淺談螺旋筋自動成型一體機(jī)的研制

謝凱

（成鐵德陽軌道有限責(zé)任公司，四川 德陽 618007）

1 前言

隨著鐵路建設(shè)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，混凝土軌枕的應(yīng)用需求也不斷增加，同時對軌枕質(zhì)量的要求也越來越高，加強(qiáng)混凝土軌枕的質(zhì)量控制成為軌枕生產(chǎn)的首要任務(wù)。為了加強(qiáng)軌枕質(zhì)量控制，生產(chǎn)用原材料質(zhì)量、工藝工裝配件質(zhì)量、生產(chǎn)工藝過程控制等方面成為軌枕質(zhì)量卡控的重點。

螺旋筋作為軌枕用主要的工藝配件，其質(zhì)量直接影響軌枕預(yù)留孔或預(yù)埋套管周圍是否開裂。Ⅱ型、Ⅲ型軌枕作為有砟線路鋪設(shè)的主要使用產(chǎn)品，其常用螺旋筋均為等螺距、各螺旋圈為等直徑。傳統(tǒng)的混凝土軌枕的生產(chǎn)主要依靠大量的人工，在各工藝環(huán)節(jié)主要依靠工人的操作經(jīng)驗。螺旋筋的制作也不例外，其質(zhì)量也依賴人為經(jīng)驗。通用的制作方式中，螺旋圓筋、立筋、焊接成型的工藝都是相對獨立的，成型的過程中，因加工工藝的人為因素，立筋在簧筋圓周上無法均勻分布，螺旋間距尺寸不均勻，同時，三根立筋不在同一平面、立筋點焊穩(wěn)固性差。為了保證螺距、螺旋圈徑的尺寸精度，螺旋筋的制作的規(guī)范性就成為主要影響因數(shù)。需要有效解決傳統(tǒng)螺旋筋加工制備工藝中諸多不足，提升螺旋筋的繞制質(zhì)量，就必須將簧筋制作、立筋下料、點焊成型進(jìn)行有效地結(jié)合。螺旋筋的螺旋間距、立筋的下料長度、立筋的平整度、焊接的穩(wěn)固性等技術(shù)指標(biāo)要求將成為螺旋筋自動成型一體機(jī)的制作方案考慮的重點。

2 螺旋筋自動成型一體機(jī)研制的必要性

螺旋箍筋的制作多數(shù)比較麻煩，大多利用旋轉(zhuǎn)骨架等輔助臺具人工制作，費工費時，且不易保證質(zhì)量。機(jī)械化生產(chǎn)代替人工制作成為趨勢，為了優(yōu)化螺旋筋制作工藝，提高螺旋筋的成品質(zhì)量，將原有的彈簧繞制、立筋下料、焊接成型相對獨立工序進(jìn)行整合改造具有積極意義，在質(zhì)量控制、成本控制、安全管理等方面有著迫切的需求。

2.1 質(zhì)量控制的需求

螺旋筋在通用的混凝土軌枕生產(chǎn)過程中，其生產(chǎn)必

須滿足相應(yīng)行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)。軌枕裂紋作為軌枕重要的檢測指標(biāo)。在GB/T 37330-2019《有砟軌道軌枕 混凝土軌枕》中，明確軌枕表面不應(yīng)有收縮或受力產(chǎn)生的裂紋的要求。如螺旋筋的質(zhì)量不合格，在預(yù)留孔或預(yù)埋套管周圍是最容易出現(xiàn)裂紋。不合格的螺旋筋與套管或橡膠軸周邊尺寸相差較大，甚至出現(xiàn)了部分螺旋筋直接靠在套管或橡膠軸上的現(xiàn)象，使螺旋筋的在軌枕產(chǎn)品中的作用大大降低。在螺旋筋的制作中：螺旋筋的繞制，立筋的調(diào)直切斷，螺旋筋和立筋的點焊接。每道工序都由獨立的設(shè)備和不同的操作人員完成。人為操作技能、人工實作經(jīng)驗和責(zé)任心的差異對每一步的產(chǎn)品質(zhì)量都存在較大影響，不同的操作工人加工的產(chǎn)品中，簧筋的直徑、簧筋的螺距、立筋的長度、立筋焊接的分布、焊接的牢固性等都均會出現(xiàn)偏差，只要其中任意某個指標(biāo)或多個指標(biāo)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致點焊出來的螺旋筋上的立筋參差不齊，立筋的端部不在一個平面，焊接脫焊等。螺旋筋產(chǎn)品質(zhì)量欠佳，一致性不好。為了解決上述質(zhì)量問題，加強(qiáng)螺旋筋產(chǎn)品的質(zhì)量控制，整合多個工序，加強(qiáng)自動化控制成了質(zhì)量控制的必然需求。

2.2 節(jié)約成本的需求

大多數(shù)軌枕生產(chǎn)廠家在螺旋筋制作的過程中，除了螺旋筋圓筋的繞制利用繞簧機(jī)繼續(xù)制作成螺旋狀的半成品外，立筋的下料、立筋與圓筋的電焊，均需要大量的人工，在每個崗位都至少需要1 名員工才能完成，最少都需要3 個操作人員。每個工序之間的銜接都會消耗時間，使得從簧筋的繞制到焊接成型的過程中所花費的時間增加。在人力資源成本上升的當(dāng)下，人工成本占比加大。為了提高加工制作效率，減少人工成本支出，成了成本控制的需求。

2.3 職業(yè)健康安全的需求

螺旋筋的材質(zhì)一般采用熱軋光圓鋼筋或低碳冷拔鋼絲。在螺旋筋的制作過程中，人工需要手動操作繞簧機(jī)，鋼絲在走行中使得鋼絲表層鐵銹不斷地剝離產(chǎn)生揚塵，操作工人的工作環(huán)境極差。同時，在對立筋與圓筋的焊接過程中，采用電焊機(jī)，火花飛濺對人體有一定傷害。操作人員長時間身處這種工作環(huán)境，極易對身心健康產(chǎn)生不利影響，更有出現(xiàn)職業(yè)病的風(fēng)險。為了體現(xiàn)人為關(guān)愛，急需對這種工作環(huán)境進(jìn)行整治，以此滿足職業(yè)安全的需要。

3 螺旋筋自動成型一體機(jī)研制的方案設(shè)計

3.1 整體思路

目前，軌枕螺旋筋的制作方法較為常用的繞簧、立筋定長、點焊的“三步法”的制作工藝，難以滿足螺旋筋的質(zhì)量需求，為了整合繞簧、立筋制作、焊接成型的單工序，需要利用自動化控制原理，最終達(dá)到三個目的：第一，結(jié)合操作便利的要求進(jìn)行整體制定研制方案，最終達(dá)到一體化。第二，保證一體機(jī)的加工效率，使其每小時產(chǎn)量達(dá)到800 ～1200 個。第三，高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求，必須確保三根立筋端部組成的平面的高度誤差應(yīng)控制在1mm 以內(nèi)。

按照螺旋筋成型工藝，螺旋筋自動成型一體機(jī)的主要組成包括螺旋筋繞制機(jī)構(gòu)、立筋調(diào)直送絲機(jī)構(gòu)、點焊成型機(jī)構(gòu)及自動控制系統(tǒng)。

3.2 方案設(shè)計

3.2.1 螺旋筋繞制機(jī)構(gòu)的設(shè)計

為了螺旋筋生產(chǎn)的連續(xù)性與節(jié)奏性，確保螺旋筋加工流水生產(chǎn)線的順暢。螺旋筋繞制機(jī)構(gòu)主要用于鋼絲的調(diào)直與輸送，進(jìn)而將鋼絲繞制成螺旋狀的圓筋。

螺旋筋繞制機(jī)構(gòu)包括送絲組件、調(diào)直組件、成型組件、螺旋繞制伺服電機(jī)，繞制切斷刀口。

鋼絲在螺旋繞制伺服電機(jī)的驅(qū)動下，經(jīng)過送絲組件作用，通過3 組調(diào)直組件的調(diào)直，將鋼絲繞制成型組件上自動纏繞，形成螺旋狀，其繞制速率為15 ～20m/min。繞制成型組件的螺距、螺旋圈徑主要依靠成型組件上導(dǎo)輪的漸進(jìn)線槽進(jìn)行控制，一般螺距在20 ～40mm，螺旋圈徑在50 ～70mm，可以滿足多種螺距和螺旋圈徑的規(guī)格。根據(jù)走行的鋼絲長度，可以有效控制螺旋圓筋繞制后的總長度。依據(jù)螺旋筋圖紙的要求，可以合理調(diào)整參數(shù)，繞制成型符合要求的規(guī)格型號的螺旋狀。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的螺旋總長后并與3 根立筋點焊，利用切斷刀口在氣缸的動力作用下切斷螺旋。

3.2.2 立筋調(diào)直送絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計

立筋調(diào)直送絲機(jī)構(gòu)，主要包括伺服電機(jī)、送絲動力件、調(diào)直組件等。其中送絲動力組件3 組、調(diào)直組件由3 組，每組滾輪由固定平臺、螺栓、滾輪等組成。

鋼絲在伺服電機(jī)的動力作用下，3 組鋼絲勻速通過調(diào)直組件，鋼絲在3組擠壓調(diào)直滾輪作用下，將立筋除銹、調(diào)直。

3.2.3 點焊成型機(jī)構(gòu)的設(shè)計

點焊成型機(jī)構(gòu)包括點焊氣缸、焊極、圓筋切斷刀口、立筋切斷刀口等組件組成。

焊接過程包括預(yù)壓、加壓、預(yù)熱焊接、焊接、維持等多個階段。將螺旋筋圓筋和立筋處于兩電極之間，利用電焊用氣缸3 個，通過PLC 控制指令，矩形銅焊極向圓柱焊極擠壓達(dá)到瞬時高電流，執(zhí)行焊接動作。焊接利用了低電壓、高電流的工作原理，其電流一般達(dá)100A，電壓在1 ～3V。電極均勻分布在360 度的空間范圍，通過PLC 程序控制分別依次進(jìn)行有序焊接。利用PLC 的功能指令可以有效排除漏焊和誤焊。點焊后，鋼筋強(qiáng)度損失不超過母材的5%，焊接剪切強(qiáng)度也能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

當(dāng)螺旋圓筋與三根立筋全部焊接（6 個焊點）完畢后，通過PLC 程序控制，立筋送絲組件牽引3 根立筋也與螺旋筋焊好退回到適當(dāng)位置，圓銅極到切刀口的距離一般在120mm 左右，以此確保螺旋筋有足夠的自由回退空間。立筋切斷刀口在受到切斷氣缸的作用下，1 個刀架帶動3 個刀口自上而下運動，逐次切斷立筋，螺旋筋從卸料口進(jìn)入成品區(qū)。完成一個螺旋筋成品的制作，如此周而復(fù)始。

3.2.4 其他組件的設(shè)計

主要包括PLC 自動控制組件和機(jī)座。其中PLC 自動控制組件包括PLC 顯示屏、信號傳輸件、接觸器等組成。

PLC 自動控制組件功能主要完成各種操作指令。通過交互式的設(shè)置界面主要參數(shù)方式，帶動相應(yīng)電氣組件進(jìn)行工作。操作簡單、界面友好、可視化程度的特點使得一體化機(jī)有序可控，運行順暢，所焊接的產(chǎn)品完全符合圖紙要求。基座主要用于調(diào)整一體化機(jī)的高度，以便適于操作，在其柜體中可以將輔助用途的打氣泵等進(jìn)行封裝，滿足整體結(jié)構(gòu)的外形要求。

4 方案應(yīng)用效果

4.1 工序有機(jī)整合，作業(yè)效率高

多工序整合，提高了作業(yè)工效。一體機(jī)將螺旋繞制、立筋制作、電焊成型的獨立工序進(jìn)行了有機(jī)整合，在伺服電機(jī)作用下，有序勻速地將鋼絲送入螺旋筋繞制組件的同時，3 根立筋鋼絲也有序地進(jìn)入調(diào)直組件，將立筋用鋼絲在電焊成型組件的作用下，依據(jù)螺旋筋圖紙尺寸要求，可以自動計算鋼絲走行距離，確保鋼絲精準(zhǔn)長度。采用電阻焊接的方式(瞬時通電)，電阻焊接的效率、質(zhì)量和自動化方面有著獨特的優(yōu)勢，熱量集中、加熱時間短、焊接變形小，縮短了焊接時間，有效地提高生產(chǎn)效率。整體點焊成型后，從卸料處自動切斷立筋，即得螺旋筋成品。整個生產(chǎn)成型加工過程流暢，工序高度融合，效率大幅度提升，每小時產(chǎn)量可以達(dá)到800 ～1200 個。

智能操控界面，為提高效率奠定了基礎(chǔ)。主要的螺旋筋的參數(shù)指標(biāo)均可在PLC 顯示屏上精準(zhǔn)設(shè)置。人機(jī)界面實現(xiàn)了簡單、自然、友好的人機(jī)對話功能，操作人員只需按照要求進(jìn)行操作,螺旋筋加工整個一體化的過程就會自動完成，整個工序操作極其方便。總之，實現(xiàn)了多工序整合的初衷，這也正是真正意義上實現(xiàn)了一體化的關(guān)鍵技術(shù)。

一機(jī)多用的功能，符合高效作業(yè)需求。成型組件的成型導(dǎo)輪的調(diào)整性功能成了不同規(guī)格的螺旋筋制造的必備條件。利用一臺設(shè)備就能滿足Ⅱ型、Ⅲ型軌枕用得多規(guī)格的需要，就能高效地完成多種規(guī)格產(chǎn)品的加工。

4.2 自動化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠

自動化的應(yīng)用，是保證質(zhì)量穩(wěn)定可靠的前提。自動化的實現(xiàn)為多工序地整合起到了保障作用，無論是螺旋主筋，還是立筋的送絲、調(diào)直，都依靠伺服電機(jī)，可完全實現(xiàn)無極調(diào)速，能滿足不同的材質(zhì)鋼絲的調(diào)直需求。利用成型組件上導(dǎo)輪的漸進(jìn)線槽可以保證螺旋的螺距、形狀、通過鋼絲走行距離，可以保證螺旋筋的整體長度等關(guān)鍵性指標(biāo)。

合理的工藝參數(shù)設(shè)計是保證產(chǎn)品質(zhì)量的必要措施。電焊的過程中，焊接時間、焊接電流、電極壓力是重要的工藝參數(shù)。其一，采用強(qiáng)規(guī)范焊接法(瞬時通電)，減少電能消耗及減輕螺旋筋的整體變形。其二，采用合理的焊接電流，根據(jù)鋼絲的斷面尺寸及接觸表面的情況，保證合適的電流有利于保證焊接質(zhì)量。其三，應(yīng)用電極壓力，為了減小焊點處的接觸電阻，電極必須對焊件施加壓力，這也是保證焊點形成時所需要的壓力。合理的焊接工藝參數(shù)，實現(xiàn)了精準(zhǔn)焊接，同時，確保焊接牢固的需求，保證了穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。

4.3 安全風(fēng)險降低，確保職業(yè)健康

生產(chǎn)過程高度的自動化，參數(shù)的可視化都是整個一體化機(jī)的穩(wěn)定性的有力保障。在自動化、流程化的工藝過程中，完成螺旋圓筋的繞制、立筋的調(diào)直下料、焊接成型這些工序環(huán)節(jié)，都不再依靠人為的操作，大大地減少了人與機(jī)械設(shè)備的接觸時間，有效地降低了鋼絲、機(jī)械傷人的概率。同時，在鋼絲調(diào)直的過程中，依靠設(shè)備的自動運轉(zhuǎn)，人無須一直看守，可以有效地避免鐵銹的揚塵傷害。在焊接的工序環(huán)節(jié)，采用了銅焊極，其飛濺的火花遠(yuǎn)比光弧焊的火花小，有效地減少了有害人體的傷害。

5 結(jié)語

綜上，本文旨在針對螺旋筋的加工的多個工序進(jìn)行一體化整合，從螺旋筋的圓筋成型、立筋的制作、點焊成型的工藝需求，提出了綜合優(yōu)化的實施方案。隨著軌枕生產(chǎn)行業(yè)內(nèi)對各種配件質(zhì)量要求不斷提高，螺旋筋自動成型一體機(jī)的應(yīng)用，將給其他軌枕生產(chǎn)廠家在各工序環(huán)節(jié)中探索實現(xiàn)自動化、可視化有一定的啟發(fā)，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制、職業(yè)健康等方面起到了參考作用。