重載鐵路貨車轉向架智能檢修系統研制

王文剛

（神華鐵路裝備有限責任公司，北京 100120）

轉向架是鐵路貨車最重要部件，轉向架的檢修質量直接與行車安全息息相關。鐵路貨車轉向架檢修按照檢修工藝需要經過一系列的分解、檢修、組裝工序。目前鐵路貨車轉向架一般采用流水線形式進行檢修，轉向架在流水線上進行傳輸，在流水線設置一系列檢修工位，各工位由操作者手工或者利用輔助檢修工裝設備，進行分解、檢修和組裝作業。國內鐵路貨車轉向架檢修已經采用了目前國內最先進的檢修流水線和檢修設備，但總體而言檢修裝備的自動化程度還較低，主要檢修、分解和組裝工位的檢修作業大多仍然采用傳統人工作業方式，這種大量依靠人力的操作方式檢修效率低，操作者勞動強度大，檢修質量受到制約，同時存有較大的安全隱患。隨著近年來重載鐵路貨車（例如采用30t大軸重的KM98等）開始投入運行，為保障安全運營，重載列車對轉向架檢修的要求更高，而采用目前的轉向架檢修方式， 檢修質量不易提高，轉向架檢修系統靈活性差。在國外，澳大利亞的必和必拓公司（BHPBilliton）新建了鐵路貨車檢修車間，采用AGV進行配送和利用信息化管理，實現了比較先進的轉向架檢修方式。

1 檢修系統現狀

目前轉向架檢修主要存在4個方面的問題：檢修設備自動化水平低；檢修配件輸送方式落后；勞動強度大、操作人員多，存在較大的安全隱患；缺乏完善的檢修管理系統。

1.1 檢修設備自動化水平低

目前，貨車轉向架檢修過程中的主要工位的檢修作業大多仍采用人工作業方式，輔助檢修工裝設備自動化程度較低。

下心盤組裝作業（見圖1）需要操作者利用心盤吊具將下心盤吊裝到搖枕上，手動調整下心盤到位，人工將8套心盤螺栓預裝好，手動將下心盤扳機移動過來，至少2名操作者進行扳機與心盤螺栓對位，對位完畢后2名操作者利用螺母固定裝置固定住螺母，啟動下心盤扳機進行4組螺栓緊固，擰緊完成后，操作者還需要比較費力地將螺母固定裝置取下，然后再用同樣的方法進行另外4組螺栓的緊固操作。因此，由于下心盤檢修工裝設備自動化程度低，整個下心盤組裝作業過程比較煩瑣，操作者勞動強度高，檢修效率低下。

圖1 下心盤組裝作業

另外，在轉向架檢修過程中的分解組裝工位，進行承載鞍、制動梁、枕簧等分解組裝作業時，均需配置多名操作者，利用手工或采用平衡吊輔助來進行分解組裝作業，作業強度大，操作煩瑣。

1.2 檢修配件輸送方式落后

目前轉向架檢修過程中包括下心盤、承載鞍、制動梁、拉板拉條、枕簧、斜鍥等主要配件均需要操作者操作運輸車或利用叉車來進行配件輸送，這樣的運輸方式不但勞動強度大，而且使生產車間比較雜亂，影響生產安全，同時，也不利于對配件進行自動化管理。

1.3 勞動強度大、操作人員多，存在較大的安全隱患

檢修作業和配件配送主要采用人工進行，需要操作人員較多，工人勞動強度大；并且由于操作人員與叉車、天車等經常交叉作業，存在較大的安全隱患。

1.4 缺乏完善的檢修管理系統

目前，貨車轉向架檢修過程中缺乏完善的生產信息管理系統，無法進行統一的設備診斷、生產信息實時監控、自動生產協調和調度等。

2 檢修系統研制

2.1 自動化檢修設備

2.1.1 下心盤自動分解、組裝設備

下心盤自動組裝設備包括轉向架自動定位裝置、下心盤全自動螺栓緊固裝置、控制系統等?？梢詫崿F轉向架自動對位，心盤螺栓自動對位緊固等心盤組裝作業，實現心盤組裝高度智能化。

下心盤自動組裝設備安裝在龍門結構的主機框架上，轉向架進入工位后，轉向架自動定位裝置對轉向架進行精確對中定位，（智能配件輸送系統已將選配好的下心盤輸送到下心盤組裝工位），下心盤吊裝機器人從智能運載架上定位和吊裝下心盤，把下心盤吊裝到轉向架搖枕位，預裝上心盤螺栓后，下心盤全自動螺栓緊固裝置自動移動到下心盤上方，進行下心盤螺栓緊固，8組下心盤螺栓緊固完成后自動離開，整個心盤組裝過程實現了高度自動化。

下心盤全自動螺栓緊固裝置采用四軸伺服擰緊裝置加上高精度扭矩傳感器來進行螺栓緊固的閉環控制。下心盤自動分解設備與組裝設備如圖2所示。

圖2 下心盤自動分解、組裝設備

2.1.2 枕簧自動檢測分選設備

枕簧自動檢測分選設備實現枕簧檢測、選配、預組裝作業的高度自動化，設備結構分為4個區域：分解區、檢測區、選配分揀區和組裝傳輸區。圖3和圖4分別給出了枕簧自動檢測分選設備俯視圖和側視圖。

圖3 枕簧自動檢測分選設備俯視圖

圖4 枕簧自動檢測分選設備側視圖

分解區：分解區由2條傳送線組成，傳輸線采用輥道輸送方式，每條傳輸線為上下兩層 ，把分解的枕簧放在傳輸線上層的一個托盤上，托盤可沿傳輸線輸送，進入檢測機。檢測區：檢測區配置了2臺枕簧檢測機，每條傳輸線上配置1臺。檢測機采用接觸式位移傳感器進行枕簧高度測量，每臺檢測機采用18個位移傳感器，可以同時測量1個托盤最多9組枕簧高度。每個枕簧測量數據進入主控制計算機，測量完后托盤枕簧進入緩存分揀區。選配分揀區：分揀區設有2臺智能機械手，通過之前傳感器測量的數據，將緩存分解區內所有托盤上枕簧進行選配，選配出來的枕簧通過機械手分揀到中間區域中的傳送帶托盤上，同車枕簧分揀完畢，托盤自動輸送出去，供組裝使用。機械手采用五軸結構設計，末端執行器具有內簧撐爪和外簧卡爪，分別用于進行內卷枕簧和外卷枕簧分揀。組裝傳輸區：組裝傳輸區由1條傳輸線組成，傳輸線采用輥道輸送方式，選配好的枕簧托盤可沿傳輸線輸送，進入枕簧組裝工位。

2.1.3 工位作業機器人

在承載鞍、制動梁、枕簧的分解和組裝工位采用工位作業機器人進行分解組裝作業。工位作業機器人采用六軸結構設計。機器人由機座、大臂、小臂、手腕、末端執行器和驅動裝置、視覺系統、控制系統、無線通訊系統等組成。機器人各自由度之間相互聯系且獨立，動作時互不干涉；由于控制精度要求高，機器人電機均采用伺服電機；設計機器人主體結構后，根據各個分解組裝工位作業情況進行機器人工作空間分析，從空間幾何研究機器人的工作性能，確定機器人手臂的具體構形和參數，設計末端執行器的結構。進行分解組裝作業時，由于轉向架定位精度問題，機器人還配備視覺系統，利用視覺系統自動進行機器人作業定位修正，實現自動作業需求。圖5為承載鞍組裝作業機器人示意圖，圖6為制動梁分解、組裝作業機器人示意圖。

圖5 承載鞍組裝作業機器人

圖6 制動梁分解、組裝作業機器人示意圖

2.2 智能配件輸送系統

智能配件輸送系統主要由自動引導運輸機器人、智能運載架、配件輸送集中控制中心、無線通訊系統等組成，用于對轉向架檢修過程中的主要配件（如下心盤、基礎制動裝置、制動梁、承載鞍、斜鍥等），在分解區、檢修區、組裝區之間進行轉運和配送。系統可自動判斷運載架上配件狀況，能夠自動發送調度指令執行輸送任務，實現配件的智能化輸送。圖7為智能配件輸送系統示意圖。

圖7 智能配件輸送系統示意圖

2.2.1 自動引導運輸機器人

自動引導運輸機器人是一種自動導引的智能運輸設備。本項目自動引導運輸機器人用于在各個區域、工位之間進行運載架輸送，自動引導運輸機器人包括車體、蓄電池、充電裝置、控制系統、驅動裝置、定位裝置、通信單元和導引系統等。自動引導運輸機器人采用背負式結構形式，車體帶升降裝置，可以承載運載架進行輸送；采用慣性+磁釘導引方式，在自動引導運輸機器人上安裝陀螺儀，定位準確性高，靈活性強；采用雙差速驅動方式，具有靈活的運動控制功能；采用高性能鋰電池供電，并采用自動充電技術，電量低時可自動進行充電。

2.2.2 智能運載架

根據配送配件的形狀、尺寸、重量等特點，設計配件智能運載架，用于對配件進行承載。智能運載架具有控制系統，由微控制器、無線通訊系統、傳感器感知系統組成。傳感器感知系統可對運載架裝載配件狀態進行判斷和確認，無線通訊系統可以把運載架狀態傳輸給配件輸送集中控制中心，以便進行配件輸送的智能調度。智能運載架采用統一的自動引導運輸機器人移載接口，適用于進行統一輸送。運載架具有兼容性，適合多種配件裝載。圖8為智能運載架示 意圖。

圖8 智能運載架示意圖

2.2.3 配件輸送集中控制中心

配件輸送集中控制中心是實現配件智能配送的關鍵，是智能配件輸送系統的核心。配件輸送集中控制中心通過無線通訊系統與自動引導運輸機器人、智能運載架實時通訊，提供車輛管理、交通管理和任務管理等功能。

車輛管理。配件輸送集中控制中心根據配件輸送任務請求，分配調度自動引導運輸機器人執行任務。交通管理。根據自動引導運輸機器人運行狀態和路徑狀況，提供自動引導運輸機器人互相避讓的措施，避免車輛互相等待的死鎖。

任務管理。配件輸送集中控制中心既可以通過操作臺進行任務分配，同時也可以接收智能運載架狀態信息，根據知識學習，自動生成調度任務，實現配件智能化輸送。

2.3 檢修智能管理系統

轉向架檢修智能管理系統用于將項目中的自動化檢修設備、智能配件輸送系統以及現有的轉向架檢修流水線等聯系起來，統一管理，實現轉向架檢修的智能調度與生產管理。轉向架檢修智能管理系統由集中控制中心、高性能工業控制計算機和服務器組成。集中控制中心在設備層將各檢修設備通過工業以太網或工業總線連接在一起；高性能工業控制計算機與集中控制中心通訊，進行匯總、計算、參數設置、信息層的數據交互等；高性能服務器提供數據存儲、計算等。程序采用面向對象的編程語言編寫，系統后臺采用Oracle數據庫。檢修智能管理系統從功能上由設備監控診斷系統、生產流程監控與管理系統、調度運行管理系統、網絡互聯與發布系統等4個系統組成。圖9為檢修智能管理系統功能示意圖。

圖9 檢修智能管理系統功能示意圖

3 結語

重載鐵路貨車轉向架智能檢修系統可以建成高效的轉向架自動化檢修車間，節約操作人員、提高轉向架檢修能力、提高轉向架檢修質量，具有巨大的經濟效益。減少了60%操作人員，節約人力成本；檢修能力提高40%，同時轉向架檢修質量得到提高和保障，可產生極大的經濟效益。提高轉向架檢修的自動化、智能化水平，改變了操作者作業方式，大幅降低工作人員作業強度，有效地避免了天車、叉車及地面配合人員的交叉作業，消除了檢修區域安全隱患。