跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)線工藝設(shè)計

葛懷普 王志偉 丁 珂

(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖//第一作者，高級工程師)

跨坐式單軌交通系統(tǒng)作為傳統(tǒng)地鐵、輕軌之外新的軌道交通制式，具有投資較少、地形適應(yīng)能力強(qiáng)、建設(shè)周期短等優(yōu)點，目前已在美國、日本、新加坡、馬來西亞、巴西、韓國、沙特阿拉伯、阿聯(lián)酋等國，以及我國的重慶、上海、蕪湖等城市得以廣泛運用。本文基于國內(nèi)首個PBTS跨坐式單軌車輛，對其構(gòu)架焊接生產(chǎn)線的工藝設(shè)計進(jìn)行研究。

1 單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)介紹

不同于傳統(tǒng)制式的地鐵車輛，跨坐式單軌車輛的轉(zhuǎn)向架走行輪由橡膠輪胎取代鐵道車輛的鋼制車輪，由導(dǎo)向輪取代鋼制車輛車輪輪緣起導(dǎo)向作用。每個轉(zhuǎn)向架共有8個橡膠輪胎，其中：走行輪2個，導(dǎo)向輪4個，穩(wěn)定輪2個。走行部分較為緊湊的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是以碳鋼材質(zhì)S355J2為主要材料的焊接結(jié)構(gòu)，其主要化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1和表2所示。跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由基礎(chǔ)框架、側(cè)梁、導(dǎo)向輪座、電機(jī)吊座以及其他小部件組焊而成，如圖1所示。電機(jī)吊座布置于一側(cè)，整體前重后輕、不對稱，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

表1 碳鋼材質(zhì)S355J2的化學(xué)成分[1] %

表2 碳鋼材質(zhì)S355J2的力學(xué)性能[1]

2 單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)線工藝

為了更好地保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工廠生產(chǎn)效率，降低人工成本，制造工藝在規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)盡可能地采用機(jī)器人焊接，輔以少量的人工焊接。跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用模塊化制造工藝，在分別完成橫向止擋、牽引桿支座、導(dǎo)向輪座等小件和電機(jī)吊座的組裝及焊接后，再進(jìn)行側(cè)梁和基礎(chǔ)框架組焊(即將電機(jī)吊座與基礎(chǔ)框架組焊至一起)，最后將基礎(chǔ)框架與側(cè)梁組焊。跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接的具體流程如圖2所示。

圖1 跨坐式單軌車輛構(gòu)架結(jié)構(gòu)

在整個工藝流程中：小件焊接工序由于本身結(jié)構(gòu)特殊，且焊縫長度較短，采用手工焊接；基礎(chǔ)框架為整體箱型結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生扭曲和彎曲變形，且矯正困難，加之基礎(chǔ)框架上包含了左右橫向止擋、電機(jī)吊座等關(guān)鍵零部件，對焊縫質(zhì)量的要求很高，且焊接工作量占整個構(gòu)架焊接工作量的55%，因此，基礎(chǔ)框架焊接工序?qū)?gòu)架整體質(zhì)量影響很大；構(gòu)架總組工序直接影響構(gòu)架上各安裝座的組對尺寸，并對構(gòu)架最終尺寸有著決定性影響。綜上考慮，基礎(chǔ)框架、構(gòu)架總組采用機(jī)器人焊接，基礎(chǔ)框架和構(gòu)架總組的組裝定位焊采用手工焊接。

圖2 跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接工藝流程

圖3 單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接工序作業(yè)順序

3 單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)線優(yōu)化

生產(chǎn)線平衡是指對生產(chǎn)線的全部工序進(jìn)行平均化，調(diào)整作業(yè)負(fù)荷，以使各作業(yè)時間盡可能相近的一種技術(shù)手段與方法[2]。單軌車輛完成了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)線的工藝流程設(shè)計之后，需要對其焊接生產(chǎn)線作進(jìn)一步的平衡優(yōu)化，方可投產(chǎn)使用。影響生產(chǎn)線平衡的因素主要包含：工序的作業(yè)內(nèi)容、操作者的技術(shù)水平、工序設(shè)備的生產(chǎn)能力，以及物流的安排等其它因素。基于圖2的工藝流程，為了盡可能利用機(jī)器人實現(xiàn)自動焊接，提高設(shè)備利用率，在工藝設(shè)計之初就考慮了采用單機(jī)器人雙工位模式，其工序作業(yè)順序如圖3所示，圖中數(shù)字序號為各工序的代碼，其代表的工序見表3。除去小件工位采用手工焊外，其余各工位均以機(jī)器人焊接為主。

表3 單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接工序作業(yè)時間統(tǒng)計

對試制階段的首列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要工序作業(yè)內(nèi)容及生產(chǎn)時間進(jìn)行了統(tǒng)計,如表3所示。從表3中可以看出，工序0、2、3、5、7、9、10、12為拼裝工序，作業(yè)時間總計為1 380 min；工序1、4、6、8、11、14為機(jī)器人焊接工序，作業(yè)時間總計為1 097 min;工序13的作業(yè)時間為197 min；工序15為手工焊接工序，作業(yè)時間為120 min。為保證各工位連續(xù)作業(yè)，減少等待時間，將現(xiàn)場作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整分配。如圖4所示，將這16個工序主要劃分為4大生產(chǎn)工位，分別為：A工位(工序13、15)，總作業(yè)時間317 min；B工位(工序0、2、3、7、12)，總作業(yè)時間700 min;C工位(工序5、9、10)總作業(yè)時間690 min；R工位(工序1、4、6、8、11、14)總作業(yè)時間1 097 min。

由于基礎(chǔ)件為采購件，物流采用工位配送模式，且操作者均已經(jīng)過培訓(xùn)和考試，取得上崗資格，故生產(chǎn)線的平衡優(yōu)化主要考慮工序作業(yè)內(nèi)容、時間以及設(shè)備生產(chǎn)能力等方面。依據(jù)生產(chǎn)平衡率的計算公式

式中：

ε——初始生產(chǎn)平衡率；

ti——第i個工位的作業(yè)時間；

s——瓶頸工位合計所需工時；

n——工位數(shù)。

基于現(xiàn)場4大工位作業(yè)模式，確認(rèn)瓶頸工序為R工位(機(jī)器人焊接工位)，計算得到ε=63.9%。

為了在現(xiàn)有資源配置條件下，盡可能實現(xiàn)工序平衡，進(jìn)一步提高生產(chǎn)平衡率，對現(xiàn)有的4大工位作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行微調(diào)，如圖4所示。從圖4中可以看出，工序14采用機(jī)器人焊接時，A工位作業(yè)時間總計為317 min，R工位作業(yè)時間總計為1 097 min。工序14采用手工焊時，A工位作業(yè)時間總計為697 min，R工位作業(yè)時間總計為817 min，計算得到調(diào)整后的生產(chǎn)平衡率約為88.9%。

在單班11人配置、圍繞單機(jī)器人作業(yè)的情況下，工序14調(diào)整為手工焊，工序13、14、15為A工位，工序0、2、3、7、12為B工位，工序5、9、10為C工位，各工位平均作業(yè)時間約為700 min，機(jī)器人R工位作業(yè)時間為817 min。考慮到每天人工的有效作業(yè)時間350 min，機(jī)器人的有效作業(yè)時間409 min，在生產(chǎn)平衡率從調(diào)整前的63.9%提高到調(diào)整后的88.9%基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)2 d生產(chǎn)出一個單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的產(chǎn)能。

圖4 單軌構(gòu)架焊接工序平衡優(yōu)化分組

4 結(jié)語

工藝設(shè)計是生產(chǎn)線建設(shè)中相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)之一，也是持續(xù)改進(jìn)和完善的動態(tài)過程。在單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接生產(chǎn)線工藝設(shè)計中，充分結(jié)合機(jī)器人焊接與手工焊接的特點，初步規(guī)劃的機(jī)械化焊接比例約為70%。各工序充分圍繞機(jī)器人焊接進(jìn)行布局，通過人員分組調(diào)配，在單班配置11人下的情況，適當(dāng)提高機(jī)器人的利用率(單班作業(yè)時間比人工作業(yè)時間多59 min)，可以實現(xiàn)2 d一個構(gòu)架的產(chǎn)能。