WJ-8型高速鐵路扣件預埋套管自動化生產技術

常杰 鮑星旭 趙順強 仇鵬 張立

1.河北鐵科翼辰新材科技有限公司， 石家莊 052160； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

高速鐵路扣件是連接鋼軌和軌枕的中間聯結件，作用是將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距和阻止鋼軌相對于軌枕縱橫向移動［1-2］。近年來，高速鐵路WJ-8 型扣件應用越來越廣泛，對扣件非金屬零部件的需求量逐年增加。然而高速鐵路扣件注塑成品的后處理工序，仍采用傳統人工作業模式，存在加工誤差大、品質不穩定、生產效率低、用工成本高等一系列問題，急需關鍵技術攻關。

本文以WJ-8扣件（圖1）D1預埋套管為例，首先針對傳統生產工藝存在的問題提出改造方法，然后從結構到工藝進行針對性優化設計，以實現全自動機械化生產。

圖1 WJ-8型扣件結構

1 D1預埋套管傳統生產工藝

WJ-8 扣件組裝前把D1 預埋套管預埋于軌道板中，組裝時通過旋入道釘，壓縮彈條，起到緊固鋼軌、定位扣件系統的作用［3］。

傳統D1 預埋套管注塑成型過程中需要一名操作員在操作一臺注塑設備的同時，完成套管注塑后的工序處理。一方面要確保設備、模具工作過程正常，出現異常后及時反饋處理；另一方面要對注塑成型后的產品進行修邊、泡水及碼放。

根據TB/ T 3395.3—2015《高速鐵路扣件 第3 部分：彈條V 型扣件》［4］中套管平面度檢測要求，套管端口與檢測平面縫隙應小于0.5 mm。若平面度大于0.5 mm，預埋套管預埋于軌道板時就無法與軌道板貼合，產生較大縫隙，使得混凝土進入縫隙封堵套管，導致套管下沉，軌枕承軌面的精度就很難達到要求，從而影響到列車運營的安全［5-6］。因此，注塑成型后還需安排專人對套管端口進行打磨。

D1預埋套管傳統生產線主要工序見表1［7］。

表1 D1預埋套管傳統生產線主要工序

人工打磨端口存在很大的安全隱患和人為質量誤差。可從以下三個方面對傳統生產線進行改造。

1）降低勞動強度。全自動機械化生產的主要目的就是通過機械來替代繁重的體力勞動，尤其是完成物料輸送、搬運及重復性的動作，并避免高強度、連續性的體力勞動影響人身安全。

2）提高生產效率。利用傳感器、視覺系統等機械化、智能化裝置代替人工定位，縮短各工序反應時間，增設質量檢測、自動包裝、自動碼垛等機械裝置，對各工序合理化設計。

3）降低生產經營成本。加強質量控制，有效降低人工操作引起的失誤、誤差。采用故障自動檢測技術降低生產線故障發生率，降低大故障對生產工期的影響。減少對用工人數的依賴，采用自動化生產替代人工作業，實現用工人數的最優化［8-9］。

2 預埋套管自動化系統設計

2.1 結構設計

預埋套管自動化系統（圖2）主要包括套管夾取機構、水口剪切機構、端口打磨機構和吹掃機構［10］。

圖2 預埋套管自動化系統

1）套管夾取機構

套管夾取機構安裝在多軸機器人法蘭端部，與多軸機器人通過手動快換機構連接，方便檢修更換。套管夾取機構包括負壓吸取裝置和夾爪裝置，見圖3。負壓吸取裝置吸取模具腔內的套管后，由夾爪裝置持續夾持。由多軸機器人帶動預埋套管按次序在各個工位進行相應處理。通過多個傳感器的反饋信號對負壓吸取裝置和夾爪裝置進行控制。

圖3 套管夾取機構

2）水口剪切機構

將氣動剪鉗安裝在彈性機構上，與套管夾取機構配合，實現單模4 個套管水口的剪切，如圖4 所示。套管夾取機構夾持產品移動至剪切位，產品被下壓，產品底部緊貼剪刀刃口，完成水口的自動剪切。水口剪切后，殘余量小于0.1 mm。

圖4 套管水口位置及水口剪切機構

3）端口打磨機構

端口打磨機構包括夾持機構、打磨機、打磨倉等，如圖5 所示。預埋套管先通過卡槽，再用電動推桿將預埋套管固定。由電機驅動和絲杠傳動，使夾持機構前后往復移動，帶著預埋套管向打磨機行進，完成對預埋套管端口的打磨。限位擋板用于限制預埋套管行進位置，以實現精準打磨。打磨機上的打磨頭設于圓柱形的打磨倉內，打磨倉下端通過氣管與吸氣裝置連通，將打磨下來的碎屑吸走。吸氣管上端內部設有離子發生器，產生正負離子，中和靜電，防止吸氣管內壁積塵。

圖5 端口打磨機構

4）吹掃機構

吹掃機構中的吹氣管可伸入到預埋套管內，吸氣倉與預埋套管端口對接，吹氣管和吸氣倉同軸設置，如圖6所示。

圖6 吹掃機構

吹氣管吹出的氣體是空氣壓縮機產生的高壓氣體，在通過離子發生器后變成帶有正負電荷的氣體，可以中和預埋套管表面的靜電，同時吹走預埋套管和吹掃機構內的積塵。負壓發生裝置通過吸塵管道連接至吸氣倉，在負壓發生裝置產生的吸力作用下將預埋套管內碎屑通過吸塵管道吸入集塵桶內。吹掃機構工作效率高，清掃徹底。

2.2 工藝設計

D1預埋套管生產過程分為注塑和后處理兩部分，見圖7。注塑機合模、注塑保壓與后處理同時進行。

圖7 D1預埋套管生產過程

D1 預埋套管自動化生產周期為58 s。各工序用時見表2。

表2 D1預埋套管自動化生產各工序起始時間及用時 s

生產中無需人工盯機，預埋套管自動化系統自動將出模產品剪切、打磨后，投入下料口。從下料口直接掉落至周轉筐中。產品每20 min 即可落滿一筐，只需人工每20 min更換一次周轉筐即可。

預埋套管自動化系統通過采用多軸機器人配合夾取機構完成套管夾取，在各個工位上依次轉移，完成套管的后期全自動生產，并且機器人夾取更準確更穩定，可控性好。

各個工位的布局可根據現場空間因地制宜、靈活多變。該系統自動化程度高，省時省力，工作效率和產品精度高，且碎屑清理徹底，工作環境衛生。

3 經濟效益對比

傳統D1 預埋套管生產流程為機械操作（注塑機合模→注射保壓→模具開半模→芯子退出→模具完全開模→產品頂出→模具芯子進入→注塑機合模）和人工操作（產品下落→人工收集→去除水口→修剪飛邊→端口打磨→裝筐）。單臺注塑機生產周期55 s。注塑完畢后產品由模具頂出自由下落至底部滑槽，人工完成水口剪切5 s，端口磨平5 s，一人一機。

由于D1 預埋套管對端口平面度要求較高，需額外安排一名專職技術員進行端口打磨工作。預埋套管打磨裝置由人工上料、打磨和收納放置。

按6臺注塑機同時生產D1預埋套管計算，工藝改進前后日產量及用工總數對比見表3。

表3 6 臺注塑機同時生產D1 預埋套管日產量及用工總數對比

以車間12 臺注塑機用于生產預埋套管為例進行對比分析。采用傳統工藝時，12臺注塑機每臺配備一個人，需要12個人，另外每3臺注塑機需要配備1名專職技術員。因此，每班最少需要配備12 + 4 = 16人。

工藝改進后，每班只需要配備4 人。按每天三班計算，采用傳統工藝時每天需使用16 × 3 = 48 人，工藝改進后，每天僅需配備4 × 3 = 12人，人員減少36人。以年人均工資5 萬元計算，用人成本每年可減少180萬元。

4 結語

針對傳統工藝存在的問題，從結構到工藝進行針對性優化設計，實現了D1 預埋套管自動脫模、水口去除、端口打磨、模具監控等一系列工序的自動化。工藝改進后，不僅可以快速消除安全隱患，提高工作效率，改善產品質量，降低生產成本，而且可以最大限度發揮原有設備價值，實現設備和人力資源的優化配置。工人只需定時更換料框，勞動強度也得到改善。