鐵路貨車制造技術發展及實施路徑研究

劉華學　王海峰　劉祖紅

摘要：結合鐵路貨車的行業實際特點，從提升效率、效益和穩定產品質量的角度出發，按少人化、便捷化、信息化的原則，就如何提升鐵路貨車的制造技術水平提出了發展目標，并制訂了具體的實施路徑。

關鍵詞：鐵路貨車;制造技術;少人化;便捷化;信息化

0 引言

隨著國民經濟的持續快速增長，我國鐵路貨車技術總體上已達到或接近國外先進貨車技術水平，確保了貨車運用安全。在產品種類上，我國鐵路貨車已經形成敞/棚/平/罐/漏斗車、集裝箱車和專用特種貨車完整譜系。隨著模塊化組裝、不銹鋼鋁合金焊接、在線自動檢測等制造新技術不斷融入生產流水線，鐵路貨車裝備技術及工程化能力整體達到世界先進水平，有力支撐了國民經濟的快速發展。但在鐵路貨車制造過程的自動化、信息化程度及質量安全穩定性保障方面，我國與世界先進水平還存在較大差距，本文結合鐵路貨車的結構特點和制造現狀，就如何提升鐵路貨車制造技術水平，提出具體路徑和發展展望。

1 現狀分析

1.1? ? 產品結構

鐵路貨車運載對象不同，導致其產品結構差異較大，裝載油類等液體類或粉狀介質一般采用封閉罐狀結構，裝載集裝箱一般采用魚腹型主梁的平板車結構，裝載煤炭、木材、礦石等普通大宗類貨物一般采用敞開或封閉的箱體結構。其中敞開或封閉的箱體結構的鐵路貨車又因裝卸貨物方式不同，產品結構差異也較大，如側邊圓弧底部漏斗式箱體、側邊板柱底部平板式箱體等。

鐵路貨車載重量及耐磨防腐要求的不同，導致其使用材質和連接方式有差異，常用的鐵路貨車材質有普通耐候高強鋼、不銹鋼、鋁合金等，連接方式以焊接和鉚接為主。

1.2? ? 制造資源

主要包括人員、設備、物流、作業環境、產品質量及信息化應用等。

1.2.1? ? 人員和設備現狀

我國鐵路貨車制造大多為勞動密集型企業，工業總產值勞動生產率僅為30萬元/（人·年）。據統計，生產車間總用工人數均偏多，不產生直接效益的輔助工占比達35%。

經統計分析，鐵路貨車行業設備機齡10年以上占比達70%，且自動化水平均較低，如半自動化設備占比僅6%，機器人的使用密度僅為11臺/萬人，低于全球平均的機器人使用密度58臺/萬人，遠低于制造業發達的韓國、日本和德國的250～396臺/萬人。

1.2.2? ? 物流和其他方面現狀

配件物流均采用汽車或軌道平車人工操作控制到產線工位，裝卸一般采用天車，效率較低。

因整個鐵路貨車行業的機器人使用率較低，自動化程度相比其他大型制造行業較低，生產節拍、作業環境和產品質量控制受人為因素影響較大，大部分設備也未預留信息化監控的接口，在生產過程的信息化管理水平方面相對落后。

2 制造技術發展實施路徑

基于以上對鐵路貨車的現狀分析，結合鐵路貨車的實際行業特點，對比相關行業制造技術水平差距，為達到發展目標，鐵路貨車制造技術升級發展可從以下幾個方面考慮：

2.1? ? 總體規劃

總體規劃應充分考慮鐵路貨車產品的前瞻性、平臺性和精益性，打破傳統工藝的束縛，通過“以機代人”實現制造水平提升以及效益、效率的最大化。總體規劃過程中對高新技術的應用能否適應鐵路貨車發展趨勢、行業特點及公司生產現狀需要深入研究，一方面是保證制造技術一段時間內的先進性，另一方面要為后期的數字化、智能化、綠色化升級預留接口。大批量產品產線以節拍化流水線為設計原則，多品種、小批量產品以柔性化為設計原則，立足從制造源頭上解決安全與質量問題，并提升“雙效”;工藝裝備方面，一方面要深入分析過程中對提高企業管理水平有重要作用的制造數據，提出自動提取數據的裝備接口要求，另一方面要提高工藝裝備的自動化水平，顯著減少勞動用工，減輕勞動強度，穩定產品質量，改善作業環境;根據鐵路貨車的結構特點，將便捷化及自動化組裝技術、3D視覺檢測技術、視覺或激光尋位+自動切割/焊接/打磨/噴涂+自動檢測合成技術、自動物流RGV或AGV技術、遠程監控等技術應用于制造過程中。

2.2? ? 產品工藝整合

鐵路貨車產品種類多，部件結構標準化程度較低，要最大化提升產線利用率，對產品結構的工藝整合就十分重要。對鐵路貨車結構進行全面系統分類梳理，將工藝流程和方法近似的部件進行工藝整合，提出產線設計的柔性便捷換型要求。例如，鐵路貨車中梁組成，經統計分析，其結構主要有乙字鋼、幾字鋼、工字鋼、板材拼焊箱型梁，內部組焊配件主要有心盤座、上心盤、連接加強板、叢板座等，經工藝流程分析，可將中梁整合為兩類：乙字鋼、幾字鋼、工字鋼類的中梁為型材內組焊配件，其工藝流程和方法近似，可合并成型鋼中梁線;板材拼焊箱型梁其工藝流程和方法與前者均有較大差異，可單獨定義為箱型中梁線;較長（大于18 m）或異形結構中梁屬于單件或少量產品，可設計集組裝、鉆孔、變位焊接、檢測于一體的柔性工區來滿足要求，定義為柔性中梁工區[1]。因此，通過產品工藝整合，鐵路貨車中梁設置型鋼中梁線、箱型中梁線和柔性中梁工區三類產線即可。

2.3? ? 產品產線設計

產線設計應基于工藝流程和物流實現生產制造過程的“一個流”作業，以打造“標準工位”的精益思想建立產線，實現工位化管理。按照產品結構整合的工藝部件開展產線設計，對型鋼中梁生產線、魚骨型底架生產線、板柱式側墻生產線、板柱式端墻線、板柱式車體線等產線的工藝路線、工藝布局、內部物流、工位人員配置、工位作業內容、生產節拍等方面進行逐工位分析。

2.4? ? 產品物流規劃

物流應按線路最短、便于進出、減少吊運銜接的原則規劃設計。產品制造過程的物流主要包含產線間物流、產線內部物流和線邊配件物流。產線間物流在產品制造的總體規劃時就要重點考慮，鐵路貨車產品產線間的物流要打破傳統的移車臺+天車吊運方式，充分考慮AGV/RGV自動轉運或直接傳輸的方式，可減少操作人員，提高安全本質度;產線內部物流要去天車化，采用自動傳輸技術，涉及產線工位內部的配件裝配和工具使用要充分利用人因工程學原理，和操作者融為一體，滿足就近、便捷、安全原則;線邊配件物流既要充分考慮使用自動識別、自動取放、自動運送等先進技術，又要配套標準化、系列化的物流載具結合運用，充分借助信息化手段，使物流規范化、無人化。

2.5? ? 基礎工藝技術應用

（1）焊接智能跟蹤技術。要實現鐵路貨車自動化焊接，需解決裝配間隙不一致、焊縫起始點偏差及焊接過程變形前提下的焊接智能跟蹤問題。采用三維視覺+激光跟蹤的技術可實現機器人的自適應焊接。三維視覺一方面要識別產品及其焊接路徑，另一方面要在焊接過程中自動檢測焊接質量，以實現制造過程可視化、焊接質量免檢化;激光跟蹤是滿足焊接路徑精準化的必要條件，按照焊縫的狀態實時調整焊接參數，以達到焊接的自適應要求[2]。（2）工裝柔性模塊化技術。產線的工藝裝備以模塊化、柔性化、系列化、標準化為設計理念，形成具有典型特點的功能模塊族系的模塊化工裝結構樹形圖，以多功能模塊的有序組合實現模塊化，以功能模塊的統一接口設計實現柔性化，以功能模塊的使用場景進行序列劃分實現系列化。根據各功能模塊的功能需要，分別從術語定義、設計要求、制作要求、檢驗要求等方面規范，對各模塊的標準化接口、功能模塊尺寸約束、系列化的要求結合企業產品族制訂相應規則。（3）焊接煙塵捕捉及處理技術。根據鐵路貨車生產廠房及制造特點，焊接車間整體除塵工藝不是一種工藝方法或單一設備能整體解決的，每種除塵方法都有其自身特點，每種設備有其適應的條件，應根據車間具體廠房情況、焊接工藝、煙塵濃度、工位狀況制訂除塵方案，方案應為多種除塵方法和設備組合而成一套除塵系統。基于產線標準工位的生產模式，焊接工位固定，且自動焊比例較高，除塵方式可采用在煙塵產生的附近位置采用隨槍除塵/除塵罩/除塵臂等方法就近捕捉，盡量減少煙塵飄散到空中形成二次污染，在車間4～5 m處采用靜電除塵或吹吸除塵等方式二次捕捉。（4）產品質量自動檢測技術。結合檢測機器人、光學測量儀器以及視覺算法，完成鐵路貨車產品的質量檢測。例如，鐵路貨車車體主要有心盤定距、撓度、旁彎、對角線、垂直度、高低差等車體關鍵尺寸項點，針對底架附屬件有錯裝、漏裝、漏焊及焊接質量的自動檢測。關鍵尺寸檢測是基于工業機器人的三維光學測量，通過工件坐標系、檢測坐標系的統一，采用三角測量和投影測量原理，獲取待檢測點的點云數據，通過圖形算法和全局坐標關系，計算各關鍵尺寸值;底架附屬件錯裝檢測是檢測其坐標位置，然后與三維模型做尺寸對比，從而判斷底架附屬件錯裝量是否超出公差;配件裝配錯誤檢測是將獲取到配件的點云圖案與正確模型做對比，相似度超出設定閾值，則該配件不是該位置安裝需要的;配件漏裝檢測是將獲取到的配件的點云圖案與正確模型做對比，若相似度趨向零，即該位置沒有獲取底架附屬件的特征，故為配件漏裝;漏焊檢測是通過對關注配件焊縫的點云體積測量，來實現焊縫的識別檢測，然后提取焊縫的邊界，計算邊界包絡內的點云體積，根據體積計算值判斷焊縫有無，若體積趨近于零，則焊縫不存在，即為漏焊。

3 結語

鐵路貨車制造技術升級發展的實施要根據其行業特點，引入“精益”理念，探索鐵路貨車精益生產方法，將經濟效益放在首位，先減人，再逐步實現數字化和信息化。關鍵技術要有所突破和創新，以技術升級帶動生產、設備等方面管理升級，以此推動鐵路貨車行業制造技術的進步發展。

[參考文獻]

[1] 易冉，楊衛東，宋柳義，等.鐵路貨車箱型中梁加墊板V型坡口焊接工藝[J].機車車輛工藝，2017（6）：14-16.

[2] 魏文鋒.基于激光視覺焊縫跟蹤技術的工業機器人焊接智能產線的設計[J].科技創新與應用，2020（24）：84-85.

收稿日期：2021-08-23

作者簡介：劉華學（1982—），男，湖北武漢人，高級工程師，研究方向：鐵道車輛工藝設計。