铁路货车制造工艺装备技术创新研究
摘 要：根据十几年工艺装备技术创新的实践经验，总结了工艺装备技术创新的模式、障碍与对策，深入研究了全面技术创新对提高装备整体性能和稳定货车生产质量及保护环境的影响和意义，并以货车生产的重点关键装备为例详解技术创新；论述了未来工艺装备技术创新的领域与前沿尖端技术的应用；论证了技术创新和工艺装备现代化发展的关系。关键词：铁路；工艺装备；技术；创新 ；现代化 1前言铁路货车行业实施了以工装保工艺，以工艺保质量，以质量保安全的过程，工艺装备是源头工作，抓好源头工作就起到了事半功倍的效果。日本在90年代，工艺装备更新就是美国的3倍，是中国的10倍，日本保持劳动生产率是世界的首位,主要就在于装备。铁路货车制造业的最终目标是工艺装备现代化，实现工艺装备现代化的唯一途径就是技术创新的研究。工艺装备技术创新的研究源于两方面的动力。一方面来自市场需求，随着铁路货车的不断提速，寻求精良的工艺装备，开展技术创新研究已成为很紧迫的任务。另一方面，先进制造技术、微电子技术、信息技术、自动化技术、激光和红外技术以及光纤通信技术，从理论和实践上为工艺装备的技术创新铺平了道路。2工艺装备技术创新的模式、障碍与对策随着市场的需求，铁路货车的品种日益增多，其用途、性能和升级的变迁，总体反映在结构和材料上略有变化，所以，我们就能有的放矢地全面创新，来推动工艺装备的整体提升。许多大型复杂的工艺装备，外表看似复杂，但抓住了关键核心的技术就抓住了全局。2.1理论型的创新由于铁路货车产品的特殊性，会常常遇到套用理论的空白，这就需要我们对已知的理论进行分析、理解并延伸创新，解决新情况下理论空白的难题。比如，在设计样板时，转向架的心盘高度样板即不是孔类，又不是轴类，是台阶类，台阶类没有给出套用的公式。我们分析样板的公差带分布与磨损有关，台阶类样板使用磨损后，两磨损面是追击运动问题，根据使用方法，两面磨损的程度不同，分越追越近和越追越远两种，这样台阶类样板的公差带分布就自然清晰了。公差带合理的样板即保证了控制产品质量，又提高了样板的使用寿命。2.2 深入实践型的创新技术创新的灵感起到了前期引导的作用，灵感的源泉是实践。比如，我实习过焊接操作，总结出“两脚站稳，手才有准”的焊接道理。设计风水压试验台时，感觉操作者处于一条腿悬空顶着旋转的风包，另一条脚着地的状态，在补焊圆弧面的过程中，会因为脚站不稳出现了焊接质量问题。采取了在风包架旋转轴的末端增加摩擦片，通过弹簧和气缸来实现与摩擦片的离合，实现了旋转的风包可停留在任一位置，既保证了操作者两脚站稳的安全性，又保证了焊接质量。2.3协调型的创新设计者常重视满足产品功能的技术创新，而忽略了工艺装备的调试和维修，特别是光机电一体化产品，里面看不见、摸不着的东西让用户一筹莫展。协调型的创新让用户更易接受，工艺装备发生了故障，维修人员要按类排查，缩小范围，确认故障点。比如，设计转K6型转向架正位检测台，一旦出现故障，首先手动两个电磁阀，判断风路系统是否有故障；然后利用调试程序观察，传感器的信号是否有反馈；对无信号反馈的通道，与有信号反馈的数据线交换连接后，就可判断问题是出现点。协调型的创新改变了过去大拆大卸后，用专用仪表测量的历史。2.4反向思维型的创新科学技术是客观的。当对某些具体问题碰壁，不得其解时，应利用其优点，而回避其缺点来反向思维进行创新。比如，设计120阀缓解阀体气密性检测，控制阀的密封性很重要，否则，存在控制阀泄漏，而怀疑产品泄漏的问题。控制阀的阀杆采用了密封圈与阀杆相连的内套固定式结构，存在着拉动控制阀阀杆时密封圈与换气孔磨损严重的问题。而反向思维创新，将密封圈改到与换气孔并列的外套上固定，就解决了上述问题，提高了密封性能。2.5反求型的创新产品实验装备开发过程中，会遇到实验结果不在理论值范围内的情况，是产品性能不合格，还是实验装备有问题就不得其解。这就需要两方面研究，一方面从实验产品的角度出发，研究产品实验选择的条件参数是否合理。另一方面从实验装备的角度出发，研究与实验规范相匹配的实验装备；通过多个实验产品在几个实验环节中的状态比较，为反求创新打开缺口。比如，斜楔-立柱磨耗板实验台的反求创新，理论上磨擦过程分梨沟、不稳定磨擦和稳定磨擦3个阶段。通过对其磨损机理分析，实验验证，得出了重要的实验规范。针对斜楔出现偏磨问题，反求得出结论是机构间隙偏大的影响；针对磨耗板上下两端划痕问题，反求得出结论是小部分微凸体没有被剪断，与端部倒斜角和磨擦速度有关。2.6 先进型的创新最先进的技术来源于国外技术、军工解密技术和高等院校的科研成果，即使是局部的应用，也足以提高其科技含量。比如，设计转K2型转向架保持环检测仪，见图1，若采用接触传感器采集数据，不仅需要对接触点的磨损进行数据补偿并校准，而且保持环的空间有限，布局也很难实现。当采用非接触传感器—激光传感器采集数据时，不仅不用数据补偿，而且利用激光反射镜对发射的激光进行折射的原理，实现了一个激光传感器对保持环端面和垂直其端面的保持环内孔进行数据采集。
图1 转K2型转向架保持环检测仪2.7 高性价比型的创新性能与价格是我们创新的重要因素，否则，将影响其应用。高性价比的创新包括两方面，一方面是价格不变，扩展其功能的创新。比如，设计杂型车底架吊具，为提高其强度，采用16Mn材料，但16Mn材料价格较贵，只吊一种产品不合适。通过对吊具结构的改变，四个吊点可以在平面一定范围内移动，这样就可以吊多种杂型车。另一方面是功能不变，降低其价格的创新。比如，设计台车压吨机，为获得较高的液压系统，采用了进口的元件，但电动液压换向阀的价格是手动液压换向阀的3倍多。通过在手动液压换向阀的手柄上连接一个小气缸，用电磁换向阀控制小气缸，实现了对手动液压换向阀的自动控制。2.8风险型的创新技术创新要注意控制风险，风险的根源是对细节问题的忽视，一旦失误，不仅前期投入的资金血本无归，而且在创新试制过程中会造成人员伤亡、设备损坏的事故。比如，制动阀进行浸蜡工艺时，就需要蜡锅。过去的蜡锅是用蒸汽管道加热石蜡，蒸汽的能量转换利用率太低；常规的方法是采用电加热器加热导热油，流动的导热油成再加热石蜡。为提高能量的转换率，采用电加热器直接加热石蜡。虽然金属材料的电加热器整体温度满足石蜡的安全燃点要求，但实际局部温度超标的问题却不能解决，这个细节问题也是致命的问题，所以我们开发了以半导体材料为主的电加热器，通过小规模的实验，解决了电加热器表面温度不均的问题。重视细节问题是技术创新过程中降低风险的关键。2.9可靠型的创新复杂大型的工艺装备，特别是流水线形式的作业，其安全可靠性的创新研究非常必要。若要通过提高一个的单元可靠度来改善串联系统的可靠度，就应当提高系统中可靠度最低的那个单元的可靠度。比如，设计车门生产线，板边框组对台位可靠度值最低，是生产线的薄弱单元。首先，应改变原气缸压紧结构方式，保证设备安全。原压紧边框结构方式为气缸倾斜顶起顶杆的一端，顶杆的另一端压紧边框。其缺点是气缸在胎型外侧，占去了工人操作空间。通过技术创新，将气缸安排在胎型内，保证了设备安全，同时扩大工人操作空间。其次，原车门传递方式为由中心气缸垂直顶起车门，车门落在滚道上，由两个单元分三步完成。因为串联系统的单元数愈多，系统的可靠性愈低。改成两侧带滚道垂直气缸直接顶起车门，由一个单元一步完成。2.10 绿色型的创新21世纪将是“绿色” 世纪。铁路货车制造业要发展，就必须考虑可持续发展，考虑能源的利用与环境保护问题。铁路货车的提速，使许多新产品都逐渐成了过渡产品。研究和普及绿色工艺装备，开发通用的基础设施和柔性夹紧单元，已成为绿色制造的重要任务。比如，基础设施的走台，其高矮可升降，长短可组合的特性满足了不同车型的需要。针对大型组焊类工艺装备，大部分可设计成多功能组合式，分解成定位单元、夹紧单元、测量单元、支撑定位和夹紧单元等四部分，其中平台的梁可X和Y方向移动，保证其上面的其余单元按需要的位置摆方，这样就可以满足多种货车的组装焊接。研发的新型夹紧单元，见图2，采用电力夹紧，瞬间用电夹紧后即断电，靠机械自锁来维持夹紧力，与使用油缸或气缸维持夹紧力相比能源节省上百倍，因其能量转换率高且无污染排放，已被广泛应用在货车组装焊接夹具上。
图2 新型夹紧单元3未来工艺装备技术创新的领域与应用3.1研制大型的光弹仪，确保新产品的试验 保证铁路货车的运行安全，必须进行新产品的试验工作。杆疲劳试验，整体芯盘疲劳试验等，因其比实物试验更节省资源和能源，成了重要的绿色工艺试验装备。应用光弹仪是开发部门用有限元设计出一个产品后的最好检验方法，两者并行不悖。研究绿色试验工装为压缩售后服务的规模起到了决定性的作用。3.2 研制激光清洗技术，确保制动阀体的清洁生产制动阀体生产中常用去油、除垢等清洗工艺。传统方法除有机械外，还有化学和超声波清洗等，在环保和高精度要求下，可能受到极大限制。当污垢成分复杂时，必须选用多种方法共用，这样提高了产品的成本。激光清洗技术是近年来飞速发展的新型清洗技术，它已成为传统清洗方法的延伸和补充，并以其固有优点展示了其广阔的前景。见图3，用激光为F16除旧油漆。
图3 用激光为F16除旧油漆激光清洗是用高能激光束照射工件表面，使污物瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净的目的。研制激光清洗绿色工装，确保制动阀体的清洁生产，已成为铁路制造业的发展方向。
3.3 研制激光修复技术，确保磨耗件再利用
对于铁路车辆在运行中产生机械疲劳和磨损的零件，进行绿色再制造，实现废旧零件的再生和再利用，在铁路车辆制造和使用环节中体现可持续发展的目标。
以车轮再制造为例，车轮踏面、轮缘、辐板、轮毂等部位，由于磨损、热疲劳、机械疲劳等原因，出现磨耗、裂纹、剥落、崩裂等失效类型。尤其是车轮辐板孔裂纹已成为威胁列车安全运行的主要故障之一。这些失效的存在不仅需要在根源上进行消除和控制，同时也提出了进行再制造的潜在需求。
选择的方案：采用激光熔覆技术和激光深熔焊技术，填补车轮辐板孔，可以在结构上消除辐板孔，从而去除辐板孔所造成的应力集中的根源。4技术创新与工艺装备现代化发展的关系通过对工艺装备技术创新的模式、障碍与对策总结，可以得出结论：第一，光机电产品在工艺装备上的广泛应用是工艺装备现代化发展的重要标志，但我们仍处于经验积累的初级阶段，尚需要高水平和持续的技术创新来完善工艺装备。第二，工艺装备技术创新的质决定其现代化发展的水平；其量决定了现代化发展的速度。第三，铁路货车提速对工艺装备现代化发展要求越来越高，同时，工艺装备现代化的发展为技术创新的应用提供了广阔的空间。第四，技术创新是以基础研究为基础，以应用研究为核心，以技术转换为目的，使现代化工艺装备满足铁路货车提速的发展。
