STK-XJ型膠接絕緣夾板生產(chǎn)工藝及優(yōu)化方案研究

陳斌 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 研究背景

在鋪設(shè)跨區(qū)間和區(qū)間無縫線路中，膠接絕緣接頭不僅滿足了軌道電路閉塞分區(qū)的分隔需要，而且減少了列車輪對(duì)在接頭處的沖擊與振動(dòng)，延長(zhǎng)了輪、軌部件的使用壽命，為強(qiáng)化軌道結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用，大大提高了列車運(yùn)行的安全性和舒適性。

STK-XJ型膠接絕緣接頭產(chǎn)品于2003年完成研制，通過上海鐵路局科技成果鑒定，并在上海局和南昌局連續(xù)推廣應(yīng)用至今，于2013年第一批通過CRCC鐵路產(chǎn)品認(rèn)證。多年來，STK-XJ型現(xiàn)場(chǎng)膠接絕緣接頭產(chǎn)品通過不斷的技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化，以其穩(wěn)定性、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、維護(hù)工作量小的優(yōu)勢(shì)，備受國(guó)鐵集團(tuán)各單位和現(xiàn)場(chǎng)施工人員的肯定。

國(guó)鐵集團(tuán)自2021年開展膠接絕緣接頭產(chǎn)品聯(lián)合采購招標(biāo)以來，國(guó)產(chǎn)化、高質(zhì)量膠接絕緣接頭產(chǎn)品越來越受到國(guó)鐵集團(tuán)和各使用單位歡迎，STK-XJ型膠接絕緣接頭產(chǎn)品產(chǎn)銷量從2018年不足8 000套增長(zhǎng)到2022年預(yù)計(jì)超過4萬套，而2021年產(chǎn)能剛剛突破15 000套（圖1所示）。近年來，全路膠接絕緣接頭產(chǎn)品年采購量近十萬套，且隨著鐵路新線不斷投入運(yùn)營(yíng)，站場(chǎng)到發(fā)線無縫化改造，膠接絕緣接頭需求不斷增加，接頭產(chǎn)品市場(chǎng)前景廣闊。目前通過CRCC認(rèn)證的膠接絕緣接頭生產(chǎn)企業(yè)一共16家，生產(chǎn)帶槽形鋼板和無槽形鋼板兩種結(jié)構(gòu)型式的膠接絕緣夾板，其中12家生產(chǎn)帶槽形鋼板的膠接絕緣夾板。國(guó)鐵集團(tuán)按照不同規(guī)格不同型式的產(chǎn)品分包件進(jìn)行招標(biāo)，目前采購的主流產(chǎn)品均為帶槽形鋼板結(jié)構(gòu)的膠接絕緣夾板，且中標(biāo)限價(jià)和中標(biāo)價(jià)格均遠(yuǎn)高于無槽形鋼板結(jié)構(gòu)的膠接絕緣夾板。

圖1 STK-XJ型膠接絕緣接頭產(chǎn)品生產(chǎn)銷售情況圖

目前STK-XJ型膠接絕緣夾板的生產(chǎn)過程存在人工推行簡(jiǎn)易車架實(shí)現(xiàn)夾板轉(zhuǎn)運(yùn)及上下料、手動(dòng)清除余膠、手持電動(dòng)工具打磨、通用量具檢驗(yàn)等操作，各個(gè)工序區(qū)分散、銜接不通暢，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度低及管理方式低效等諸多問題。為此，亟需對(duì)現(xiàn)有膠接絕緣夾板生產(chǎn)模式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提升產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)水平，提高產(chǎn)品產(chǎn)能與質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

2 工藝分析

2.1 產(chǎn)品組成

STK-XJ型膠接絕緣夾板采用“夾板-絕緣槽板-槽形鋼板”三種材質(zhì)組合結(jié)構(gòu)，其中夾板提供主要力學(xué)性能，確保線上行車安全；絕緣槽板提供絕緣性能，避免軌道信號(hào)聯(lián)通造成紅光帶；槽形鋼板保護(hù)膠接面，提高膠接強(qiáng)度。

原材料夾板選用熱處理后的40Cr合金鋼通過數(shù)控機(jī)床全斷面加工成型，其力學(xué)性能優(yōu)于TB/T 2975-2018關(guān)于夾板的要求（見表1），同時(shí)夾板采用上下加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，可以滿足接頭在2×106次疲勞試驗(yàn)下跨中截面向上和向下位移值不超過同鋼種、同軌型鋼軌測(cè)試值的110%。

表1 40Cr夾板力學(xué)性能

槽形鋼板選用優(yōu)質(zhì)304不銹鋼板沖壓制成，不僅可保護(hù)固化成型后的絕緣膠層在運(yùn)輸和安裝過程中不致被損壞，同時(shí)，帶槽形鋼板結(jié)構(gòu)的膠接絕緣夾板與無槽形鋼板的膠接絕緣夾板相比，通過槽形鋼板與鋼軌粘接比絕緣膠層與鋼軌粘接強(qiáng)度更高，接頭的剪切強(qiáng)度會(huì)更高。

絕緣槽板主要由改性環(huán)氧膠片和無堿纖維布加工制作而成，加熱到一定溫度固化后將夾板與槽形鋼板粘接在一起，并形成絕緣層，具有良好的絕緣性能，用1 000 V的兆歐表檢測(cè)干燥狀態(tài)下膠接絕緣夾板電阻值大于100 MΩ。

2.2 現(xiàn)有生產(chǎn)工藝

膠接絕緣夾板生產(chǎn)過程分為三個(gè)部分，分別為：原材料預(yù)處理、熱固化關(guān)鍵過程、后端處理。其中原材料預(yù)處理包括夾板噴砂、絕緣槽板制作和槽形鋼板打磨等，熱固化關(guān)鍵工序部分包括關(guān)鍵原材料的組裝、上模組裝、進(jìn)爐熱固化等，后端處理主要包含脫模后的余膠清理、半成品加工、成品檢驗(yàn)和打標(biāo)包裝等工序，圖2為生產(chǎn)工藝流程圖。

圖2 膠接絕緣夾板生產(chǎn)工藝流程圖

目前膠接絕緣夾板生產(chǎn)工藝操作以手動(dòng)為主，采用簡(jiǎn)易設(shè)備如打包機(jī)、氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)刻印、角磨機(jī)打磨輔助，配合少量大型設(shè)備如噴砂機(jī)、熱固化烘箱完成指定工序，因此效率受限。

2.3 檢驗(yàn)方式

STK-XJ型膠接絕緣接頭產(chǎn)品嚴(yán)格按照鐵標(biāo)TB/T 2975-2018和制定的工藝文件要求，對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)均進(jìn)行控制，目前檢驗(yàn)方式包括進(jìn)貨檢驗(yàn)、過程檢驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)。進(jìn)貨檢驗(yàn)按照各項(xiàng)規(guī)程對(duì)原材料進(jìn)行抽檢，生產(chǎn)過程檢驗(yàn)包括對(duì)關(guān)鍵原材料尺寸逐檢、夾板噴砂后表面粗糙度檢測(cè)、溫度和時(shí)間控制，出廠檢驗(yàn)包含了成品幾何尺寸、電絕緣性能和膠接狀態(tài)檢測(cè)，除此以外，還需要定期抽檢原材料和成品送第三方機(jī)構(gòu)檢測(cè)，以此驗(yàn)證自檢的有效性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，膠接絕緣接頭作為CRCC認(rèn)證產(chǎn)品，還需要接受中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心的年度監(jiān)督審核和國(guó)鐵集團(tuán)定期組織的產(chǎn)品飛行檢查，檢查方法為隨機(jī)抽樣制作成膠接絕緣接頭按照TB/T 2975-2018要求進(jìn)行各項(xiàng)型式試驗(yàn)檢測(cè)。日常生產(chǎn)檢驗(yàn)中使用的工具包括拉力試驗(yàn)機(jī)、硬度計(jì)、粗糙度儀、上下限檢測(cè)卡具、游標(biāo)卡尺、兆歐表、萬用表等，工具的通用性、靈活性高但效率較低，未形成定制檢測(cè)方案。

3 方案改進(jìn)

3.1 改進(jìn)目標(biāo)

按照今后每年6萬套膠接絕緣接頭的銷售量，即需生產(chǎn)12萬塊膠接絕緣夾板，扣除節(jié)假日和設(shè)備檢養(yǎng)休時(shí)間，按照240個(gè)工作日測(cè)算日產(chǎn)量需要達(dá)到500塊。通過工藝流程的優(yōu)化，使工作量均衡，可以減少等待、加工以及庫存的浪費(fèi)，優(yōu)化人與機(jī)器的配合，提高整個(gè)生產(chǎn)過程的工作效率，通過改善加工方式，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、操作難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 改進(jìn)方法

目前生產(chǎn)工藝最大的問題在于手動(dòng)操作步驟過多，靈活性強(qiáng)而效率低下，不利于產(chǎn)業(yè)化增量。因此改進(jìn)的方向是按照成熟的工藝路線添加定制化、自動(dòng)化設(shè)備，并做好工藝之間的銜接。生產(chǎn)效率低下的另一方面原因主要在于無法縮減的固化和預(yù)熱時(shí)間沒有合理利用，各工序之間的銜接有明顯的等待流轉(zhuǎn)過程，致使高效率工序例如噴砂工序不能足時(shí)運(yùn)作，低效率的工序如組裝和固化嚴(yán)重影響了其他工序的進(jìn)度。

對(duì)于增設(shè)定制化、自動(dòng)化設(shè)備的方案包括：

（1）檢驗(yàn)的自動(dòng)化

由于原材料和成品的型號(hào)規(guī)格已經(jīng)定型，針對(duì)各關(guān)鍵尺寸的檢測(cè)自動(dòng)化可行度非常高，可以利用龍門式測(cè)量機(jī)（圖3）進(jìn)行尺寸逐檢，將尺寸數(shù)據(jù)輸出，通過單片機(jī)控制，將超標(biāo)尺寸的材料和合格材料利用機(jī)械臂區(qū)分堆垛。此過程可將檢驗(yàn)工序效率提高至噴砂工序等速，完成二者的銜接。

圖3 龍門式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x

（2）打磨工序的定制化

槽形鋼板和膠接絕緣夾板半成品的打磨工序均為定尺寸打磨，通過定制打磨用工裝和磨具即可完成，磨具的設(shè)計(jì)方案是針對(duì)夾板截面形狀排布刀具和砂輪位置，使之呈現(xiàn)出貼合膠接面的輪廓形狀；磨具的傳動(dòng)軸部分利用彈條進(jìn)行加壓，使打磨時(shí)能夠緊貼加工面；然后利用輸送帶將工件通過箱式打磨區(qū)域即可完成膠接面打磨，且確保膠接面100%打磨無遺漏。

（3）噴砂工藝的自動(dòng)控制（見圖4）

圖4 噴砂自動(dòng)控制流程圖

噴砂設(shè)備和檢驗(yàn)設(shè)備的工作效率較高，在低生產(chǎn)量的情況下需要等待后續(xù)設(shè)備的工作情況，且檢驗(yàn)工序需要將不合格品區(qū)分堆放。在各個(gè)工序之間需要進(jìn)行工況的反饋，并通過PLC控制各個(gè)工序之間的協(xié)調(diào)工作。

具體將反饋點(diǎn)設(shè)定在兩個(gè)工序之間的暫存區(qū)，檢索暫存區(qū)的工件放置狀態(tài)，如果暫存區(qū)閑置，說明工件已流轉(zhuǎn)至下一工序、或質(zhì)檢不合格未堆放至?xí)捍鎱^(qū)，此時(shí)反饋給開始機(jī)構(gòu)，開始工序過程；如暫存區(qū)有工件滯留，說明下一道工序未完成，需要暫停本工序，等待后續(xù)工序；此時(shí)則將反饋信號(hào)發(fā)送至本工序完成階段，經(jīng)過一定時(shí)間后再次對(duì)暫存區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。

暫存區(qū)的檢測(cè)可以通過重量感應(yīng)或光感應(yīng)進(jìn)行，由于光感應(yīng)容易受到影響，且工件重量大，工位相對(duì)固定，重量感應(yīng)更適合用于進(jìn)行檢測(cè)反饋。

除了新增定制化、自動(dòng)化設(shè)備之外，需要對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)熱、固化與脫模工藝時(shí)間重新排序，摒棄以往使用的同進(jìn)同出、一次定時(shí)的方案，改為分時(shí)進(jìn)出、時(shí)刻流轉(zhuǎn)的方法。將脫模工藝的操作效率A=4塊/10 min與噴砂效率B=2塊/min、自動(dòng)化打磨效率C=1塊/min做調(diào)配，使10A=2B=4C成立，以此方案搭配三道工藝的設(shè)備數(shù)量為5：1：2；又固化時(shí)間為120min，烘箱的預(yù)留數(shù)量需要達(dá)到120 min/10 min×5個(gè)=60個(gè)，同時(shí)以10 min為間隔進(jìn)行固化操作（烘箱數(shù)量必須大于12個(gè)），確保每一道工序均無滯留的情況，以此提高效率，此時(shí)效率可達(dá)2.4塊/min。按照每日工時(shí)8 h計(jì)算，如需日產(chǎn)量達(dá)到500塊，工藝效率需要達(dá)到1.04塊/min，即如上所計(jì)算，需要以該設(shè)備的44%效率工作，即26個(gè)烘箱和44%效率的噴砂設(shè)備和88%效率的打磨設(shè)備。

4 生產(chǎn)車間布局

生產(chǎn)車間依據(jù)各工序串/并行先后邏輯順序，遵循各工序區(qū)功能清晰、區(qū)界分明、銜接通暢、安全易控、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的原則進(jìn)行流水化布局，圖5為生產(chǎn)車間平面布局總體示意圖。

圖5 車間生產(chǎn)布局圖

將整個(gè)生產(chǎn)車間劃分為幾個(gè)區(qū)塊，這些區(qū)塊根據(jù)工序先后順序銜接在一起，分別是原材料檢驗(yàn)區(qū)→噴砂區(qū)→熱固化操作區(qū)→半成品處理區(qū)→成品檢驗(yàn)區(qū)→包裝區(qū)。這些區(qū)塊之間利用機(jī)械臂、自動(dòng)小車和傳送帶進(jìn)行材料的流轉(zhuǎn)輸送，路線順序清晰而無交叉，非常適合流水線式的操作和管理。操作人員可以從繁雜的運(yùn)送、堆垛、裝卸等工作中解放出來，全力確保工藝過程符合標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)束語

為解決目前膠接絕緣夾板生產(chǎn)中存在的問題，從生產(chǎn)工序工藝優(yōu)化、生產(chǎn)設(shè)備機(jī)械化水平提高、檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用等方面思考，提出了膠接絕緣夾板生產(chǎn)優(yōu)化方案。目標(biāo)是集成最先進(jìn)的設(shè)備和工藝，打造成全國(guó)自動(dòng)化、智能化、規(guī)?；潭茸罡叩哪z接絕緣夾板生產(chǎn)基地，持續(xù)深化生產(chǎn)要素、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域的突破創(chuàng)新，為膠接絕緣接頭的推廣應(yīng)用和轉(zhuǎn)型升級(jí)提供有力支撐。該項(xiàng)目的順利推進(jìn)對(duì)構(gòu)建和提升全局科技成果產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移和推廣具有重要意義，未來膠接絕緣接頭產(chǎn)品隨著中國(guó)高鐵走出國(guó)門，為上海局高質(zhì)量發(fā)展作出新的貢獻(xiàn)。