鐵路貨車柔性工藝裝備的可行性研究

張林　蔡文田

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多元化、低成本及短周期等方面的需求日趨迫切，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的鐵路運(yùn)輸行業(yè)同樣如此。行業(yè)的需求促使鐵路運(yùn)輸裝備產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代。以鐵路貨車為例，近年來(lái)按照鐵路貨運(yùn)高速、重載、多元化發(fā)展方向。柔性工藝裝備就是將成組技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)引入工裝設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用與管理等環(huán)節(jié)而構(gòu)建的基于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、自動(dòng)化的工裝應(yīng)用體系， 該體系能優(yōu)質(zhì)、快捷、高效、低成本地滿足產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。在當(dāng)前工裝系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上， 對(duì)貨車工裝系統(tǒng)柔性化的可能性進(jìn)行了探討， 提出了可自由調(diào)整的基礎(chǔ)工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)， 分析了柔性工裝的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車;工藝裝備;柔性化

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈， 鐵路貨車多品種、快節(jié)奏的市場(chǎng)需求逐漸明朗， 傳統(tǒng)意義上的質(zhì)量、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)細(xì)化到影響產(chǎn)品質(zhì)量、成本以及響應(yīng)速度的工藝裝備競(jìng)爭(zhēng)環(huán)節(jié)。對(duì)鐵路車輛車型的個(gè)性化需求和市場(chǎng)的快節(jié)奏變化， 要求企業(yè)能以最快的速度響應(yīng)市場(chǎng)的需求， 以最低的成本實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)車輛的轉(zhuǎn)產(chǎn)。工裝是車輛制造中重要的環(huán)節(jié)之一， 其柔性化程度和自動(dòng)化水平直接影響到企業(yè)的市場(chǎng)響應(yīng)能力和車輛的生產(chǎn)效率， 是關(guān)系到企業(yè)生存的關(guān)鍵因素之一。

一、柔性工裝的可行性

目前， 我國(guó)鐵路車輛生產(chǎn)手段相對(duì)落后， 工裝設(shè)備剛性大， 缺乏柔性， 工裝資源管理混亂， 自動(dòng)化程度低， 不能很好地適應(yīng)企業(yè)低成本、快節(jié)奏生產(chǎn)的需要， 存在的問題主要表現(xiàn)在以下方面：工裝生產(chǎn)線布局缺乏柔性， 工藝基礎(chǔ)剛性大;工裝設(shè)備缺乏通用性， 標(biāo)準(zhǔn)化和系列化程度低;工裝設(shè)備資源管理分散， 重復(fù)性勞動(dòng)較多;工裝系統(tǒng)的應(yīng)變能力和可拓展性差， 提升空間有限。

1、轉(zhuǎn)產(chǎn)周期。隨著市場(chǎng)需求從單一化產(chǎn)品向多元化、個(gè)性化產(chǎn)品需求的發(fā)展， 市場(chǎng)對(duì)鐵路貨車的需求也多種多樣， 這也迫使貨車車輛制造廠要能適應(yīng)市場(chǎng)的變化， 能夠?qū)崿F(xiàn)在一定時(shí)期內(nèi)完成不同車型間的轉(zhuǎn)產(chǎn)任務(wù)。根據(jù)某鐵路車輛有限責(zé)任公司的實(shí)際調(diào)研， 以貨車車間為例，以及每天的平均產(chǎn)量。頻繁的轉(zhuǎn)產(chǎn)直接導(dǎo)致了工裝設(shè)計(jì)制造成本的增加， 同時(shí)也因?yàn)檗D(zhuǎn)產(chǎn)而對(duì)正常生產(chǎn)產(chǎn)生影響， 產(chǎn)生了巨大的損失。因此， 根據(jù)對(duì)目前企業(yè)轉(zhuǎn)產(chǎn)頻次和周期的分析， 實(shí)現(xiàn)工裝柔性化， 不僅能夠提高企業(yè)響應(yīng)市場(chǎng)變化的能力， 而且也能為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2、貨車產(chǎn)品相似性。雖然鐵路貨車的品種比較多， 有幾十種型號(hào)，但按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分主要有敞車、棚車、漏斗車和平車類型， 所有車型均由這種類型衍生而來(lái)。這些車型的組成部件基本相似， 主要包括中梁、底架、端側(cè)墻、棚頂?shù)却蟛考约罢?、橫梁等梁件， 它們具有較大的相似性， 生產(chǎn)工藝流程也基本一致，這些相似性為工裝柔性化研究提供了可能， 主要由基礎(chǔ)工作平臺(tái)、定位單元、夾緊單元等組成。其中， 基礎(chǔ)工作平臺(tái)主要包括一些基礎(chǔ)件和支撐件;定位單元的主要作用是保證車輛裝配制造的外形特征和產(chǎn)品質(zhì)量;夾緊單元為車輛制造提供動(dòng)力源， 實(shí)現(xiàn)裝配體間的緊密結(jié)合。根據(jù)對(duì)鐵路貨車產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)相似性和工裝系統(tǒng)特點(diǎn)的分析， 要實(shí)現(xiàn)鐵路貨車制造中工裝系統(tǒng)的柔性化， 重點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)工作平臺(tái)、定位單元和夾緊單元的柔性化。

3、技術(shù)可行性。柔性化概念在先進(jìn)制造領(lǐng)域提出得比較早，特別是在柔性制造系統(tǒng)（FMS）中體現(xiàn)得更加具體，要實(shí)現(xiàn)鐵路車輛制造中工裝的柔性化， 就是要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)工作平臺(tái)的柔性化、定位單元的柔性化和夾緊單元的柔性化。研究鐵路貨車工裝系統(tǒng)柔性化時(shí)， 可以借鑒FMS 的柔性化思想和相關(guān)技術(shù)。此外， 鐵路車輛的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是體積大且笨重， 因此在考慮柔性的時(shí)候必須分析工裝設(shè)備的剛度可靠性， 這是車輛制造質(zhì)量的保證。在柔性工裝的剛度設(shè)計(jì)中， 引入有限元分析技術(shù)，根據(jù)仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)柔性工裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。這樣既實(shí)現(xiàn)了柔性化， 又保證了足夠的剛度要求。因此， 根據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)鐵路貨車工裝系統(tǒng)柔性化的技術(shù)條件已經(jīng)成熟， 相關(guān)技術(shù)為工裝柔性化的研究提供了保障。

二、柔性工裝的關(guān)鍵技術(shù)

1、基礎(chǔ)工作平臺(tái)的柔性化。貨車多為箱式結(jié)構(gòu)， 主要通過(guò)各種梁件與板材焊接組裝而成。以敞車為例， 其主要組成部件為底架、側(cè)墻和端墻， 這些部件近似為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)， 各車型之間的區(qū)別除了局部個(gè)性化結(jié)構(gòu)以外，主要是長(zhǎng)度和寬度上的尺寸不同， 以底架為例， 其長(zhǎng)度變化范圍在12～18m 之間， 寬度變化范圍在2.2～3m 之間。根據(jù)對(duì)不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸的統(tǒng)計(jì)分析， 提出了兩種可行的柔性化基礎(chǔ)工作平臺(tái)設(shè)計(jì)方案， 一種是可收縮平面式平臺(tái)結(jié)構(gòu)， 另一種是可收縮骨架式平臺(tái)結(jié)構(gòu)。鐵路車輛制造對(duì)工人的體能消耗很大， 為了減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，讓工人在不需要上臺(tái)階的條件下就可以完成工作， 我們選擇可伸縮骨架式工作平臺(tái)作為基礎(chǔ)工作平臺(tái)， 基礎(chǔ)工作平臺(tái)由若干伸縮梁組成。伸縮梁通過(guò)絲桿螺母連接， 由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自由伸縮。這種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)工作平臺(tái)不僅實(shí)現(xiàn)了柔性化， 還易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化， 增加適當(dāng)?shù)膫鞲衅鬟€能實(shí)現(xiàn)精確自動(dòng)調(diào)整。

2、柔性工裝的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。由于鐵路車輛各組成部件都比較笨重， 而且其生產(chǎn)過(guò)程中工人的操作相對(duì)更粗放些， 因此對(duì)工裝剛度的要求更高一些。柔性工裝與傳統(tǒng)工裝的區(qū)別之一就是調(diào)整更加自如， 傳統(tǒng)工裝中各連接部件都是相對(duì)焊死的， 為了保證足夠的剛度都留有很大的設(shè)計(jì)余量。鎖緊裝置是為了在柔性工裝調(diào)整完以后實(shí)現(xiàn)對(duì)一些可移動(dòng)結(jié)構(gòu)的鎖緊加固;剛度分析是對(duì)工裝中主要受力結(jié)構(gòu)在工作負(fù)載的作用下的形變及應(yīng)力進(jìn)行安全分析;驅(qū)動(dòng)力分析是對(duì)柔性工裝中夾緊單元等輸出的驅(qū)動(dòng)力的可靠性分析， 要求力的大小適中，既能滿足工藝要求， 也不會(huì)由于力過(guò)大而導(dǎo)致工件變形以及由此造成的成本浪費(fèi)。鎖緊裝置要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠， 特別是與車輛制造質(zhì)量密切相關(guān)的可調(diào)整部件， 對(duì)鎖緊裝置的可靠性要求更高。因此， 在重要的鎖緊裝置上還配備了適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎?防止由于鎖緊裝置松動(dòng)而造成經(jīng)濟(jì)損失。以基礎(chǔ)工作平臺(tái)為例， 伸縮梁是其主要可自由調(diào)整部件， 其鎖緊裝置原理如圖所示。

對(duì)伸縮梁調(diào)整完畢后的鎖緊主要通過(guò)兩套機(jī)械組件來(lái)實(shí)現(xiàn)， 一是圖4 中傳動(dòng)絲桿與螺母的自鎖作用， 有效預(yù)防了伸縮梁中內(nèi)外套筒間縱向移位;二是專門的鎖緊裝置， 實(shí)現(xiàn)內(nèi)外套筒間的緊固作用。由于伸縮梁在實(shí)際生產(chǎn)中的重要性， 對(duì)其有效鎖緊直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量， 因此，在機(jī)械鎖緊的基礎(chǔ)上， 還增設(shè)了位置傳感器， 當(dāng)鎖緊裝置失效時(shí)， 伸縮梁出現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)， 傳感器將信號(hào)傳送給主控電腦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。剛度分析是對(duì)柔性工裝中一些主要部件在工作負(fù)載作用下的安全性分析， 主要通過(guò)有限元分析其形變和應(yīng)力分布情況， 判斷設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否符合工藝標(biāo)準(zhǔn)以及該部件的安全可靠性。鐵路車輛生產(chǎn)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的，一是夾緊裝配焊接體， 二是使部分零部件產(chǎn)生一定的撓度。在柔性工裝的設(shè)計(jì)中， 驅(qū)動(dòng)方式主要采用電動(dòng)推桿， 配合相應(yīng)的傳感器， 驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)， 驅(qū)動(dòng)力的大小主要通過(guò)有限元模擬獲得，與實(shí)際需求更加接近， 應(yīng)用效果更好。由于柔性工裝中輸出的力是可控的， 因此， 針對(duì)不同中梁， 可以調(diào)整輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力， 能夠有效提高生產(chǎn)效率， 并保障產(chǎn)品質(zhì)量。

目前鐵路貨車制造中工裝設(shè)備的不足進(jìn)行了分析， 指出鐵路車輛制造中工裝系統(tǒng)柔性化將是一個(gè)必然的趨勢(shì)。本文對(duì)鐵路貨車制造工藝和特點(diǎn)進(jìn)行了分析， 對(duì)工裝柔性化所涉及的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究， 提出了可自由調(diào)整的基礎(chǔ)工作平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)， 探索了柔性工裝剛度設(shè)計(jì)的方法和途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳啟迪， 嚴(yán)雋薇， 張浩. 柔性制造自動(dòng)化的原理與實(shí)踐[M] . 北京：清華大學(xué)出版社， 2017.

[2] 張進(jìn)德，劉延林. 柔性制造自動(dòng)化概論[ M] . 武漢：華中理工大學(xué)出版社， 2017.

[3] 朱若艷. 基于有限元分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J] . 重型機(jī)械科技， 2016（4）：5-7.