基于TRIZ理論提高鐵路敞車檢修焊接效率的研究

摘 要：鐵路貨運是現(xiàn)代物流的重要組成部分，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展、“一帶一路”倡議的深化及國防需求的增長，對敞車質(zhì)量的要求持續(xù)提升。但在敞車檢修過程中，側(cè)柱連鐵損壞需更換的情況頻繁發(fā)生，因缺少專用自動化焊接設(shè)備導致檢修效率低、質(zhì)量差、成本高。本文運用TRIZ理論深入分析現(xiàn)有焊接系統(tǒng)并創(chuàng)新設(shè)計了一款能同時進行雙面焊縫焊接的自動化裝置，有效解決了側(cè)柱連鐵頻繁更換的問題，提升了檢修效率與質(zhì)量，降低了成本，成功解決了行業(yè)內(nèi)的難題。

關(guān)鍵詞：車輛裝備質(zhì)量；焊接質(zhì)量；檢修；TRIZ理論；自動化焊接

一、前言

面對我國鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，實現(xiàn)長期安全穩(wěn)定運營是中國鐵路面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著列車運行速度的提升和運輸量的增加，市場對快速重載列車的需求日益增長，這同時也提高了對車輛裝備質(zhì)量的要求。大量使用的重載敞車在檢修過程中出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題，在快速重載條件下可能導致嚴重的事故。因此，檢修過程中保證車輛裝備的檢修質(zhì)量至關(guān)重要。

為保障使用安全，鐵路敞車在其全生命周期內(nèi)會定期進行廠修。修理工作包括對制動系統(tǒng)、鉤緩、輪對以及車體鋼結(jié)構(gòu)的全面檢修。由于腐蝕和撞擊，車體側(cè)墻和側(cè)柱連鐵破損發(fā)生率高，需要在修理過程中更換。所有通用敞車側(cè)板部位都裝有側(cè)柱連鐵這種結(jié)構(gòu)部件，其連接處采用雙面焊接，以增強穩(wěn)定性。因為車輛破損嚴重，導致更換側(cè)柱連鐵的工作量巨大。單根近6米長側(cè)柱連鐵的兩條焊縫全部由人工焊接完成，更換數(shù)量龐大使得人工焊接工作量極大，焊接質(zhì)量和效率難以提升。高效率的自動化焊接無疑是敞車檢修企業(yè)的迫切需求，但返修敞車的工況復雜，行業(yè)內(nèi)尚無車體鋼結(jié)構(gòu)自動化焊接的成功案例。

基于實際生產(chǎn)需求并充分結(jié)合TRIZ理論，研發(fā)設(shè)計出一種經(jīng)濟、便捷、不占用現(xiàn)場資源且能滿足自動化焊接要求的解決方案，能大幅提升生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，填補鐵路返修敞車無法自動化焊接的空白。

二、敞車側(cè)板焊接系統(tǒng)問題分析

（一）問題描述

敞車側(cè)板檢修工藝流程。敞車檢修側(cè)板焊接系統(tǒng)存在以下缺陷：（1）人工焊接消耗大量資源，工作環(huán)境惡劣影響效率和質(zhì)量；（2）大型自動化設(shè)備難以應(yīng)用，限制生產(chǎn)效率提升；（3）低利潤和高投入成本使企業(yè)負擔加重；（4）傳統(tǒng)工藝和場地限制技術(shù)改造；（5）要實現(xiàn)機器人自動化焊接成本太高。

（二） 九屏幕分析

通過九屏幕分析法，我們明確了系統(tǒng)邊界，并從不同層次和角度全面了解了系統(tǒng)資源。如圖1所示，我們提出了概念方案1：設(shè)計并實施一種自動化焊接裝置，專門用于側(cè)板部位的自動化生產(chǎn)。

（三） 因果鏈分析

通過因果鏈分析層層深入地找到根本原因，發(fā)現(xiàn)焊縫不均勻、對接不嚴是產(chǎn)生此問題的根源所在，如圖2所示。

（四）資源分析

針對當前系統(tǒng)進行全面的資源分析，發(fā)掘所有可用資源，確保它們得到更加充分且合理的利用。表1展示了現(xiàn)有側(cè)板焊接系統(tǒng)的資源分析——槽鋼、側(cè)板自身的形狀、轉(zhuǎn)胎機、現(xiàn)場電能和鐵板的導磁性等。因此，提出概念方案2：設(shè)計一款能在側(cè)板上自行行走的自動化焊接裝置。

三、 敞車側(cè)板焊接系統(tǒng)TRIZ求解

（一）技術(shù)矛盾及發(fā)明原理

針對后輪受熱卡頓的問題，如果使用陶瓷輪，改善了可靠性，卻惡化了可維修性，查阿奇舒勒矛盾矩陣表可得：運用發(fā)明原理No.1分割原理，No.11預先防范原理。根據(jù)分割原理提出概念方案3：車輪進行分割處理，多輪或履帶式設(shè)備。根據(jù)預先防范原理，并結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)大量的氬氣資源，提出概念方案4：用通有氬氣的螺旋管將后輪與熱量隔離，焊接時不斷消耗的氬氣在管內(nèi)通過時將影響金屬輪變形的熱量帶走。

（二）物-場分析

在實際應(yīng)用過程中，我們發(fā)現(xiàn)磁力線在受熱后，存在消磁問題，消磁后的磁力線使設(shè)備產(chǎn)生導引不足的問題，根據(jù)問題建立物-場模型，如圖3所示。

按照標準解的解決流程，確定適用的標準解為S1.1.3，引入系統(tǒng)外的一種永久或臨時添加物，通過引入仿形輪消除完善不足關(guān)系，得到概念方案5。

概念方案5：引入仿形輪，利用槽鋼的外表面走行定位，改善后的物-場模型如圖4所示。

（三）物理矛盾

引入仿形輪后，焊接精度大幅提升，但在焊接與仿形輪同側(cè)的槽鋼時，發(fā)現(xiàn)仿形輪受熱變形導致焊縫質(zhì)量下降。既希望仿形輪與槽鋼接觸面積大，定位精準；又希望接觸面積小，避免仿形輪被焊接后槽鋼熱變形。針對這一物理矛盾，根據(jù)空間分離的方法，提出概念方案6：采用空間分離的方法，在仿形輪上開螺旋槽，即減少了導熱面積，同時利用螺旋槽在旋轉(zhuǎn)過程中，將熱氣和雜質(zhì)排出。

通過上述分析與求解，最終設(shè)計出一種基于車體側(cè)翻功能的自動化行走焊接系統(tǒng)。具體方案如下：

（1）系統(tǒng)主要由三部分組成：首先是一個雙夾持機構(gòu)的自動化焊接裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)柱連鐵兩條焊縫的同時自動焊接。遠端夾持機構(gòu)上安裝了導向輪，以提高設(shè)備運行的導向精度。其次，為了解決定位不足的問題，增加了仿形輪。最后，由于使用過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備仍需手動調(diào)整方向，因此采用了偏心輪設(shè)計來實現(xiàn)設(shè)備的直線行走。

（2）利用轉(zhuǎn)胎翻轉(zhuǎn)車體的功能，自動化焊接裝置可以在翻轉(zhuǎn)后的車體側(cè)板上移動。該自動化焊接裝置配備了兩套夾持機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)一次走行同時焊接雙焊縫。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在遠端夾持機構(gòu)上安裝了帶有螺旋槽的導向輪。這種設(shè)計可以在旋轉(zhuǎn)過程中帶走熱量，從而確保整個焊接系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（3）在行走過程中，焊接系統(tǒng)依靠槽鋼的外表面來實現(xiàn)仿形運動。加裝的仿形輪使得自動化焊接裝置能夠有效地進行仿形運動，其運動軌跡與槽鋼外表面保持一致，從而滿足焊接軌跡與焊縫一致的質(zhì)量要求。

（4）在實際運行中，針對焊接裝置出現(xiàn)的歪斜情況，加裝了偏心輪機構(gòu)，使焊接裝置在移動過程中始終產(chǎn)生偏心的摩擦力，確保仿形輪與槽鋼外表面緊密貼合，保障了焊接質(zhì)量。

四、敞車側(cè)板自動化焊接裝置的成果與效益

應(yīng)用創(chuàng)新方法研發(fā)的自動化焊接裝置滿足了設(shè)計初期的所有要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)雙面焊接。在驗收時，該裝置的一次性合格率達到了99%。與人工焊接相比，自動化焊接的效果顯著，完全達到了生產(chǎn)標準。本項目在國內(nèi)貨車檢修行業(yè)中首次實現(xiàn)了自動化焊接技術(shù)的突破，具有重大意義。按公司每年檢修4200輛敞車的計劃估算，使用此技術(shù)后僅人工成本就可以節(jié)約126萬元，還大幅提升了檢修敞車的焊接效率，與人工焊接相比，生產(chǎn)效率提高了60%，大幅度減少了焊接工作的勞動強度，創(chuàng)造出的經(jīng)濟價值和國防價值顯著。

五、結(jié)論

（1）本文運用九屏幕法了解當前系統(tǒng)及其子系統(tǒng)和超系統(tǒng)的過去、現(xiàn)狀和未來發(fā)展，構(gòu)建功能模型，明確組件之間的相互作用，通過因果鏈分析找出關(guān)鍵問題并整合所有可利用的資源，從而對現(xiàn)有的焊接系統(tǒng)存在的問題進行詳細闡述。

（2）為實現(xiàn)基于敞車側(cè)板焊接系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計，將關(guān)鍵問題歸納為技術(shù)矛盾和物理矛盾，利用發(fā)明原理提出技術(shù)方案，并構(gòu)建物-場模型，得到系統(tǒng)最終解決方案。

（3）研究重點在于用TRIZ理論提出創(chuàng)新方案，而在仿形運動處理方面僅運用了較為傳統(tǒng)的方案，在未來需要進行深入研究。

項目的實施不僅成功解決了企業(yè)的生產(chǎn)難題，展示出創(chuàng)新方法的重要性，還讓企業(yè)真切地體會到創(chuàng)新是需要方法的。同時，該解決方案也為其他領(lǐng)域面對類似問題提供了有效的解決思路和方法。TRIZ理論的應(yīng)用展示了創(chuàng)新方法在工程問題解決中的關(guān)鍵作用，并為鐵路貨運裝備的持續(xù)優(yōu)化與發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。

責編 / 馬銘陽