鐵路貨車制造技術(shù)發(fā)展及實(shí)施路徑研究

劉華學(xué)　王海峰　劉祖紅

摘要：結(jié)合鐵路貨車的行業(yè)實(shí)際特點(diǎn)，從提升效率、效益和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的角度出發(fā)，按少人化、便捷化、信息化的原則，就如何提升鐵路貨車的制造技術(shù)水平提出了發(fā)展目標(biāo)，并制訂了具體的實(shí)施路徑。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車;制造技術(shù);少人化;便捷化;信息化

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長，我國鐵路貨車技術(shù)總體上已達(dá)到或接近國外先進(jìn)貨車技術(shù)水平，確保了貨車運(yùn)用安全。在產(chǎn)品種類上，我國鐵路貨車已經(jīng)形成敞/棚/平/罐/漏斗車、集裝箱車和專用特種貨車完整譜系。隨著模塊化組裝、不銹鋼鋁合金焊接、在線自動(dòng)檢測(cè)等制造新技術(shù)不斷融入生產(chǎn)流水線，鐵路貨車裝備技術(shù)及工程化能力整體達(dá)到世界先進(jìn)水平，有力支撐了國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。但在鐵路貨車制造過程的自動(dòng)化、信息化程度及質(zhì)量安全穩(wěn)定性保障方面，我國與世界先進(jìn)水平還存在較大差距，本文結(jié)合鐵路貨車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造現(xiàn)狀，就如何提升鐵路貨車制造技術(shù)水平，提出具體路徑和發(fā)展展望。

1 現(xiàn)狀分析

1.1? ? 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

鐵路貨車運(yùn)載對(duì)象不同，導(dǎo)致其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異較大，裝載油類等液體類或粉狀介質(zhì)一般采用封閉罐狀結(jié)構(gòu)，裝載集裝箱一般采用魚腹型主梁的平板車結(jié)構(gòu)，裝載煤炭、木材、礦石等普通大宗類貨物一般采用敞開或封閉的箱體結(jié)構(gòu)。其中敞開或封閉的箱體結(jié)構(gòu)的鐵路貨車又因裝卸貨物方式不同，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異也較大，如側(cè)邊圓弧底部漏斗式箱體、側(cè)邊板柱底部平板式箱體等。

鐵路貨車載重量及耐磨防腐要求的不同，導(dǎo)致其使用材質(zhì)和連接方式有差異，常用的鐵路貨車材質(zhì)有普通耐候高強(qiáng)鋼、不銹鋼、鋁合金等，連接方式以焊接和鉚接為主。

1.2? ? 制造資源

主要包括人員、設(shè)備、物流、作業(yè)環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量及信息化應(yīng)用等。

1.2.1? ? 人員和設(shè)備現(xiàn)狀

我國鐵路貨車制造大多為勞動(dòng)密集型企業(yè)，工業(yè)總產(chǎn)值勞動(dòng)生產(chǎn)率僅為30萬元/（人·年）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)車間總用工人數(shù)均偏多，不產(chǎn)生直接效益的輔助工占比達(dá)35%。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，鐵路貨車行業(yè)設(shè)備機(jī)齡10年以上占比達(dá)70%，且自動(dòng)化水平均較低，如半自動(dòng)化設(shè)備占比僅6%，機(jī)器人的使用密度僅為11臺(tái)/萬人，低于全球平均的機(jī)器人使用密度58臺(tái)/萬人，遠(yuǎn)低于制造業(yè)發(fā)達(dá)的韓國、日本和德國的250～396臺(tái)/萬人。

1.2.2? ? 物流和其他方面現(xiàn)狀

配件物流均采用汽車或軌道平車人工操作控制到產(chǎn)線工位，裝卸一般采用天車，效率較低。

因整個(gè)鐵路貨車行業(yè)的機(jī)器人使用率較低，自動(dòng)化程度相比其他大型制造行業(yè)較低，生產(chǎn)節(jié)拍、作業(yè)環(huán)境和產(chǎn)品質(zhì)量控制受人為因素影響較大，大部分設(shè)備也未預(yù)留信息化監(jiān)控的接口，在生產(chǎn)過程的信息化管理水平方面相對(duì)落后。

2 制造技術(shù)發(fā)展實(shí)施路徑

基于以上對(duì)鐵路貨車的現(xiàn)狀分析，結(jié)合鐵路貨車的實(shí)際行業(yè)特點(diǎn)，對(duì)比相關(guān)行業(yè)制造技術(shù)水平差距，為達(dá)到發(fā)展目標(biāo)，鐵路貨車制造技術(shù)升級(jí)發(fā)展可從以下幾個(gè)方面考慮：

2.1? ? 總體規(guī)劃

總體規(guī)劃應(yīng)充分考慮鐵路貨車產(chǎn)品的前瞻性、平臺(tái)性和精益性，打破傳統(tǒng)工藝的束縛，通過“以機(jī)代人”實(shí)現(xiàn)制造水平提升以及效益、效率的最大化?？傮w規(guī)劃過程中對(duì)高新技術(shù)的應(yīng)用能否適應(yīng)鐵路貨車發(fā)展趨勢(shì)、行業(yè)特點(diǎn)及公司生產(chǎn)現(xiàn)狀需要深入研究，一方面是保證制造技術(shù)一段時(shí)間內(nèi)的先進(jìn)性，另一方面要為后期的數(shù)字化、智能化、綠色化升級(jí)預(yù)留接口。大批量產(chǎn)品產(chǎn)線以節(jié)拍化流水線為設(shè)計(jì)原則，多品種、小批量產(chǎn)品以柔性化為設(shè)計(jì)原則，立足從制造源頭上解決安全與質(zhì)量問題，并提升“雙效”;工藝裝備方面，一方面要深入分析過程中對(duì)提高企業(yè)管理水平有重要作用的制造數(shù)據(jù)，提出自動(dòng)提取數(shù)據(jù)的裝備接口要求，另一方面要提高工藝裝備的自動(dòng)化水平，顯著減少勞動(dòng)用工，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，改善作業(yè)環(huán)境;根據(jù)鐵路貨車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將便捷化及自動(dòng)化組裝技術(shù)、3D視覺檢測(cè)技術(shù)、視覺或激光尋位+自動(dòng)切割/焊接/打磨/噴涂+自動(dòng)檢測(cè)合成技術(shù)、自動(dòng)物流RGV或AGV技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)應(yīng)用于制造過程中。

2.2? ? 產(chǎn)品工藝整合

鐵路貨車產(chǎn)品種類多，部件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，要最大化提升產(chǎn)線利用率，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝整合就十分重要。對(duì)鐵路貨車結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面系統(tǒng)分類梳理，將工藝流程和方法近似的部件進(jìn)行工藝整合，提出產(chǎn)線設(shè)計(jì)的柔性便捷換型要求。例如，鐵路貨車中梁組成，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)構(gòu)主要有乙字鋼、幾字鋼、工字鋼、板材拼焊箱型梁，內(nèi)部組焊配件主要有心盤座、上心盤、連接加強(qiáng)板、叢板座等，經(jīng)工藝流程分析，可將中梁整合為兩類：乙字鋼、幾字鋼、工字鋼類的中梁為型材內(nèi)組焊配件，其工藝流程和方法近似，可合并成型鋼中梁線;板材拼焊箱型梁其工藝流程和方法與前者均有較大差異，可單獨(dú)定義為箱型中梁線;較長（大于18 m）或異形結(jié)構(gòu)中梁屬于單件或少量產(chǎn)品，可設(shè)計(jì)集組裝、鉆孔、變位焊接、檢測(cè)于一體的柔性工區(qū)來滿足要求，定義為柔性中梁工區(qū)[1]。因此，通過產(chǎn)品工藝整合，鐵路貨車中梁設(shè)置型鋼中梁線、箱型中梁線和柔性中梁工區(qū)三類產(chǎn)線即可。

2.3? ? 產(chǎn)品產(chǎn)線設(shè)計(jì)

產(chǎn)線設(shè)計(jì)應(yīng)基于工藝流程和物流實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的“一個(gè)流”作業(yè)，以打造“標(biāo)準(zhǔn)工位”的精益思想建立產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)工位化管理。按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)整合的工藝部件開展產(chǎn)線設(shè)計(jì)，對(duì)型鋼中梁生產(chǎn)線、魚骨型底架生產(chǎn)線、板柱式側(cè)墻生產(chǎn)線、板柱式端墻線、板柱式車體線等產(chǎn)線的工藝路線、工藝布局、內(nèi)部物流、工位人員配置、工位作業(yè)內(nèi)容、生產(chǎn)節(jié)拍等方面進(jìn)行逐工位分析。

2.4? ? 產(chǎn)品物流規(guī)劃

物流應(yīng)按線路最短、便于進(jìn)出、減少吊運(yùn)銜接的原則規(guī)劃設(shè)計(jì)。產(chǎn)品制造過程的物流主要包含產(chǎn)線間物流、產(chǎn)線內(nèi)部物流和線邊配件物流。產(chǎn)線間物流在產(chǎn)品制造的總體規(guī)劃時(shí)就要重點(diǎn)考慮，鐵路貨車產(chǎn)品產(chǎn)線間的物流要打破傳統(tǒng)的移車臺(tái)+天車吊運(yùn)方式，充分考慮AGV/RGV自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)或直接傳輸?shù)姆绞?，可減少操作人員，提高安全本質(zhì)度;產(chǎn)線內(nèi)部物流要去天車化，采用自動(dòng)傳輸技術(shù)，涉及產(chǎn)線工位內(nèi)部的配件裝配和工具使用要充分利用人因工程學(xué)原理，和操作者融為一體，滿足就近、便捷、安全原則;線邊配件物流既要充分考慮使用自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)取放、自動(dòng)運(yùn)送等先進(jìn)技術(shù)，又要配套標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的物流載具結(jié)合運(yùn)用，充分借助信息化手段，使物流規(guī)范化、無人化。

2.5? ? 基礎(chǔ)工藝技術(shù)應(yīng)用

（1）焊接智能跟蹤技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)鐵路貨車自動(dòng)化焊接，需解決裝配間隙不一致、焊縫起始點(diǎn)偏差及焊接過程變形前提下的焊接智能跟蹤問題。采用三維視覺+激光跟蹤的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自適應(yīng)焊接。三維視覺一方面要識(shí)別產(chǎn)品及其焊接路徑，另一方面要在焊接過程中自動(dòng)檢測(cè)焊接質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)制造過程可視化、焊接質(zhì)量免檢化;激光跟蹤是滿足焊接路徑精準(zhǔn)化的必要條件，按照焊縫的狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)，以達(dá)到焊接的自適應(yīng)要求[2]。（2）工裝柔性模塊化技術(shù)。產(chǎn)線的工藝裝備以模塊化、柔性化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化為設(shè)計(jì)理念，形成具有典型特點(diǎn)的功能模塊族系的模塊化工裝結(jié)構(gòu)樹形圖，以多功能模塊的有序組合實(shí)現(xiàn)模塊化，以功能模塊的統(tǒng)一接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)柔性化，以功能模塊的使用場(chǎng)景進(jìn)行序列劃分實(shí)現(xiàn)系列化。根據(jù)各功能模塊的功能需要，分別從術(shù)語定義、設(shè)計(jì)要求、制作要求、檢驗(yàn)要求等方面規(guī)范，對(duì)各模塊的標(biāo)準(zhǔn)化接口、功能模塊尺寸約束、系列化的要求結(jié)合企業(yè)產(chǎn)品族制訂相應(yīng)規(guī)則。（3）焊接煙塵捕捉及處理技術(shù)。根據(jù)鐵路貨車生產(chǎn)廠房及制造特點(diǎn)，焊接車間整體除塵工藝不是一種工藝方法或單一設(shè)備能整體解決的，每種除塵方法都有其自身特點(diǎn)，每種設(shè)備有其適應(yīng)的條件，應(yīng)根據(jù)車間具體廠房情況、焊接工藝、煙塵濃度、工位狀況制訂除塵方案，方案應(yīng)為多種除塵方法和設(shè)備組合而成一套除塵系統(tǒng)?；诋a(chǎn)線標(biāo)準(zhǔn)工位的生產(chǎn)模式，焊接工位固定，且自動(dòng)焊比例較高，除塵方式可采用在煙塵產(chǎn)生的附近位置采用隨槍除塵/除塵罩/除塵臂等方法就近捕捉，盡量減少煙塵飄散到空中形成二次污染，在車間4～5 m處采用靜電除塵或吹吸除塵等方式二次捕捉。（4）產(chǎn)品質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。結(jié)合檢測(cè)機(jī)器人、光學(xué)測(cè)量?jī)x器以及視覺算法，完成鐵路貨車產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)。例如，鐵路貨車車體主要有心盤定距、撓度、旁彎、對(duì)角線、垂直度、高低差等車體關(guān)鍵尺寸項(xiàng)點(diǎn)，針對(duì)底架附屬件有錯(cuò)裝、漏裝、漏焊及焊接質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)。關(guān)鍵尺寸檢測(cè)是基于工業(yè)機(jī)器人的三維光學(xué)測(cè)量，通過工件坐標(biāo)系、檢測(cè)坐標(biāo)系的統(tǒng)一，采用三角測(cè)量和投影測(cè)量原理，獲取待檢測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過圖形算法和全局坐標(biāo)關(guān)系，計(jì)算各關(guān)鍵尺寸值;底架附屬件錯(cuò)裝檢測(cè)是檢測(cè)其坐標(biāo)位置，然后與三維模型做尺寸對(duì)比，從而判斷底架附屬件錯(cuò)裝量是否超出公差;配件裝配錯(cuò)誤檢測(cè)是將獲取到配件的點(diǎn)云圖案與正確模型做對(duì)比，相似度超出設(shè)定閾值，則該配件不是該位置安裝需要的;配件漏裝檢測(cè)是將獲取到的配件的點(diǎn)云圖案與正確模型做對(duì)比，若相似度趨向零，即該位置沒有獲取底架附屬件的特征，故為配件漏裝;漏焊檢測(cè)是通過對(duì)關(guān)注配件焊縫的點(diǎn)云體積測(cè)量，來實(shí)現(xiàn)焊縫的識(shí)別檢測(cè)，然后提取焊縫的邊界，計(jì)算邊界包絡(luò)內(nèi)的點(diǎn)云體積，根據(jù)體積計(jì)算值判斷焊縫有無，若體積趨近于零，則焊縫不存在，即為漏焊。

3 結(jié)語

鐵路貨車制造技術(shù)升級(jí)發(fā)展的實(shí)施要根據(jù)其行業(yè)特點(diǎn)，引入“精益”理念，探索鐵路貨車精益生產(chǎn)方法，將經(jīng)濟(jì)效益放在首位，先減人，再逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和信息化。關(guān)鍵技術(shù)要有所突破和創(chuàng)新，以技術(shù)升級(jí)帶動(dòng)生產(chǎn)、設(shè)備等方面管理升級(jí)，以此推動(dòng)鐵路貨車行業(yè)制造技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 魏文鋒.基于激光視覺焊縫跟蹤技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人焊接智能產(chǎn)線的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（24）：84-85.

收稿日期：2021-08-23

作者簡(jiǎn)介：劉華學(xué)（1982—），男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，研究方向：鐵道車輛工藝設(shè)計(jì)。