張孝然，肖博玉

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，唐山 064000）

0 引言

近年來(lái)中國(guó)軌道客車行業(yè)飛速發(fā)展，軌道客車運(yùn)行速度越來(lái)越快、功能越來(lái)越多樣化。為適應(yīng)市場(chǎng)需求變化，車體底架結(jié)構(gòu)持續(xù)升級(jí)優(yōu)化、底架制造標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。中國(guó)制造2025中也將先進(jìn)軌道交通裝備作為十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一。為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，公司提出高品質(zhì)低成本車體制造項(xiàng)目。底架是車體主要大部件之一，高品質(zhì)低成本底架制造是實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的關(guān)鍵。本文重點(diǎn)從底架工藝裝備更替升級(jí)的方向研究如何實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)低成本底架制造。

1 底架結(jié)構(gòu)與制造工藝

經(jīng)過(guò)多年的軌道客車發(fā)展，目前軌道客車已經(jīng)發(fā)展為多種系列多種車型。按照市場(chǎng)需求及制造批量可劃分兩大類，第一類：大鐵路客車（25G、25T、160車），第二類：小品種特殊車型（出口安哥拉車、出口古巴車、雙層車、運(yùn)輸車、檢測(cè)車等）。目前大鐵路客車車體底架結(jié)構(gòu)系列化較好整體框架結(jié)構(gòu)相似；小品種特殊車型車體底架結(jié)構(gòu)差異性較大。依據(jù)公司近幾年生產(chǎn)現(xiàn)狀，大鐵路客車占整體比例超過(guò)70%是后續(xù)方案研究?jī)?yōu)化的重點(diǎn)，同時(shí)需要兼顧小品種車的多類型小批量生產(chǎn)需求。

1.1 底架結(jié)構(gòu)介紹

底架是筒型車體結(jié)構(gòu)的重要組成部件，其是車輛承載的主要部件、車下與車內(nèi)分割部件、車下設(shè)備連接的主要部件。底架的結(jié)構(gòu)按照功能可劃分為底架框架、底架地板、底架附件三種功能單元。通過(guò)以上三種功能單元的配合，組成了完整的底架結(jié)構(gòu)。后續(xù)介紹以大鐵路客車標(biāo)準(zhǔn)車型160車為示例。

底架框架由牽枕緩、邊梁、橫梁、縱梁、底架連接件組成。牽枕緩為模塊化結(jié)構(gòu)包括枕梁、牽引梁、緩沖梁等結(jié)構(gòu)組成，其是整個(gè)底架部分與轉(zhuǎn)向架連接部件、車鉤安裝部位，是整個(gè)車體運(yùn)行、連掛最重要的部件。底架地板由枕外鐵地板、枕梁上蓋板、枕內(nèi)波紋地板組成。底架附件由車下吊座、車電制動(dòng)附件、鐵地板附件等組成。底架整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 底架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 底架制造工藝介紹

依據(jù)公司目前制造工藝方案，底架制造主要由次部件制造、底架組成產(chǎn)線制造兩個(gè)工區(qū)進(jìn)行。次部件制造為底架的各級(jí)零部件備料工序，包括下料、折彎、加工、次部件組裝焊接等工序完成。底架組成產(chǎn)線制造由底架組裝、底架焊接、底架調(diào)修三個(gè)工序構(gòu)成。底架組成工藝流程如圖2示所示。

圖2 底架組成工藝流程

底架組裝工序需要進(jìn)行牽枕緩、邊梁、橫梁、縱梁、地板、底架連接件等部件的定位組裝，整體零部件數(shù)量多、組裝精度要求高。底架組裝工序是底架組成產(chǎn)線制造三工序中工作量最大、操作最復(fù)雜的工序，同時(shí)也是決定底架尺寸最重要的工序。為此，在底架工藝提升中，提升底架組裝工序制造能力是關(guān)鍵一環(huán)。底架組裝工裝是底架組裝工序最關(guān)鍵的工藝裝備，底架組裝工裝的性能直接影響底架組裝工序的生產(chǎn)效率及質(zhì)量。從底架組裝工裝升級(jí)應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)低成本底架制造的關(guān)鍵因素。

2 底架組裝工裝模塊化設(shè)計(jì)

2.1 模塊化技術(shù)介紹

模塊化設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品性能的一個(gè)重要的基本技術(shù)。模塊化設(shè)計(jì)可提升產(chǎn)品可升級(jí)性，可重用性和可回收性。針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，產(chǎn)品模塊化具有簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和提高裝配效率的優(yōu)點(diǎn)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是初始設(shè)計(jì)階段考慮產(chǎn)品需求的關(guān)鍵程序之一[1]。工裝設(shè)計(jì)采用模塊化，可實(shí)現(xiàn)工裝各個(gè)功能模塊靈活匹配。當(dāng)整體結(jié)構(gòu)或局部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)的工裝能夠快速調(diào)整結(jié)構(gòu)，僅特殊部位進(jìn)行部件調(diào)整更換，縮短工裝設(shè)計(jì)周期、節(jié)省工裝設(shè)計(jì)制造成本[2]。

2.2 工裝模塊化設(shè)計(jì)

底架組裝工裝的模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)符合底架制造工藝的要求。首先，分析不同類型車輛底架的結(jié)構(gòu)形式，確定底架組裝工裝功能需求，包括工裝調(diào)整的尺寸范圍和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。第二，對(duì)生產(chǎn)中涉及到的不同底架結(jié)構(gòu)分析，按照底架結(jié)構(gòu)模塊劃分原則對(duì)底架組裝工裝進(jìn)行模塊劃分，確定出底架組裝工裝的相關(guān)模塊。第三，對(duì)底架工裝依據(jù)各模塊功能單獨(dú)進(jìn)行工裝模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模塊設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留出各模塊之間的接口，并繪制各模塊模塊結(jié)構(gòu)圖。第四，按照底架組裝工裝各模塊間的相互關(guān)系，進(jìn)行模塊組合，組合中可依據(jù)情況對(duì)模塊接口形式進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，確保工裝整體一致性。模塊化工裝的設(shè)計(jì)流程如圖3所示:

圖3 模塊化底架組裝工裝設(shè)計(jì)流程

2.2.1 底架組裝工裝功能分析

底架組裝工裝作為底架組裝工序的載體工藝裝備，在功能上可分為以下三個(gè)方面。

1）基本功能：底架生產(chǎn)過(guò)程中，滿足牽枕緩、邊梁、橫梁、縱梁、地板、車下吊座等組裝定位、壓緊需求，滿足部件的組裝點(diǎn)固空間位置需求。

2）高質(zhì)高效功能：底架組裝工序生產(chǎn)中，各定位裝置需定位準(zhǔn)確操作簡(jiǎn)單、壓緊裝置需壓緊牢固操作簡(jiǎn)單，底架組裝工序完成后快速去除各項(xiàng)限制裝置，方便底架吊運(yùn)出工裝。

3）柔性化功能：底架組裝工裝可滿足不同類型底架組裝工序需求，即滿足不同長(zhǎng)度、不同寬度的底架在同一套設(shè)備進(jìn)行底架組裝需求，提升工裝柔性化，提升底架組裝工裝的使用率。

目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的底架組裝工裝基本功能都可滿足，高質(zhì)高效功能在不同結(jié)構(gòu)工裝存在一定差異，但工裝柔性化功能普遍較低。當(dāng)進(jìn)行特殊小品種車底架生產(chǎn)時(shí)，需要新采購(gòu)底架組裝工裝，整體費(fèi)用高、時(shí)效性低、工裝利用率低。在本底架組裝工裝設(shè)計(jì)中應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理念，確保底架組裝工裝同時(shí)具有以上三方面的功能，用1套底架組裝工裝滿足后續(xù)所有類型底架組裝工序生產(chǎn)需求。

2.2.2 底架組裝工裝模塊劃分

從模塊化劃分的角度既要考慮滿足大部分顧客所需產(chǎn)品功能的需求，而且還需考慮不同用戶對(duì)不同產(chǎn)品的個(gè)性化要求[3]；同時(shí)模塊劃分時(shí)又不能使模塊的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜和昂貴，以免提高制造的難度和成本[4]。

底架組裝工裝應(yīng)具有的三個(gè)方面功能，同時(shí)依據(jù)產(chǎn)品模塊化劃分的原則，將底架組裝工裝劃分為5個(gè)模塊。5個(gè)模塊分別為：整體框架模塊、牽枕緩組裝模塊、中部支撐框架模塊、部件定位裝置模塊、底架中心標(biāo)識(shí)模塊。

整體框架模塊是底架組裝工裝主體模塊，其是工裝與地面的連接模塊，同時(shí)起到對(duì)邊梁、橫梁等支撐、壓緊作用；牽枕緩組裝模塊是底架組裝工裝兩端的部分，起到保證牽枕緩組成部件組裝、定位、壓緊的功能；中部支撐框架模塊是底架組裝工裝的中間模塊，起到對(duì)底架中間各種縱梁、底架連接件、車下吊鉤等的支撐功能；部件定位裝置模塊是底架組裝工裝柔性化功能單元，可依據(jù)不同的單位需求靈活設(shè)計(jì)各種定位裝置，起到底架各種橫梁、縱梁等零部件定位功能；底架中心標(biāo)識(shí)模塊是底架組裝工裝的基準(zhǔn)模塊，起到為整個(gè)工裝及組裝工序提供基準(zhǔn)位置的功能。

2.2.3 底架組裝工裝模塊設(shè)計(jì)

底架組裝工裝的模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照模塊劃分進(jìn)行。依據(jù)模塊劃分及各模塊的功能，確定出底架組裝工裝的整體結(jié)構(gòu)布局方案如圖4所示。整體結(jié)構(gòu)圖明確了各個(gè)模塊的相互關(guān)系，為各模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了基本的結(jié)構(gòu)信息。其中部件定位裝置模塊沒(méi)有固定的位置，可根據(jù)部件定位需求布置。

圖4 底架組裝工裝整體結(jié)構(gòu)布局圖

1）整體框架模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：整體框架模塊由地基軌道（件號(hào)1）、氣動(dòng)頂緊壓緊機(jī)構(gòu)（件號(hào)2）、頂緊機(jī)構(gòu)（件號(hào)3）、手工壓緊機(jī)構(gòu)（件號(hào)4）、整體框架（件號(hào)5）、支撐T型槽（件號(hào)6）六部分組成。地基軌道是底架組裝工裝與地面連接件，其布置了橫向行走T型槽，可實(shí)現(xiàn)工裝寬度范圍調(diào)整；整體框架是地基軌道與上部結(jié)構(gòu)的連接件，由T型槽、齒條結(jié)構(gòu)構(gòu)成。通過(guò)T型槽、齒條結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)上側(cè)的氣動(dòng)頂緊壓緊機(jī)構(gòu)、頂緊機(jī)構(gòu)在工裝全長(zhǎng)度范圍內(nèi)調(diào)整移動(dòng)。氣動(dòng)頂緊壓緊機(jī)構(gòu)、頂緊機(jī)構(gòu)、手工壓緊結(jié)構(gòu)三個(gè)結(jié)構(gòu)共同起到邊梁的定位、壓緊功能。整體框架模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 整體框架模塊示意圖

2）牽枕緩組裝模塊：牽枕緩組裝模塊需滿足牽枕緩組成的各項(xiàng)組裝、壓緊需求。牽枕緩組裝模塊由枕梁定位支撐裝置（件號(hào)1）、緩沖梁定位壓緊裝置（件號(hào)2）、牽引梁定位支撐（件號(hào)3）、滑動(dòng)軌道（件號(hào)4）四部分組成。枕梁定位支撐裝置采用中心銷定位（四分之一圓銷），并采用枕梁下面平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)形式。緩沖梁定位壓緊裝置，通過(guò)端部頂緊實(shí)現(xiàn)底架長(zhǎng)度的控制、通過(guò)上部壓緊裝置實(shí)現(xiàn)牽枕緩壓緊?；瑒?dòng)軌道是本模塊柔性設(shè)計(jì)的一部分，當(dāng)?shù)准荛L(zhǎng)度變化，牽枕緩組裝位置變化后，前3個(gè)部分都可以在滑動(dòng)軌道進(jìn)行縱向移動(dòng)，滿足不同長(zhǎng)度底架使用需求。牽枕緩組裝模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 牽枕緩組裝模塊示意圖

3）中部支撐框架模塊：中部支撐模塊需實(shí)現(xiàn)對(duì)底架中間部位各零部件（橫梁、縱梁等）的支撐作用，中心支撐框架模塊由T型槽鑄鐵結(jié)構(gòu)（件號(hào)1）、支撐框架結(jié)構(gòu)（件號(hào)2）兩部分組成。T型槽鑄鐵結(jié)構(gòu)為橫梁、縱梁等底架中間部位零部件支撐件，T型槽的結(jié)構(gòu)方便布置各種橫梁、縱梁定位裝置布置。中部構(gòu)架模塊示意圖如圖7所示。

圖7 中部框架模塊示意圖

4）底架中心標(biāo)識(shí)模塊：底架中心標(biāo)識(shí)模塊是底架組裝工裝及底架組裝工序的尺寸基準(zhǔn)。底架中心標(biāo)識(shí)模塊由縱向中心標(biāo)識(shí)（件號(hào)1）、枕梁中心標(biāo)識(shí)（件號(hào)2）、橫向中心標(biāo)識(shí)（件號(hào)3）、橫向中心拉線裝置（件號(hào)4）四部分組成。在底架組裝工序，通過(guò)中心標(biāo)識(shí)可以有效的為部件組裝提供尺寸基準(zhǔn)，確保組裝尺寸正確性。底架中心標(biāo)識(shí)模塊布置如圖8所示。

圖8 底架中心標(biāo)識(shí)模塊示意圖

5）部件定位裝置模塊：部件定位裝置模塊由多種多樣的零部件定位裝置組成，包括橫梁定位裝置、縱梁定位裝置、車下吊座定位裝置、裙板吊座定位裝置等。部件定位裝置結(jié)構(gòu)形式根據(jù)連接位置設(shè)計(jì)出相關(guān)接口，常用的幾種部件定位裝置如圖9所示。

圖9 常用部件定位裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 底架組裝工裝模塊組合

底架組裝工裝由5模塊共同組成，對(duì)5個(gè)模塊三維圖紙進(jìn)行組合，組合后底架組裝工裝整體結(jié)構(gòu)如圖10所示。底架組裝工裝的主要技術(shù)參數(shù)及底架應(yīng)用范圍如表1所示。

圖10 底架組裝工裝整體結(jié)構(gòu)圖

表1 底架組裝工裝主要技術(shù)參數(shù)

2.3 底架組裝工裝模擬仿真模擬應(yīng)用

底架組裝工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，在實(shí)際工裝圖紙定版生產(chǎn)前，采用三維軟件進(jìn)行底架組裝工序模擬組裝，通過(guò)模擬組裝過(guò)程分析各模塊的匹配性、組裝工序的可操作性、底架吊運(yùn)出入底架組裝工裝的便利性等。底架組裝工裝在底架組裝完成后狀態(tài)如圖11所示（圖中隱藏底架地板）。通過(guò)以上模擬組裝過(guò)程分析，底架組裝工裝具有設(shè)定的三項(xiàng)功能，達(dá)成了工裝設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖11 底架組裝完成后底架組裝工裝狀態(tài)圖

3 底架組裝工裝生產(chǎn)應(yīng)用及優(yōu)化

3.1 底架組裝工裝生產(chǎn)應(yīng)用

底架組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了工裝制造及現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，并首次應(yīng)用于160車型底架組裝生產(chǎn)。在首批次底架生產(chǎn)中取得了預(yù)期的效果，底架組裝工序工作效率提升15%、底架組裝質(zhì)量明顯提升。底架組裝工裝更換前后分別跟蹤記錄1列車底架生產(chǎn)過(guò)程，人工效率及底架交付質(zhì)量詳細(xì)對(duì)比如表2，底架組裝工裝生產(chǎn)應(yīng)用狀態(tài)如圖12所示。

圖12 底架組裝工裝生產(chǎn)應(yīng)用狀態(tài)圖

表2 底架組裝工裝對(duì)照表

第二批次應(yīng)用于小品種車型（出口安哥拉車）生產(chǎn)，由于底架長(zhǎng)度、寬度、枕中長(zhǎng)度變化，底架組裝工裝各模塊分別進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后順利應(yīng)用于底架生產(chǎn)。

3.2 底架組裝工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

在第二次小品種車批量生產(chǎn)時(shí)，底架組裝工裝由于底架枕中長(zhǎng)度變化，引起枕梁中心標(biāo)識(shí)調(diào)整。由于中心基準(zhǔn)尺寸調(diào)整要求高、調(diào)整過(guò)程工作量大。為此依據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用需求，進(jìn)行枕梁中心標(biāo)識(shí)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，原有的枕梁中心標(biāo)識(shí)設(shè)定為固定枕梁中心標(biāo)識(shí)，同時(shí)在牽枕緩組裝模塊增加配置活動(dòng)枕梁中心標(biāo)識(shí)（僅非標(biāo)準(zhǔn)枕中長(zhǎng)度使用）。大鐵路客車或標(biāo)準(zhǔn)枕中長(zhǎng)度車輛底架生產(chǎn)時(shí)，以固定枕梁中心標(biāo)識(shí)為準(zhǔn)，特殊底架結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行枕梁中心標(biāo)識(shí)位置變化時(shí)，調(diào)整牽枕緩模塊新增加的枕梁中心標(biāo)識(shí)，滿足特殊車輛枕梁中心組裝基準(zhǔn)需求。

通過(guò)以上枕梁中心標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，底架組裝工裝柔性化更好，在特殊結(jié)構(gòu)底架生產(chǎn)時(shí)，底架組裝工裝的調(diào)整工作量更小。

4 結(jié)語(yǔ)

目前底架組裝工裝已經(jīng)先后應(yīng)用于4批次，超過(guò)200輛車車體底架生產(chǎn)，取得了預(yù)期的效果。后續(xù)將以本工裝的模塊化設(shè)計(jì)及工裝升級(jí)為示范，逐步推向車體車間其他工藝裝備。通過(guò)工藝裝備設(shè)計(jì)理念的升級(jí)，逐步實(shí)現(xiàn)全車體車間的高品質(zhì)低成本車體制造指標(biāo)。