铁路货车制造技术发展及实施路径研究

刘华学　王海峰　刘祖红

摘要：结合铁路货车的行业实际特点，从提升效率、效益和稳定产品质量的角度出发，按少人化、便捷化、信息化的原则，就如何提升铁路货车的制造技术水平提出了发展目标，并制订了具体的实施路径。

关键词：铁路货车;制造技术;少人化;便捷化;信息化

0 引言

随着国民经济的持续快速增长，我国铁路货车技术总体上已达到或接近国外先进货车技术水平，确保了货车运用安全。在产品种类上，我国铁路货车已经形成敞/棚/平/罐/漏斗车、集装箱车和专用特种货车完整谱系。随着模块化组装、不锈钢铝合金焊接、在线自动检测等制造新技术不断融入生产流水线，铁路货车装备技术及工程化能力整体达到世界先进水平，有力支撑了国民经济的快速发展。但在铁路货车制造过程的自动化、信息化程度及质量安全稳定性保障方面，我国与世界先进水平还存在较大差距，本文结合铁路货车的结构特点和制造现状，就如何提升铁路货车制造技术水平，提出具体路径和发展展望。

1 现状分析

1.1    产品结构

铁路货车运载对象不同，导致其产品结构差异较大，装载油类等液体类或粉状介质一般采用封闭罐状结构，装载集装箱一般采用鱼腹型主梁的平板车结构，装载煤炭、木材、矿石等普通大宗类货物一般采用敞开或封闭的箱体结构。其中敞开或封闭的箱体结构的铁路货车又因装卸货物方式不同，产品结构差异也较大，如侧边圆弧底部漏斗式箱体、侧边板柱底部平板式箱体等。

铁路货车载重量及耐磨防腐要求的不同，导致其使用材质和连接方式有差异，常用的铁路货车材质有普通耐候高强钢、不锈钢、铝合金等，连接方式以焊接和铆接为主。

1.2    制造资源

主要包括人员、设备、物流、作业环境、产品质量及信息化应用等。

1.2.1    人员和设备现状

我国铁路货车制造大多为劳动密集型企业，工业总产值劳动生产率仅为30万元/（人·年）。据统计，生产车间总用工人数均偏多，不产生直接效益的辅助工占比达35%。

经统计分析，铁路货车行业设备机龄10年以上占比达70%，且自动化水平均较低，如半自动化设备占比仅6%，机器人的使用密度仅为11台/万人，低于全球平均的机器人使用密度58台/万人，远低于制造业发达的韩国、日本和德国的250～396台/万人。

1.2.2    物流和其他方面现状

配件物流均采用汽车或轨道平车人工操作控制到产线工位，装卸一般采用天车，效率较低。

因整个铁路货车行业的机器人使用率较低，自动化程度相比其他大型制造行业较低，生产节拍、作业环境和产品质量控制受人为因素影响较大，大部分设备也未预留信息化监控的接口，在生产过程的信息化管理水平方面相对落后。

2 制造技术发展实施路径

基于以上对铁路货车的现状分析，结合铁路货车的实际行业特点，对比相关行业制造技术水平差距，为达到发展目标，铁路货车制造技术升级发展可从以下几个方面考虑：

2.1    总体规划

总体规划应充分考虑铁路货车产品的前瞻性、平台性和精益性，打破传统工艺的束缚，通过“以机代人”实现制造水平提升以及效益、效率的最大化。总体规划过程中对高新技术的应用能否适应铁路货车发展趋势、行业特点及公司生产现状需要深入研究，一方面是保证制造技术一段时间内的先进性，另一方面要为后期的数字化、智能化、绿色化升级预留接口。大批量产品产线以节拍化流水线为设计原则，多品種、小批量产品以柔性化为设计原则，立足从制造源头上解决安全与质量问题，并提升“双效”;工艺装备方面，一方面要深入分析过程中对提高企业管理水平有重要作用的制造数据，提出自动提取数据的装备接口要求，另一方面要提高工艺装备的自动化水平，显著减少劳动用工，减轻劳动强度，稳定产品质量，改善作业环境;根据铁路货车的结构特点，将便捷化及自动化组装技术、3D视觉检测技术、视觉或激光寻位+自动切割/焊接/打磨/喷涂+自动检测合成技术、自动物流RGV或AGV技术、远程监控等技术应用于制造过程中。

2.2    产品工艺整合

铁路货车产品种类多，部件结构标准化程度较低，要最大化提升产线利用率，对产品结构的工艺整合就十分重要。对铁路货车结构进行全面系统分类梳理，将工艺流程和方法近似的部件进行工艺整合，提出产线设计的柔性便捷换型要求。例如，铁路货车中梁组成，经统计分析，其结构主要有乙字钢、几字钢、工字钢、板材拼焊箱型梁，内部组焊配件主要有心盘座、上心盘、连接加强板、丛板座等，经工艺流程分析，可将中梁整合为两类：乙字钢、几字钢、工字钢类的中梁为型材内组焊配件，其工艺流程和方法近似，可合并成型钢中梁线;板材拼焊箱型梁其工艺流程和方法与前者均有较大差异，可单独定义为箱型中梁线;较长（大于18 m）或异形结构中梁属于单件或少量产品，可设计集组装、钻孔、变位焊接、检测于一体的柔性工区来满足要求，定义为柔性中梁工区[1]。因此，通过产品工艺整合，铁路货车中梁设置型钢中梁线、箱型中梁线和柔性中梁工区三类产线即可。

2.3    产品产线设计

产线设计应基于工艺流程和物流实现生产制造过程的“一个流”作业，以打造“标准工位”的精益思想建立产线，实现工位化管理。按照产品结构整合的工艺部件开展产线设计，对型钢中梁生产线、鱼骨型底架生产线、板柱式侧墙生产线、板柱式端墙线、板柱式车体线等产线的工艺路线、工艺布局、内部物流、工位人员配置、工位作业内容、生产节拍等方面进行逐工位分析。

2.4    产品物流规划

物流应按线路最短、便于进出、减少吊运衔接的原则规划设计。产品制造过程的物流主要包含产线间物流、产线内部物流和线边配件物流。产线间物流在产品制造的总体规划时就要重点考虑，铁路货车产品产线间的物流要打破传统的移车台+天车吊运方式，充分考虑AGV/RGV自动转运或直接传输的方式，可减少操作人员，提高安全本质度;产线内部物流要去天车化，采用自动传输技术，涉及产线工位内部的配件装配和工具使用要充分利用人因工程学原理，和操作者融为一体，满足就近、便捷、安全原则;线边配件物流既要充分考虑使用自动识别、自动取放、自动运送等先进技术，又要配套标准化、系列化的物流载具结合运用，充分借助信息化手段，使物流规范化、无人化。

2.5    基础工艺技术应用

（1）焊接智能跟踪技术。要实现铁路货车自动化焊接，需解决装配间隙不一致、焊缝起始点偏差及焊接过程变形前提下的焊接智能跟踪问题。采用三维视觉+激光跟踪的技术可实现机器人的自适应焊接。三维视觉一方面要识别产品及其焊接路径，另一方面要在焊接过程中自动检测焊接质量，以实现制造过程可视化、焊接质量免检化;激光跟踪是满足焊接路径精准化的必要条件，按照焊缝的状态实时调整焊接参数，以达到焊接的自适应要求[2]。（2）工装柔性模块化技术。产线的工艺装备以模块化、柔性化、系列化、标准化为设计理念，形成具有典型特点的功能模块族系的模块化工装结构树形图，以多功能模块的有序组合实现模块化，以功能模块的统一接口设计实现柔性化，以功能模块的使用场景进行序列划分实现系列化。根据各功能模块的功能需要，分别从术语定义、设计要求、制作要求、检验要求等方面规范，对各模块的标准化接口、功能模块尺寸约束、系列化的要求结合企业产品族制订相应规则。（3）焊接烟尘捕捉及处理技术。根据铁路货车生产厂房及制造特点，焊接车间整体除尘工艺不是一种工艺方法或单一设备能整体解决的，每种除尘方法都有其自身特点，每种设备有其适应的条件，应根据车间具体厂房情况、焊接工艺、烟尘浓度、工位状况制订除尘方案，方案应为多种除尘方法和設备组合而成一套除尘系统。基于产线标准工位的生产模式，焊接工位固定，且自动焊比例较高，除尘方式可采用在烟尘产生的附近位置采用随枪除尘/除尘罩/除尘臂等方法就近捕捉，尽量减少烟尘飘散到空中形成二次污染，在车间4～5 m处采用静电除尘或吹吸除尘等方式二次捕捉。（4）产品质量自动检测技术。结合检测机器人、光学测量仪器以及视觉算法，完成铁路货车产品的质量检测。例如，铁路货车车体主要有心盘定距、挠度、旁弯、对角线、垂直度、高低差等车体关键尺寸项点，针对底架附属件有错装、漏装、漏焊及焊接质量的自动检测。关键尺寸检测是基于工业机器人的三维光学测量，通过工件坐标系、检测坐标系的统一，采用三角测量和投影测量原理，获取待检测点的点云数据，通过图形算法和全局坐标关系，计算各关键尺寸值;底架附属件错装检测是检测其坐标位置，然后与三维模型做尺寸对比，从而判断底架附属件错装量是否超出公差;配件装配错误检测是将获取到配件的点云图案与正确模型做对比，相似度超出设定阈值，则该配件不是该位置安装需要的;配件漏装检测是将获取到的配件的点云图案与正确模型做对比，若相似度趋向零，即该位置没有获取底架附属件的特征，故为配件漏装;漏焊检测是通过对关注配件焊缝的点云体积测量，来实现焊缝的识别检测，然后提取焊缝的边界，计算边界包络内的点云体积，根据体积计算值判断焊缝有无，若体积趋近于零，则焊缝不存在，即为漏焊。

3 结语

铁路货车制造技术升级发展的实施要根据其行业特点，引入“精益”理念，探索铁路货车精益生产方法，将经济效益放在首位，先减人，再逐步实现数字化和信息化。关键技术要有所突破和创新，以技术升级带动生产、设备等方面管理升级，以此推动铁路货车行业制造技术的进步发展。

[参考文献]

[1] 易冉，杨卫东，宋柳义，等.铁路货车箱型中梁加垫板V型坡口焊接工艺[J].机车车辆工艺，2017（6）：14-16.

[2] 魏文锋.基于激光视觉焊缝跟踪技术的工业机器人焊接智能产线的设计[J].科技创新与应用，2020（24）：84-85.

收稿日期：2021-08-23

作者简介：刘华学（1982—），男，湖北武汉人，高级工程师，研究方向：铁道车辆工艺设计。