RFID技術在軌道交通用金屬橡膠制品中的應用研究

尹 超，梁健瑤，王喜利，孫 曉，郭 志

（1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.湖南工業大學，湖南 株洲 412001）

射頻識別（RFID）技術可實現系統與特定目標的非接觸識別，為自動跟蹤識別特定對象提供技術支持[1]。RFID電子標簽技術由于讀取方便、受外界影響小等特點，目前已應用于服裝和輪胎[2-5]等行業，但在軌道交通用零部件中的跟蹤識別應用較少[6-7]。

金屬橡膠制品是橡膠和金屬復合的彈性元件，具有抗沖擊、可吸收高頻振動和噪聲的特點，主要用于機械裝置中的柔性連接和減振。典型的金屬橡膠制品如圖1所示。金屬橡膠制品的主要生產工序為前處理、硫化和后處理（包括二次加工、鍍鋅和油漆處理等）。目前通常采用紙質二維碼對產品進行追溯識別，在產品出入庫過程中，需對產品進行逐一掃碼或手抄流水號，存在效率低下、易出現錯號或重號的情況。

圖1 典型的金屬橡膠制品

本工作通過對軌道交通用金屬橡膠制品的各工序環境進行分析，旨在探索建立一種RFID電子標簽與生產過程執行管理系統（MES系統）相結合的方式實現對產品生產信息和流水號的追溯，并對其產業化應用的可行性進行探討，期望解決目前多工序生產過程中易出現的漏工序和出庫盤點過程中易出現的錯號、漏號等問題。

1 RFID技術原理及優勢

RFID系統一般由讀寫器、電子標簽芯片和天線組成，電子標簽芯片用于儲存產品的標識信息，天線用于數據的傳遞，讀寫器對接收到的數據進行讀取，或將相關標識信息寫入芯片中。

RFID技術原理較為簡單，當讀寫器的天線與電子標簽天線靠近時，天線之間形成磁場，電子標簽進入磁場后，接收讀寫器發出的射頻信號，通過電流獲得的能量將電子標簽芯片中的儲存信息發送至應用程序進行相應的處理，最終得到所需信息，從而實現產品識別的目的。該技術可實現非接觸讀取，可讀取一定范圍內的所有需識別信息的電子標簽，可通過數據寫入實現對部分關鍵工序信息的記錄，從而實現對產品全生命周期的管理。

RFID電子標簽相比于傳統的紙質標簽，具有可批量讀取，讀取速度快、距離遠等功能，具體優勢如表1所示。

表1 RFID電子標簽與紙質標簽對比

2 RFID技術在軌道交通用金屬橡膠制品中的應用試驗

2.1 應用難點分析

軌道交通用金屬橡膠制品由于其自身特性、生產過程和使用環境的要求，如需實現在產品上運用RFID電子標簽，除滿足GB/T 36365—2018[8]對無源電子標簽的要求外，還需滿足以下要求。

（1）電子標簽植入位置。軌道交通用金屬橡膠制品由于受其應用環境和使用要求的影響，電子標簽的貼合需具有持久性、不易脫落、對產品本身的功能特性不會產生影響等特點。

（2）耐高溫高壓性能。軌道交通用金屬橡膠制品的硫化溫度為150～200 ℃，硫化壓力為9.8～19.6 MPa，電子標簽需滿足金屬橡膠制品生產過程中耐高溫高壓性能的要求。

（3）耐酸堿性。軌道交通用金屬橡膠制品主要應用在機車、地鐵和高速列車上，對防腐性能有較高要求。后處理工序通常使用鍍鋅液和油漆進行防腐處理，因此要求電子標簽能滿足鍍鋅液和油漆處理的環境要求。

（4）耐壓縮性能。軌道交通用金屬橡膠制品出廠前需進行耐壓縮性能檢測，若將電子標簽貼合在承受壓力部位，要求電子標簽能適應檢測過程中壓力可能產生的擠壓變形影響。

因此，針對軌道交通用金屬橡膠制品生產和應用的特殊環境要求，需選擇合適的RFID電子標簽。

2.2 RFID電子標簽選擇

為解決RFID電子標簽應用中的難點，本工作對目前市面上常用的標簽形式進行了分析，最終提出了扎帶式標簽和經絕緣膠封裝的陶瓷標簽2種RFID電子標簽的試用方案。

扎帶式標簽（如圖2所示）拆解方便，可實現遠距離識別，其表面為高結晶聚合材料，具有良好的高頻絕緣性能，不受濕度影響，有較好的耐酸堿性能，應用時直接與產品綁定。

圖2 扎帶式標簽

陶瓷標簽（見圖3）具有耐高溫的特性，其表面為高溫材質，標簽尺寸為5 mm×5 mm×3 mm。但陶瓷標簽相對易碎，通過絕緣膠封裝的陶瓷標簽具有更優良的耐高溫和耐壓縮性能，應用時標簽需預埋至金屬橡膠制品內部。

圖3 陶瓷標簽

2.3 試驗結果分析

針對RFID電子標簽的應用難點，選取不同電子標簽進行試驗，驗證其在不同環境下的耐受性。

（1）鍍鋅液的影響。鍍鋅條件為：溫度 20℃，時間 50 min，堿性環境。經過鍍鋅液處理后的扎帶式標簽和陶瓷標簽均能被有效識別。

（2）硫化高溫高壓的影響。硫化條件為：溫度140 ℃，壓力 4.9 MPa，時間 60 min。硫化后未封裝的陶瓷標簽未能被有效識別，但經絕緣膠封裝的陶瓷標簽能被有效識別；扎帶式標簽會在硫化工序后進行綁定，不會受到硫化高溫高壓的影響。

（3）機加工切屑液的影響。將扎帶式標簽和陶瓷標簽在機加工切屑液中浸泡5 min后，扎帶式標簽和陶瓷標簽均能被有效識別。

3 一種基于RFID電子標簽的軌道交通用金屬橡膠制品追溯方案

多工序的生產過程需建立有效的質量追溯體系，當產品發生質量問題時可有效地進行追溯，鎖定產品范圍。質量追溯主要包括對生產過程中各工序和工位的追溯以及人員、設備、原材料等質量信息的追溯[9]。

現階段客戶對軌道交通用金屬橡膠制品的追溯要求越來越高，不僅要求對全過程進行追溯，而且在產品發貨時需要提供追溯的記錄，包括所有發貨的流水號。企業現有的追溯方式通常是人工抄錄流水號（如圖4所示），這種方式易出現出廠報告中流水號錯漏的情況。

圖4 傳統人工抄錄流水號

為解決此類質量問題，提高周轉效率，企業期望通過在產品上綁定RFID電子標簽，實現在產品出庫過程中批量讀取追溯信息，并讀取至電腦終端。試驗證明，扎帶式標簽和經絕緣膠封裝的陶瓷標簽基本可滿足目前軌道交通用金屬橡膠制品的生產和制造環境要求。

在軌道交通用金屬橡膠制品各個工序寫入相關追溯信息，在出庫過程中進行批量掃描，最終實現對產品追溯信息的讀取。提前在扎帶式標簽中寫入產品的序列號和流水號，并綁定在金屬橡膠制品上（如圖5所示）。在出庫過程中直接在靠近產品上方位置掃描電子標簽，可實現對產品流水號的批量讀取。目前使用的移動式讀取設備，在無包裝箱的情況下，可準確讀取20個標簽，讀取時間為10 s，節省了人工抄錄流水號的時間，加快了流轉速度，同時解決了抄錄流水號過程中易出現的錯號、漏號現象。

圖5 RFID電子標簽的批量讀取

為實現將追溯信息上傳至企業現有生產管理系統中，本工作提出了一種基于RFID電子標簽與MES系統相連接的追溯方案，如圖6所示。在企業現有的二維碼掃描終端上開發并安裝RFID服務程序，當RFID讀取設備讀取到電子標簽內的數據后，借助藍牙連接的方式，將數據傳遞至現有掃描設備中，掃描設備對數據進行轉換和解析，最終轉換為企業內部MES系統可識別的數據。

圖6 基于RFID電子標簽與MES系統連接的追溯方案

4 結語

（1）RFID電子標簽技術在軌道交通用金屬橡膠制品中應用試驗表明，使用扎帶式標簽和經絕緣膠封裝的陶瓷標簽可以基本滿足金屬橡膠制品的生產制造環境要求，但是使用陶瓷標簽時需要對企業現有生產工藝進行進一步優化。后期將對現有的電子標簽形式和電子標簽與產品的貼合方式進行不斷探索，選擇更適用于產品的電子標簽形式和綁定方式。

（2）RFID電子標簽目前在物流和資產管理等方面得到較快速的普及和應用，將RFID電子標簽技術應用于企業內部包裝箱上可改善目前企業內部小零件盤點耗費時間和人力的現狀。隨著RFID電子標簽技術研究的深入，后續其在軌道交通零部件管理中的應用必將越來越廣泛，可實現產品的過程追溯。