yù)埋套管生產(chǎn)流程為機(jī)械操作（注塑機(jī)合?！⑸浔骸＞唛_半模→芯子退出→模具完全開?！a(chǎn)品頂出→模具芯子進(jìn)入→注塑機(jī)合模）和人工操作（產(chǎn)品下落→人工收集→去除水口→修剪飛邊→端口打磨→裝筐）。單臺注塑機(jī)生產(chǎn)周期55 s。注塑完畢后產(chǎn)品由模具頂出自由下落至底部滑槽，人工完成水口剪切5 s，端口磨平5 s，一人一機(jī)。

由于D1 預(yù)埋套管對端口平面度要求較高，需額外安排一名專職技術(shù)員進(jìn)行端口打磨工作。預(yù)埋套管打磨裝置由人工上料、打磨和收納放置。

按6臺注塑機(jī)同時(shí)生產(chǎn)D1預(yù)埋套管計(jì)算，工藝改進(jìn)前后日產(chǎn)量及用工總數(shù)對比見表3。

表3 6 臺注塑機(jī)同時(shí)生產(chǎn)D1 預(yù)埋套管日產(chǎn)量及用工總數(shù)對比

以車間12 臺注塑機(jī)用于生產(chǎn)預(yù)埋套管為例進(jìn)行對比分析。采用傳統(tǒng)工藝時(shí)，12臺注塑機(jī)每臺配備一個(gè)人，需要12個(gè)人，另外每3臺注塑機(jī)需要配備1名專職技術(shù)員。因此，每班最少需要配備12 + 4 = 16人。

工藝改進(jìn)后，每班只需要配備4 人。按每天三班計(jì)算，采用傳統(tǒng)工藝時(shí)每天需使用16 × 3 = 48 人，工藝改進(jìn)后，每天僅需配備4 × 3 = 12人，人員減少36人。以年人均工資5 萬元計(jì)算，用人成本每年可減少180萬元。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)工藝存在的問題，從結(jié)構(gòu)到工藝進(jìn)行針對性優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了D1 預(yù)埋套管自動(dòng)脫模、水口去除、端口打磨、模具監(jiān)控等一系列工序的自動(dòng)化。工藝改進(jìn)后，不僅可以快速消除安全隱患，提高工作效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，而且可以最大限度發(fā)揮原有設(shè)備價(jià)值，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和人力資源的優(yōu)化配置。工人只需定時(shí)更換料框，勞動(dòng)強(qiáng)度也得到改善。