一种铁路货车圆弹簧智能检测配组机设计
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作者: 姚奉娣 刘勇
摘要：本文设计了一套对铁路货车新型转向架园弹簧进行自动分拣的配组机，该设备采用计算机控制，充分考虑了弹簧测量分拣机的通用性和智能性，从被测产品输入到所需成组产品输出的整个过程实现了全自动化。
关键词：园弹簧； 转向架； 分拣； 自动控制； 设计
1.概述
随着装备自动化水平的逐渐提高，目前车辆系统普遍采用半自动化的接触式或非接触式弹簧检测和分组设备来取代过去落后的人工测量工作方式。相较而言，检测精度和效率较高，劳动强度有所降低，在一定程度上解决了枕簧测量的难题。
然而，随着转向架的不断更新和应用，既有设备的缺陷不断暴露出来。
首先，既有设备开发年代较早，很多型号的设备只能应用于转8A等形式的转向架枕簧。新型转向架如K5、K6等转向架的弹簧根本不能识别。即便是通过改造能够检测新型转向架的弹簧，但是却不能同时检测多种转向架枕簧，其弹簧仓储区也不可能对各种弹簧进行混装，否则容易引起操作人员混淆。
其次，既有设备对弹簧测量后的分拣基本都采用了硬分组形式，即在弹簧高度范围内人为地划分固定区间进行分配，这往往使得相邻区间本来能够进行组装的弹簧却因分组问题不能配对使用，配型成功率低，造成了弹簧的积压。
2.货车圆弹簧分拣设计要求
2.1.圆弹簧简介
货车圆弹簧包括：承载弹簧、减震弹簧和旁承弹簧，现阶段需要检测配组的是承载弹簧和减震弹簧，每辆车包括两个转向架，每个转向架两个侧架，不同种类转向架侧架的弹簧不等。2.3.1.2.解决方案
将某一转向架的所有弹簧的自由高测量完毕，暂时留置在传送带上，传送带称之为一级缓存库，当遇到单个转向架的弹簧数量比较多时（比如转K6），而设备的传送带又比较短的情况，计算机可以在弹簧后备库开辟几个仓位，暂时存放传送带放置不下的弹簧，称为二级缓存库[1]。计算机根据转向架型号判断该批弹簧的自由高是否符合技术规程要求，首先机械手将超限报废的弹簧送废品库，然后将不符合配组要求的弹簧放弹簧后备库，然后从该库取出符合要求的弹簧放置在下簧位置，在机械手工作的同时，下簧机构在进行弹簧的下簧工作。对于最终不能配组的弹簧，可以直接下簧，同时打印出所缺弹簧的高度要求，可以到仓库找到合适弹簧，通过人工测量完成配组[2]。
2.3.2. 设备结构
智能弹簧检测配组机硬件由以下部分组成：弹簧后备库、弹簧传送带、分拣机械手、检测机构、半自动上簧机构、下簧机械手、成组弹簧储存箱、机电控制系统、人机界面等部分组成。
2.3.2.1.弹簧后备库
设计要求后备库容量最少222个，即内外簧各111个，弹簧放置仓位为六边形蜂巢结构，见图2。后备库分成左右两部分，右部为115个外簧仓位，左半部为160个内簧
仓位。在空间允许的情况下，增加弹簧后备库的仓位数可以增加配车成功率，而增加内簧的仓位数，设备空间利用率会更高，所以本设计中内簧仓位比外簧仓位多40%。由于受钢板2450 mm长度限制，弹簧库高度暂时不能增加，可以横向增加数量。如果想在高度方向增加弹簧数量，可以采取内外簧上下分区的设计。
在弹簧监测种类比较多时，可以采用两个后备库，或者双层后备库。
2.3.2.2.弹簧传送带
弹簧传送带采用循环传送带，循环带可以比步进带减少运动距离，降低运动噪声，采用电机驱动方式，比压缩空气驱动除了减少设备外部动力源种类，还可以使运行更加平稳，更好控制，故障率也更低。
传送带是本设备的一级缓存库，整个转向架的弹簧测量完毕全部放置在这儿，等待将不合格的剔除。当遇到单个转向架的弹簧数量比较多时（比如转K6），而设备的传送带又比较短时，计算机可以在弹簧后备库开辟几个仓位，暂时存放传送带放置不下的弹簧，称为二级缓存库。当使用二级缓存库时，配组效率可能会稍微受点影响，一般不会出现传送带不能够放置28只弹簧的情况。
2.3.2.3.分拣机械手
分拣机械手的作用就是将传送带（一级缓存库）中不符合本台车要求的弹簧放入弹簧后备库，并从库中找出合适的弹簧放到一级缓存库中。当遇到单个转向架的弹簧数量比较多时（比如转K6），而设备的传送带又比较短时，分拣机械手还要将一级缓存库的部分弹簧放入二级缓存库中，下簧时再将这部分弹簧放回一级缓存库中。分拣机械手由直线单元来组成，采用龙门结构，X轴上下各采用一套直线单元，直线单元间由同步轴刚性连接，导轨使用20规格，同步带选用S8 30规格。Z轴也为双直线单元结构，上面安装弹簧取放装置Y轴，Y轴采用滚珠丝杆和步进电机驱动。
可以进行内外簧嵌套实验，由分拣机械手将内簧插入外簧中，如果成功则可以显著减少成组弹簧储存库复杂程度，也可以减轻自动下簧机械手的工作负荷，本设备的自动化等级也可以显著提高。
2.3.2.4. 检测机构
检测机构进行弹簧高度的测量。由位移传感器、弹簧中心随动机构、弹簧直径判别装置、球形铰链、压力机构组成。
为了降低机械结构的复杂程度，可以考虑将弹簧中心随动机构取消，相应将内外簧的监测分配在两个检测工位上进行，相应增加一套位移传感器、球形铰链、压力机构。
2.3.2.5.半自动上簧机构
上簧采用人工将圆弹簧拆组，将内外簧分别放置到两个弹簧喂料器中，设备按照工作节拍将弹簧自动移到传送带上。该机构由内外簧两套系统组成，每套系统由一个储存滚道和两个电控门组成，必要时需要增加振动装置。
2.3.2.6. 自动下簧机械手
下簧机械手将传送带送出的弹簧旋转90度后，提升到相应的成组弹簧储存库入口，并将弹簧推入其中。下簧机械手由直线提升单元和旋转机构组成。
3.总结
本设计方案充分考虑了弹簧测量分拣机的通用性和智能性，有效运用了现代比较先进的动态分组原理、软硬分组思想和较复杂的控制算法。从被测产品输入到所需成组产品输出的整个过程实现了全自动化。该设备几乎可以满足所有分类，所有组别弹簧的分拣，改变了市场上现有的只针对一、二种弹簧的分拣局限性；同时具有体积小，效率高，自动化程度高的优点。
参考文献：
[1]计算机控制技术 赵邦信 ：科学出版社 2008年8月
[2]2007最新铁路车辆检修工艺与故障在线诊断技术实用手册 龙华 北方工业出版社 2007年10月
[3]机械设计手册 机械设计手册编委会 机械工业出版社 2004年5月
[4]《 Dephi 7数据库开发教程》肖庆航 清华大学出版社 2004年3月
作者简介：
姚奉娣（1981.5-），现为日照职业技术学院讲师，研究方向：机电。
刘勇（1969.6-），现为济南铁路物流公司日照分公司工程师，研究方向：机电。
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