淺談螺旋筋自動成型一體機的研制

謝凱

（成鐵德陽軌道有限責任公司，四川 德陽 618007）

1 前言

隨著鐵路建設領域的不斷擴大，混凝土軌枕的應用需求也不斷增加，同時對軌枕質量的要求也越來越高，加強混凝土軌枕的質量控制成為軌枕生產的首要任務。為了加強軌枕質量控制，生產用原材料質量、工藝工裝配件質量、生產工藝過程控制等方面成為軌枕質量卡控的重點。

螺旋筋作為軌枕用主要的工藝配件，其質量直接影響軌枕預留孔或預埋套管周圍是否開裂。Ⅱ型、Ⅲ型軌枕作為有砟線路鋪設的主要使用產品，其常用螺旋筋均為等螺距、各螺旋圈為等直徑。傳統的混凝土軌枕的生產主要依靠大量的人工，在各工藝環節主要依靠工人的操作經驗。螺旋筋的制作也不例外，其質量也依賴人為經驗。通用的制作方式中，螺旋圓筋、立筋、焊接成型的工藝都是相對獨立的，成型的過程中，因加工工藝的人為因素，立筋在簧筋圓周上無法均勻分布，螺旋間距尺寸不均勻，同時，三根立筋不在同一平面、立筋點焊穩固性差。為了保證螺距、螺旋圈徑的尺寸精度，螺旋筋的制作的規范性就成為主要影響因數。需要有效解決傳統螺旋筋加工制備工藝中諸多不足，提升螺旋筋的繞制質量，就必須將簧筋制作、立筋下料、點焊成型進行有效地結合。螺旋筋的螺旋間距、立筋的下料長度、立筋的平整度、焊接的穩固性等技術指標要求將成為螺旋筋自動成型一體機的制作方案考慮的重點。

2 螺旋筋自動成型一體機研制的必要性

螺旋箍筋的制作多數比較麻煩，大多利用旋轉骨架等輔助臺具人工制作，費工費時，且不易保證質量。機械化生產代替人工制作成為趨勢，為了優化螺旋筋制作工藝，提高螺旋筋的成品質量，將原有的彈簧繞制、立筋下料、焊接成型相對獨立工序進行整合改造具有積極意義，在質量控制、成本控制、安全管理等方面有著迫切的需求。

2.1 質量控制的需求

螺旋筋在通用的混凝土軌枕生產過程中，其生產必

須滿足相應行業或國家標準。軌枕裂紋作為軌枕重要的檢測指標。在GB/T 37330-2019《有砟軌道軌枕 混凝土軌枕》中，明確軌枕表面不應有收縮或受力產生的裂紋的要求。如螺旋筋的質量不合格，在預留孔或預埋套管周圍是最容易出現裂紋。不合格的螺旋筋與套管或橡膠軸周邊尺寸相差較大，甚至出現了部分螺旋筋直接靠在套管或橡膠軸上的現象，使螺旋筋的在軌枕產品中的作用大大降低。在螺旋筋的制作中：螺旋筋的繞制，立筋的調直切斷，螺旋筋和立筋的點焊接。每道工序都由獨立的設備和不同的操作人員完成。人為操作技能、人工實作經驗和責任心的差異對每一步的產品質量都存在較大影響，不同的操作工人加工的產品中，簧筋的直徑、簧筋的螺距、立筋的長度、立筋焊接的分布、焊接的牢固性等都均會出現偏差，只要其中任意某個指標或多個指標出現偏差，導致點焊出來的螺旋筋上的立筋參差不齊，立筋的端部不在一個平面，焊接脫焊等。螺旋筋產品質量欠佳，一致性不好。為了解決上述質量問題，加強螺旋筋產品的質量控制，整合多個工序，加強自動化控制成了質量控制的必然需求。

2.2 節約成本的需求

大多數軌枕生產廠家在螺旋筋制作的過程中，除了螺旋筋圓筋的繞制利用繞簧機繼續制作成螺旋狀的半成品外，立筋的下料、立筋與圓筋的電焊，均需要大量的人工，在每個崗位都至少需要1 名員工才能完成，最少都需要3 個操作人員。每個工序之間的銜接都會消耗時間，使得從簧筋的繞制到焊接成型的過程中所花費的時間增加。在人力資源成本上升的當下，人工成本占比加大。為了提高加工制作效率，減少人工成本支出，成了成本控制的需求。

2.3 職業健康安全的需求

螺旋筋的材質一般采用熱軋光圓鋼筋或低碳冷拔鋼絲。在螺旋筋的制作過程中，人工需要手動操作繞簧機，鋼絲在走行中使得鋼絲表層鐵銹不斷地剝離產生揚塵，操作工人的工作環境極差。同時，在對立筋與圓筋的焊接過程中，采用電焊機，火花飛濺對人體有一定傷害。操作人員長時間身處這種工作環境，極易對身心健康產生不利影響，更有出現職業病的風險。為了體現人為關愛，急需對這種工作環境進行整治，以此滿足職業安全的需要。

3 螺旋筋自動成型一體機研制的方案設計

3.1 整體思路

目前，軌枕螺旋筋的制作方法較為常用的繞簧、立筋定長、點焊的“三步法”的制作工藝，難以滿足螺旋筋的質量需求，為了整合繞簧、立筋制作、焊接成型的單工序，需要利用自動化控制原理，最終達到三個目的：第一，結合操作便利的要求進行整體制定研制方案，最終達到一體化。第二，保證一體機的加工效率，使其每小時產量達到800 ～1200 個。第三，高標準的質量要求，必須確保三根立筋端部組成的平面的高度誤差應控制在1mm 以內。

按照螺旋筋成型工藝，螺旋筋自動成型一體機的主要組成包括螺旋筋繞制機構、立筋調直送絲機構、點焊成型機構及自動控制系統。

3.2 方案設計

3.2.1 螺旋筋繞制機構的設計

為了螺旋筋生產的連續性與節奏性，確保螺旋筋加工流水生產線的順暢。螺旋筋繞制機構主要用于鋼絲的調直與輸送，進而將鋼絲繞制成螺旋狀的圓筋。

螺旋筋繞制機構包括送絲組件、調直組件、成型組件、螺旋繞制伺服電機，繞制切斷刀口。

鋼絲在螺旋繞制伺服電機的驅動下，經過送絲組件作用，通過3 組調直組件的調直，將鋼絲繞制成型組件上自動纏繞，形成螺旋狀，其繞制速率為15 ～20m/min。繞制成型組件的螺距、螺旋圈徑主要依靠成型組件上導輪的漸進線槽進行控制，一般螺距在20 ～40mm，螺旋圈徑在50 ～70mm，可以滿足多種螺距和螺旋圈徑的規格。根據走行的鋼絲長度，可以有效控制螺旋圓筋繞制后的總長度。依據螺旋筋圖紙的要求，可以合理調整參數，繞制成型符合要求的規格型號的螺旋狀。當達到設定的螺旋總長后并與3 根立筋點焊，利用切斷刀口在氣缸的動力作用下切斷螺旋。

3.2.2 立筋調直送絲機構的設計

立筋調直送絲機構，主要包括伺服電機、送絲動力件、調直組件等。其中送絲動力組件3 組、調直組件由3 組，每組滾輪由固定平臺、螺栓、滾輪等組成。

鋼絲在伺服電機的動力作用下，3 組鋼絲勻速通過調直組件，鋼絲在3組擠壓調直滾輪作用下，將立筋除銹、調直。

3.2.3 點焊成型機構的設計

點焊成型機構包括點焊氣缸、焊極、圓筋切斷刀口、立筋切斷刀口等組件組成。

焊接過程包括預壓、加壓、預熱焊接、焊接、維持等多個階段。將螺旋筋圓筋和立筋處于兩電極之間，利用電焊用氣缸3 個，通過PLC 控制指令，矩形銅焊極向圓柱焊極擠壓達到瞬時高電流，執行焊接動作。焊接利用了低電壓、高電流的工作原理，其電流一般達100A，電壓在1 ～3V。電極均勻分布在360 度的空間范圍，通過PLC 程序控制分別依次進行有序焊接。利用PLC 的功能指令可以有效排除漏焊和誤焊。點焊后，鋼筋強度損失不超過母材的5%，焊接剪切強度也能滿足標準要求。

當螺旋圓筋與三根立筋全部焊接（6 個焊點）完畢后，通過PLC 程序控制，立筋送絲組件牽引3 根立筋也與螺旋筋焊好退回到適當位置，圓銅極到切刀口的距離一般在120mm 左右，以此確保螺旋筋有足夠的自由回退空間。立筋切斷刀口在受到切斷氣缸的作用下，1 個刀架帶動3 個刀口自上而下運動，逐次切斷立筋，螺旋筋從卸料口進入成品區。完成一個螺旋筋成品的制作，如此周而復始。

3.2.4 其他組件的設計

主要包括PLC 自動控制組件和機座。其中PLC 自動控制組件包括PLC 顯示屏、信號傳輸件、接觸器等組成。

PLC 自動控制組件功能主要完成各種操作指令。通過交互式的設置界面主要參數方式，帶動相應電氣組件進行工作。操作簡單、界面友好、可視化程度的特點使得一體化機有序可控，運行順暢，所焊接的產品完全符合圖紙要求。基座主要用于調整一體化機的高度，以便適于操作，在其柜體中可以將輔助用途的打氣泵等進行封裝，滿足整體結構的外形要求。

4 方案應用效果

4.1 工序有機整合，作業效率高

多工序整合，提高了作業工效。一體機將螺旋繞制、立筋制作、電焊成型的獨立工序進行了有機整合，在伺服電機作用下，有序勻速地將鋼絲送入螺旋筋繞制組件的同時，3 根立筋鋼絲也有序地進入調直組件，將立筋用鋼絲在電焊成型組件的作用下，依據螺旋筋圖紙尺寸要求，可以自動計算鋼絲走行距離，確保鋼絲精準長度。采用電阻焊接的方式(瞬時通電)，電阻焊接的效率、質量和自動化方面有著獨特的優勢，熱量集中、加熱時間短、焊接變形小，縮短了焊接時間，有效地提高生產效率。整體點焊成型后，從卸料處自動切斷立筋，即得螺旋筋成品。整個生產成型加工過程流暢，工序高度融合，效率大幅度提升，每小時產量可以達到800 ～1200 個。

智能操控界面，為提高效率奠定了基礎。主要的螺旋筋的參數指標均可在PLC 顯示屏上精準設置。人機界面實現了簡單、自然、友好的人機對話功能，操作人員只需按照要求進行操作,螺旋筋加工整個一體化的過程就會自動完成，整個工序操作極其方便。總之，實現了多工序整合的初衷，這也正是真正意義上實現了一體化的關鍵技術。

一機多用的功能，符合高效作業需求。成型組件的成型導輪的調整性功能成了不同規格的螺旋筋制造的必備條件。利用一臺設備就能滿足Ⅱ型、Ⅲ型軌枕用得多規格的需要，就能高效地完成多種規格產品的加工。

4.2 自動化程度高，質量穩定可靠

自動化的應用，是保證質量穩定可靠的前提。自動化的實現為多工序地整合起到了保障作用，無論是螺旋主筋，還是立筋的送絲、調直，都依靠伺服電機，可完全實現無極調速，能滿足不同的材質鋼絲的調直需求。利用成型組件上導輪的漸進線槽可以保證螺旋的螺距、形狀、通過鋼絲走行距離，可以保證螺旋筋的整體長度等關鍵性指標。

合理的工藝參數設計是保證產品質量的必要措施。電焊的過程中，焊接時間、焊接電流、電極壓力是重要的工藝參數。其一，采用強規范焊接法(瞬時通電)，減少電能消耗及減輕螺旋筋的整體變形。其二，采用合理的焊接電流，根據鋼絲的斷面尺寸及接觸表面的情況，保證合適的電流有利于保證焊接質量。其三，應用電極壓力，為了減小焊點處的接觸電阻，電極必須對焊件施加壓力，這也是保證焊點形成時所需要的壓力。合理的焊接工藝參數，實現了精準焊接，同時，確保焊接牢固的需求，保證了穩定的產品質量。

4.3 安全風險降低，確保職業健康

生產過程高度的自動化，參數的可視化都是整個一體化機的穩定性的有力保障。在自動化、流程化的工藝過程中，完成螺旋圓筋的繞制、立筋的調直下料、焊接成型這些工序環節，都不再依靠人為的操作，大大地減少了人與機械設備的接觸時間，有效地降低了鋼絲、機械傷人的概率。同時，在鋼絲調直的過程中，依靠設備的自動運轉，人無須一直看守，可以有效地避免鐵銹的揚塵傷害。在焊接的工序環節，采用了銅焊極，其飛濺的火花遠比光弧焊的火花小，有效地減少了有害人體的傷害。

5 結語

綜上，本文旨在針對螺旋筋的加工的多個工序進行一體化整合，從螺旋筋的圓筋成型、立筋的制作、點焊成型的工藝需求，提出了綜合優化的實施方案。隨著軌枕生產行業內對各種配件質量要求不斷提高，螺旋筋自動成型一體機的應用，將給其他軌枕生產廠家在各工序環節中探索實現自動化、可視化有一定的啟發，在提高產品質量、成本控制、職業健康等方面起到了參考作用。