鐵路貨車輪軸智慧檢修方案研究

李戰勝，李木存，阮奇海

（國能鐵路裝備有限責任公司陜西分公司，陜西 榆林 719316）

1 裝配制造業智能化發展趨勢

貨車輪軸智能檢修屬于裝配制造業智能工廠的范疇，智慧檢修的核心是信息化與自動化系統的高度集成基礎的智能化。

裝配制造企業的產能不像連續型企業主要由設備產能決定，而主要以加工要素及人員配置的合理性決定，因此同樣規模和硬件設施的不同企業因其管理水平的差異導致的結果可能有天壤之別。從產品形態來說，裝配制造與維修的多個零部件的配套關系，具備生產多品種產品的柔性制造能力，因為裝配維修過程中包含著變化和不確定性，因此更需要生產排程、加工過程設備的自動化控制以及質量檢測的配合，因此，裝配制造業智能化，主要體現在通過物聯和信息管理方面的改進，來提升生產力和競爭力。

目前較為先進的智能制造企業，一般都采用如下設計、配置并能達到如下水平：（1）智能化工廠采用頂層設計，全面融合制造和管理過程設計，構建最先進信息化技術架構平臺。（2）MES系統：廣泛采用MES（Manufacturing Execution System制造執行系統）進行排程，完成生產配料、工單以及生產統計跟蹤等；支持柔性制造模式，支持多物料規格產品組合切換。（3）生產過程在線監控：完整的在線生產過程、設備運行實時監控系統，通過總控中心和工位看板完成生產監控與管理交互。（4）工位自動化加工中心：各工序以加工中心為單位，利用各類機器人自動完成各工序加工制造，包括上下料、加工以及刀具更換等。（5）設備物聯：加工工件及設備狀態信息，實時聯入生產局域網，通過信息共享，驅動工位自動傳送流水線；支持設備供貨商進行遠程設備運維。（6）物料和產品智能庫：采用智能庫管理技術，利用RGV（Rail Guided Vehicle，有軌制導車輛）或AGV（Automated Guided Vehicle，自動導航小車）技術自動識別物料和判別路徑，進行物料進出庫傳送。（7）異常處理：利用智能圖像識別或探傷檢測等技術，配合人工對產品質量進行檢測，質量問題發出報警并退出返回；具有現場人員安全防護體系。（8）二維碼、RFID應用：采用二維碼或者RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別碼）方式，自動讀取工件ID標識碼，定位工序位置，跟蹤工件流程。（9）現場看板及移動終端APP應用：現場看板用于工單交互、報警推送、工位或全廠大數據查詢；個人或班組績效考評，或安全操作宣傳等。（10）3D數字孿生工廠平臺：利用3D工廠模型在線監視工位生產設備狀況，輔助進行產品優化設計仿真模擬以及設備操作培訓等。（11）生產監控調度中心：生產監控調度中心負責監控協調整個生產過程，配合現場視頻系統，完成調度或應急處理；大屏幕系統進行大數據庫展示；全廠無人化或少人化操作。

2 貨車輪軸檢修現狀

通過對國內多個車輛段輪軸檢修車間進行調研，參閱國內輪軸檢修相關論文，特別針對滄州輪軸檢修基地進行全面考察，發現近年來各車輛段在檢修工序各個環節上，雖然進行了大量的技術改造，并取得了一定的成效，但是對照輪軸檢修智能化的構成要素，目前國內貨車輪軸檢修依舊普遍存在如下問題。

2.1 輪軸流水線自動化問題

貨車輪軸從收入、拆卸、測量、探傷以及加工到組裝、支出的每一個工序，都有一定數量的人工操作參與。整個輪軸工件物流并沒有通過RGV或者AGV等技術自動“流動“起來，造成人員投入過多，效率低下，成為事實上的“人工作坊”。

2.2 輪軸測量自動化問題

輪軸尺寸是整個維修過程的最重要的參數，在測量工序雖然配置了輪軸測量機，但是行業普遍采用的測量機，測量精度不準，設備可靠性差，測量效率也不能達到輪軸維修產能的要求，導致測量設備普遍停用，采用人工卡尺測量。

2.3 輪軸機加工設備自動控制問題

目前如熒光磁粉探傷機、輪軸微機控制超聲波自動探傷機、多通道數字式超聲波探傷機、數控車削車床、軸頸成型磨床、數控輪座磨床，輪轂孔加工鏜床，輪對壓裝機，輪對踏面旋修車床等，大部分設備主要是為本地單套設備完成本機功能而設計，沒有為聯網、遠控以及與上下料機械傳動系統聯動而設計，因此雖然部分設備配置有PLC系統控制，但大多是由人工采取機旁電控方式操作。

2.4 軸承智能庫問題

部分車輛段雖然建了大型軸承智能庫系統，可完成軸承自動選配功能，但因為智能庫設備可靠性差，或者因為輪軸維修批量小，啟停智能庫系統時間長，甚至不及人工搬運效率高，故不能或不愿投入使用。

2.5 信息共享與質量控制問題

對輪軸的測量、探傷、加工以及壓裝數據信息，普遍采用紙質表格手工記錄、打印并進行工序間傳遞交接，并由人工錄入到HMIS（Huoche Management Information System鐵路貨車技術管理信息系統）中。因為沒有實現自動數據采集，人工錄入占用了人力時間、降低了效率。HMIS系統數據僅僅用于單向上傳備案，沒有配合輪軸標識識別，作為檢修過程的有效信息化管理手段。

2.6 集控調度中心問題

由于上述基礎設備和流程管理未達到集控的水平，因此各車輛段目前基本上都沒有設置真正意義上的總調中心。一些調度室僅僅為現場視頻監視室，有些車輛段配置了大屏幕，僅僅作為一般性生產統計顯示及黨政宣傳用途。

3 貨車輪軸智慧檢修方案

3.1 貨車輪軸智慧檢修系統框架

基于上述分析，貨車輪軸智慧檢修整體方案，采用從自上而下頂層設計方式，系統框架如圖1所示。

圖1 輪軸智慧檢修總體架構圖

（1）基礎設施層：建立中心服務器系統、數據庫系統以及數據采集網絡，通過PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）、儀表/傳感器和工控/IT系統之間的聯網，實現設備檢修信息的自動采集、處理和生產指令自動下達。配合網絡視頻，監控設備異常、人員安全等異常報警。（2）智能設備層：智能化測量加工中心實現邊檢測、邊加工的能力，準確識別工件，自動進行測量、探傷、加工及壓裝等，部分工位人機協作。需要對機加工設備本地電控系統進行通訊及遠程控制改造。智能物流設備包括輪軸、軸承立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機械手、懸掛式輸送鏈等。（3）智能產線層：通過大屏幕、調度中心終端、電子看板或手機顯示出實時檢修狀態。（4）智能車間層：對檢修計劃、質量、設備、能耗、績效等進行統計分析，決策支持。

3.2 中心數據庫數據采集設計

中心數據庫系統，實現輪軸、車軸、車輪、軸承四大配件在車間的生產物流和各車間之間的供應鏈物流過程中信息流和物流同步。通過實時數據庫規約驅動程序、或關系數據接口，完成檢修過程全流程基礎數據收集、存貯和數據處理。

各主要工位設備上行數據流主要包括：（1）在輪對測量機工位采集輪軸尺寸數據及測量機設備運行狀態數據；（2）在輪對退卸機、電磁探傷工位、自動超探工位采集輪軸探傷數據及設備運行狀態數據；（3）在車軸、車輪加工機床工位采集機床設備啟停狀態、運行參數；（4）在車輪智能庫、軸承智能庫設置接口機，采集智能庫設備啟停狀態、運行參數等；（5）在輪對壓裝、軸承壓裝工位采集壓裝機設備啟停狀態、運行參數等；（6）在車間設置傳感器，對車間環境、重要房間、重要機房的溫濕度等進行測量。（7）其它采集信息包括高清視頻攝像信息；車間內安全圍欄紅外監測闖入報警信息；操作人員、巡檢人員定位信息等。

下行信息主要包括重要設備遠程啟停命令；生產計劃單、運維任務單；設備及子系統配置參數表等。中心數據庫系統與HMIS系統實現數據共享；系統與HCCBM（Condition Based Maintenance,簡稱CBM，國家能源集團鐵路貨車“狀態修”健康狀態診斷模型及狀態監測維修系統）保持數據共享。

3.3 輪軸輸送改造方案

滄州輪軸檢修按作業分為8個檢修線，為優化設備布置和物流適應設備自動化作業的需求，輪對長距離采用輪對自動推送裝置和AGV、RGV結合輪對平移線的方式實現。

車軸采用鏈式輸送線和AGV、RGV進行輸送，通過機械手和六軸機器人實現設備的上下料。車輪采用滾杠輸送線輸送，通過車輪機械手實現設備的上下料。軸承采用滾杠和鏈式輸送線進行輸送，通過機械手實現上下料。前蓋、后檔、標志牌、施封鎖，軸端螺栓等小部件采用AGV進行輸送，實現存放與工位間的輸送。

3.4 智慧檢修管理信息系統

按照輪軸檢修的業務管理層次，針對領導決策、生產組織、技術管理、安全管理、質量驗收等職責，設計構造信息化系統功能。重點解決生產過程管控、防錯、產品質量追溯、設備運行等相關管理目標，建立一個業務統一、流程順暢、數據規范的生產管理平臺。

管理平臺功能主要包括：（1）生產過程管理：實時監控整個檢修過程的各種現場數據，并按照預先設定的報修條件，出現異常情況應及時報警提醒，并采取相應措施；（2）質量管理：以檢修過程質量信息匯總和控制為核心，建立快速、全過程的質量反饋、質量處理、質量跟蹤控制；（3）設備管理：對車間主要生產設備的使用頻率、運行狀況、工時、定額、能耗、產能等有關信息進行采集和分析，對設備進行全面的運行管理；（4）統計分析：對檢修進行統計分析，并通過對大數據的綜合分析，對生產運行情況進行有效評價如檢修合格率、員工績效、設備效率等。（5）移動應用：支持手機、PDA等移動終端，實現移動端的派工報工、接料發料、數據錄入、生產進度跟蹤、實時統計分析展示等。

4 結語

針對滄州輪軸檢修車間進行的智慧檢修系統方案設計，方案的技術難點如輪軸ID標簽技術選擇、輪軸測量機選型、探傷新技術引用、機加工設備聯網以及數據庫設計等，更細節的設計或研發需求，不在此詳述。通過對方案改造進行的模擬和計算，預計改造后，自動化實現率達到95%以上；減少現場崗位作業人員52%左右，車間整體輪軸檢修產能不小于120條/天（四級修40條/天，80條/天）。