基于TRIZ理论：针对城铁客车低成本焊前打磨提质增效的创新研究

基于TRIZ理论：针对城铁客车低成本焊前打磨提质增效的创新研究

张万泽,高天擎,张春龙,潘越

中国中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春

摘要：  日前，在轨道客车生产过程中，作为影响车辆质量的关键工艺——焊接起到了至关重要的作用。焊接的质量将直接影响城铁车后续生产与运营中的安全性与稳定性。因此，在以往的研究与工作中，相关研究员与操作者分别从焊接参数、焊接设备、操作技艺等方面对于焊接质量进行改善与提升。本文意在阐述低成本条件下通过预先提高焊前打磨质量从而提升焊接效率与质量。

关键词：TRIZ理论；焊前打磨；焊接质量

中图分类号：                          文献标识码：A

引言

焊接是铝合金轨道客车车体生产工序中至关重要的一环。由于铝材质的特殊性，在焊接工作前需用不锈钢碗刷机将其表面氧化膜去除。在现有打磨过程中，打磨设备属于手动操控，无法保证恒定的打磨压力及前进速度，在施工过程中极易造成打磨深度不同，宽度偏差，甚至误伤操作者的情况。在影响焊接质量的同时，也使得操作者人身安全存在隐患。

一¡问题背景描述

焊前打磨基本介绍

     铝合金表面存在一层致密二见用的氧化膜，且氧化膜的导电性于材料相比交叉，焊接时将导致电弧不稳从而产生气孔，影响焊接质量。根据EN15085焊接质量体系要求，结合铝合金城铁车辆长大焊缝特性，游侠考虑使用风动角向砂轮为何杯型碗刷或纵向风洞砂轮机配合柱状钢丝刷对其进行打磨。

背景介绍

针对打磨质量不稳定、打磨效率低等问题，以往的相关研究与工作对于焊接质量有了显著提升。然而焊前打磨往往成为生产活动中最易被忽略的一环。针对铝合金材质车辆而言，焊前打磨不彻底、打磨质量不稳定往往会引起夹渣、气孔等问题。严重影响焊接质量。因此针对铝合金焊前打磨工作提出以下问题：

1. 打磨路线不固定：由于碗刷机等打磨设备在旋转时会受扭力，因此现有手动操作的打磨方式极易引起打磨路线偏差，使得打磨宽度不稳定。
2. 打磨深浅程度不同：焊前打磨过程中，需要操作者向打磨装置施加向下的压力。向前推进时，难以保证压力恒定，因此会出现打磨深度不固定，或可能存在氧化膜残留或损伤母材的情况发生。
3. 操作安全性难以保障：针对以上两种问题，操作者进行手动打磨时安全性难以保障。

二、基于 TRIZ 原理进行问题分析

    为解决以上问题，优化解决方案，决定采

用 TRIZ 原理对于搅拌摩擦焊更换搅拌头的方案进

行优化。

（一）功能分析

（二）问题分析

三、问题汇总及解决方案

根据以上功能分析图，共总结出两项在焊前打磨过程中存在的问题。

（一）工作时间过长，导致操作者疲劳

针对打磨时间过长问题，目前现有方案难以解决。因此对其进行原因分析可知，导致操作者工作时间过长的主要原因为打磨效率过低、速度过慢。由此可知其技术矛盾为：若需要环节操作者疲劳程度，需减少工作时长，需提高打磨效率，但现方案将降低打磨质量，其改善参数及恶化参数分别为生产率及运动物体作用时间，因此根据矛盾矩阵查询相关发明原理可知改变空间维数变化原理与周期性作用原理能够解决该问题。

1. 利用空间维数变化原理能够提出解决方案为：在打磨过程中，母材为水平放置，操作者立于地面上与母材形成垂直关系。通过改变空间维数，可以达到缓解疲劳的效果。具体措施为：将母材吊起垂直于地面，降低操作者弯腰程度，从而缓解疲劳。但由于吊运装置成本过高，且吊起时所占用时间严重影响整体生产效率。因此该方案并非最优方案。
2. 利用周期性作用原理能够提出解决方案为：根据调查可知铝合金氧化时间为8小时，因此打磨工作需在焊接作业开始前8小时完成。同时，车间内操作者连续工作15分钟会感到疲劳，需休息5分钟。因此可根据以上数据绘制函数如图：

图中黄色散点图代表焊接工作完成总量，蓝色平滑线代表铝合金未被氧化程度。如图所示在打磨工作量恒定时，打磨作业可以完成，周期性作用原理具备成本低、保护操作人员健康的特性，且在厂区内能够实现，可行性高。

（二）1打磨质量不稳定、打磨效率低

    根据因果分析可知导致铝合金型材焊前打磨质量不稳定、效率低的主要原因为：前推时设备抖动，导致打磨宽度不固定、打磨容易向两侧偏移，危害操作者安全与打磨过程中向下压力不恒定，导致打磨程度深浅不一。根据调查可知现有技术工作原理为：采用人工，由操作者手动操作打磨设备进行打磨作业。且当前技术系统内存在打磨效率低、打磨质量差、影响后需焊接工作的缺点；同时会对操作者人身安全造成威胁等问题。因此，需发明一种新系统，且该系统需能够满足如下要求：1、提高打磨效率与打磨质量；2、保证后续焊接作业的质量；3、提高操作安全性；4、新方案需具备成本管控与技术革新双重认证；且在生产过程中具备可行性。

    因此可对现有系统进行因果分析：根据因果分析，S2打磨装置，S1母材，F机械场，用符号表示该功能模型，如图所示。利用物-场分析法：

1.2.1现有的模型完整，有害作用和有用作用同时存在。引入S3消除有害作用。

在打磨装置运行系统中增加对固定限位部分的补充装置，增强打磨装置运行过程中，在一定压力下的稳定，对打磨过程起到限位作用。

使用专用工具，提高打磨效率提高质量、保证操作者人身安全。

四¡成果及结论

   针对该打磨装置（S3）进行风险分析：在既有的生产与市场（上游采购）条件约束下，该设计能够实现系统所需的：高效性、安全性、高质量性等需求。该装置采用焊接与螺纹方式组成，制造原理简单，在目前技术环境下绝大部分制造企业均可完成生产，同时，使用焊接工艺企业亦可独立生产。本发明能够固定打磨设备，并提供打磨所需恒定的压力力。能够保证在打磨过程中，起到一定的限制打磨方向的作用，有效避免设备在打磨过程中由于设备与母材接触时由于旋转造成摩擦力而导致打磨设备向其他方向偏移的情况。本装置结构清晰、操作简便且实用性强。