STK-XJ型膠接絕緣夾板生產工藝及優化方案研究

陳斌 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 研究背景

在鋪設跨區間和區間無縫線路中，膠接絕緣接頭不僅滿足了軌道電路閉塞分區的分隔需要，而且減少了列車輪對在接頭處的沖擊與振動，延長了輪、軌部件的使用壽命，為強化軌道結構發揮了重要作用，大大提高了列車運行的安全性和舒適性。

STK-XJ型膠接絕緣接頭產品于2003年完成研制，通過上海鐵路局科技成果鑒定，并在上海局和南昌局連續推廣應用至今，于2013年第一批通過CRCC鐵路產品認證。多年來，STK-XJ型現場膠接絕緣接頭產品通過不斷的技術改進和優化，以其穩定性、現場安裝方便、維護工作量小的優勢，備受國鐵集團各單位和現場施工人員的肯定。

國鐵集團自2021年開展膠接絕緣接頭產品聯合采購招標以來，國產化、高質量膠接絕緣接頭產品越來越受到國鐵集團和各使用單位歡迎，STK-XJ型膠接絕緣接頭產品產銷量從2018年不足8 000套增長到2022年預計超過4萬套，而2021年產能剛剛突破15 000套（圖1所示）。近年來，全路膠接絕緣接頭產品年采購量近十萬套，且隨著鐵路新線不斷投入運營，站場到發線無縫化改造，膠接絕緣接頭需求不斷增加，接頭產品市場前景廣闊。目前通過CRCC認證的膠接絕緣接頭生產企業一共16家，生產帶槽形鋼板和無槽形鋼板兩種結構型式的膠接絕緣夾板，其中12家生產帶槽形鋼板的膠接絕緣夾板。國鐵集團按照不同規格不同型式的產品分包件進行招標，目前采購的主流產品均為帶槽形鋼板結構的膠接絕緣夾板，且中標限價和中標價格均遠高于無槽形鋼板結構的膠接絕緣夾板。

圖1 STK-XJ型膠接絕緣接頭產品生產銷售情況圖

目前STK-XJ型膠接絕緣夾板的生產過程存在人工推行簡易車架實現夾板轉運及上下料、手動清除余膠、手持電動工具打磨、通用量具檢驗等操作，各個工序區分散、銜接不通暢，且工人勞動強度大、生產設備自動化程度低及管理方式低效等諸多問題。為此，亟需對現有膠接絕緣夾板生產模式進行優化改進，以提升產品生產技術水平，提高產品產能與質量，增強產品競爭力。

2 工藝分析

2.1 產品組成

STK-XJ型膠接絕緣夾板采用“夾板-絕緣槽板-槽形鋼板”三種材質組合結構，其中夾板提供主要力學性能，確保線上行車安全；絕緣槽板提供絕緣性能，避免軌道信號聯通造成紅光帶；槽形鋼板保護膠接面，提高膠接強度。

原材料夾板選用熱處理后的40Cr合金鋼通過數控機床全斷面加工成型，其力學性能優于TB/T 2975-2018關于夾板的要求（見表1），同時夾板采用上下加強筋設計，可以滿足接頭在2×106次疲勞試驗下跨中截面向上和向下位移值不超過同鋼種、同軌型鋼軌測試值的110%。

表1 40Cr夾板力學性能

槽形鋼板選用優質304不銹鋼板沖壓制成，不僅可保護固化成型后的絕緣膠層在運輸和安裝過程中不致被損壞，同時，帶槽形鋼板結構的膠接絕緣夾板與無槽形鋼板的膠接絕緣夾板相比，通過槽形鋼板與鋼軌粘接比絕緣膠層與鋼軌粘接強度更高，接頭的剪切強度會更高。

絕緣槽板主要由改性環氧膠片和無堿纖維布加工制作而成，加熱到一定溫度固化后將夾板與槽形鋼板粘接在一起，并形成絕緣層，具有良好的絕緣性能，用1 000 V的兆歐表檢測干燥狀態下膠接絕緣夾板電阻值大于100 MΩ。

2.2 現有生產工藝

膠接絕緣夾板生產過程分為三個部分，分別為：原材料預處理、熱固化關鍵過程、后端處理。其中原材料預處理包括夾板噴砂、絕緣槽板制作和槽形鋼板打磨等，熱固化關鍵工序部分包括關鍵原材料的組裝、上模組裝、進爐熱固化等，后端處理主要包含脫模后的余膠清理、半成品加工、成品檢驗和打標包裝等工序，圖2為生產工藝流程圖。

圖2 膠接絕緣夾板生產工藝流程圖

目前膠接絕緣夾板生產工藝操作以手動為主，采用簡易設備如打包機、氣動打標機刻印、角磨機打磨輔助，配合少量大型設備如噴砂機、熱固化烘箱完成指定工序，因此效率受限。

2.3 檢驗方式

STK-XJ型膠接絕緣接頭產品嚴格按照鐵標TB/T 2975-2018和制定的工藝文件要求，對各項關鍵參數均進行控制，目前檢驗方式包括進貨檢驗、過程檢驗和出廠檢驗。進貨檢驗按照各項規程對原材料進行抽檢，生產過程檢驗包括對關鍵原材料尺寸逐檢、夾板噴砂后表面粗糙度檢測、溫度和時間控制，出廠檢驗包含了成品幾何尺寸、電絕緣性能和膠接狀態檢測，除此以外，還需要定期抽檢原材料和成品送第三方機構檢測，以此驗證自檢的有效性和準確性。同時，膠接絕緣接頭作為CRCC認證產品，還需要接受中鐵檢驗認證中心的年度監督審核和國鐵集團定期組織的產品飛行檢查，檢查方法為隨機抽樣制作成膠接絕緣接頭按照TB/T 2975-2018要求進行各項型式試驗檢測。日常生產檢驗中使用的工具包括拉力試驗機、硬度計、粗糙度儀、上下限檢測卡具、游標卡尺、兆歐表、萬用表等，工具的通用性、靈活性高但效率較低，未形成定制檢測方案。

3 方案改進

3.1 改進目標

按照今后每年6萬套膠接絕緣接頭的銷售量，即需生產12萬塊膠接絕緣夾板，扣除節假日和設備檢養休時間，按照240個工作日測算日產量需要達到500塊。通過工藝流程的優化，使工作量均衡，可以減少等待、加工以及庫存的浪費，優化人與機器的配合，提高整個生產過程的工作效率，通過改善加工方式，降低操作人員的勞動強度、操作難度和安全風險。

3.2 改進方法

目前生產工藝最大的問題在于手動操作步驟過多，靈活性強而效率低下，不利于產業化增量。因此改進的方向是按照成熟的工藝路線添加定制化、自動化設備，并做好工藝之間的銜接。生產效率低下的另一方面原因主要在于無法縮減的固化和預熱時間沒有合理利用，各工序之間的銜接有明顯的等待流轉過程，致使高效率工序例如噴砂工序不能足時運作，低效率的工序如組裝和固化嚴重影響了其他工序的進度。

對于增設定制化、自動化設備的方案包括：

（1）檢驗的自動化

由于原材料和成品的型號規格已經定型，針對各關鍵尺寸的檢測自動化可行度非常高，可以利用龍門式測量機（圖3）進行尺寸逐檢，將尺寸數據輸出，通過單片機控制，將超標尺寸的材料和合格材料利用機械臂區分堆垛。此過程可將檢驗工序效率提高至噴砂工序等速，完成二者的銜接。

圖3 龍門式三坐標測量儀

（2）打磨工序的定制化

槽形鋼板和膠接絕緣夾板半成品的打磨工序均為定尺寸打磨，通過定制打磨用工裝和磨具即可完成，磨具的設計方案是針對夾板截面形狀排布刀具和砂輪位置，使之呈現出貼合膠接面的輪廓形狀；磨具的傳動軸部分利用彈條進行加壓，使打磨時能夠緊貼加工面；然后利用輸送帶將工件通過箱式打磨區域即可完成膠接面打磨，且確保膠接面100%打磨無遺漏。

（3）噴砂工藝的自動控制（見圖4）

圖4 噴砂自動控制流程圖

噴砂設備和檢驗設備的工作效率較高，在低生產量的情況下需要等待后續設備的工作情況，且檢驗工序需要將不合格品區分堆放。在各個工序之間需要進行工況的反饋，并通過PLC控制各個工序之間的協調工作。

具體將反饋點設定在兩個工序之間的暫存區，檢索暫存區的工件放置狀態，如果暫存區閑置，說明工件已流轉至下一工序、或質檢不合格未堆放至暫存區，此時反饋給開始機構，開始工序過程；如暫存區有工件滯留，說明下一道工序未完成，需要暫停本工序，等待后續工序；此時則將反饋信號發送至本工序完成階段，經過一定時間后再次對暫存區進行檢測。

暫存區的檢測可以通過重量感應或光感應進行，由于光感應容易受到影響，且工件重量大，工位相對固定，重量感應更適合用于進行檢測反饋。

除了新增定制化、自動化設備之外，需要對工藝流程進行優化。預熱、固化與脫模工藝時間重新排序，摒棄以往使用的同進同出、一次定時的方案，改為分時進出、時刻流轉的方法。將脫模工藝的操作效率A=4塊/10 min與噴砂效率B=2塊/min、自動化打磨效率C=1塊/min做調配，使10A=2B=4C成立，以此方案搭配三道工藝的設備數量為5：1：2；又固化時間為120min，烘箱的預留數量需要達到120 min/10 min×5個=60個，同時以10 min為間隔進行固化操作（烘箱數量必須大于12個），確保每一道工序均無滯留的情況，以此提高效率，此時效率可達2.4塊/min。按照每日工時8 h計算，如需日產量達到500塊，工藝效率需要達到1.04塊/min，即如上所計算，需要以該設備的44%效率工作，即26個烘箱和44%效率的噴砂設備和88%效率的打磨設備。

4 生產車間布局

生產車間依據各工序串/并行先后邏輯順序，遵循各工序區功能清晰、區界分明、銜接通暢、安全易控、高效運轉的原則進行流水化布局，圖5為生產車間平面布局總體示意圖。

圖5 車間生產布局圖

將整個生產車間劃分為幾個區塊，這些區塊根據工序先后順序銜接在一起，分別是原材料檢驗區→噴砂區→熱固化操作區→半成品處理區→成品檢驗區→包裝區。這些區塊之間利用機械臂、自動小車和傳送帶進行材料的流轉輸送，路線順序清晰而無交叉，非常適合流水線式的操作和管理。操作人員可以從繁雜的運送、堆垛、裝卸等工作中解放出來，全力確保工藝過程符合標準，產品質量穩定可靠。

5 結束語

為解決目前膠接絕緣夾板生產中存在的問題，從生產工序工藝優化、生產設備機械化水平提高、檢測自動化技術應用等方面思考，提出了膠接絕緣夾板生產優化方案。目標是集成最先進的設備和工藝，打造成全國自動化、智能化、規?；潭茸罡叩哪z接絕緣夾板生產基地，持續深化生產要素、生產方式、生產技術等關鍵領域的突破創新，為膠接絕緣接頭的推廣應用和轉型升級提供有力支撐。該項目的順利推進對構建和提升全局科技成果產業化轉移和推廣具有重要意義，未來膠接絕緣接頭產品隨著中國高鐵走出國門，為上海局高質量發展作出新的貢獻。