重載鐵路貨車轉(zhuǎn)向架智能檢修系統(tǒng)研制

王文剛

（神華鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100120）

轉(zhuǎn)向架是鐵路貨車最重要部件，轉(zhuǎn)向架的檢修質(zhì)量直接與行車安全息息相關(guān)。鐵路貨車轉(zhuǎn)向架檢修按照檢修工藝需要經(jīng)過一系列的分解、檢修、組裝工序。目前鐵路貨車轉(zhuǎn)向架一般采用流水線形式進(jìn)行檢修，轉(zhuǎn)向架在流水線上進(jìn)行傳輸，在流水線設(shè)置一系列檢修工位，各工位由操作者手工或者利用輔助檢修工裝設(shè)備，進(jìn)行分解、檢修和組裝作業(yè)。國內(nèi)鐵路貨車轉(zhuǎn)向架檢修已經(jīng)采用了目前國內(nèi)最先進(jìn)的檢修流水線和檢修設(shè)備，但總體而言檢修裝備的自動(dòng)化程度還較低，主要檢修、分解和組裝工位的檢修作業(yè)大多仍然采用傳統(tǒng)人工作業(yè)方式，這種大量依靠人力的操作方式檢修效率低，操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢修質(zhì)量受到制約，同時(shí)存有較大的安全隱患。隨著近年來重載鐵路貨車（例如采用30t大軸重的KM98等）開始投入運(yùn)行，為保障安全運(yùn)營，重載列車對轉(zhuǎn)向架檢修的要求更高，而采用目前的轉(zhuǎn)向架檢修方式， 檢修質(zhì)量不易提高，轉(zhuǎn)向架檢修系統(tǒng)靈活性差。在國外，澳大利亞的必和必拓公司（BHPBilliton）新建了鐵路貨車檢修車間，采用AGV進(jìn)行配送和利用信息化管理，實(shí)現(xiàn)了比較先進(jìn)的轉(zhuǎn)向架檢修方式。

1 檢修系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前轉(zhuǎn)向架檢修主要存在4個(gè)方面的問題：檢修設(shè)備自動(dòng)化水平低；檢修配件輸送方式落后；勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作人員多，存在較大的安全隱患；缺乏完善的檢修管理系統(tǒng)。

1.1 檢修設(shè)備自動(dòng)化水平低

目前，貨車轉(zhuǎn)向架檢修過程中的主要工位的檢修作業(yè)大多仍采用人工作業(yè)方式，輔助檢修工裝設(shè)備自動(dòng)化程度較低。

下心盤組裝作業(yè)（見圖1）需要操作者利用心盤吊具將下心盤吊裝到搖枕上，手動(dòng)調(diào)整下心盤到位，人工將8套心盤螺栓預(yù)裝好，手動(dòng)將下心盤扳機(jī)移動(dòng)過來，至少2名操作者進(jìn)行扳機(jī)與心盤螺栓對位，對位完畢后2名操作者利用螺母固定裝置固定住螺母，啟動(dòng)下心盤扳機(jī)進(jìn)行4組螺栓緊固，擰緊完成后，操作者還需要比較費(fèi)力地將螺母固定裝置取下，然后再用同樣的方法進(jìn)行另外4組螺栓的緊固操作。因此，由于下心盤檢修工裝設(shè)備自動(dòng)化程度低，整個(gè)下心盤組裝作業(yè)過程比較煩瑣，操作者勞動(dòng)強(qiáng)度高，檢修效率低下。

圖1 下心盤組裝作業(yè)

另外，在轉(zhuǎn)向架檢修過程中的分解組裝工位，進(jìn)行承載鞍、制動(dòng)梁、枕簧等分解組裝作業(yè)時(shí)，均需配置多名操作者，利用手工或采用平衡吊輔助來進(jìn)行分解組裝作業(yè)，作業(yè)強(qiáng)度大，操作煩瑣。

1.2 檢修配件輸送方式落后

目前轉(zhuǎn)向架檢修過程中包括下心盤、承載鞍、制動(dòng)梁、拉板拉條、枕簧、斜鍥等主要配件均需要操作者操作運(yùn)輸車或利用叉車來進(jìn)行配件輸送，這樣的運(yùn)輸方式不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且使生產(chǎn)車間比較雜亂，影響生產(chǎn)安全，同時(shí)，也不利于對配件進(jìn)行自動(dòng)化管理。

1.3 勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作人員多，存在較大的安全隱患

檢修作業(yè)和配件配送主要采用人工進(jìn)行，需要操作人員較多，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大；并且由于操作人員與叉車、天車等經(jīng)常交叉作業(yè)，存在較大的安全隱患。

1.4 缺乏完善的檢修管理系統(tǒng)

目前，貨車轉(zhuǎn)向架檢修過程中缺乏完善的生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，無法進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)備診斷、生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)生產(chǎn)協(xié)調(diào)和調(diào)度等。

2 檢修系統(tǒng)研制

2.1 自動(dòng)化檢修設(shè)備

2.1.1 下心盤自動(dòng)分解、組裝設(shè)備

下心盤自動(dòng)組裝設(shè)備包括轉(zhuǎn)向架自動(dòng)定位裝置、下心盤全自動(dòng)螺栓緊固裝置、控制系統(tǒng)等?？梢詫?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架自動(dòng)對位，心盤螺栓自動(dòng)對位緊固等心盤組裝作業(yè)，實(shí)現(xiàn)心盤組裝高度智能化。

下心盤自動(dòng)組裝設(shè)備安裝在龍門結(jié)構(gòu)的主機(jī)框架上，轉(zhuǎn)向架進(jìn)入工位后，轉(zhuǎn)向架自動(dòng)定位裝置對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行精確對中定位，（智能配件輸送系統(tǒng)已將選配好的下心盤輸送到下心盤組裝工位），下心盤吊裝機(jī)器人從智能運(yùn)載架上定位和吊裝下心盤，把下心盤吊裝到轉(zhuǎn)向架搖枕位，預(yù)裝上心盤螺栓后，下心盤全自動(dòng)螺栓緊固裝置自動(dòng)移動(dòng)到下心盤上方，進(jìn)行下心盤螺栓緊固，8組下心盤螺栓緊固完成后自動(dòng)離開，整個(gè)心盤組裝過程實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化。

下心盤全自動(dòng)螺栓緊固裝置采用四軸伺服擰緊裝置加上高精度扭矩傳感器來進(jìn)行螺栓緊固的閉環(huán)控制。下心盤自動(dòng)分解設(shè)備與組裝設(shè)備如圖2所示。

圖2 下心盤自動(dòng)分解、組裝設(shè)備

2.1.2 枕簧自動(dòng)檢測分選設(shè)備

枕簧自動(dòng)檢測分選設(shè)備實(shí)現(xiàn)枕簧檢測、選配、預(yù)組裝作業(yè)的高度自動(dòng)化，設(shè)備結(jié)構(gòu)分為4個(gè)區(qū)域：分解區(qū)、檢測區(qū)、選配分揀區(qū)和組裝傳輸區(qū)。圖3和圖4分別給出了枕簧自動(dòng)檢測分選設(shè)備俯視圖和側(cè)視圖。

圖3 枕簧自動(dòng)檢測分選設(shè)備俯視圖

圖4 枕簧自動(dòng)檢測分選設(shè)備側(cè)視圖

分解區(qū)：分解區(qū)由2條傳送線組成，傳輸線采用輥道輸送方式，每條傳輸線為上下兩層 ，把分解的枕簧放在傳輸線上層的一個(gè)托盤上，托盤可沿傳輸線輸送，進(jìn)入檢測機(jī)。檢測區(qū)：檢測區(qū)配置了2臺枕簧檢測機(jī)，每條傳輸線上配置1臺。檢測機(jī)采用接觸式位移傳感器進(jìn)行枕簧高度測量，每臺檢測機(jī)采用18個(gè)位移傳感器，可以同時(shí)測量1個(gè)托盤最多9組枕簧高度。每個(gè)枕簧測量數(shù)據(jù)進(jìn)入主控制計(jì)算機(jī)，測量完后托盤枕簧進(jìn)入緩存分揀區(qū)。選配分揀區(qū)：分揀區(qū)設(shè)有2臺智能機(jī)械手，通過之前傳感器測量的數(shù)據(jù)，將緩存分解區(qū)內(nèi)所有托盤上枕簧進(jìn)行選配，選配出來的枕簧通過機(jī)械手分揀到中間區(qū)域中的傳送帶托盤上，同車枕簧分揀完畢，托盤自動(dòng)輸送出去，供組裝使用。機(jī)械手采用五軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，末端執(zhí)行器具有內(nèi)簧撐爪和外簧卡爪，分別用于進(jìn)行內(nèi)卷枕簧和外卷枕簧分揀。組裝傳輸區(qū)：組裝傳輸區(qū)由1條傳輸線組成，傳輸線采用輥道輸送方式，選配好的枕簧托盤可沿傳輸線輸送，進(jìn)入枕簧組裝工位。

2.1.3 工位作業(yè)機(jī)器人

在承載鞍、制動(dòng)梁、枕簧的分解和組裝工位采用工位作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行分解組裝作業(yè)。工位作業(yè)機(jī)器人采用六軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)器人由機(jī)座、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)裝置、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)等組成。機(jī)器人各自由度之間相互聯(lián)系且獨(dú)立，動(dòng)作時(shí)互不干涉；由于控制精度要求高，機(jī)器人電機(jī)均采用伺服電機(jī)；設(shè)計(jì)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)后，根據(jù)各個(gè)分解組裝工位作業(yè)情況進(jìn)行機(jī)器人工作空間分析，從空間幾何研究機(jī)器人的工作性能，確定機(jī)器人手臂的具體構(gòu)形和參數(shù)，設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。進(jìn)行分解組裝作業(yè)時(shí)，由于轉(zhuǎn)向架定位精度問題，機(jī)器人還配備視覺系統(tǒng)，利用視覺系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行機(jī)器人作業(yè)定位修正，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)需求。圖5為承載鞍組裝作業(yè)機(jī)器人示意圖，圖6為制動(dòng)梁分解、組裝作業(yè)機(jī)器人示意圖。

圖5 承載鞍組裝作業(yè)機(jī)器人

圖6 制動(dòng)梁分解、組裝作業(yè)機(jī)器人示意圖

2.2 智能配件輸送系統(tǒng)

智能配件輸送系統(tǒng)主要由自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人、智能運(yùn)載架、配件輸送集中控制中心、無線通訊系統(tǒng)等組成，用于對轉(zhuǎn)向架檢修過程中的主要配件（如下心盤、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、制動(dòng)梁、承載鞍、斜鍥等），在分解區(qū)、檢修區(qū)、組裝區(qū)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)和配送。系統(tǒng)可自動(dòng)判斷運(yùn)載架上配件狀況，能夠自動(dòng)發(fā)送調(diào)度指令執(zhí)行輸送任務(wù)，實(shí)現(xiàn)配件的智能化輸送。圖7為智能配件輸送系統(tǒng)示意圖。

圖7 智能配件輸送系統(tǒng)示意圖

2.2.1 自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人

自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人是一種自動(dòng)導(dǎo)引的智能運(yùn)輸設(shè)備。本項(xiàng)目自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人用于在各個(gè)區(qū)域、工位之間進(jìn)行運(yùn)載架輸送，自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人包括車體、蓄電池、充電裝置、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、定位裝置、通信單元和導(dǎo)引系統(tǒng)等。自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人采用背負(fù)式結(jié)構(gòu)形式，車體帶升降裝置，可以承載運(yùn)載架進(jìn)行輸送；采用慣性+磁釘導(dǎo)引方式，在自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人上安裝陀螺儀，定位準(zhǔn)確性高，靈活性強(qiáng)；采用雙差速驅(qū)動(dòng)方式，具有靈活的運(yùn)動(dòng)控制功能；采用高性能鋰電池供電，并采用自動(dòng)充電技術(shù)，電量低時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行充電。

2.2.2 智能運(yùn)載架

根據(jù)配送配件的形狀、尺寸、重量等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)配件智能運(yùn)載架，用于對配件進(jìn)行承載。智能運(yùn)載架具有控制系統(tǒng)，由微控制器、無線通訊系統(tǒng)、傳感器感知系統(tǒng)組成。傳感器感知系統(tǒng)可對運(yùn)載架裝載配件狀態(tài)進(jìn)行判斷和確認(rèn)，無線通訊系統(tǒng)可以把運(yùn)載架狀態(tài)傳輸給配件輸送集中控制中心，以便進(jìn)行配件輸送的智能調(diào)度。智能運(yùn)載架采用統(tǒng)一的自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人移載接口，適用于進(jìn)行統(tǒng)一輸送。運(yùn)載架具有兼容性，適合多種配件裝載。圖8為智能運(yùn)載架示 意圖。

圖8 智能運(yùn)載架示意圖

2.2.3 配件輸送集中控制中心

配件輸送集中控制中心是實(shí)現(xiàn)配件智能配送的關(guān)鍵，是智能配件輸送系統(tǒng)的核心。配件輸送集中控制中心通過無線通訊系統(tǒng)與自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人、智能運(yùn)載架實(shí)時(shí)通訊，提供車輛管理、交通管理和任務(wù)管理等功能。

車輛管理。配件輸送集中控制中心根據(jù)配件輸送任務(wù)請求，分配調(diào)度自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)。交通管理。根據(jù)自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)和路徑狀況，提供自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)器人互相避讓的措施，避免車輛互相等待的死鎖。

任務(wù)管理。配件輸送集中控制中心既可以通過操作臺進(jìn)行任務(wù)分配，同時(shí)也可以接收智能運(yùn)載架狀態(tài)信息，根據(jù)知識學(xué)習(xí)，自動(dòng)生成調(diào)度任務(wù)，實(shí)現(xiàn)配件智能化輸送。

2.3 檢修智能管理系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向架檢修智能管理系統(tǒng)用于將項(xiàng)目中的自動(dòng)化檢修設(shè)備、智能配件輸送系統(tǒng)以及現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向架檢修流水線等聯(lián)系起來，統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架檢修的智能調(diào)度與生產(chǎn)管理。轉(zhuǎn)向架檢修智能管理系統(tǒng)由集中控制中心、高性能工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和服務(wù)器組成。集中控制中心在設(shè)備層將各檢修設(shè)備通過工業(yè)以太網(wǎng)或工業(yè)總線連接在一起；高性能工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與集中控制中心通訊，進(jìn)行匯總、計(jì)算、參數(shù)設(shè)置、信息層的數(shù)據(jù)交互等；高性能服務(wù)器提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算等。程序采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言編寫，系統(tǒng)后臺采用Oracle數(shù)據(jù)庫。檢修智能管理系統(tǒng)從功能上由設(shè)備監(jiān)控診斷系統(tǒng)、生產(chǎn)流程監(jiān)控與管理系統(tǒng)、調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與發(fā)布系統(tǒng)等4個(gè)系統(tǒng)組成。圖9為檢修智能管理系統(tǒng)功能示意圖。

圖9 檢修智能管理系統(tǒng)功能示意圖

3 結(jié)語

重載鐵路貨車轉(zhuǎn)向架智能檢修系統(tǒng)可以建成高效的轉(zhuǎn)向架自動(dòng)化檢修車間，節(jié)約操作人員、提高轉(zhuǎn)向架檢修能力、提高轉(zhuǎn)向架檢修質(zhì)量，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。減少了60%操作人員，節(jié)約人力成本；檢修能力提高40%，同時(shí)轉(zhuǎn)向架檢修質(zhì)量得到提高和保障，可產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益。提高轉(zhuǎn)向架檢修的自動(dòng)化、智能化水平，改變了操作者作業(yè)方式，大幅降低工作人員作業(yè)強(qiáng)度，有效地避免了天車、叉車及地面配合人員的交叉作業(yè)，消除了檢修區(qū)域安全隱患。