底架組裝工裝模塊化設(shè)計與應(yīng)用

張孝然，肖博玉

（中車唐山機車車輛有限公司，唐山 064000）

0 引言

近年來中國軌道客車行業(yè)飛速發(fā)展，軌道客車運行速度越來越快、功能越來越多樣化。為適應(yīng)市場需求變化，車體底架結(jié)構(gòu)持續(xù)升級優(yōu)化、底架制造標準不斷提高。中國制造2025中也將先進軌道交通裝備作為十大重點領(lǐng)域之一。為響應(yīng)國家號召，公司提出高品質(zhì)低成本車體制造項目。底架是車體主要大部件之一，高品質(zhì)低成本底架制造是實現(xiàn)本項目的關(guān)鍵。本文重點從底架工藝裝備更替升級的方向研究如何實現(xiàn)高品質(zhì)低成本底架制造。

1 底架結(jié)構(gòu)與制造工藝

經(jīng)過多年的軌道客車發(fā)展，目前軌道客車已經(jīng)發(fā)展為多種系列多種車型。按照市場需求及制造批量可劃分兩大類，第一類：大鐵路客車（25G、25T、160車），第二類：小品種特殊車型（出口安哥拉車、出口古巴車、雙層車、運輸車、檢測車等）。目前大鐵路客車車體底架結(jié)構(gòu)系列化較好整體框架結(jié)構(gòu)相似；小品種特殊車型車體底架結(jié)構(gòu)差異性較大。依據(jù)公司近幾年生產(chǎn)現(xiàn)狀，大鐵路客車占整體比例超過70%是后續(xù)方案研究優(yōu)化的重點，同時需要兼顧小品種車的多類型小批量生產(chǎn)需求。

1.1 底架結(jié)構(gòu)介紹

底架是筒型車體結(jié)構(gòu)的重要組成部件，其是車輛承載的主要部件、車下與車內(nèi)分割部件、車下設(shè)備連接的主要部件。底架的結(jié)構(gòu)按照功能可劃分為底架框架、底架地板、底架附件三種功能單元。通過以上三種功能單元的配合，組成了完整的底架結(jié)構(gòu)。后續(xù)介紹以大鐵路客車標準車型160車為示例。

底架框架由牽枕緩、邊梁、橫梁、縱梁、底架連接件組成。牽枕緩為模塊化結(jié)構(gòu)包括枕梁、牽引梁、緩沖梁等結(jié)構(gòu)組成，其是整個底架部分與轉(zhuǎn)向架連接部件、車鉤安裝部位，是整個車體運行、連掛最重要的部件。底架地板由枕外鐵地板、枕梁上蓋板、枕內(nèi)波紋地板組成。底架附件由車下吊座、車電制動附件、鐵地板附件等組成。底架整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 底架結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 底架制造工藝介紹

依據(jù)公司目前制造工藝方案，底架制造主要由次部件制造、底架組成產(chǎn)線制造兩個工區(qū)進行。次部件制造為底架的各級零部件備料工序，包括下料、折彎、加工、次部件組裝焊接等工序完成。底架組成產(chǎn)線制造由底架組裝、底架焊接、底架調(diào)修三個工序構(gòu)成。底架組成工藝流程如圖2示所示。

圖2 底架組成工藝流程

底架組裝工序需要進行牽枕緩、邊梁、橫梁、縱梁、地板、底架連接件等部件的定位組裝，整體零部件數(shù)量多、組裝精度要求高。底架組裝工序是底架組成產(chǎn)線制造三工序中工作量最大、操作最復(fù)雜的工序，同時也是決定底架尺寸最重要的工序。為此，在底架工藝提升中，提升底架組裝工序制造能力是關(guān)鍵一環(huán)。底架組裝工裝是底架組裝工序最關(guān)鍵的工藝裝備，底架組裝工裝的性能直接影響底架組裝工序的生產(chǎn)效率及質(zhì)量。從底架組裝工裝升級應(yīng)用是實現(xiàn)高品質(zhì)低成本底架制造的關(guān)鍵因素。

2 底架組裝工裝模塊化設(shè)計

2.1 模塊化技術(shù)介紹

模塊化設(shè)計是提高產(chǎn)品性能的一個重要的基本技術(shù)。模塊化設(shè)計可提升產(chǎn)品可升級性，可重用性和可回收性。針對產(chǎn)品設(shè)計，產(chǎn)品模塊化具有簡化產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)和提高裝配效率的優(yōu)點。在產(chǎn)品設(shè)計中，確定產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)構(gòu)是初始設(shè)計階段考慮產(chǎn)品需求的關(guān)鍵程序之一[1]。工裝設(shè)計采用模塊化，可實現(xiàn)工裝各個功能模塊靈活匹配。當整體結(jié)構(gòu)或局部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，模塊化設(shè)計的工裝能夠快速調(diào)整結(jié)構(gòu)，僅特殊部位進行部件調(diào)整更換，縮短工裝設(shè)計周期、節(jié)省工裝設(shè)計制造成本[2]。

2.2 工裝模塊化設(shè)計

底架組裝工裝的模塊化設(shè)計，應(yīng)符合底架制造工藝的要求。首先，分析不同類型車輛底架的結(jié)構(gòu)形式，確定底架組裝工裝功能需求，包括工裝調(diào)整的尺寸范圍和結(jié)構(gòu)特點等。第二，對生產(chǎn)中涉及到的不同底架結(jié)構(gòu)分析，按照底架結(jié)構(gòu)模塊劃分原則對底架組裝工裝進行模塊劃分，確定出底架組裝工裝的相關(guān)模塊。第三，對底架工裝依據(jù)各模塊功能單獨進行工裝模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，模塊設(shè)計時預(yù)留出各模塊之間的接口，并繪制各模塊模塊結(jié)構(gòu)圖。第四，按照底架組裝工裝各模塊間的相互關(guān)系，進行模塊組合，組合中可依據(jù)情況對模塊接口形式進行調(diào)整優(yōu)化，確保工裝整體一致性。模塊化工裝的設(shè)計流程如圖3所示:

圖3 模塊化底架組裝工裝設(shè)計流程

2.2.1 底架組裝工裝功能分析

底架組裝工裝作為底架組裝工序的載體工藝裝備，在功能上可分為以下三個方面。

1）基本功能：底架生產(chǎn)過程中，滿足牽枕緩、邊梁、橫梁、縱梁、地板、車下吊座等組裝定位、壓緊需求，滿足部件的組裝點固空間位置需求。

2）高質(zhì)高效功能：底架組裝工序生產(chǎn)中，各定位裝置需定位準確操作簡單、壓緊裝置需壓緊牢固操作簡單，底架組裝工序完成后快速去除各項限制裝置，方便底架吊運出工裝。

3）柔性化功能：底架組裝工裝可滿足不同類型底架組裝工序需求，即滿足不同長度、不同寬度的底架在同一套設(shè)備進行底架組裝需求，提升工裝柔性化，提升底架組裝工裝的使用率。

目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的底架組裝工裝基本功能都可滿足，高質(zhì)高效功能在不同結(jié)構(gòu)工裝存在一定差異，但工裝柔性化功能普遍較低。當進行特殊小品種車底架生產(chǎn)時，需要新采購底架組裝工裝，整體費用高、時效性低、工裝利用率低。在本底架組裝工裝設(shè)計中應(yīng)用模塊化設(shè)計理念，確保底架組裝工裝同時具有以上三方面的功能，用1套底架組裝工裝滿足后續(xù)所有類型底架組裝工序生產(chǎn)需求。

2.2.2 底架組裝工裝模塊劃分

從模塊化劃分的角度既要考慮滿足大部分顧客所需產(chǎn)品功能的需求，而且還需考慮不同用戶對不同產(chǎn)品的個性化要求[3]；同時模塊劃分時又不能使模塊的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜和昂貴，以免提高制造的難度和成本[4]。

底架組裝工裝應(yīng)具有的三個方面功能，同時依據(jù)產(chǎn)品模塊化劃分的原則，將底架組裝工裝劃分為5個模塊。5個模塊分別為：整體框架模塊、牽枕緩組裝模塊、中部支撐框架模塊、部件定位裝置模塊、底架中心標識模塊。

整體框架模塊是底架組裝工裝主體模塊，其是工裝與地面的連接模塊，同時起到對邊梁、橫梁等支撐、壓緊作用；牽枕緩組裝模塊是底架組裝工裝兩端的部分，起到保證牽枕緩組成部件組裝、定位、壓緊的功能；中部支撐框架模塊是底架組裝工裝的中間模塊，起到對底架中間各種縱梁、底架連接件、車下吊鉤等的支撐功能；部件定位裝置模塊是底架組裝工裝柔性化功能單元，可依據(jù)不同的單位需求靈活設(shè)計各種定位裝置，起到底架各種橫梁、縱梁等零部件定位功能；底架中心標識模塊是底架組裝工裝的基準模塊，起到為整個工裝及組裝工序提供基準位置的功能。

2.2.3 底架組裝工裝模塊設(shè)計

底架組裝工裝的模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計按照模塊劃分進行。依據(jù)模塊劃分及各模塊的功能，確定出底架組裝工裝的整體結(jié)構(gòu)布局方案如圖4所示。整體結(jié)構(gòu)圖明確了各個模塊的相互關(guān)系，為各模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了基本的結(jié)構(gòu)信息。其中部件定位裝置模塊沒有固定的位置，可根據(jù)部件定位需求布置。

圖4 底架組裝工裝整體結(jié)構(gòu)布局圖

1）整體框架模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計：整體框架模塊由地基軌道（件號1）、氣動頂緊壓緊機構(gòu)（件號2）、頂緊機構(gòu)（件號3）、手工壓緊機構(gòu)（件號4）、整體框架（件號5）、支撐T型槽（件號6）六部分組成。地基軌道是底架組裝工裝與地面連接件，其布置了橫向行走T型槽，可實現(xiàn)工裝寬度范圍調(diào)整；整體框架是地基軌道與上部結(jié)構(gòu)的連接件，由T型槽、齒條結(jié)構(gòu)構(gòu)成。通過T型槽、齒條結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)上側(cè)的氣動頂緊壓緊機構(gòu)、頂緊機構(gòu)在工裝全長度范圍內(nèi)調(diào)整移動。氣動頂緊壓緊機構(gòu)、頂緊機構(gòu)、手工壓緊結(jié)構(gòu)三個結(jié)構(gòu)共同起到邊梁的定位、壓緊功能。整體框架模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 整體框架模塊示意圖

2）牽枕緩組裝模塊：牽枕緩組裝模塊需滿足牽枕緩組成的各項組裝、壓緊需求。牽枕緩組裝模塊由枕梁定位支撐裝置（件號1）、緩沖梁定位壓緊裝置（件號2）、牽引梁定位支撐（件號3）、滑動軌道（件號4）四部分組成。枕梁定位支撐裝置采用中心銷定位（四分之一圓銷），并采用枕梁下面平臺支撐結(jié)構(gòu)形式。緩沖梁定位壓緊裝置，通過端部頂緊實現(xiàn)底架長度的控制、通過上部壓緊裝置實現(xiàn)牽枕緩壓緊。滑動軌道是本模塊柔性設(shè)計的一部分，當?shù)准荛L度變化，牽枕緩組裝位置變化后，前3個部分都可以在滑動軌道進行縱向移動，滿足不同長度底架使用需求。牽枕緩組裝模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 牽枕緩組裝模塊示意圖

3）中部支撐框架模塊：中部支撐模塊需實現(xiàn)對底架中間部位各零部件（橫梁、縱梁等）的支撐作用，中心支撐框架模塊由T型槽鑄鐵結(jié)構(gòu)（件號1）、支撐框架結(jié)構(gòu)（件號2）兩部分組成。T型槽鑄鐵結(jié)構(gòu)為橫梁、縱梁等底架中間部位零部件支撐件，T型槽的結(jié)構(gòu)方便布置各種橫梁、縱梁定位裝置布置。中部構(gòu)架模塊示意圖如圖7所示。

圖7 中部框架模塊示意圖

4）底架中心標識模塊：底架中心標識模塊是底架組裝工裝及底架組裝工序的尺寸基準。底架中心標識模塊由縱向中心標識（件號1）、枕梁中心標識（件號2）、橫向中心標識（件號3）、橫向中心拉線裝置（件號4）四部分組成。在底架組裝工序，通過中心標識可以有效的為部件組裝提供尺寸基準，確保組裝尺寸正確性。底架中心標識模塊布置如圖8所示。

圖8 底架中心標識模塊示意圖

5）部件定位裝置模塊：部件定位裝置模塊由多種多樣的零部件定位裝置組成，包括橫梁定位裝置、縱梁定位裝置、車下吊座定位裝置、裙板吊座定位裝置等。部件定位裝置結(jié)構(gòu)形式根據(jù)連接位置設(shè)計出相關(guān)接口，常用的幾種部件定位裝置如圖9所示。

圖9 常用部件定位裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 底架組裝工裝模塊組合

底架組裝工裝由5模塊共同組成，對5個模塊三維圖紙進行組合，組合后底架組裝工裝整體結(jié)構(gòu)如圖10所示。底架組裝工裝的主要技術(shù)參數(shù)及底架應(yīng)用范圍如表1所示。

圖10 底架組裝工裝整體結(jié)構(gòu)圖

表1 底架組裝工裝主要技術(shù)參數(shù)

2.3 底架組裝工裝模擬仿真模擬應(yīng)用

底架組裝工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，在實際工裝圖紙定版生產(chǎn)前，采用三維軟件進行底架組裝工序模擬組裝，通過模擬組裝過程分析各模塊的匹配性、組裝工序的可操作性、底架吊運出入底架組裝工裝的便利性等。底架組裝工裝在底架組裝完成后狀態(tài)如圖11所示（圖中隱藏底架地板）。通過以上模擬組裝過程分析，底架組裝工裝具有設(shè)定的三項功能，達成了工裝設(shè)計目標。

圖11 底架組裝完成后底架組裝工裝狀態(tài)圖

3 底架組裝工裝生產(chǎn)應(yīng)用及優(yōu)化

3.1 底架組裝工裝生產(chǎn)應(yīng)用

底架組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，進行了工裝制造及現(xiàn)場安裝調(diào)試，并首次應(yīng)用于160車型底架組裝生產(chǎn)。在首批次底架生產(chǎn)中取得了預(yù)期的效果，底架組裝工序工作效率提升15%、底架組裝質(zhì)量明顯提升。底架組裝工裝更換前后分別跟蹤記錄1列車底架生產(chǎn)過程，人工效率及底架交付質(zhì)量詳細對比如表2，底架組裝工裝生產(chǎn)應(yīng)用狀態(tài)如圖12所示。

圖12 底架組裝工裝生產(chǎn)應(yīng)用狀態(tài)圖

表2 底架組裝工裝對照表

第二批次應(yīng)用于小品種車型（出口安哥拉車）生產(chǎn)，由于底架長度、寬度、枕中長度變化，底架組裝工裝各模塊分別進行了調(diào)整，調(diào)整后順利應(yīng)用于底架生產(chǎn)。

3.2 底架組裝工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

在第二次小品種車批量生產(chǎn)時，底架組裝工裝由于底架枕中長度變化，引起枕梁中心標識調(diào)整。由于中心基準尺寸調(diào)整要求高、調(diào)整過程工作量大。為此依據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用需求，進行枕梁中心標識的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，原有的枕梁中心標識設(shè)定為固定枕梁中心標識，同時在牽枕緩組裝模塊增加配置活動枕梁中心標識（僅非標準枕中長度使用）。大鐵路客車或標準枕中長度車輛底架生產(chǎn)時，以固定枕梁中心標識為準，特殊底架結(jié)構(gòu)需要進行枕梁中心標識位置變化時，調(diào)整牽枕緩模塊新增加的枕梁中心標識，滿足特殊車輛枕梁中心組裝基準需求。

通過以上枕梁中心標識結(jié)構(gòu)優(yōu)化，底架組裝工裝柔性化更好，在特殊結(jié)構(gòu)底架生產(chǎn)時，底架組裝工裝的調(diào)整工作量更小。

4 結(jié)語

目前底架組裝工裝已經(jīng)先后應(yīng)用于4批次，超過200輛車車體底架生產(chǎn)，取得了預(yù)期的效果。后續(xù)將以本工裝的模塊化設(shè)計及工裝升級為示范，逐步推向車體車間其他工藝裝備。通過工藝裝備設(shè)計理念的升級，逐步實現(xiàn)全車體車間的高品質(zhì)低成本車體制造指標。