鐵路貨車柔性工藝裝備的可行性研究

張林　蔡文田

摘要：隨著經濟的發展，社會對產品多元化、低成本及短周期等方面的需求日趨迫切，作為國民經濟命脈的鐵路運輸行業同樣如此。行業的需求促使鐵路運輸裝備產品不斷更新換代。以鐵路貨車為例，近年來按照鐵路貨運高速、重載、多元化發展方向。柔性工藝裝備就是將成組技術、信息技術、數控技術和自動化技術等先進技術引入工裝設計、制造、應用與管理等環節而構建的基于模塊化、標準化、信息化、自動化的工裝應用體系， 該體系能優質、快捷、高效、低成本地滿足產品的生產需求。在當前工裝系統不足的基礎上， 對貨車工裝系統柔性化的可能性進行了探討， 提出了可自由調整的基礎工作平臺結構， 分析了柔性工裝的設計要點。

關鍵詞：鐵路貨車;工藝裝備;柔性化

隨著市場競爭日趨激烈， 鐵路貨車多品種、快節奏的市場需求逐漸明朗， 傳統意義上的質量、價格競爭已經細化到影響產品質量、成本以及響應速度的工藝裝備競爭環節。對鐵路車輛車型的個性化需求和市場的快節奏變化， 要求企業能以最快的速度響應市場的需求， 以最低的成本實現不同型號車輛的轉產。工裝是車輛制造中重要的環節之一， 其柔性化程度和自動化水平直接影響到企業的市場響應能力和車輛的生產效率， 是關系到企業生存的關鍵因素之一。

一、柔性工裝的可行性

目前， 我國鐵路車輛生產手段相對落后， 工裝設備剛性大， 缺乏柔性， 工裝資源管理混亂， 自動化程度低， 不能很好地適應企業低成本、快節奏生產的需要， 存在的問題主要表現在以下方面：工裝生產線布局缺乏柔性， 工藝基礎剛性大;工裝設備缺乏通用性， 標準化和系列化程度低;工裝設備資源管理分散， 重復性勞動較多;工裝系統的應變能力和可拓展性差， 提升空間有限。

1、轉產周期。隨著市場需求從單一化產品向多元化、個性化產品需求的發展， 市場對鐵路貨車的需求也多種多樣， 這也迫使貨車車輛制造廠要能適應市場的變化， 能夠實現在一定時期內完成不同車型間的轉產任務。根據某鐵路車輛有限責任公司的實際調研， 以貨車車間為例，以及每天的平均產量。頻繁的轉產直接導致了工裝設計制造成本的增加， 同時也因為轉產而對正常生產產生影響， 產生了巨大的損失。因此， 根據對目前企業轉產頻次和周期的分析， 實現工裝柔性化， 不僅能夠提高企業響應市場變化的能力， 而且也能為企業創造更大的經濟效益。

2、貨車產品相似性。雖然鐵路貨車的品種比較多， 有幾十種型號，但按產品結構劃分主要有敞車、棚車、漏斗車和平車類型， 所有車型均由這種類型衍生而來。這些車型的組成部件基本相似， 主要包括中梁、底架、端側墻、棚頂等大部件以及枕、橫梁等梁件， 它們具有較大的相似性， 生產工藝流程也基本一致，這些相似性為工裝柔性化研究提供了可能， 主要由基礎工作平臺、定位單元、夾緊單元等組成。其中， 基礎工作平臺主要包括一些基礎件和支撐件;定位單元的主要作用是保證車輛裝配制造的外形特征和產品質量;夾緊單元為車輛制造提供動力源， 實現裝配體間的緊密結合。根據對鐵路貨車產品的結構相似性和工裝系統特點的分析， 要實現鐵路貨車制造中工裝系統的柔性化， 重點就是實現基礎工作平臺、定位單元和夾緊單元的柔性化。

3、技術可行性。柔性化概念在先進制造領域提出得比較早，特別是在柔性制造系統（FMS）中體現得更加具體，要實現鐵路車輛制造中工裝的柔性化， 就是要實現基礎工作平臺的柔性化、定位單元的柔性化和夾緊單元的柔性化。研究鐵路貨車工裝系統柔性化時， 可以借鑒FMS 的柔性化思想和相關技術。此外， 鐵路車輛的一個顯著特點就是體積大且笨重， 因此在考慮柔性的時候必須分析工裝設備的剛度可靠性， 這是車輛制造質量的保證。在柔性工裝的剛度設計中， 引入有限元分析技術，根據仿真結果和試驗數據對柔性工裝的結構進行優化改進。這樣既實現了柔性化， 又保證了足夠的剛度要求。因此， 根據分析，實現鐵路貨車工裝系統柔性化的技術條件已經成熟， 相關技術為工裝柔性化的研究提供了保障。

二、柔性工裝的關鍵技術

1、基礎工作平臺的柔性化。貨車多為箱式結構， 主要通過各種梁件與板材焊接組裝而成。以敞車為例， 其主要組成部件為底架、側墻和端墻， 這些部件近似為長方體結構， 各車型之間的區別除了局部個性化結構以外，主要是長度和寬度上的尺寸不同， 以底架為例， 其長度變化范圍在12～18m 之間， 寬度變化范圍在2.2～3m 之間。根據對不同產品結構尺寸的統計分析， 提出了兩種可行的柔性化基礎工作平臺設計方案， 一種是可收縮平面式平臺結構， 另一種是可收縮骨架式平臺結構。鐵路車輛制造對工人的體能消耗很大， 為了減輕工人的勞動強度，讓工人在不需要上臺階的條件下就可以完成工作， 我們選擇可伸縮骨架式工作平臺作為基礎工作平臺， 基礎工作平臺由若干伸縮梁組成。伸縮梁通過絲桿螺母連接， 由電機驅動實現自由伸縮。這種結構的基礎工作平臺不僅實現了柔性化， 還易于實現自動化， 增加適當的傳感器還能實現精確自動調整。

2、柔性工裝的設計要點。由于鐵路車輛各組成部件都比較笨重， 而且其生產過程中工人的操作相對更粗放些， 因此對工裝剛度的要求更高一些。柔性工裝與傳統工裝的區別之一就是調整更加自如， 傳統工裝中各連接部件都是相對焊死的， 為了保證足夠的剛度都留有很大的設計余量。鎖緊裝置是為了在柔性工裝調整完以后實現對一些可移動結構的鎖緊加固;剛度分析是對工裝中主要受力結構在工作負載的作用下的形變及應力進行安全分析;驅動力分析是對柔性工裝中夾緊單元等輸出的驅動力的可靠性分析， 要求力的大小適中，既能滿足工藝要求， 也不會由于力過大而導致工件變形以及由此造成的成本浪費。鎖緊裝置要求結構簡單、安全可靠， 特別是與車輛制造質量密切相關的可調整部件， 對鎖緊裝置的可靠性要求更高。因此， 在重要的鎖緊裝置上還配備了適當的傳感器， 防止由于鎖緊裝置松動而造成經濟損失。以基礎工作平臺為例， 伸縮梁是其主要可自由調整部件， 其鎖緊裝置原理如圖所示。

對伸縮梁調整完畢后的鎖緊主要通過兩套機械組件來實現， 一是圖4 中傳動絲桿與螺母的自鎖作用， 有效預防了伸縮梁中內外套筒間縱向移位;二是專門的鎖緊裝置， 實現內外套筒間的緊固作用。由于伸縮梁在實際生產中的重要性， 對其有效鎖緊直接關系到產品的質量， 因此，在機械鎖緊的基礎上， 還增設了位置傳感器， 當鎖緊裝置失效時， 伸縮梁出現相對移動， 傳感器將信號傳送給主控電腦實現自動報警。剛度分析是對柔性工裝中一些主要部件在工作負載作用下的安全性分析， 主要通過有限元分析其形變和應力分布情況， 判斷設計強度是否符合工藝標準以及該部件的安全可靠性。鐵路車輛生產過程中的驅動力主要實現兩個目的，一是夾緊裝配焊接體， 二是使部分零部件產生一定的撓度。在柔性工裝的設計中， 驅動方式主要采用電動推桿， 配合相應的傳感器， 驅動力實現精確可調， 驅動力的大小主要通過有限元模擬獲得，與實際需求更加接近， 應用效果更好。由于柔性工裝中輸出的力是可控的， 因此， 針對不同中梁， 可以調整輸出相應的驅動力， 能夠有效提高生產效率， 并保障產品質量。

目前鐵路貨車制造中工裝設備的不足進行了分析， 指出鐵路車輛制造中工裝系統柔性化將是一個必然的趨勢。本文對鐵路貨車制造工藝和特點進行了分析， 對工裝柔性化所涉及的部分關鍵技術進行了研究， 提出了可自由調整的基礎工作平臺的組成結構， 探索了柔性工裝剛度設計的方法和途徑。

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