高速鐵路雙塊式軌枕智能制造技術

王明慧，王劍，孟慶斌，張橋，李開蘭，蔣樹平

（1.渝萬鐵路有限責任公司，重慶 400014；2.中鐵上海工程局集團有限公司，上海 200436）

0 引言

隨著現代信息技術的快速發展，物聯網、大數據、云計算等高新科技在工程建設質量管理領域的廣泛應用為傳統質監模式的轉型升級提供了較為堅實的基礎［1］。機器人是制造業皇冠頂端的明珠，其研發、制造、應用占比是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。“十三五”先進制造技術領域科技創新專項規劃中明確提出要推進我國機器人面向制造業典型行業的研發與應用，實現我國機器人技術與產品的典型領域拓展應用。軌枕制造一般具有勞動力密集和重復作業的特點，具有人工成本過高、產能過剩和資源環境約束加大等問題。研究開發面向惡劣高危和非結構化重復作業環境的智能機器人并在軌枕制造業中進行示范應用，符合國家推進供給側結構性改革和促進經濟提質增效轉型升級的產業政策。

智能制造作為“中國制造2025”國家戰略的重要組成部分，已成為制造業發展的必然趨勢［2］。美、歐、日等發達國家將智能制造列為支撐未來可持續發展的重要智能技術，我國也將智能制造作為當前和今后一個時期的主攻方向和搶占新一輪產業競爭制高點的重要手段［3］。

智能制造是指“人機一體化智能系統”，基于新一代信息通信技術與先進制造技術的深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造的各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行和自適應等功能的新型生產方式［4］。智能制造包含智能制造技術和智能制造系統，其中智能制造系統不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能，還有搜集與理解環境信息和自身信息，并進行分析判斷和規劃自身行為的能力。通過人與智能機器的合作共事，擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，智能制造把制造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化［5］。

高速鐵路混凝土軌枕作為鐵路線的重要組成部分，起著支撐和穩定鋼軌的作用。在軌枕生產過程中研發智能制造技術，應用工業機器人，有利于企業降低人力資源成本、降低生產運行維護成本、提高生產效率、提高產品質量和生產穩定性。

以典型的軌枕制造為切入點，針對其作業環境和工藝要求，研究開發智能制造技術系統，實現生產過程整體智能化，實現模具智能清理，智能噴脫模劑，鋼筋、套管的智能組裝、安裝，成品智能檢測的機器人作業，對于提高流水線工業的智能制造水平、拓展工業機器人應用領域和促進機器人產業鏈健康發展，具有十分重要的意義。

1 工程概況

鄭萬高鐵重慶段正線線路起始自鄂、渝省界DK635+420，終于萬州北站DK819+278，正線全長183.865 km，橋隧占比98.34%。本段線路位于重慶市境內，沿線自湖北巴東段引入，經巫山、奉節、云陽，最后至萬州，設計行車速度350 km/h。鄭萬高鐵重慶段軌枕廠占地約44 000 m2，采用永臨結合的方式。鄭萬高鐵重慶段軌枕廠負責58萬多根軌枕預制工作，軌枕型號為CRTSⅠ型無砟軌道SK-2型雙塊式軌枕，技術條件滿足TB/T 3397—2015《CRTS雙塊式無砟軌道混凝土枕》規范要求［6］，軌枕生產線采用機械化生產線。為提高生產線的標準、精度、效率和產品質量，降低能耗［7-8］，結合該生產線開展智能化整體技術提升研究與應用實踐。

2 軌枕制造智能化整體提升技術

目前，中國高鐵技術處于世界領先水平，但高速鐵路軌枕制造以人工為主，智能化、自動化、機械化水平不高，有的只實現了部分自動化，而如桁架焊接、箍筋加工、混凝土布料、蒸汽養護、軌枕脫模、軌枕碼垛等6項還沒有實現整體智能化，且技術創新不足，缺少核心技術支持，與新時代高速鐵路發展仍存在差距。鄭萬高鐵重慶段軌枕廠的軌枕生產共12道工序，設置了12道配套工位，形成流水線作業，通過對模具自動清理、脫模劑自動噴涂、套管自動組裝安裝、桁架鋼筋和箍筋自動組裝安裝、模具自動出入窯、智能檢測噴碼6個工位實施智能化提升技術，大幅減少人工操作，并通過生產信息化管理系統進行整合，使上述功能有機結合、協同作業。軌枕生產工藝流程見圖1，雙塊式軌枕12個智能化生產工序見表1。

圖1 軌枕生產工藝流程圖

2.1 自動模具清理系統

傳統模具清理是4名工人用抹布和刮刀對模具上的混凝土和模腔內的殘渣進行清理，在操作過程中有揚塵情況。

項目采用智能傳感和噴砂技術自動清理模具。自動機械智能除塵設施，對模具進行噴砂清理，通過智能傳感系統，利用翻轉線體對模具進行翻轉，在清理房中對模腔內表面進行清潔，浮塵殘渣會自動收集到收納裝置中，保證場地內環境衛生。無須人工作業，提高了自動化水平，既避免揚塵對人員造成職業危害的同時，又減少環境污染（見圖2）。

2.2 全自動噴涂脫模劑系統

傳統噴脫模劑方式是1人拿著噴槍對模型殼體進行噴灑，另外1人用抹布將噴涂后多余積液擦拭均勻。

項目采用傳感定位移動噴涂技術，實現噴涂工序智能化。通過傳感器感應模腔位置，采用PLC系統協調處理信號，從而控制噴涂系統對模腔噴涂。配置的霧氣吸收裝置回收飄散的霧化脫模劑，既無須人員操作，又避免了車間空氣污染；全自動噴涂工藝，既提升噴涂穩定性，確保噴涂均勻一致，又杜絕職業健康傷害，凈化環境（見圖3）。

表1 雙塊式軌枕智能化生產工序

圖2 模具清理對比

圖3 噴涂脫模劑對比

2.3 智能套管組裝、安裝系統

以前螺旋筋和套管用人工組裝，套管安裝工序是由4名工人完成，人工將組裝好的螺旋筋和套管用螺桿固定在磨具上。

項目采用智能傳感技術和機器人協同技術，實現套管安裝工序智能化。通過機械抓手抓取彈簧，然后移動到組裝機上和套管進行初步的旋壓；在組裝機初步組裝完成后，坐標移載機抓取組裝好的組件，再放置到模腔內進行最后的旋壓，無須人工作業。同時，通過視覺系統、位置傳感器和扭矩感應系統的協調控制，保證套管位置安裝精準，安裝牢固。

2.4 全自動鋼筋自動組裝、安裝系統

傳統桁架鋼筋、箍筋安裝采用人工安裝，4名工人分別將桁架放入模型卡槽中固定，然后將箍筋放入模腔，再用小掛件將桁架和箍筋連接。

項目采用精準定位和機器人協同技術，實現全自動數控流水組裝線。通過機械抓手抓取桁架鋼筋和箍筋，送絲機將小掛件送至桁架、箍筋安裝部位，協作裝配機構將三者自動組裝完成。當模具精確定位后，桁架運輸機器人通過視覺定位技術，控制機械手把桁架鋼筋組件放入模具上的卡槽中，然后旋轉壓片，將桁架鋼筋組件緊緊地固定到模具中。工序自動完成，提高了生產效率，降低了人工成本，提高了自動化水平（見圖4）。

圖4 鋼筋安裝對比

2.5 智能模具自動出、入窯系統

傳統方式采用人工操作桁車來控制吊架來對模型進行吊裝作業。

項目采用精準定位和智能傳感技術，實現模型的自動抓取和松開。通過自動感應模型位置，入窯時，起吊裝置在清邊工位自動鎖住鋼模，吊起到達設定位置，將鋼模緩緩落入養護窯。出窯時，起吊裝置在窯內自動將鋼模鎖住，到達脫模臺位，自動松開。與目前的人工操作與桁車進行吊裝相比，具有自動化程度高、速度快、定位準確等特點（見圖5）。

圖5 模具出入窯對比

2.6 軌枕智能檢測系統

以前軌枕在脫模后需要由人工在擋肩兩側溝槽部位涂刷酒精，利用酒精的易揮發性，在揮發過程中用眼睛觀測軌枕是否有裂紋，然后在相應位置蓋“檢”字章。再由人工對軌枕外形、外觀尺寸進行檢測，整個過程共計需5人完成。

項目采用精準定位、圖像掃描、機器人協同等技術將以上3個步驟，集合到1臺設備上進行完成。（1）運用先進的激光圖像掃描檢測技術獲取軌枕表面點云坐標，通過點云構建技術實現軌枕三維尺寸的3D快速建模，與標準尺寸的比對分析實現外形尺寸、棱角掉塊等的自動檢測及評判，并與既有生產控制系統形成信息交互，實現全自動、智能化檢測。（2）運用自動噴碼設備代替人工蓋章：通過與檢測系統互聯，外形尺寸紅外檢測系統將對應的軌枕唯一性編號傳輸給噴碼主機，并由噴碼設備根據指令在軌枕檢測完畢后自動噴涂到軌枕表面，同時將每根軌枕檢測數據與二維碼形成互聯。（3）運用軌枕溝槽裂紋自動檢測識別系統代替人工觀察：通過獲取特殊場景下，結合人工智能技術和機器深度學習技術自動提取裂紋特征，并實現裂紋的自動識別（見圖6）。

圖6 軌枕檢測對比

3 實踐效果

（1）精確的自動安裝和檢測技術，降低了人為不確定因素，提高了產品質量。通過設備的自動化整體提升技術，保證了各生產工位的質量管控，降低了人為不確定性因素，提升了企業的質量管理水平，使軌枕制造能力達到國內領先水平，增強了雙塊式軌枕的市場競爭力。

（2）通過科技研發的設備系統，節約了工序時間，提高了軌枕生產效率。模型出入窯工位每天節約時間240 min，其余工位節約時間120 min。目前自動化設備仍未調試到最優狀態，在流水線作業時，鋼筋安裝工位會有模型積壓情況發生，但后期自動化改造升級成功后單工位的生產效率會顯著提升，單個工位時間將由原來的4～6 min減少到2～5 min，每班按生產120模計算，可節約120 min，原每班需12 h完成的工作減少到10 h，可提高生產效率16.7%。

軌枕檢測工位也節省了大量的時間，改造升級前由人工在檢測臺位進行檢測，對生產線的生產效率不構成直接影響，自動化改造后在生產線上進行自動檢測，可以減少3名檢測人員的工作內容，同時提升了管理效率，提高了管理質量。

（3）研發的生產管理系統，提高了管理效率，降低了管理成本。軌枕廠軌枕生產信息化管理系統，以中國國家鐵路集團有限公司工程管理平臺為依托，圍繞軌枕廠各項業務展開，從計劃管理、生產管理、數據集成、系統管理等方面對軌枕廠進行了系統的設計。對所有工藝模板做到高度還原，實現信息處理數字化，生產數據集成化。減少大量的人工數據記錄，避免頻繁錄入產生的人為錯誤，降低企業的人力資源管理成本。

（4）通過科技研發的工裝設備，改善工人的工作環境，使車間更加環保。對產生氣霧和粉塵的工位都采取了吸收和降塵的措施。模具自動清理設備具有粉塵吸附系統，可以將噴砂清理后的粉塵回收，避免飄散到空氣當中；噴涂脫模劑設備具有霧氣吸收裝置，會將飄散的霧化脫模劑自動回收，避免造成車間空氣污染；整個自動化作業過程全封閉，幾乎零粉塵。粉塵和氣霧收集裝置改善了以往車間粉塵大、空氣質量不達標的情況。

（5）通過科技研發的工裝設備，降低勞動力成本，加快施工進度，提高經濟效益。根據設備的折舊年限，共計可服務3個項目，其中每個項目可節約人工費326.4萬元，3個項目共節約人工費979.2萬元。自動化改造升級后在節約大量人工的同時還減少了作業時間，縮短了產品生產周期，每天可節約2 h的有效工作時間，1個項目共節約1 440 h，3個項目共可節約工費264萬元；自動化改造升級后能節約18人，可減少臨時設施設備費用的投入，3個項目共計減少投入60萬元。采用智能化升級后總成本共計可減少1 303.2萬元，高于自動化設備總費用158.2萬元，因此智能化設備升級改造可提高經濟效益。

（6）針對機械化和信息化進行科技創新，可有效應對建筑行業工人短缺的趨勢。隨著建筑業的發展，建筑工人的需求日益增加，部分城市更是出現“用工荒”。由于建筑業長期給人們留下工作環境艱苦的不良形象，隨著全國各地人民生活水平的提高，建筑業對新生代從業人員吸引力嚴重不足，隨著現役施工人員的年齡老化問題日益嚴重，未來建筑業需求人數與用工人數的缺口將會越來越大，必將嚴重抑制建筑業的發展。

4 結束語

軌枕生產屬于勞動密集型產業，鄭萬高鐵重慶段軌枕廠積極采用新技術、新材料、新設備，運用機械化、信息化、自動化、智能化方式對生產流水線的6個工位進行了智能化整體技術提升，用智能化、機械化代替人工，改變了傳統的作業方式；用信息化減少了管理人員，減輕了大量工作內容。提高管理效率的同時大大降低對人工的依賴。

當今時代，智能化技術發展迅猛，工廠化生產正在逐步實現人機協作。鄭萬高鐵重慶段軌枕廠對軌枕生產線的智能化技術提升研究與實踐表明，依靠單機智能、裝備互聯基本實現了整體的軌枕智能化生產。在建筑業工人日益短缺的趨勢下，降低企業的人力資源成本，提高產品質量和生產效率，提升整體效益，使軌枕生產更加綠色環保，為該行業提供了引領示范作用。隨著國家工業化水平的持續提高和產業調整升級以及發展方式轉變，高速鐵路軌枕智能化制造是發展方向，將來一定會有越來越多的企業參與到軌枕智能制造的隊伍中來。