摘 要：鐵路貨運是現代物流的重要組成部分，隨著經濟快速發(fā)展、“一帶一路”倡議的深化及國防需求的增長，對敞車質量的要求持續(xù)提升。但在敞車檢修過程中，側柱連鐵損壞需更換的情況頻繁發(fā)生，因缺少專用自動化焊接設備導致檢修效率低、質量差、成本高。本文運用TRIZ理論深入分析現有焊接系統(tǒng)并創(chuàng)新設計了一款能同時進行雙面焊縫焊接的自動化裝置，有效解決了側柱連鐵頻繁更換的問題，提升了檢修效率與質量，降低了成本，成功解決了行業(yè)內的難題。

關鍵詞：車輛裝備質量；焊接質量；檢修；TRIZ理論；自動化焊接

一、前言

面對我國鐵路建設的迅速發(fā)展，實現長期安全穩(wěn)定運營是中國鐵路面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著列車運行速度的提升和運輸量的增加，市場對快速重載列車的需求日益增長，這同時也提高了對車輛裝備質量的要求。大量使用的重載敞車在檢修過程中出現的焊接質量問題，在快速重載條件下可能導致嚴重的事故。因此，檢修過程中保證車輛裝備的檢修質量至關重要。

為保障使用安全，鐵路敞車在其全生命周期內會定期進行廠修。修理工作包括對制動系統(tǒng)、鉤緩、輪對以及車體鋼結構的全面檢修。由于腐蝕和撞擊，車體側墻和側柱連鐵破損發(fā)生率高，需要在修理過程中更換。所有通用敞車側板部位都裝有側柱連鐵這種結構部件，其連接處采用雙面焊接，以增強穩(wěn)定性。因為車輛破損嚴重，導致更換側柱連鐵的工作量巨大。單根近6米長側柱連鐵的兩條焊縫全部由人工焊接完成，更換數量龐大使得人工焊接工作量極大，焊接質量和效率難以提升。高效率的自動化焊接無疑是敞車檢修企業(yè)的迫切需求，但返修敞車的工況復雜，行業(yè)內尚無車體鋼結構自動化焊接的成功案例。

基于實際生產需求并充分結合TRIZ理論，研發(fā)設計出一種經濟、便捷、不占用現場資源且能滿足自動化焊接要求的解決方案，能大幅提升生產效率和焊接質量，填補鐵路返修敞車無法自動化焊接的空白。

二、敞車側板焊接系統(tǒng)問題分析

（一）問題描述

敞車側板檢修工藝流程。敞車檢修側板焊接系統(tǒng)存在以下缺陷：（1）人工焊接消耗大量資源，工作環(huán)境惡劣影響效率和質量；（2）大型自動化設備難以應用，限制生產效率提升；（3）低利潤和高投入成本使企業(yè)負擔加重；（4）傳統(tǒng)工藝和場地限制技術改造；（5）要實現機器人自動化焊接成本太高。

（二） 九屏幕分析

通過九屏幕分析法，我們明確了系統(tǒng)邊界，并從不同層次和角度全面了解了系統(tǒng)資源。如圖1所示，我們提出了概念方案1：設計并實施一種自動化焊接裝置，專門用于側板部位的自動化生產。

（三） 因果鏈分析

通過因果鏈分析層層深入地找到根本原因，發(fā)現焊縫不均勻、對接不嚴是產生此問題的根源所在，如圖2所示。

（四）資源分析

針對當前系統(tǒng)進行全面的資源分析，發(fā)掘所有可用資源，確保它們得到更加充分且合理的利用。表1展示了現有側板焊接系統(tǒng)的資源分析——槽鋼、側板自身的形狀、轉胎機、現場電能和鐵板的導磁性等。因此，提出概念方案2：設計一款能在側板上自行行走的自動化焊接裝置。

三、 敞車側板焊接系統(tǒng)TRIZ求解

（一）技術矛盾及發(fā)明原理

針對后輪受熱卡頓的問題，如果使用陶瓷輪，改善了可靠性，卻惡化了可維修性，查阿奇舒勒矛盾矩陣表可得：運用發(fā)明原理No.1分割原理，No.11預先防范原理。根據分割原理提出概念方案3：車輪進行分割處理，多輪或履帶式設備。根據預先防范原理，并結合系統(tǒng)內大量的氬氣資源，提出概念方案4：用通有氬氣的螺旋管將后輪與熱量隔離，焊接時不斷消耗的氬氣在管內通過時將影響金屬輪變形的熱量帶走。

（二）物-場分析

在實際應用過程中，我們發(fā)現磁力線在受熱后，存在消磁問題，消磁后的磁力線使設備產生導引不足的問題，根據問題建立物-場模型，如圖3所示。

按照標準解的解決流程，確定適用的標準解為S1.1.3，引入系統(tǒng)外的一種永久或臨時添加物，通過引入仿形輪消除完善不足關系，得到概念方案5。

概念方案5：引入仿形輪，利用槽鋼的外表面走行定位，改善后的物-場模型如圖4所示。

（三）物理矛盾

引入仿形輪后，焊接精度大幅提升，但在焊接與仿形輪同側的槽鋼時，發(fā)現仿形輪受熱變形導致焊縫質量下降。既希望仿形輪與槽鋼接觸面積大，定位精準；又希望接觸面積小，避免仿形輪被焊接后槽鋼熱變形。針對這一物理矛盾，根據空間分離的方法，提出概念方案6：采用空間分離的方法，在仿形輪上開螺旋槽，即減少了導熱面積，同時利用螺旋槽在旋轉過程中，將熱氣和雜質排出。

通過上述分析與求解，最終設計出一種基于車體側翻功能的自動化行走焊接系統(tǒng)。具體方案如下：

（1）系統(tǒng)主要由三部分組成：首先是一個雙夾持機構的自動化焊接裝置，能夠實現側柱連鐵兩條焊縫的同時自動焊接。遠端夾持機構上安裝了導向輪，以提高設備運行的導向精度。其次，為了解決定位不足的問題，增加了仿形輪。最后，由于使用過程中發(fā)現設備仍需手動調整方向，因此采用了偏心輪設計來實現設備的直線行走。

（2）利用轉胎翻轉車體的功能，自動化焊接裝置可以在翻轉后的車體側板上移動。該自動化焊接裝置配備了兩套夾持機構，能夠實現一次走行同時焊接雙焊縫。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在遠端夾持機構上安裝了帶有螺旋槽的導向輪。這種設計可以在旋轉過程中帶走熱量，從而確保整個焊接系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（3）在行走過程中，焊接系統(tǒng)依靠槽鋼的外表面來實現仿形運動。加裝的仿形輪使得自動化焊接裝置能夠有效地進行仿形運動，其運動軌跡與槽鋼外表面保持一致，從而滿足焊接軌跡與焊縫一致的質量要求。

（4）在實際運行中，針對焊接裝置出現的歪斜情況，加裝了偏心輪機構，使焊接裝置在移動過程中始終產生偏心的摩擦力，確保仿形輪與槽鋼外表面緊密貼合，保障了焊接質量。

四、敞車側板自動化焊接裝置的成果與效益

應用創(chuàng)新方法研發(fā)的自動化焊接裝置滿足了設計初期的所有要求，并能夠實現雙面焊接。在驗收時，該裝置的一次性合格率達到了99%。與人工焊接相比，自動化焊接的效果顯著，完全達到了生產標準。本項目在國內貨車檢修行業(yè)中首次實現了自動化焊接技術的突破，具有重大意義。按公司每年檢修4200輛敞車的計劃估算，使用此技術后僅人工成本就可以節(jié)約126萬元，還大幅提升了檢修敞車的焊接效率，與人工焊接相比，生產效率提高了60%，大幅度減少了焊接工作的勞動強度，創(chuàng)造出的經濟價值和國防價值顯著。

五、結論

（1）本文運用九屏幕法了解當前系統(tǒng)及其子系統(tǒng)和超系統(tǒng)的過去、現狀和未來發(fā)展，構建功能模型，明確組件之間的相互作用，通過因果鏈分析找出關鍵問題并整合所有可利用的資源，從而對現有的焊接系統(tǒng)存在的問題進行詳細闡述。

（2）為實現基于敞車側板焊接系統(tǒng)創(chuàng)新設計，將關鍵問題歸納為技術矛盾和物理矛盾，利用發(fā)明原理提出技術方案，并構建物-場模型，得到系統(tǒng)最終解決方案。

（3）研究重點在于用TRIZ理論提出創(chuàng)新方案，而在仿形運動處理方面僅運用了較為傳統(tǒng)的方案，在未來需要進行深入研究。

項目的實施不僅成功解決了企業(yè)的生產難題，展示出創(chuàng)新方法的重要性，還讓企業(yè)真切地體會到創(chuàng)新是需要方法的。同時，該解決方案也為其他領域面對類似問題提供了有效的解決思路和方法。TRIZ理論的應用展示了創(chuàng)新方法在工程問題解決中的關鍵作用，并為鐵路貨運裝備的持續(xù)優(yōu)化與發(fā)展打下堅實基礎。

責編 / 馬銘陽