浅谈螺旋筋自动成型一体机的研制

谢凯

（成铁德阳轨道有限责任公司，四川 德阳 618007）

1 前言

随着铁路建设领域的不断扩大，混凝土轨枕的应用需求也不断增加，同时对轨枕质量的要求也越来越高，加强混凝土轨枕的质量控制成为轨枕生产的首要任务。为了加强轨枕质量控制，生产用原材料质量、工艺工装配件质量、生产工艺过程控制等方面成为轨枕质量卡控的重点。

螺旋筋作为轨枕用主要的工艺配件，其质量直接影响轨枕预留孔或预埋套管周围是否开裂。Ⅱ型、Ⅲ型轨枕作为有砟线路铺设的主要使用产品，其常用螺旋筋均为等螺距、各螺旋圈为等直径。传统的混凝土轨枕的生产主要依靠大量的人工，在各工艺环节主要依靠工人的操作经验。螺旋筋的制作也不例外，其质量也依赖人为经验。通用的制作方式中，螺旋圆筋、立筋、焊接成型的工艺都是相对独立的，成型的过程中，因加工工艺的人为因素，立筋在簧筋圆周上无法均匀分布，螺旋间距尺寸不均匀，同时，三根立筋不在同一平面、立筋点焊稳固性差。为了保证螺距、螺旋圈径的尺寸精度，螺旋筋的制作的规范性就成为主要影响因数。需要有效解决传统螺旋筋加工制备工艺中诸多不足，提升螺旋筋的绕制质量，就必须将簧筋制作、立筋下料、点焊成型进行有效地结合。螺旋筋的螺旋间距、立筋的下料长度、立筋的平整度、焊接的稳固性等技术指标要求将成为螺旋筋自动成型一体机的制作方案考虑的重点。

2 螺旋筋自动成型一体机研制的必要性

螺旋箍筋的制作多数比较麻烦，大多利用旋转骨架等辅助台具人工制作，费工费时，且不易保证质量。机械化生产代替人工制作成为趋势，为了优化螺旋筋制作工艺，提高螺旋筋的成品质量，将原有的弹簧绕制、立筋下料、焊接成型相对独立工序进行整合改造具有积极意义，在质量控制、成本控制、安全管理等方面有着迫切的需求。

2.1 质量控制的需求

螺旋筋在通用的混凝土轨枕生产过程中，其生产必

须满足相应行业或国家标准。轨枕裂纹作为轨枕重要的检测指标。在GB/T 37330-2019《有砟轨道轨枕 混凝土轨枕》中，明确轨枕表面不应有收缩或受力产生的裂纹的要求。如螺旋筋的质量不合格，在预留孔或预埋套管周围是最容易出现裂纹。不合格的螺旋筋与套管或橡胶轴周边尺寸相差较大，甚至出现了部分螺旋筋直接靠在套管或橡胶轴上的现象，使螺旋筋的在轨枕产品中的作用大大降低。在螺旋筋的制作中：螺旋筋的绕制，立筋的调直切断，螺旋筋和立筋的点焊接。每道工序都由独立的设备和不同的操作人员完成。人为操作技能、人工实作经验和责任心的差异对每一步的产品质量都存在较大影响，不同的操作工人加工的产品中，簧筋的直径、簧筋的螺距、立筋的长度、立筋焊接的分布、焊接的牢固性等都均会出现偏差，只要其中任意某个指标或多个指标出现偏差，导致点焊出来的螺旋筋上的立筋参差不齐，立筋的端部不在一个平面，焊接脱焊等。螺旋筋产品质量欠佳，一致性不好。为了解决上述质量问题，加强螺旋筋产品的质量控制，整合多个工序，加强自动化控制成了质量控制的必然需求。

2.2 节约成本的需求

大多数轨枕生产厂家在螺旋筋制作的过程中，除了螺旋筋圆筋的绕制利用绕簧机继续制作成螺旋状的半成品外，立筋的下料、立筋与圆筋的电焊，均需要大量的人工，在每个岗位都至少需要1 名员工才能完成，最少都需要3 个操作人员。每个工序之间的衔接都会消耗时间，使得从簧筋的绕制到焊接成型的过程中所花费的时间增加。在人力资源成本上升的当下，人工成本占比加大。为了提高加工制作效率，减少人工成本支出，成了成本控制的需求。

2.3 职业健康安全的需求

螺旋筋的材质一般采用热轧光圆钢筋或低碳冷拔钢丝。在螺旋筋的制作过程中，人工需要手动操作绕簧机，钢丝在走行中使得钢丝表层铁锈不断地剥离产生扬尘，操作工人的工作环境极差。同时，在对立筋与圆筋的焊接过程中，采用电焊机，火花飞溅对人体有一定伤害。操作人员长时间身处这种工作环境，极易对身心健康产生不利影响，更有出现职业病的风险。为了体现人为关爱，急需对这种工作环境进行整治，以此满足职业安全的需要。

3 螺旋筋自动成型一体机研制的方案设计

3.1 整体思路

目前，轨枕螺旋筋的制作方法较为常用的绕簧、立筋定长、点焊的“三步法”的制作工艺，难以满足螺旋筋的质量需求，为了整合绕簧、立筋制作、焊接成型的单工序，需要利用自动化控制原理，最终达到三个目的：第一，结合操作便利的要求进行整体制定研制方案，最终达到一体化。第二，保证一体机的加工效率，使其每小时产量达到800 ～1200 个。第三，高标准的质量要求，必须确保三根立筋端部组成的平面的高度误差应控制在1mm 以内。

按照螺旋筋成型工艺，螺旋筋自动成型一体机的主要组成包括螺旋筋绕制机构、立筋调直送丝机构、点焊成型机构及自动控制系统。

3.2 方案设计

3.2.1 螺旋筋绕制机构的设计

为了螺旋筋生产的连续性与节奏性，确保螺旋筋加工流水生产线的顺畅。螺旋筋绕制机构主要用于钢丝的调直与输送，进而将钢丝绕制成螺旋状的圆筋。

螺旋筋绕制机构包括送丝组件、调直组件、成型组件、螺旋绕制伺服电机，绕制切断刀口。

钢丝在螺旋绕制伺服电机的驱动下，经过送丝组件作用，通过3 组调直组件的调直，将钢丝绕制成型组件上自动缠绕，形成螺旋状，其绕制速率为15 ～20m/min。绕制成型组件的螺距、螺旋圈径主要依靠成型组件上导轮的渐进线槽进行控制，一般螺距在20 ～40mm，螺旋圈径在50 ～70mm，可以满足多种螺距和螺旋圈径的规格。根据走行的钢丝长度，可以有效控制螺旋圆筋绕制后的总长度。依据螺旋筋图纸的要求，可以合理调整参数，绕制成型符合要求的规格型号的螺旋状。当达到设定的螺旋总长后并与3 根立筋点焊，利用切断刀口在气缸的动力作用下切断螺旋。

3.2.2 立筋调直送丝机构的设计

立筋调直送丝机构，主要包括伺服电机、送丝动力件、调直组件等。其中送丝动力组件3 组、调直组件由3 组，每组滚轮由固定平台、螺栓、滚轮等组成。

钢丝在伺服电机的动力作用下，3 组钢丝匀速通过调直组件，钢丝在3组挤压调直滚轮作用下，将立筋除锈、调直。

3.2.3 点焊成型机构的设计

点焊成型机构包括点焊气缸、焊极、圆筋切断刀口、立筋切断刀口等组件组成。

焊接过程包括预压、加压、预热焊接、焊接、维持等多个阶段。将螺旋筋圆筋和立筋处于两电极之间，利用电焊用气缸3 个，通过PLC 控制指令，矩形铜焊极向圆柱焊极挤压达到瞬时高电流，执行焊接动作。焊接利用了低电压、高电流的工作原理，其电流一般达100A，电压在1 ～3V。电极均匀分布在360 度的空间范围，通过PLC 程序控制分别依次进行有序焊接。利用PLC 的功能指令可以有效排除漏焊和误焊。点焊后，钢筋强度损失不超过母材的5%，焊接剪切强度也能满足标准要求。

当螺旋圆筋与三根立筋全部焊接（6 个焊点）完毕后，通过PLC 程序控制，立筋送丝组件牵引3 根立筋也与螺旋筋焊好退回到适当位置，圆铜极到切刀口的距离一般在120mm 左右，以此确保螺旋筋有足够的自由回退空间。立筋切断刀口在受到切断气缸的作用下，1 个刀架带动3 个刀口自上而下运动，逐次切断立筋，螺旋筋从卸料口进入成品区。完成一个螺旋筋成品的制作，如此周而复始。

3.2.4 其他组件的设计

主要包括PLC 自动控制组件和机座。其中PLC 自动控制组件包括PLC 显示屏、信号传输件、接触器等组成。

PLC 自动控制组件功能主要完成各种操作指令。通过交互式的设置界面主要参数方式，带动相应电气组件进行工作。操作简单、界面友好、可视化程度的特点使得一体化机有序可控，运行顺畅，所焊接的产品完全符合图纸要求。基座主要用于调整一体化机的高度，以便适于操作，在其柜体中可以将辅助用途的打气泵等进行封装，满足整体结构的外形要求。

4 方案应用效果

4.1 工序有机整合，作业效率高

多工序整合，提高了作业工效。一体机将螺旋绕制、立筋制作、电焊成型的独立工序进行了有机整合，在伺服电机作用下，有序匀速地将钢丝送入螺旋筋绕制组件的同时，3 根立筋钢丝也有序地进入调直组件，将立筋用钢丝在电焊成型组件的作用下，依据螺旋筋图纸尺寸要求，可以自动计算钢丝走行距离，确保钢丝精准长度。采用电阻焊接的方式(瞬时通电)，电阻焊接的效率、质量和自动化方面有着独特的优势，热量集中、加热时间短、焊接变形小，缩短了焊接时间，有效地提高生产效率。整体点焊成型后，从卸料处自动切断立筋，即得螺旋筋成品。整个生产成型加工过程流畅，工序高度融合，效率大幅度提升，每小时产量可以达到800 ～1200 个。

智能操控界面，为提高效率奠定了基础。主要的螺旋筋的参数指标均可在PLC 显示屏上精准设置。人机界面实现了简单、自然、友好的人机对话功能，操作人员只需按照要求进行操作,螺旋筋加工整个一体化的过程就会自动完成，整个工序操作极其方便。总之，实现了多工序整合的初衷，这也正是真正意义上实现了一体化的关键技术。

一机多用的功能，符合高效作业需求。成型组件的成型导轮的调整性功能成了不同规格的螺旋筋制造的必备条件。利用一台设备就能满足Ⅱ型、Ⅲ型轨枕用得多规格的需要，就能高效地完成多种规格产品的加工。

4.2 自动化程度高，质量稳定可靠

自动化的应用，是保证质量稳定可靠的前提。自动化的实现为多工序地整合起到了保障作用，无论是螺旋主筋，还是立筋的送丝、调直，都依靠伺服电机，可完全实现无极调速，能满足不同的材质钢丝的调直需求。利用成型组件上导轮的渐进线槽可以保证螺旋的螺距、形状、通过钢丝走行距离，可以保证螺旋筋的整体长度等关键性指标。

合理的工艺参数设计是保证产品质量的必要措施。电焊的过程中，焊接时间、焊接电流、电极压力是重要的工艺参数。其一，采用强规范焊接法(瞬时通电)，减少电能消耗及减轻螺旋筋的整体变形。其二，采用合理的焊接电流，根据钢丝的断面尺寸及接触表面的情况，保证合适的电流有利于保证焊接质量。其三，应用电极压力，为了减小焊点处的接触电阻，电极必须对焊件施加压力，这也是保证焊点形成时所需要的压力。合理的焊接工艺参数，实现了精准焊接，同时，确保焊接牢固的需求，保证了稳定的产品质量。

4.3 安全风险降低，确保职业健康

生产过程高度的自动化，参数的可视化都是整个一体化机的稳定性的有力保障。在自动化、流程化的工艺过程中，完成螺旋圆筋的绕制、立筋的调直下料、焊接成型这些工序环节，都不再依靠人为的操作，大大地减少了人与机械设备的接触时间，有效地降低了钢丝、机械伤人的概率。同时，在钢丝调直的过程中，依靠设备的自动运转，人无须一直看守，可以有效地避免铁锈的扬尘伤害。在焊接的工序环节，采用了铜焊极，其飞溅的火花远比光弧焊的火花小，有效地减少了有害人体的伤害。

5 结语

综上，本文旨在针对螺旋筋的加工的多个工序进行一体化整合，从螺旋筋的圆筋成型、立筋的制作、点焊成型的工艺需求，提出了综合优化的实施方案。随着轨枕生产行业内对各种配件质量要求不断提高，螺旋筋自动成型一体机的应用，将给其他轨枕生产厂家在各工序环节中探索实现自动化、可视化有一定的启发，在提高产品质量、成本控制、职业健康等方面起到了参考作用。