一種軌枕自動焊簧機的結構設計

歐陽軍

（汝州鄭鐵三佳水泥制品有限公司，河南 汝州 467500）

1 背景

自預應力混凝土軌枕在我國鐵路上應用至今，其中IIIa、XII型等軌枕內在彈簧筋外側等距焊有三根立筋的螺旋筋，其制作過程基本上都是，先用繞簧機按照圖紙要求制作完成彈簧筋，然后人工再使用點焊機將三根下好料的立筋一根一根點焊在彈簧筋外側。按軌枕廠一個班次生產100套2*4的IIIa型軌枕鋼模型計算，每班就需要3200個螺旋筋成品。由于數量較多，又沒有專用的工裝加以控制，全靠工人的經驗和責任心，所以其焊接的螺旋筋極易出現開焊、立筋長短不一等問題，導致在使用過程中，安裝后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，使螺旋筋的作用大大降低。后來，市場上出現了一種半自動化的焊簧設備，這種半自動的焊簧機可有效解決立筋長短不一的問題，但由于是一根一根焊接，所以生產效率較低。如果單從生產快慢來說，還不如一個熟練工人焊的快，最主要的問題在于其不能滿足圖紙中立筋兩端彎鉤的要求。所以研發一種全自動無人值守或一人可操作多臺的自動化焊簧機成了各個軌枕廠設備管理人員和軌枕設備制造廠商最求的目標。

2 設計思路

經過公司研發人員和車間焊簧技工，共同對以上兩個專利的研究，和對現有焊接工序的分析，經過討論，確定了以下的設計思路和工作步驟：

（1）設計可以從簡單到復雜分步實施，先攻克技術難點，然后再做整體設計，但最終應達到以下技術要求。

（2）設備力求簡單實用，為減少投入和研發難度，最好利用現有的繞簧機和定長切斷機，利用電氣將三者關聯起來，協同動作，成為一臺模塊化的設備。

（3）三根立筋應同時焊接，提高生產效率，使其每分鐘產量大于人工焊接的7個。

（4）立筋凸出彈簧筋長度誤差應控制在1mm以內。

（5）設備各點設檢測傳感器，如發生故障，應能自動發現停止工作并報警，便于人工干預。

（6）采用PLC加觸摸屏控制，設自動和手動兩種工作方式。

3 關鍵點試驗

此機構的關鍵點在于，如何將立筋高效準確的送到彈簧筋外側實施焊接，圍繞這個問題，我們依次進行以下方案的設計和試驗。

3.1 方案一

方案為一如下圖所示：由機架1、焊接氣缸2、焊棒3、焊棒座4、外筒5、齒輪6、頂針組7、頂推氣缸8、步進電機9、內筒10、下料斗11等主要部件組成。

方案一 主視圖

方案一 內外筒剖面圖

此方案模仿頂桿槍的原理，先將彈簧筋套入焊棒，立筋放入下料斗。然后在步進電機帶動內筒旋轉的過程中，下料斗中的立筋落入內筒的三個橫槽內，內筒旋轉一周后要停在設定位置，橫槽必須與焊棒座上的三個孔對齊，檢測傳感器檢測到各項動作到位，后邊頂推氣缸帶動頂針組向前推進，將三根立筋推入彈簧筋外表面。焊接氣缸動作進行焊接。

此方案較為復雜，有時還會出現內筒旋轉一周，橫槽內有空槽的現象，需要再旋轉一周進行補充。還有就是由于加工和控制精度不足的原因，內筒上的橫槽與焊棒座上三個孔不在一條直線上，導致立筋不能到達彈簧筋外表面，設備停止運轉等意想不到的諸多問題。所以在試驗過程中，大家集思廣益，又提出了更為簡單、也更準確的如下方案。

3.2 方案二

此方案利用立筋在重力作用下，能自動下落的原理進行設計。即在方案一的基礎上，將步進電機、內外筒等旋轉部分更換為如下圖所示的“山”字型結構，將鋼筋放在“山”字形下料斗內，下料斗的底部“U”型槽與焊棒座上的槽在一條直線上，當頂針退回初始位置后，立筋自動落入“U”型槽內，等待下次頂推。

方案二經過試驗，實際上是行不通的，其主要原因在于立筋在定長切斷機下料過程中，出現有少許的彎曲，切斷毛刺導致的端部直徑大小不一等現象，致使要不立筋下不來，要不

方案二 主視圖

方案二 山字板放大圖

頂針一次推兩根等諸多現象，另外頂針缺少了一面的約束，在運行過程中，下部阻力如果增大，頂針就會上翹，宣告此方案的失敗。

通過幾次試驗，發現問題如下：

（1）立筋下料不能連續進行。

（2）頂推機構前進時內筒橫槽與焊棒孔稍有偏差便頂不進去。

（3）氣缸速度過快，立筋向前竄出焊棒座，造成立筋凸出彈簧筋端面尺寸偏差大。

（4）立筋頂出時與彈簧筋干涉，將彈簧筋頂離初始位置。

3.3 方案三

方案三 主視圖

方案三 頂彎部分放大圖

為解決前幾次試驗所發生的問題，加入立筋彎鉤功能，設計了方案三。方案三由機架1、頂彎氣缸2、下料斗3、旋轉喂料滾筒4、儲料斗5、頂彎機構6、滑道7、焊棒8和焊接氣缸9等主要部件組成，頂彎機構主要由沖板10、成形板11和上蓋板組成。

實驗時先把彈簧筋手工套在焊棒上，立筋放在料斗內，旋轉喂料器通過步進電機的驅動，將立筋通過喂料器上的四條橫槽旋轉依次進入儲料斗，儲料斗內存儲10根左右立筋，過多時則步進電機停止旋轉。頂彎板的厚度3mm，每次只允許有一根立筋掉入頂彎機構的托板上，氣缸帶動沖板向前，在成形板上將立筋彎折成圖紙要求形狀，兩端帶鉤的立筋順滑道落入焊接氣缸上部的U型槽內，焊接氣缸動作向上將彎鉤后的立筋推向焊棒與彈簧筋焊接，一次焊接后，步進電機帶動焊棒旋轉 120度，焊接第二根立筋，直到三根立筋全部焊接完畢，焊棒向回反方向旋轉，回到初始位置，一個螺旋勁焊接完畢。

此方案經過試驗驗證，方案可行，設備運行基本正常，唯一不足之處在于喂料器因為立筋端部毛刺、不直造成卡頓，使設備停止運轉。

3.4 方案四

為了解決方案三所存在的問題，我們在下料機構上進行了改進，如上圖所示，改用頂升結構，由下料斗1、頂升板2、氣缸3和儲料筒4組成。其工作原理為，料斗內盛放上立筋，氣缸上向上運動，帶動頂板，而頂板為一貼近儲料筒向儲料筒方向有向下斜度的4mm板，故而氣缸每向上運動一次，就有一根立筋進入儲料筒，經過試驗，運行十分順暢。至此焊簧機的關鍵點試驗完畢，證明方案可行，可進入下步整體設計階段。

4 整體方案設計和實施

整體方案需要解決的問題是如何將彈簧筋套在焊棒上面和將焊好的螺旋勁取下的問題，經過討論，采用了無桿氣缸帶動托料盤的機構，效果圖如上。工作原理為，人工將彈簧筋放到U型托料盤上，設備自動將彈簧筋套入焊棒，由于彈簧筋有一定彈性，且托料盤向上的傾角，所以保證套好后的彈簧筋不會脫落，立筋焊好后，另一無桿氣缸帶動焊棒根部的環形推板，將螺旋筋推離焊棒，落入成品存料框。

設備經過試制，在PLC程序的控制下，運行順暢，所焊接的產品完全符合圖紙要求。由于采用了傳感器加延時開關，工人只需將彈簧筋放在U型托料盤上即可，設備在自動狀態下，感應到有彈簧筋存在，在 5秒后自動進行焊接程序。所以每人可同時操作3臺設備。每臺設備每分鐘可生產5個螺旋筋，3臺設備也就15個，相當于兩個熟練技工的焊接速度。最主要的是，使用此設備后，可以大大減小新上崗工人的質量風險。

5 總結

此設備的研發，經歷了一年半的時間，多次失敗終獲成功。雖然所生產的產品可滿足圖紙要求，提高了生產效率，也降低了對工人的技能要求，但是終究還是一個半自動化的設備，還須進行更深入的研究實踐，將其自動化水平提高，真正的實現無人值守。