底架組裝工裝模塊化設計與應用

張孝然，肖博玉

（中車唐山機車車輛有限公司，唐山 064000）

0 引言

近年來中國軌道客車行業飛速發展，軌道客車運行速度越來越快、功能越來越多樣化。為適應市場需求變化，車體底架結構持續升級優化、底架制造標準不斷提高。中國制造2025中也將先進軌道交通裝備作為十大重點領域之一。為響應國家號召，公司提出高品質低成本車體制造項目。底架是車體主要大部件之一，高品質低成本底架制造是實現本項目的關鍵。本文重點從底架工藝裝備更替升級的方向研究如何實現高品質低成本底架制造。

1 底架結構與制造工藝

經過多年的軌道客車發展，目前軌道客車已經發展為多種系列多種車型。按照市場需求及制造批量可劃分兩大類，第一類：大鐵路客車（25G、25T、160車），第二類：小品種特殊車型（出口安哥拉車、出口古巴車、雙層車、運輸車、檢測車等）。目前大鐵路客車車體底架結構系列化較好整體框架結構相似；小品種特殊車型車體底架結構差異性較大。依據公司近幾年生產現狀，大鐵路客車占整體比例超過70%是后續方案研究優化的重點，同時需要兼顧小品種車的多類型小批量生產需求。

1.1 底架結構介紹

底架是筒型車體結構的重要組成部件，其是車輛承載的主要部件、車下與車內分割部件、車下設備連接的主要部件。底架的結構按照功能可劃分為底架框架、底架地板、底架附件三種功能單元。通過以上三種功能單元的配合，組成了完整的底架結構。后續介紹以大鐵路客車標準車型160車為示例。

底架框架由牽枕緩、邊梁、橫梁、縱梁、底架連接件組成。牽枕緩為模塊化結構包括枕梁、牽引梁、緩沖梁等結構組成，其是整個底架部分與轉向架連接部件、車鉤安裝部位，是整個車體運行、連掛最重要的部件。底架地板由枕外鐵地板、枕梁上蓋板、枕內波紋地板組成。底架附件由車下吊座、車電制動附件、鐵地板附件等組成。底架整體結構如圖1所示。

圖1 底架結構簡圖

1.2 底架制造工藝介紹

依據公司目前制造工藝方案，底架制造主要由次部件制造、底架組成產線制造兩個工區進行。次部件制造為底架的各級零部件備料工序，包括下料、折彎、加工、次部件組裝焊接等工序完成。底架組成產線制造由底架組裝、底架焊接、底架調修三個工序構成。底架組成工藝流程如圖2示所示。

圖2 底架組成工藝流程

底架組裝工序需要進行牽枕緩、邊梁、橫梁、縱梁、地板、底架連接件等部件的定位組裝，整體零部件數量多、組裝精度要求高。底架組裝工序是底架組成產線制造三工序中工作量最大、操作最復雜的工序，同時也是決定底架尺寸最重要的工序。為此，在底架工藝提升中，提升底架組裝工序制造能力是關鍵一環。底架組裝工裝是底架組裝工序最關鍵的工藝裝備，底架組裝工裝的性能直接影響底架組裝工序的生產效率及質量。從底架組裝工裝升級應用是實現高品質低成本底架制造的關鍵因素。

2 底架組裝工裝模塊化設計

2.1 模塊化技術介紹

模塊化設計是提高產品性能的一個重要的基本技術。模塊化設計可提升產品可升級性，可重用性和可回收性。針對產品設計，產品模塊化具有簡化產品設計結構和提高裝配效率的優點。在產品設計中，確定產品的設計結構是初始設計階段考慮產品需求的關鍵程序之一[1]。工裝設計采用模塊化，可實現工裝各個功能模塊靈活匹配。當整體結構或局部結構發生變化時，模塊化設計的工裝能夠快速調整結構，僅特殊部位進行部件調整更換，縮短工裝設計周期、節省工裝設計制造成本[2]。

2.2 工裝模塊化設計

底架組裝工裝的模塊化設計，應符合底架制造工藝的要求。首先，分析不同類型車輛底架的結構形式，確定底架組裝工裝功能需求，包括工裝調整的尺寸范圍和結構特點等。第二，對生產中涉及到的不同底架結構分析，按照底架結構模塊劃分原則對底架組裝工裝進行模塊劃分，確定出底架組裝工裝的相關模塊。第三，對底架工裝依據各模塊功能單獨進行工裝模塊結構設計，模塊設計時預留出各模塊之間的接口，并繪制各模塊模塊結構圖。第四，按照底架組裝工裝各模塊間的相互關系，進行模塊組合，組合中可依據情況對模塊接口形式進行調整優化，確保工裝整體一致性。模塊化工裝的設計流程如圖3所示:

圖3 模塊化底架組裝工裝設計流程

2.2.1 底架組裝工裝功能分析

底架組裝工裝作為底架組裝工序的載體工藝裝備，在功能上可分為以下三個方面。

1）基本功能：底架生產過程中，滿足牽枕緩、邊梁、橫梁、縱梁、地板、車下吊座等組裝定位、壓緊需求，滿足部件的組裝點固空間位置需求。

2）高質高效功能：底架組裝工序生產中，各定位裝置需定位準確操作簡單、壓緊裝置需壓緊牢固操作簡單，底架組裝工序完成后快速去除各項限制裝置，方便底架吊運出工裝。

3）柔性化功能：底架組裝工裝可滿足不同類型底架組裝工序需求，即滿足不同長度、不同寬度的底架在同一套設備進行底架組裝需求，提升工裝柔性化，提升底架組裝工裝的使用率。

目前行業內應用的底架組裝工裝基本功能都可滿足，高質高效功能在不同結構工裝存在一定差異，但工裝柔性化功能普遍較低。當進行特殊小品種車底架生產時，需要新采購底架組裝工裝，整體費用高、時效性低、工裝利用率低。在本底架組裝工裝設計中應用模塊化設計理念，確保底架組裝工裝同時具有以上三方面的功能，用1套底架組裝工裝滿足后續所有類型底架組裝工序生產需求。

2.2.2 底架組裝工裝模塊劃分

從模塊化劃分的角度既要考慮滿足大部分顧客所需產品功能的需求，而且還需考慮不同用戶對不同產品的個性化要求[3]；同時模塊劃分時又不能使模塊的結構過于復雜和昂貴，以免提高制造的難度和成本[4]。

底架組裝工裝應具有的三個方面功能，同時依據產品模塊化劃分的原則，將底架組裝工裝劃分為5個模塊。5個模塊分別為：整體框架模塊、牽枕緩組裝模塊、中部支撐框架模塊、部件定位裝置模塊、底架中心標識模塊。

整體框架模塊是底架組裝工裝主體模塊，其是工裝與地面的連接模塊，同時起到對邊梁、橫梁等支撐、壓緊作用；牽枕緩組裝模塊是底架組裝工裝兩端的部分，起到保證牽枕緩組成部件組裝、定位、壓緊的功能；中部支撐框架模塊是底架組裝工裝的中間模塊，起到對底架中間各種縱梁、底架連接件、車下吊鉤等的支撐功能；部件定位裝置模塊是底架組裝工裝柔性化功能單元，可依據不同的單位需求靈活設計各種定位裝置，起到底架各種橫梁、縱梁等零部件定位功能；底架中心標識模塊是底架組裝工裝的基準模塊，起到為整個工裝及組裝工序提供基準位置的功能。

2.2.3 底架組裝工裝模塊設計

底架組裝工裝的模塊結構設計按照模塊劃分進行。依據模塊劃分及各模塊的功能，確定出底架組裝工裝的整體結構布局方案如圖4所示。整體結構圖明確了各個模塊的相互關系，為各模塊結構設計提供了基本的結構信息。其中部件定位裝置模塊沒有固定的位置，可根據部件定位需求布置。

圖4 底架組裝工裝整體結構布局圖

1）整體框架模塊結構設計：整體框架模塊由地基軌道（件號1）、氣動頂緊壓緊機構（件號2）、頂緊機構（件號3）、手工壓緊機構（件號4）、整體框架（件號5）、支撐T型槽（件號6）六部分組成。地基軌道是底架組裝工裝與地面連接件，其布置了橫向行走T型槽，可實現工裝寬度范圍調整；整體框架是地基軌道與上部結構的連接件，由T型槽、齒條結構構成。通過T型槽、齒條結構可實現上側的氣動頂緊壓緊機構、頂緊機構在工裝全長度范圍內調整移動。氣動頂緊壓緊機構、頂緊機構、手工壓緊結構三個結構共同起到邊梁的定位、壓緊功能。整體框架模塊結構示意圖如圖5所示。

圖5 整體框架模塊示意圖

2）牽枕緩組裝模塊：牽枕緩組裝模塊需滿足牽枕緩組成的各項組裝、壓緊需求。牽枕緩組裝模塊由枕梁定位支撐裝置（件號1）、緩沖梁定位壓緊裝置（件號2）、牽引梁定位支撐（件號3）、滑動軌道（件號4）四部分組成。枕梁定位支撐裝置采用中心銷定位（四分之一圓銷），并采用枕梁下面平臺支撐結構形式。緩沖梁定位壓緊裝置，通過端部頂緊實現底架長度的控制、通過上部壓緊裝置實現牽枕緩壓緊。滑動軌道是本模塊柔性設計的一部分，當底架長度變化，牽枕緩組裝位置變化后，前3個部分都可以在滑動軌道進行縱向移動，滿足不同長度底架使用需求。牽枕緩組裝模塊結構示意圖如圖6所示。

圖6 牽枕緩組裝模塊示意圖

3）中部支撐框架模塊：中部支撐模塊需實現對底架中間部位各零部件（橫梁、縱梁等）的支撐作用，中心支撐框架模塊由T型槽鑄鐵結構（件號1）、支撐框架結構（件號2）兩部分組成。T型槽鑄鐵結構為橫梁、縱梁等底架中間部位零部件支撐件，T型槽的結構方便布置各種橫梁、縱梁定位裝置布置。中部構架模塊示意圖如圖7所示。

圖7 中部框架模塊示意圖

4）底架中心標識模塊：底架中心標識模塊是底架組裝工裝及底架組裝工序的尺寸基準。底架中心標識模塊由縱向中心標識（件號1）、枕梁中心標識（件號2）、橫向中心標識（件號3）、橫向中心拉線裝置（件號4）四部分組成。在底架組裝工序，通過中心標識可以有效的為部件組裝提供尺寸基準，確保組裝尺寸正確性。底架中心標識模塊布置如圖8所示。

圖8 底架中心標識模塊示意圖

5）部件定位裝置模塊：部件定位裝置模塊由多種多樣的零部件定位裝置組成，包括橫梁定位裝置、縱梁定位裝置、車下吊座定位裝置、裙板吊座定位裝置等。部件定位裝置結構形式根據連接位置設計出相關接口，常用的幾種部件定位裝置如圖9所示。

圖9 常用部件定位裝置結構圖

2.2.4 底架組裝工裝模塊組合

底架組裝工裝由5模塊共同組成，對5個模塊三維圖紙進行組合，組合后底架組裝工裝整體結構如圖10所示。底架組裝工裝的主要技術參數及底架應用范圍如表1所示。

圖10 底架組裝工裝整體結構圖

表1 底架組裝工裝主要技術參數

2.3 底架組裝工裝模擬仿真模擬應用

底架組裝工裝的結構設計完成后，在實際工裝圖紙定版生產前，采用三維軟件進行底架組裝工序模擬組裝，通過模擬組裝過程分析各模塊的匹配性、組裝工序的可操作性、底架吊運出入底架組裝工裝的便利性等。底架組裝工裝在底架組裝完成后狀態如圖11所示（圖中隱藏底架地板）。通過以上模擬組裝過程分析，底架組裝工裝具有設定的三項功能，達成了工裝設計目標。

圖11 底架組裝完成后底架組裝工裝狀態圖

3 底架組裝工裝生產應用及優化

3.1 底架組裝工裝生產應用

底架組裝結構設計完成后，進行了工裝制造及現場安裝調試，并首次應用于160車型底架組裝生產。在首批次底架生產中取得了預期的效果，底架組裝工序工作效率提升15%、底架組裝質量明顯提升。底架組裝工裝更換前后分別跟蹤記錄1列車底架生產過程，人工效率及底架交付質量詳細對比如表2，底架組裝工裝生產應用狀態如圖12所示。

圖12 底架組裝工裝生產應用狀態圖

表2 底架組裝工裝對照表

第二批次應用于小品種車型（出口安哥拉車）生產，由于底架長度、寬度、枕中長度變化，底架組裝工裝各模塊分別進行了調整，調整后順利應用于底架生產。

3.2 底架組裝工裝結構優化改進

在第二次小品種車批量生產時，底架組裝工裝由于底架枕中長度變化，引起枕梁中心標識調整。由于中心基準尺寸調整要求高、調整過程工作量大。為此依據生產應用需求，進行枕梁中心標識的結構優化，原有的枕梁中心標識設定為固定枕梁中心標識，同時在牽枕緩組裝模塊增加配置活動枕梁中心標識（僅非標準枕中長度使用）。大鐵路客車或標準枕中長度車輛底架生產時，以固定枕梁中心標識為準，特殊底架結構需要進行枕梁中心標識位置變化時，調整牽枕緩模塊新增加的枕梁中心標識，滿足特殊車輛枕梁中心組裝基準需求。

通過以上枕梁中心標識結構優化，底架組裝工裝柔性化更好，在特殊結構底架生產時，底架組裝工裝的調整工作量更小。

4 結語

目前底架組裝工裝已經先后應用于4批次，超過200輛車車體底架生產，取得了預期的效果。后續將以本工裝的模塊化設計及工裝升級為示范，逐步推向車體車間其他工藝裝備。通過工藝裝備設計理念的升級，逐步實現全車體車間的高品質低成本車體制造指標。