彈性支承塊套靴組裝生產(chǎn)線及設(shè)備研究

尚明乾

摘? 要：文章通過對彈性支撐塊套鞋組裝生產(chǎn)線的工序組織、組裝生產(chǎn)線裝卸機(jī)械手、旋轉(zhuǎn)輸送輥道裝置、2軸彈性支承塊數(shù)控噴膠裝置等設(shè)備的研究，實(shí)現(xiàn)彈性支承塊套靴流水線組裝生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)工序自動化生產(chǎn)，解決彈性支承塊套靴組裝效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、投入成本高的技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：彈性支撐塊套鞋組裝生產(chǎn)線;設(shè)備研究;自動化流水線生產(chǎn)

中圖分類號：U213? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0082-03

Abstract： In this paper， by studying the process organization of the elastic support block overshoe assembly production line， assembly line loading and unloading manipulators， rotary conveying roller table device， 2-axis elastic support block numerical control glue spraying device and other equipment， the assembly and production of the elastic support block overshoe assembly line is realized， and the procedures are realized. The automatic production solves the technical problems of low assembly efficiency， unstable quality and high input cost of the elastic support block boot.

Keywords： assembly line of elastic support block overshoes; equipment research; automated assembly line production

1 概述

近年來，為了適應(yīng)鐵路運(yùn)輸高速、重載兩大發(fā)展方向的要求，彈性支承塊整體道床在我國鐵路長大隧道中得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。彈性支承塊作為整體道床結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，由兩大部分組成：第一部分為混凝土支承塊，第二部分為橡膠套靴及墊板，混凝土支承塊部分為軌道提供剛性，橡膠套靴部分則提供應(yīng)力回彈?；炷林С袎K和橡膠套靴的組裝質(zhì)量關(guān)乎著整體道床抗沖擊、抗疲勞能力的大小[2]。

玉磨鐵路蒙河線，全長142km，我公司承建的玉磨鐵路蒙河線段約25萬余塊的彈性支承塊預(yù)制工程。為滿足公司彈性支承塊組裝生產(chǎn)的需要，需要研究一種組裝效率更高、組裝質(zhì)量可控、組裝成本低、自動化程度更高的彈性支承塊套靴組裝生產(chǎn)線。從組裝生產(chǎn)線布置、工序組織、生產(chǎn)線機(jī)械部件、自動化控制技術(shù)系統(tǒng)等方面開展研究工作。

2 彈性支撐塊套鞋組裝生產(chǎn)線布置方式及設(shè)計(jì)總成

2.1 生產(chǎn)線設(shè)備布置方式

彈性支承塊套靴組裝工序設(shè)計(jì)分為彈性支承塊裝卸、打磨、除塵、噴膠、烘干、組裝、碾壓、打包、堆碼等，橡膠套靴同步進(jìn)行噴膠、烘干作業(yè)，并且每道工序完成后，方可進(jìn)行后續(xù)工序，整條組裝生產(chǎn)線工序組織是以半成品彈性支承塊為工序起點(diǎn)[3]。整條生產(chǎn)線設(shè)備圍繞流水線輸送輥道裝置進(jìn)行布置，從半成品區(qū)作為布置基準(zhǔn)。根據(jù)工序要求依次安裝各套設(shè)備，輥道通過PLC變頻電機(jī)驅(qū)動不同工序工位的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)各個工位之間的良好銜接，高效的實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)[4]。

2.2 組裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)總成

整條組裝生產(chǎn)線主要由混凝土支承塊前、后端裝卸機(jī)械手、輥道輸送裝置、彈性支承塊數(shù)控噴膠裝置、套靴數(shù)控噴膠裝置、橡膠套靴傳送裝置、打磨裝置、端部旋轉(zhuǎn)裝置、自動打包裝置等組成。組裝生產(chǎn)線布置形式：將輥道輸送裝置布置于靠近廠房墻體1m處，兩臺裝卸機(jī)械手以及端部旋轉(zhuǎn)裝置分別布置于輥道兩端，套靴噴膠裝置與彈性支承塊噴膠裝置相對布置，其余部件均布置于輥道相應(yīng)工位處，整條線布置清晰合理，作業(yè)銜接流暢，提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)線場地占用率。

3 彈性支撐塊套鞋組裝生產(chǎn)線設(shè)備研究

3.1 組裝生產(chǎn)線裝卸機(jī)械手研究

在傳統(tǒng)的混凝土彈性支承塊與橡膠套靴組裝作業(yè)過程中，需要使用人工將彈性支承塊翻轉(zhuǎn)至底面朝上再進(jìn)行后續(xù)操作。單個彈性支承塊重達(dá)140kg，人工翻轉(zhuǎn)效率低下，并存在很大的安全隱患[3]。

新研發(fā)的裝卸機(jī)械手主要由機(jī)械手主體旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、氣動升降裝置、氣動夾持裝置、氣動旋轉(zhuǎn)裝置、操作引導(dǎo)手柄等輔助措施組成，升降氣缸采用SC200-600，設(shè)計(jì)升降高度可達(dá)氣缸行程3倍，實(shí)現(xiàn)堆碼高度1.8m，夾緊氣缸采用SC100-150，最大加持力為10000N，旋轉(zhuǎn)氣缸采用QGK100-180，實(shí)現(xiàn)彈性支承塊夾持旋轉(zhuǎn)180°，主體結(jié)構(gòu)采用多軸承驅(qū)動，保證旋轉(zhuǎn)過程流暢，同時，在主臂兩個關(guān)節(jié)位置處，分別設(shè)計(jì)氣動剎車系統(tǒng)，對主臂的旋轉(zhuǎn)起限制作業(yè)。人工引導(dǎo)裝卸機(jī)械手實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑可達(dá)2.5m，輕松完成產(chǎn)品的裝卸、堆碼作業(yè);在引導(dǎo)手柄上設(shè)置操作按鈕，操作人員通過手動操作對應(yīng)按鈕，完成升降、正反旋轉(zhuǎn)、夾持松開動作。

該設(shè)計(jì)相比較于市面上已知的彈性支承塊裝機(jī)械手臂，具有結(jié)構(gòu)更加合理、造型更加美觀、操作更加方便的特點(diǎn)，可大幅度降低工人的勞動強(qiáng)度。

3.2 旋轉(zhuǎn)輸送輥道裝置研究

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求及工位工序布置，彈性支承塊打磨、除塵、噴膠、烘干、組裝、打包等工序均在一條滾動流水線上完成。輥道架設(shè)計(jì)總長15m，單節(jié)輥道長度1m，總數(shù)15個，兩頭分別設(shè)置端部旋轉(zhuǎn)裝置1個，前3節(jié)輥道作為打磨除塵工位，并設(shè)置一個變頻驅(qū)動電機(jī)，彈性支承塊數(shù)控噴膠工位設(shè)計(jì)3節(jié)輥道并設(shè)置一個驅(qū)動電機(jī)，烘干、組裝、碾壓工位設(shè)置3節(jié)輥道單獨(dú)驅(qū)動，封口、打包工位設(shè)置4節(jié)輥道單獨(dú)驅(qū)動，成品輸出端設(shè)置2節(jié)輥道單獨(dú)驅(qū)動。輥道采用鏈條驅(qū)動方式，單個變頻電機(jī)驅(qū)動多節(jié)輥道，保證傳動速度均勻可控。輥道架上設(shè)計(jì)兩排鏈驅(qū)動橡膠輥輪，中間設(shè)計(jì)彈性支承塊預(yù)埋鐵座導(dǎo)向槽，保持流水線上彈性支承塊呈直線輸送，提高輸送輥道安全性。

組裝工序中最大時長50s，平均時長為30s，故輥道設(shè)計(jì)走行速度為1m/min，相鄰工位之間的輸送時間均為30s的整數(shù)倍，并通過單獨(dú)驅(qū)動的輥道架之間組合方式，實(shí)現(xiàn)組裝生產(chǎn)線各工位工序之間的良好銜接。采用感應(yīng)光學(xué)傳感器，在輥道流水線相應(yīng)工位設(shè)計(jì)光電檢測開關(guān)，實(shí)現(xiàn)工件達(dá)到操作工位時自動停止、自動輸送，實(shí)現(xiàn)自動化流水作業(yè)。

首尾工位方向自動旋轉(zhuǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)工序要求，端部首先布置為端部旋轉(zhuǎn)裝置，用于保證后續(xù)的噴膠工位的工藝要求，保證高側(cè)在前、低側(cè)在后，當(dāng)彈性支承塊通過裝卸機(jī)械手放置于旋轉(zhuǎn)架上完成旋轉(zhuǎn)后，通過變頻電機(jī)將產(chǎn)品輸送到流水線下一節(jié)輥道上;端架同樣設(shè)計(jì)雙排橡膠輥輪及導(dǎo)向槽，底部采用QGK系列旋轉(zhuǎn)氣缸配合軸承完成端架的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)彈性支承塊180°旋轉(zhuǎn)，滿足后續(xù)工藝要求。

3.3 彈性支承塊數(shù)控噴膠裝置研究

在整個彈性支承塊套靴組裝生產(chǎn)工藝中，彈性支承塊與橡膠套靴、橡膠套靴與墊板之間均需使用萬能膠水進(jìn)行粘連[5]。該工序由人工完成涂膠作業(yè)，其涂刷不均勻，膠線歪曲導(dǎo)致粘連效果差，無法保證涂膠質(zhì)量，且作業(yè)人員長時間與膠水接觸，會極大的影響身體健康?，F(xiàn)目前已經(jīng)出現(xiàn)的一種彈性支承塊數(shù)控噴膠設(shè)備，其采用X、Y、Z三軸并配備Z軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)控制技術(shù)，其在提高涂膠質(zhì)量和改善工人作業(yè)環(huán)境有一定的效果，但其在自動噴膠以及噴膠效率、時間等方面均未完全達(dá)到現(xiàn)目前彈性支承塊套靴組裝生產(chǎn)的技術(shù)要求[6]。

我部自主創(chuàng)新研發(fā)多角度數(shù)控噴膠機(jī)采用2軸定距控制技術(shù)以及伺服驅(qū)動控制技術(shù)，采用直線排列多噴頭裝置，實(shí)現(xiàn)彈性支承塊及橡膠套靴噴涂膠水一次到位，旋轉(zhuǎn)螺桿安裝結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)多角度噴射作業(yè)，其通過伺服驅(qū)動實(shí)現(xiàn)噴膠的精準(zhǔn)控制，保證噴膠質(zhì)量和效率。

2軸編程定距控制方式，X、Y方向的走行滑臺空間交叉布置，以平行于彈性支承塊長度方向的為X軸，平行于寬度方向的為Y軸，將X滑臺安裝于支撐架上。彈性支承塊噴膠平行于X軸有5條膠線，分別是底面3條和長側(cè)面2條，平行于Y軸2條短側(cè)面膠線，根據(jù)膠線數(shù)量及位置，安裝對應(yīng)數(shù)量的噴槍，在平行于X軸方向設(shè)置5條噴槍，在Y軸滑臺底面通過螺栓安裝噴槍架，5支噴槍分別固定于噴槍架上設(shè)計(jì)位置，通過調(diào)節(jié)噴槍角度和位置，使槍嘴噴射角度對準(zhǔn)膠線位置;平行于Y軸設(shè)置2條噴槍，噴槍架固定在Y軸滑臺滑塊上，2支槍固定于噴槍架相應(yīng)位置處，調(diào)節(jié)角度和位置，保證槍嘴角度對準(zhǔn)膠線位置。

數(shù)控噴膠裝置的噴膠利用高壓氣體對高濃稠度的萬能膠水產(chǎn)生擠壓，實(shí)現(xiàn)膠水的液態(tài)顆粒化并通過高壓氣流從噴槍噴頭位置處噴射出來，此種方式噴射出來的膠線質(zhì)量美觀，膠水均勻，膠水粘接效果優(yōu)良。該數(shù)控噴膠裝置采用精密絲桿滑臺作為定距控制執(zhí)行元件，并采用高精密度的交流伺服電機(jī)作為動力源件，可達(dá)到距離控制精度0-0.2mm范圍以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)氣動噴槍的精準(zhǔn)定位。數(shù)控噴膠裝置采用PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)自動噴膠功能[7]，其通過PLC程序配合光學(xué)檢測開關(guān)，當(dāng)檢測開關(guān)檢測到彈性支承塊輸送到噴膠位置后，噴膠機(jī)自動運(yùn)行完成噴膠作業(yè)，并在噴膠完成后，將彈性支承塊輸送至下一個工位。同時為防止噴膠機(jī)出現(xiàn)撞槍的情況，X、Y滑臺上設(shè)置光電檢測零位及最大行程限位開關(guān)，并在噴膠架上設(shè)置急停、復(fù)位、手動噴膠、自動噴膠等操作按鈕盒，以實(shí)現(xiàn)自動、準(zhǔn)確噴膠作業(yè)。

該2軸數(shù)控噴膠機(jī)相對于3軸數(shù)控噴膠機(jī)，結(jié)構(gòu)及控制程序簡單，制作成本較低，噴膠效率高。

3.4 橡膠套靴及墊板數(shù)控噴膠裝置研究

橡膠套靴及墊板數(shù)控噴膠機(jī)同彈性支承塊數(shù)控噴膠機(jī)結(jié)構(gòu)形式以及控制執(zhí)行元件類似。其在彈性支承塊數(shù)控噴膠機(jī)的基礎(chǔ)上增加了3支噴槍，同樣以平行于套靴長度方向的為X軸，平行于寬度方向的為Y軸，此時噴膠數(shù)量平行于X軸有8條膠線，分為套靴內(nèi)部底面3條和長側(cè)面2條，墊板底面3條;平行于Y軸2條膠線，屬于套靴內(nèi)部短側(cè)面膠線。此時平行于Y軸方向設(shè)置8條噴槍，平行于X軸設(shè)置2條噴槍，套靴數(shù)控噴膠裝置、皮帶輸送裝置配套以及靜置烘干裝置等形成生產(chǎn)線輔線，在套靴噴膠完成后，由皮帶輸送裝置將套靴依次輸送至烘干工序、組裝工序。同時，為實(shí)現(xiàn)橡膠套靴和墊板的快速準(zhǔn)確定位，提高生產(chǎn)效率，在輸送皮帶裝置上方噴膠位置處設(shè)計(jì)套靴及墊板定位裝置，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位，進(jìn)行噴膠作業(yè)，噴膠完成后，皮帶機(jī)啟動，帶走噴完膠的套靴和墊板進(jìn)入烘干區(qū)。

3.5 自動打包裝置研究

傳統(tǒng)的人工打包采用手持小型打包機(jī)對其進(jìn)行打包，打包效率慢、膠帶松緊度不滿足要求，增加工人勞動強(qiáng)度。

采用自動打包機(jī)作業(yè)，其打包速度快、有效保證打包質(zhì)量，可減少操作人員，提高生產(chǎn)效率。

根據(jù)設(shè)計(jì)使用要求，彈性支承塊采用側(cè)臥式打包方式，以輥道架彈性支承塊運(yùn)輸高度作為基準(zhǔn)面，設(shè)計(jì)打包機(jī)框架外形尺寸及打包位置高度，設(shè)計(jì)配套工裝同輥道架進(jìn)行配合使用，實(shí)現(xiàn)彈性支承塊產(chǎn)品流水線自動打包作業(yè)。當(dāng)光電檢測開關(guān)檢測到彈性支承塊時，輸送輥道停止輸送，打包機(jī)自動完成產(chǎn)品第一次打包，之后輸送輥道啟動，當(dāng)彈性支承塊達(dá)到第二次打包位置處時，自動進(jìn)行第二次打包，保證了打包效率和質(zhì)量，滿足生產(chǎn)要求[8]。

4 結(jié)束語

通過對彈性支承塊套靴組裝生產(chǎn)線工序組織、主要構(gòu)造、自動化控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究，并圍繞裝卸機(jī)械手技術(shù)、數(shù)控噴膠技術(shù)、首尾工位方向自動旋轉(zhuǎn)技術(shù)、光學(xué)檢測技術(shù)等重點(diǎn)技術(shù)及其設(shè)備全面研究，實(shí)現(xiàn)彈性支承塊套靴流水線組裝生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)工序自動化生產(chǎn)，解決彈性支承塊套靴組裝效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、投入成本高的技術(shù)難題。該生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)組裝效率高，設(shè)備操作簡單，產(chǎn)品外觀漂亮、質(zhì)量滿足工藝要求，用具有較高的推廣價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒文浩.重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征及服役狀態(tài)評價體系研究[D].中國鐵道科學(xué)研究院，2016.

[2]倪凱.板式無砟軌道路基及CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基動力響應(yīng)分析

[D].華東交通大學(xué)，2017.

[3]師磊.組裝生產(chǎn)線在彈性支承塊橡膠套靴組裝中的應(yīng)用[J].國防交通工程與技術(shù)，2018，16（01）：61-64.

[4]劉偉.某重卡總裝車間多品種混線生產(chǎn)工藝方案優(yōu)化及設(shè)計(jì)[D].清華大學(xué)，2013.

[5]趙東.重載鐵路隧道內(nèi)彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[D].石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[6]魏周春，于鵬，蔡成標(biāo)，等.彈性支承塊橡膠套靴與塊下膠墊的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015，59（06）：11-14.

[7]何捃愷，閆娟，鄭鉑金，等.基于PLC的自動紙箱包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019，18（13）：65-66.

[8]林立新.國內(nèi)新型中棒線自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].青島理工大學(xué)，2019.