彈性支承塊包裝流水線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

周家渝，鄭愛國，康祥梅

（1.成鐵德陽軌道有限責(zé)任公司，四川德陽618007；2.國鐵綠色新材料有限公司，成都610000）

1 引言

在我國，隨著各地建設(shè)步伐的加快和煤炭礦區(qū)開采規(guī)模的擴(kuò)大，現(xiàn)有鐵路骨干網(wǎng)絡(luò)輸送能力的不適應(yīng)催生出依托多種技術(shù)途徑擴(kuò)大鐵路運(yùn)輸能力的需求[1]，出現(xiàn)了重載鐵路隧道內(nèi)彈性支承塊，同時(shí)為了滿足山區(qū)鐵路長大隧道中的軌枕應(yīng)用，出現(xiàn)了鞋套式彈性支承塊[2]。彈性支承塊在滿足快速、重載的條件下，以其無砟軌道結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性好、少維修的特點(diǎn)，使得彈性支承塊的應(yīng)用更加的廣泛。支承塊由混凝土支承塊、橡膠套靴和微孔橡膠墊板等部件組成。彈性支承塊性能的重要保障除了混凝土支承塊本身的質(zhì)量，主要取決于橡膠套靴、橡膠墊板與混凝土支承塊緊密貼合的完好性。由人工完成橡膠套靴、橡膠墊板與混凝土支承塊的組裝，用工人數(shù)多、勞動強(qiáng)度大、占用場地多、揚(yáng)塵嚴(yán)重等問題突出，已經(jīng)無法滿足產(chǎn)品質(zhì)量、供貨能力和環(huán)保需求。為了控制好混凝土彈性支承塊軌枕生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制、安全文明等因數(shù)，優(yōu)化彈性支承塊包裝生產(chǎn)線的需求更加迫切[3，4]。本著智能、自動、高效、環(huán)保的目標(biāo)，對鞋套包裝流水線裝置，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及流水線的布局進(jìn)行了優(yōu)化。

2 鞋套包裝作業(yè)存在的主要問題

彈性支承塊由混凝土支承塊、橡膠套靴、橡膠墊板組成，需要打磨、刷膠、纏封口膠等一系列工序才能完成整個(gè)彈性支承塊的包裝[5]。結(jié)合工藝條件，彈性支承塊包裝主要流程為：散垛—翻轉(zhuǎn)—打磨—刷膠—加熱—裝套靴—纏膠—翻轉(zhuǎn)—打包—碼垛。橡膠鞋套包裝作業(yè)前期一直單純依靠人工作業(yè)完成，成熟的設(shè)備或工裝較少。在一個(gè)單班8 h 產(chǎn)量在600 塊的生產(chǎn)組織模式的情況下，在鞋套包裝作業(yè)中，主要存在以下問題。

2.1 操作作業(yè)人員多

傳統(tǒng)人工包裝彈性支承塊需要較大的場地，場地面積不少于200 m2。對于支承塊的散垛、翻轉(zhuǎn)工序，在起重機(jī)具的吊裝配合下才能完成彈性支承塊的散開和翻轉(zhuǎn)，整個(gè)工序至少20 人，并且需要人工對每塊支承塊進(jìn)行2 次以上的翻轉(zhuǎn)，勞動強(qiáng)度大，效率低下。

2.2 崗位技能要求高

在鞋套的組裝作業(yè)過程中，必須使用叉車、桁車等特種設(shè)備，特種設(shè)備的管理相對嚴(yán)格，必須具備特種設(shè)備操作證，人員必須經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)，具備熟練的操作技能，然而，目前該崗位合適的作業(yè)人員數(shù)量卻相對較少，亟須借助新工裝或設(shè)備等手段緩解人員緊張的矛盾。

2.3 自動化程度不高

彈性支承塊鞋套的組裝在散垛、翻轉(zhuǎn)工序中，設(shè)施主要依靠既有的起吊設(shè)備；打磨工序依靠手持砂輪；打包工序采用手動打包設(shè)備。傳統(tǒng)的人工打包采用手持小型打包機(jī)對其進(jìn)行打包，打包效率慢、膠帶松緊度不滿足要求，增加工人勞動強(qiáng)度，根本無法實(shí)現(xiàn)自動送帶、退帶、接頭等功能。既有工裝設(shè)備技術(shù)較為落后，其幾乎沒有自動化程度可言，設(shè)備硬件優(yōu)勢不明顯。

2.4 質(zhì)量保障性差

鞋套的組裝作業(yè)過程中，用手持砂輪機(jī)在打磨支承塊底面時(shí)，完全依賴于操作人員的感覺，無法保證支承塊底面的平整度；同時(shí)，在加熱的過程中，幾乎沒有控溫裝置，無法保證使用膠水的黏結(jié)力。在支承塊組裝完成后出現(xiàn)鞋套封口不緊，鞋套底部起拱的情況，無法保證橡膠套靴、橡膠墊板與混凝土支承塊三者的緊密貼合，存在質(zhì)量缺陷，無法滿足使用需求。

2.5 安全保障性差

鞋套的組裝作業(yè)過程中，操作人員長時(shí)間依靠體力翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移支承塊，極易造成操作人員體力不支。再加上作業(yè)周邊頻繁出現(xiàn)叉車、起吊桁車等特種設(shè)備，極易發(fā)生工傷事故。同時(shí)，在打磨過程中，混凝土粉塵多，揚(yáng)塵嚴(yán)重，作業(yè)人員有吸入肺部的可能，職業(yè)危害加大。單純依靠職工安全防范意識去執(zhí)行作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，存在較多安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 自動打包生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

針對上述鞋套的組裝作業(yè)存在的主要問題，亟需提升生產(chǎn)線的自動化水平。因此，提出鞋套的組裝自動打包作業(yè)設(shè)計(jì)思路如下：

1）利用懸臂吊吊裝機(jī)構(gòu)，用于散垛和組垛工序，解決人力有限問題；

2）通過設(shè)計(jì)一間打磨房，內(nèi)置大功率吸塵器，能夠滿足作業(yè)人員職業(yè)健康需要，解決作業(yè)安全和環(huán)保問題；

3）增加一組表面自動加熱裝置，有效安裝在輸送鏈上，通過電阻絲風(fēng)機(jī)使溫度控制在要求范圍內(nèi)，起到快速加熱支承塊表面膠水的目的，使黏結(jié)力得到有效控制；

4）增加自動打包機(jī)，起到自動綁扎打包帶的作用，解決打包質(zhì)量和用工成本問題；

5）綜合考慮自動打磨、自動吸塵裝置、自動控溫裝置、自動打包機(jī)等，有效解決自動化的問題。

3.2 主要部件及功能

利用設(shè)計(jì)輔助軟件，對鞋套的組裝開展三維建模。鞋套的組裝生產(chǎn)線的組成部件主要包括懸臂吊、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、打磨房、自動刷膠工裝、自動加熱裝置、鞋套組裝、自動打包機(jī)等。其中，懸臂吊分為散垛和組垛2 臺，解決了人工轉(zhuǎn)運(yùn)、翻轉(zhuǎn)、組垛的問題。打磨房采用封閉專用獨(dú)立房間，配備專業(yè)的大功率吸塵設(shè)施，采用自動打磨機(jī)械，是確保底部打磨平整度的核心組件。自動加熱裝置是有效保證粘膠的黏結(jié)力，確保鞋套、墊板、支承塊三者緊密貼合的重要保障。鞋套的自動組裝生產(chǎn)線整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 鞋套的自動組裝生產(chǎn)線整體結(jié)構(gòu)

3.3 方案實(shí)施

經(jīng)過技術(shù)、質(zhì)管、車間等相關(guān)部門的充分論證，對鞋套的組裝擬定安裝流程、調(diào)試要點(diǎn)、安裝的風(fēng)險(xiǎn)隱患、后續(xù)的操作人員適應(yīng)能力等做出了翔實(shí)的預(yù)判。充分結(jié)合安裝過程各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，采用分步獨(dú)立自制、集中調(diào)試的原則完成現(xiàn)場安裝調(diào)試。

支承塊通過1-1 懸臂吊吊裝到前翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的前轉(zhuǎn)臂上，如圖2所示（圖2 的支承塊是在后翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)，在前翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)是相反180°，前后翻轉(zhuǎn)的原理和結(jié)構(gòu)一樣），通過控制氣缸2-1 首先進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)，然后由氣缸2-2 接力進(jìn)行后翻轉(zhuǎn)90°，完成支承塊的180°翻轉(zhuǎn)，使支承塊底面朝上，后面的打磨、刷膠、烘干、裝鞋套才能順利地進(jìn)行，整個(gè)動作由PLC 程序自動完成。

圖2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意

翻轉(zhuǎn)后的支承塊通過鏈傳動送到1-3 打磨房間進(jìn)行打磨，打磨房間有強(qiáng)勁的引風(fēng)機(jī)和吸塵器將打磨灰塵通過管道送到積塵室進(jìn)行過濾沉淀，打磨房間并沒有灰塵殘留，抽得很干凈，解決了環(huán)境問題和對相鄰工序的粉塵影響。

打磨后的支承塊通過1-4 鏈條傳動裝置被送到1-5 刷膠區(qū)進(jìn)行刷膠。

刷好膠的支承塊通過鏈條傳動裝置送到1-6 烘干區(qū)進(jìn)行烘干，以提高鞋套黏結(jié)質(zhì)量，烘干的溫度是根據(jù)運(yùn)動速度支承塊停留時(shí)間自動進(jìn)行恒溫控制。

刷好膠烘干后的支承塊通過鏈條傳動裝置送到1-7 鞋套安裝區(qū)進(jìn)行鞋套安裝并擠壓貼平（見圖3），主要采用了振動加壓與氣缸頂升的作用，起到擠壓貼平的功能。鞋套需要采用預(yù)刷膠水進(jìn)行預(yù)干好的。

圖3 鞋套安裝并擠壓貼平示意圖

支承塊鞋套安裝好后通過鏈條傳動裝置送到1-8 纏膠帶區(qū)，進(jìn)行支承塊纏膠帶封口。

纏好封口膠后支承塊通過鏈條傳動裝置自動傳到1-9 后翻轉(zhuǎn)區(qū)進(jìn)行支承塊翻轉(zhuǎn)，以便下一道自動打包工序和最后的成品組垛。

1-9 后翻轉(zhuǎn)區(qū)的原理與1-2 前翻轉(zhuǎn)區(qū)一樣，結(jié)構(gòu)稍有不同。

翻轉(zhuǎn)后的支承塊通過輥道送到自動打包機(jī)1-10 進(jìn)行打包，一共打兩道，整個(gè)送料和打包過程都是由PLC 程序控制自動完成，簡化了操作。

支承塊打包完成后，由1-11 懸臂吊進(jìn)行最后的吊裝組垛，完成一條流水線的包裝作業(yè)。

在以上過程中，前后翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動作和最后的自動打包，都是自行編寫的PLC 程序控制，是支承塊包裝線的電氣設(shè)施，是完全實(shí)現(xiàn)該包裝生產(chǎn)線自動化的核心。

4 工序優(yōu)化

在彈性支承塊生產(chǎn)的鞋套包裝主要流程中，以前都基于人工完成，無法明確鞋套包裝的標(biāo)準(zhǔn)化流程。根據(jù)生產(chǎn)過程的工藝特點(diǎn)，確定了散垛—翻轉(zhuǎn)—打磨—刷膠—加熱—裝套靴—纏膠—翻轉(zhuǎn)—打包—碼垛的規(guī)范化流程。

首先，人工操作工序往往是打磨完成后，直接進(jìn)行刷膠，根本無法保證支承塊底面的潔凈，也就無法保證黏結(jié)的牢固性。使用了自動打磨系統(tǒng)后，增加的吹灰裝置就有效地完成了潔凈功能。

其次，加熱的自動控溫裝置采用控溫措施，根據(jù)運(yùn)動速度與支承塊停留時(shí)間，一般溫度控制在60 ℃，嚴(yán)格控制溫度范圍，既讓支承塊在打包線上停留足夠的時(shí)間，不但保證了膠水最佳的使用溫度需求，而且有效地保證了黏結(jié)的牢固性。

再次，裝鞋套的過程中，先由人工裝好鞋套后，再利用擠壓裝置進(jìn)行初步的擠壓，確保黏結(jié)得更加牢固，再加上人工用橡膠錘敲擊鞋套四周及底面，使得該工序黏結(jié)流程更規(guī)范。

最后，采用自動打包工藝，大大提高了打包效率，使得打包效果更加美觀。

總之，由于每塊支承塊的質(zhì)量在150 kg 左右，在沒有制作這條包裝線時(shí)是完全由人工進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，勞動強(qiáng)度大，長時(shí)間的作業(yè)往往超過個(gè)人的承受極限；同時(shí)受場地面積的影響大，打磨區(qū)域、刷膠區(qū)域、烘干區(qū)域、裝鞋套區(qū)域、纏膠帶區(qū)域、人工打包區(qū)域等各個(gè)工序所占的區(qū)間大、范圍寬，并且從上一個(gè)工序到下一個(gè)工序的支承塊轉(zhuǎn)運(yùn)就必須由行車來吊裝，增加了對特種設(shè)備和特種操作人員的要求，安全隱患增加。加之打磨區(qū)域不好除塵，環(huán)境污染不好控制，對操作人員的身體健康有很大影響。經(jīng)過自動化組裝生產(chǎn)線的應(yīng)用，有效地優(yōu)化了鞋套組裝的各環(huán)節(jié)，提高了效率，提高了質(zhì)量，節(jié)約了空間，減輕了勞動強(qiáng)度，杜絕了安全隱患。

5 應(yīng)用成效

將鞋套的組裝生產(chǎn)線應(yīng)用于軌枕生產(chǎn)后，成效顯著。車間技術(shù)人員在安裝好改造設(shè)備后，全程跟蹤了解，積極觀察生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況，及時(shí)掌握現(xiàn)場作業(yè)人員適應(yīng)能力，在長時(shí)間的應(yīng)用過程中，鞋套的組裝生產(chǎn)線應(yīng)用成效如下：

1）勞動效率提高：使鞋套組裝環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了流水線作業(yè)，減少了各種轉(zhuǎn)運(yùn)吊裝、反復(fù)轉(zhuǎn)運(yùn)等環(huán)節(jié)，各個(gè)工序井井有條，有效鏈接。將原來平均每塊支承塊包裝時(shí)間4 min 降低為50 s。

2）成本節(jié)?。涸谠械淖鳂I(yè)過程中，繁重的體力勞動，勞動效率低下，節(jié)約人員每班至少10 人，每塊支承塊直接包裝成本節(jié)約4 元。

3）保證質(zhì)量：自動打磨系統(tǒng)的應(yīng)用，確保了支承塊的底面平整度；自動控溫裝置、自動擠壓鞋套的工藝，保證了膠水黏結(jié)的牢固性；自動打包系統(tǒng)確保了鞋套打包的美觀、整潔。一整套的流水線作業(yè)，使支承塊的打包質(zhì)量提高，整體質(zhì)量得到保證。

4）勞動安全得以保障：在自動打磨系統(tǒng)中，在打磨房內(nèi)對打磨粉塵有效收集處理，有利于環(huán)保和操作人員的健康。優(yōu)化了鞋套包裝工藝，使得打包作業(yè)占地面積減小，避免了各種轉(zhuǎn)運(yùn)吊裝機(jī)械作業(yè)，安全隱患得到有效控制。

6 結(jié)語

鞋套的組裝生產(chǎn)線是彈性支承塊鞋套包裝作業(yè)的重要工裝設(shè)備。隨著鐵路行業(yè)對軌枕生產(chǎn)的自動化、智能化需求不斷提高，以及人們的職業(yè)健康、安全環(huán)保意識不斷增強(qiáng)，生產(chǎn)企業(yè)從節(jié)約成本、減員增效的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)制作鞋套自動包裝生產(chǎn)線，規(guī)范打包作業(yè)工序，對于行業(yè)內(nèi)其他支承塊生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)流程自動化具有參考價(jià)值。