弹性支承块套靴组装生产线及设备研究

尚明乾

摘  要：文章通过对弹性支撑块套鞋组装生产线的工序组织、组装生产线装卸机械手、旋转输送辊道装置、2轴弹性支承块数控喷胶装置等设备的研究，实现弹性支承块套靴流水线组装生产，实现工序自动化生产，解决弹性支承块套靴组装效率低、质量不稳定、投入成本高的技术难题。

关键词：弹性支撑块套鞋组装生产线;设备研究;自动化流水线生产

中图分类号：U213         文献标志码：A         文章编号：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

近年来，为了适应铁路运输高速、重载两大发展方向的要求，弹性支承块整体道床在我国铁路长大隧道中得到了较为广泛的应用[1]。弹性支承块作为整体道床结构的关键构件，由两大部分组成：第一部分为混凝土支承块，第二部分为橡胶套靴及垫板，混凝土支承块部分为轨道提供刚性，橡胶套靴部分则提供应力回弹。混凝土支承块和橡胶套靴的组装质量关乎着整体道床抗冲击、抗疲劳能力的大小[2]。

玉磨铁路蒙河线，全长142km，我公司承建的玉磨铁路蒙河线段约25万余块的弹性支承块预制工程。为满足公司弹性支承块组装生产的需要，需要研究一种组装效率更高、组装质量可控、组装成本低、自动化程度更高的弹性支承块套靴组装生产线。从组装生产线布置、工序组织、生产线机械部件、自动化控制技术系统等方面开展研究工作。

2 弹性支撑块套鞋组装生产线布置方式及设计总成

2.1 生产线设备布置方式

弹性支承块套靴组装工序设计分为弹性支承块装卸、打磨、除尘、喷胶、烘干、组装、碾压、打包、堆码等，橡胶套靴同步进行喷胶、烘干作业，并且每道工序完成后，方可进行后续工序，整条组装生产线工序组织是以半成品弹性支承块为工序起点[3]。整条生产线设备围绕流水线输送辊道装置进行布置，从半成品区作为布置基准。根据工序要求依次安装各套设备，辊道通过PLC变频电机驱动不同工序工位的运转，实现各个工位之间的良好衔接，高效的实现自动化生产[4]。

2.2 组装生产线设计总成

整条组装生产线主要由混凝土支承块前、后端装卸机械手、辊道输送装置、弹性支承块数控喷胶装置、套靴数控喷胶装置、橡胶套靴传送装置、打磨装置、端部旋转装置、自动打包装置等组成。组装生产线布置形式：将辊道输送装置布置于靠近厂房墙体1m处，两台装卸机械手以及端部旋转装置分别布置于辊道两端，套靴喷胶装置与弹性支承块喷胶装置相对布置，其余部件均布置于辊道相应工位处，整条线布置清晰合理，作业衔接流畅，提高生产效率，减少生产线场地占用率。

3 弹性支撑块套鞋组装生产线设备研究

3.1 组装生产线装卸机械手研究

在传统的混凝土弹性支承块与橡胶套靴组装作业过程中，需要使用人工将弹性支承块翻转至底面朝上再进行后续操作。单个弹性支承块重达140kg，人工翻转效率低下，并存在很大的安全隐患[3]。

新研发的装卸机械手主要由机械手主体旋转结构、气动升降装置、气动夹持装置、气动旋转装置、操作引导手柄等辅助措施组成，升降气缸采用SC200-600，设计升降高度可达气缸行程3倍，实现堆码高度1.8m，夹紧气缸采用SC100-150，最大加持力为10000N，旋转气缸采用QGK100-180，实现弹性支承块夹持旋转180°，主体结构采用多轴承驱动，保证旋转过程流畅，同时，在主臂两个关节位置处，分别设计气动刹车系统，对主臂的旋转起限制作业。人工引导装卸机械手实现360°旋转，旋转半径可达2.5m，轻松完成产品的装卸、堆码作业;在引导手柄上设置操作按钮，操作人員通过手动操作对应按钮，完成升降、正反旋转、夹持松开动作。

该设计相比较于市面上已知的弹性支承块装机械手臂，具有结构更加合理、造型更加美观、操作更加方便的特点，可大幅度降低工人的劳动强度。

3.2 旋转输送辊道装置研究

根据生产工艺要求及工位工序布置，弹性支承块打磨、除尘、喷胶、烘干、组装、打包等工序均在一条滚动流水线上完成。辊道架设计总长15m，单节辊道长度1m，总数15个，两头分别设置端部旋转装置1个，前3节辊道作为打磨除尘工位，并设置一个变频驱动电机，弹性支承块数控喷胶工位设计3节辊道并设置一个驱动电机，烘干、组装、碾压工位设置3节辊道单独驱动，封口、打包工位设置4节辊道单独驱动，成品输出端设置2节辊道单独驱动。辊道采用链条驱动方式，单个变频电机驱动多节辊道，保证传动速度均匀可控。辊道架上设计两排链驱动橡胶辊轮，中间设计弹性支承块预埋铁座导向槽，保持流水线上弹性支承块呈直线输送，提高输送辊道安全性。

组装工序中最大时长50s，平均時长为30s，故辊道设计走行速度为1m/min，相邻工位之间的输送时间均为30s的整数倍，并通过单独驱动的辊道架之间组合方式，实现组装生产线各工位工序之间的良好衔接。采用感应光学传感器，在辊道流水线相应工位设计光电检测开关，实现工件达到操作工位时自动停止、自动输送，实现自动化流水作业。

首尾工位方向自动旋转技术设计。根据工序要求，端部首先布置为端部旋转装置，用于保证后续的喷胶工位的工艺要求，保证高侧在前、低侧在后，当弹性支承块通过装卸机械手放置于旋转架上完成旋转后，通过变频电机将产品输送到流水线下一节辊道上;端架同样设计双排橡胶辊轮及导向槽，底部采用QGK系列旋转气缸配合轴承完成端架的旋转，实现弹性支承块180°旋转，满足后续工艺要求。

3.3 弹性支承块数控喷胶装置研究

在整个弹性支承块套靴组装生产工艺中，弹性支承块与橡胶套靴、橡胶套靴与垫板之间均需使用万能胶水进行粘连[5]。该工序由人工完成涂胶作业，其涂刷不均匀，胶线歪曲导致粘连效果差，无法保证涂胶质量，且作业人员长时间与胶水接触，会极大的影响身体健康。现目前已经出现的一种弹性支承块数控喷胶设备，其采用X、Y、Z三轴并配备Z轴旋转的结构形式，结合数控系统控制技术，其在提高涂胶质量和改善工人作业环境有一定的效果，但其在自动喷胶以及喷胶效率、时间等方面均未完全达到现目前弹性支承块套靴组装生产的技术要求[6]。

我部自主创新研发多角度数控喷胶机采用2轴定距控制技术以及伺服驱动控制技术，采用直线排列多喷头装置，实现弹性支承块及橡胶套靴喷涂胶水一次到位，旋转螺杆安装结构，可实现多角度喷射作业，其通过伺服驱动实现喷胶的精准控制，保证喷胶质量和效率。

2轴编程定距控制方式，X、Y方向的走行滑台空间交叉布置，以平行于弹性支承块长度方向的为X轴，平行于宽度方向的为Y轴，将X滑台安装于支撑架上。弹性支承块喷胶平行于X轴有5条胶线，分别是底面3条和长侧面2条，平行于Y轴2条短侧面胶线，根据胶线数量及位置，安装对应数量的喷枪，在平行于X轴方向设置5条喷枪，在Y轴滑台底面通过螺栓安装喷枪架，5支喷枪分别固定于喷枪架上设计位置，通过调节喷枪角度和位置，使枪嘴喷射角度对准胶线位置;平行于Y轴设置2条喷枪，喷枪架固定在Y轴滑台滑块上，2支枪固定于喷枪架相应位置处，调节角度和位置，保证枪嘴角度对准胶线位置。

数控喷胶装置的喷胶利用高压气体对高浓稠度的万能胶水产生挤压，实现胶水的液态颗粒化并通过高压气流从喷枪喷头位置处喷射出来，此种方式喷射出来的胶线质量美观，胶水均匀，胶水粘接效果优良。该数控喷胶装置采用精密丝杆滑台作为定距控制执行元件，并采用高精密度的交流伺服电机作为动力源件，可达到距离控制精度0-0.2mm范围以内，实现气动喷枪的精准定位。数控喷胶装置采用PLC可编程控制器实现自动喷胶功能[7]，其通过PLC程序配合光学检测开关，当检测开关检测到弹性支承块输送到喷胶位置后，喷胶机自动运行完成喷胶作业，并在喷胶完成后，将弹性支承块输送至下一个工位。同时为防止喷胶机出现撞枪的情况，X、Y滑台上设置光电检测零位及最大行程限位开关，并在喷胶架上设置急停、复位、手动喷胶、自动喷胶等操作按钮盒，以实现自动、准确喷胶作业。

该2轴数控喷胶机相对于3轴数控喷胶机，结构及控制程序简单，制作成本较低，喷胶效率高。

3.4 橡胶套靴及垫板数控喷胶装置研究

橡胶套靴及垫板数控喷胶机同弹性支承块数控喷胶机结构形式以及控制执行元件类似。其在弹性支承块数控喷胶机的基础上增加了3支喷枪，同样以平行于套靴长度方向的为X轴，平行于宽度方向的为Y轴，此时喷胶数量平行于X轴有8条胶线，分为套靴内部底面3条和长侧面2条，垫板底面3条;平行于Y轴2条胶线，属于套靴内部短侧面胶线。此时平行于Y轴方向设置8条喷枪，平行于X轴设置2条喷枪，套靴数控喷胶装置、皮带输送装置配套以及静置烘干装置等形成生产线辅线，在套靴喷胶完成后，由皮带输送装置将套靴依次输送至烘干工序、组装工序。同时，为实现橡胶套靴和垫板的快速准确定位，提高生产效率，在输送皮带装置上方喷胶位置处设计套靴及垫板定位装置，实现快速准确定位，进行喷胶作业，喷胶完成后，皮带机启动，带走喷完胶的套靴和垫板进入烘干区。

3.5 自动打包装置研究

传统的人工打包采用手持小型打包机对其进行打包，打包效率慢、胶带松紧度不满足要求，增加工人劳动强度。

采用自动打包机作业，其打包速度快、有效保证打包质量，可减少操作人员，提高生产效率。

根据设计使用要求，弹性支承块采用侧卧式打包方式，以辊道架弹性支承块运输高度作为基准面，设计打包机框架外形尺寸及打包位置高度，设计配套工装同辊道架进行配合使用，实现弹性支承块产品流水线自动打包作业。当光电检测开关检测到弹性支承块时，输送辊道停止输送，打包机自动完成产品第一次打包，之后输送辊道启动，当弹性支承块达到第二次打包位置处时，自动进行第二次打包，保证了打包效率和质量，满足生产要求[8]。

4 结束语

通过对弹性支承块套靴组装生产线工序组织、主要构造、自动化控制系统等关键技术的研究，并围绕装卸机械手技术、数控喷胶技术、首尾工位方向自动旋转技术、光学检测技术等重点技术及其设备全面研究，实现弹性支承块套靴流水线组装生产，实现工序自动化生产，解决弹性支承块套靴组装效率低、质量不稳定、投入成本高的技术难题。该生产线自动化生产组装效率高，设备操作简单，产品外观漂亮、质量满足工艺要求，用具有较高的推广价值。

参考文献：

[1]邹文浩.重载铁路隧道基底结构动力响应特征及服役状态评价体系研究[D].中国铁道科学研究院，2016.

[2]倪凯.板式无砟轨道路基及CFG桩网复合地基动力响应分析

[D].华东交通大学，2017.

[3]师磊.组装生产线在弹性支承块橡胶套靴组装中的应用[J].国防交通工程与技术，2018，16（01）：61-64.

[4]刘伟.某重卡总装车间多品种混线生产工艺方案优化及设计[D].清华大学，2013.

[5]赵东.重载铁路隧道内弹性支承块式无砟轨道结构参数研究[D].石家庄铁道大学，2016.

[6]魏周春，于鹏，蔡成标，等.弹性支承块橡胶套靴与块下胶垫的优化设计[J].铁道标准设计，2015，59（06）：11-14.

[7]何捃恺，闫娟，郑铂金，等.基于PLC的自动纸箱包装机的控制系统设计[J].产业与科技论坛，2019，18（13）：65-66.

[8]林立新.国内新型中棒线自动化控制系统设计[D].青岛理工大学，2019.