（材料加工工程专业论文）un5150钢轨交流闪光焊机研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国主要依靠引进国外钢轨闪光焊机进行焊轨生产和无缝线路铺设施 工，而具有全部自主知识产权的国产钢轨闪光焊机目前尚属空白。在消化吸 收国外现代焊轨技术装备的基础上，综合利用我国现有研究成果，本课题研 制了第一台具有完全自主知识产权的国产钢轨闪光焊机u n 5 1 5 0 钢轨 交流闪光焊机。这对于提高我国轨道装备现代化水平，实现钢轨焊接装备国 产化，节约大量外汇具有重要意义。 本课题研制的闪光焊机机头，采用央紧和对中方便，结构紧凑的悬挂式 结构；其控制系统采用工控机为上位机、p l c 为下位机的双c p u 控制形式： 系统采用电液比例伺服控制系统，实现闪光速度和项锻速度控制；通过对焊 接压力、位移、电流、电压等参数进行实时采集，软件系统可以生成焊接参 数组合图，进而可分析焊接质量。 焊机经过初步调试，结果表明：采用钳形夹紧机头利用杠杆增压的方式， 央紧力大，能满足钢轨焊接生产要求：闪光过程中动夹具的送进与后退通过 p l c 控制比例伺服阀完成，响应速度快、控制精度高、调节范围宽；u n 5 一1 5 0 钢轨交流闪光焊机抗干扰能力强，能可靠、方便地进行焊轨工作：u n 5 1 5 0 钢轨交流闪光焊机体积小、重量轻，与国外同类焊机相比，具有较高的性价 比，同时配件全部国产化，大大降低了运行费用。 关键词：闪光焊机；控制系统；钢轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 型大口径管道闪光对焊机也采用了脉动闪光焊的技术“。 1 2 钢轨闪光焊机国内外现状 1 2 1 钢轨闪光焊机的种类 按馈电到焊机钳口的电压方式，可以分为直流和交流钢轨焊机。 交流闪光焊机是将电源电压，经焊机内的焊接变压器降压后，直接将二次 电压送到焊机导电钳口上。钳口电压较低，一般是5 7 v 。焊接变压器原边从电 网的二相获取电压( a b 相或b c 、a c 相) ，焊机功率一般在1 5 0 3 0 0 k v a 。交流焊 机的焊接变压器靠近钢轨、二次回路所包围的面积小，具有很小的回路阻抗， 从而增大了焊接时的有效输出功率。属于这类的典型焊机是乌克兰巴顿焊接研 究所生产的k 3 5 5 a 、k 1 9 0 k 、k 9 0 0 和美国霍兰德( h o l l a n d ) 公司制造的k 3 5 5 h 型钢轨闪光焊机。 直流焊机从电网取三相电源。经焊接变压器降压，二次电压经过整流器整 流为直流电压，馈电到导电钳口。属于这类焊机的有英国a i 公司制造的 a p h f 6 0 、瑞典e s a b 公司制造的z f r g c 5 t 、瑞士制造的g 从s 一8 0 5 8 0 焊机。 目前，国内外的钢轨闪光焊机主要有次级整流闪光焊机和交流闪光焊机两 种，次级整流闪光焊机的焊接质量比交流闪光焊机的要高，而交流闪光焊机比次 级整流闪光焊机更节能、更有效率“+ 2 。g a a s 8 0 型焊机在焊机设计方面都有许多 发展。首先，为提高焊机刚度，减少焊机变形，采用了龙门式或框架式机体。 其次，为了保证钢轨焊接接头的几何尺寸，将夹紧与导电钳口分开，并由单向 单点夹钳发展到多向多点夹钳，夹紧以后仍可调整、自动对中等。近年来，焊 机均带有自动去毛刺机构。为保证质量，一些焊机附有参数自动记录装置或质 量监控装置等4 “3 。表卜l 、卜2 是几种典型焊机种类与性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表卜2k 系列钢轨接触焊机型号及主要参数”1 型号 主要参数固定式移动式 k 1 9 0 n k 一1k 1 0 0 0 丰k 3 5 5 a lk 9 0 0k 9 0 0 1 斗 功率( k v a ) 1 5 03 0 01 5 01 5 02 5 0 重量( k g ) 8 0 0 08 5 0 02 0 0 0 2 5 0 02 6 0 0 最大可焊截面( 2 ) 1 0 0 0 02 0 0 0 01 0 0 0 0 1 2 0 0 02 0 0 0 0 焊6 5 k g m 轨生产率( 头 l o 一1 22 0 3 01 0 1 21 0 1 51 5 2 0 时) 最大顶锻力( t ) 6 0 9 0 4 55 09 0 最大夹紧力( t ) 1 7 02 0 01 2 51 3 52 7 0 烧化速度( s ) 0 2 1 00 2 2 0 2 2 1 0 0 2 2 1 00 2 3 0 0 项锻速度( m s ) 2 0 3 0 3 0 3 0 3 0 可动机架最大行程( 棚) 6 59 07 07 07 0 注：k 1 0 0 0 和k 9 0 0 t 于1 9 9 6 年推出。 1 2 2 各类钢轨闪光焊机的特点 典型交流闪光焊机有乌克兰巴顿焊接研究所生产的k 3 5 5 a 、k 1 9 0 k 、k 9 0 0 和 美国霍兰德( h o l l a n d ) 公司制造的k 3 5 5 h 型钢轨闪光焊机，主要参数见表卜2 ， 其特点如下。3 ： 电功率小，焊接断面积大，体积小，重量轻，机械结构紧凑灵活。 在设计上采用了并联的两台十分靠近且对称给钢轨两侧的变压器供电， 从而极大地降低了焊机的总阻抗( 电回路阻抗及短路阻抗) ，约为般接触焊机 的l 5 。设计的额定功率约为直流焊轨机的1 3 。 采用程控降压法，焊轨过程是靠电气、液压随动系统和程序控制装置给 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 定的焊轨工艺自动进行，对钢轨进行无预热连续闪光焊接，使钢轨接头加热均 匀，同时，还使加热区缩小1 3 一l 2 ，提高了钢轨接头的质量。 典型直流闪光焊机有瑞士制造的g a a s 8 0 7 0 0 型和g a a s 8 0 5 8 0 型焊机，其特 点为“3 ： 采用三相3 8 0 v 5 0 h z 的交流电源，通过两个焊接变压器( 共5 4 0 k v a ) 及 六只大功率二极管，在次级进行整流，得到1 秒内的过载量可达到1 2 0 0 0 0 a 的 电流，供焊接钢轨用。在焊接电流回路中几乎没有无功功率，使焊机无需附加 无功功率补偿设备。由于采用直流方式供电，在焊接过程中，焊接断面上电流 均匀分布，可使钢轨焊接过程闪光平稳，没有电流过零，焊口不易氧化，并保 证热影响区平行，晶粒细小均匀，可获得优良的焊轨质量。 焊机为框架结构，保证了钢轨的焊接精度。 焊机还附有焊轨过程压力( f ) 、电流( i ) 、位移( s ) 的曲线记录仪和 质量监测仪，监控每个焊头的焊接过程，可制止不良焊接接头的重复出现。 1 3 课题意义 2 1 世纪的交通工程建设发展方向是客运高速化、货运重载化“1 。高速铁路、 地铁、轻轨等现代交通高速轨道结构都具有综合弹性好、平顺、轨条与道岔均 为无缝结构的特点“，这种无缝线路最适合于客运高速化、货运重载化的要求。 与普通有缝线路相比较，焊接长钢轨的无缝线路还有降低列车运行阻力，延长 钢轨使用期限，节省养路维修费用和联接钢轨用的零部件等一系列优点，具有 普通线路所无法比拟的优越性。“。 上世纪初，无缝线路开始在欧洲铺设，最早采用的是铝热焊方法。随着科 学技术的发展，相继出现了气压焊、接触焊等钢轨焊接方法。以上三种方法， 根据各种不同的原理，又派生出许多钢轨焊接方法。在技术上及经济上由于闪 光焊方法较其他的焊轨方法目前均占据优势的缘故，当今世界上均以闪光焊为 主要方法，该方法焊接在1 9 9 8 2 0 0 0 年的钢轨焊接接头中占总接头的8 7 ”1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 目前，发达国家轨道连接技术与成套装备的机械化、自动化和智能化水平 较高，我国现有的接触焊接机几乎从国外引进，如k 1 9 0 型钢轨闪光对焊机、 g a a s 8 0 型焊轨机、k 9 0 0 型钢轨闪光对焊机、k 1 0 0 0 型钢轨闪光对焊机、k 一3 5 5 型焊机等，具有完全自主知识产权的国产钢轨闪光焊机目前尚属空白。 随着铁路建设的快速发展，无缝线路的铺设越来越多。结合国外的先进技 术自行研制国产的闪光对焊机，以逐步形成我国的设备，不仅能满足无缝钢轨 焊接生产的需要，而且还节省了投入购买国外焊机的大量资金。 近年来，随着计算机控制技术和传感测试技术的发展，闪光焊过程控制、 参数检测与质量判断技术不断完善口4 ，2 5 j 。我国焊接工作者也对引进钢轨焊机进 行了技术消化，并根据我国国情，对焊机控制系统开展了大量研究工作，取得 了可喜成果“1 ，已在济南焊轨厂、成都铁路局直属焊轨厂、铁一局的焊轨工 程中成功推广应用。因此，在消化吸收国外现代焊轨技术装备基础上，综合利 用我国现有研究成果，研制具有完全自主知识产权的国产钢轨闪光焊机。对于 提高我国钢轨焊接技术基础研究水平和轨道装备现代化水平，实现钢轨焊接装 备国产化，节约大量外汇具有重要意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章焊机总体设计 21 方案选择 钢轨焊接是高速无缝线路建设中的重要组成部分，由厂内焊接和现场焊接 两部分构成。在国内，厂内焊接全部采用闪光焊，现场焊接则主要采用小型气 压焊。在十一五期间，我国将大力发展高速铁路和客运专线，这对钢轨焊接接 头的外形尺寸提出了更高的要求。现阶段，铁道部对钢轨现场焊接的指导方针 是采用接触焊的方法。由于十一五期间我国铁路建设工程量巨大，造成现场接 触焊机缺口非常大，目前国内所拥有的焊机远远不能满足要求，因此开发能满 足现场使用要求的钢轨接触焊机具有积极的意义。 考虑到现场应用的特点，要求焊机必须具有重量轻、移动方便、性价比高、 焊接效率高和质量可靠的特点，为此本设计的方案选择了研制悬挂式交流闪光 焊机的方案。 2 2 焊机设计的总体思路 焊机总体设计框图如图2 一l 所示，焊机由焊机机械部分、电气控制柜，液 压系统和冷却水系统等四大部分组成。其中焊机机械部分又由动架和静架组成， 动架上有位移传感器和焊接变压器，静架上 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 按钮。 图2 1u n 5 1 5 0 钢轨闪光焊机总体设计框图 根据钢轨闪光对焊的工况条件，本设计采用上位机为工控机，下位机为p l c 的双c p u 电气控制系统，主回路采用双组晶闸管分别控制高压阶段和低压阶段 的焊接电压的方案。 为满足钢轨焊接质量的要求，u n 5 一1 5 0 焊机必须达到以下主要技术要求： 一、焊接机头上工件对中性好，误差0 3 姗；最大夹紧力1 7 5 0 k n ；顶锻 力7 0 0 k n ；利用顶锻缸进行推瘤操作；静动夹具之间电绝缘。 二、建立工控机测控系统，具有良好操作界面和显示界面。可实时检测、 显示、存储、统计焊接参数；自动判断焊接质量；并建立p l c 串行通信，工艺 参数修改容易，实现柔性控制，能实现不同焊接材料和焊接工艺。 三、为保证焊接质量，对电压和电流的进行闭环控制。 四、整个硬件系统根据工况，采用集成度高和抗干扰性强的电子部件，使 硬件系统功能强，集成度高，有强的抗干扰措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 第3 章焊机机械设计与液压系统设计 3 1 焊机机头设计 3 1 1 焊机机头的特点与设计 闪光对焊机可分为悬挂式闪光对焊机和固定式闪光对焊机。悬挂式焊机主 要用于现场焊接；固定式焊机主要用于工厂焊接。 悬挂式焊机机头主要包括机架、静动夹具、推瘤机构、顶锻机构。大功率 闪光对焊机一般是采用液压传动机构，通过液压伺服系统控制闪光和顶锻时动 夹具的运动。本设计要实现6 5 0 i ( n 的顶锻力，所以选择比例伺服阀液压传动机 构作为顶锻( 送进) 驱动机构。 考虑到在焊接阶段，需要夹具对准中心线、阻止工件打滑、支承工件，钢 轨焊接要求工况最大夹紧力达1 7 5 0 i ( n ，所以选择钳形夹紧机构。 本设计的悬挂式焊机机头在参考国内外成熟焊机的基础上设计的。 焊机采用液压缸形式的蟹型夹具夹持钢轨轨腰，左右两副夹钳同步夹紧钢 轨，夹紧钳口也是导电钳口。左右两副钳口同时绕中心轴转动，如图3 1 所示。 连杠的夹角9 9 一1 1 。时能够得到足够的夹紧力。烧化过程的送进是沿轴向移动， 由每个左钳口上的油缸活塞来推动的。钢轨对中是以钳口的外形和轨顶部对中 块调整的，焊接不同轨型的钢轨时，需要更换与之匹配的钳口和对中块。 本焊机机头是在参考国内外焊机先进经验的基础上设计的，其有如下特点： 焊机具有液压杠杆形式的箱式蟹形夹紧装置，对开的两副夹紧装置可以 绕中心轴同步转动，通过相互联接的油缸，两付央紧机构可以相互合拢和张开 ( 参见图3 1 ) 。焊机结构紧凑，钢轨允许最大伸出长度总和不大于1 7 0 咖。 焊机一侧的蟹形箱体内安装两台焊接变压器，对称分布在焊接钢轨轨头 斜上方。两个顶锻油缸对称分布在轨腰两侧，油缸的顶锻杆也是非传导电流的 导体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 夹紧钳口分别夹持焊接钢轨的轨腰，夹紧钳口也是向钢轨馈电的电极。 当油压压力1 5 m p a 时，对钢轨轨腰的夹紧力1 7 5 0 k n ，顶锻油缸的顶锻力 6 5 0 k n 。两副蟹形箱式夹紧装置相互靠近、分离的最大行程是7 0 m m 。 焊机能够实现自动对中。钢轨的对中是通过两付导电钳口及四块轨顶对 中压块在央紧过程中完成的。当钢轨轨头宽度允许偏差在o 5 以内、轨头顶部 断面允许偏差在+ o 6 哪和一o 3 哪之内、轨端向下小于o 2 i i l 2 m 时，能够保证 焊后接头1 m 范围内o 3 嗍的平直度要求。当钢轨外形尺寸偏差超过允许值，造 成钢轨焊接端面错位时，就不能实现以工作面为基准的水平和垂直对中，也就 不能保证焊后接头o 3 姗以内的平直度要求。 由图3 一l 我们可以看出。悬挂焊接机头的左右两部分夹紧机构都采用钳式 夹持方式，且由顶锻液压传动装置及中心轴将其联结在一起。左夹紧机构为固 定头，右夹紧机构为可移动头。在右夹紧机构内部安装有两台焊接变压器，并 用螺栓将它们沿中心轴对称固定在右夹紧机构的颚板上。两台变压器采用并联 连接。两台变压器的一同极性端分别连接到右夹紧机构的夹紧头上，另一同极 性端通过两顶锻缸推动杆与左夹紧机构夹头连接。顶锻缸推杆穿过颚板上的孔， 推杆本身也是导电线路的一部分。为了减少因金属涡流的能量损失，颚板壁采 用奥氏体不锈钢制造。 一、对中机构设计 在焊接开始之前，必须使待焊工件保持良好的对中性。本焊机的夹持机构 采用夹钳式。左右夹紧机构通过中心轴连接并可绕此中心轴转动。在设计时， 保证了中心轴的刚度，这确保了在夹紧和送进过程中，不会发生扭弯的现象。 悬挂焊接机头的左右两夹紧机构相互绝缘，因而在夹紧钳口置入颚板槽口 处即无需加绝缘垫板。在夹紧大压力的情况下，整个焊机变形很小，这有助于 增加待焊工件的对中精度以及焊接机头的整体刚性，以确保焊接接头外观尺寸 满足t b 厂r 1 6 3 2 0 5 要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 a 焊机正视图 器 静立柱 央紧液压缸 动立柱 项锻演压缸 c 焊眷 俯视幽 图3 1 焊机整体结构示意图 二、夹紧机构设计 本焊机的最大夹紧力设计为1 7 5 0 k n ，所以我们在左右夹紧机构上均采用 钳形夹紧机构原理，通过杠杆增压的方式，利用较小的液压缸获得较大的夹紧 力，这一方式的应用，大大减小了机头的外形尺寸，满足大顶锻力的需要。夹 紧缸缸体和活塞杆分别铰链在钳形夹紧机构的加力端，中心轴就是钳形夹紧机 构的铰接转轴。增加加力端与钳口端的臂长比就可放大液压缸对钳口处的夹紧 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 力。 三、送进机构设计 在左夹紧机构的两块颚板上分别安装有一个顶锻缸，其活塞杆的法兰固定 于右夹紧机构的右侧壁的座孔中，在顶锻缸的作用下，右夹紧机构可沿活塞杆 相对于左夹紧机构移动。所以，只需控制顶锻缸的液压油流量，就可以控制焊 接时的送进速度。 四、推凸机构设计 悬挂焊接机头内配备有推凸机构，该机构在焊接保压完成后立即从周边推 掉焊瘤。推凸机构采用钳形结构，当推动液压缸伞形连杆机构时，钳形口可张 开或合拢。推凸刀按工件的截面形状分成左右两个部分，安装在推凸机构的钳 口上，可以更换和调整。推凸机构安装在左夹紧机构的颚板上，可随顶锻缸运 动。机构不采用独立的推瘤缸，而是连接在项锻缸上，当保压顶锻完后，动架 夹具稍稍松开( 相应液压阀处于y 型接法的中问位) ，静架保持夹紧，顶锻缸动 作，分开左、右机构；然后动架夹具夹紧，静架夹具稍稍松开( 相应液压阀处 于y 型接法的中间位) ，之后顶锻缸送进完成推瘤。这样可以可靠保证焊口热挤 压变形的交互结晶，在高温下去除焊瘤，达到焊头质量好、焊接效率高、推瘤 刀寿命长的效果。 3 。1 2 焊机机头的技术参数： ( 一) 供电电压a c 3 8 0 v ( 柴油机发电机组供电电压a c 4 0 0 v ) ； ( 二) 电源频率5 0 h z ； ( 三) 额定次级电流2 3 6 8 4 a ； ( 四) 额定初级电流3 9 4 a ； ( 五) 最大短路电流6 4 8 0 0 a ； ( 六) 暂载率5 0 时额定容量1 5 0 k v a ； ( 七) 最大焊接截面积8 0 0 0 i 姗z ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 八) 最大夹紧钢轨力1 7 5 0 k n ； ( 九) 顶锻力6 5 0 k n ( 油压为1 5 m p a 时) ：4 5 0 k n ( 油压为1 0 m p a 时) ； ( 十) 最大顶锻量7 0 姗； ( 十一)顶锻初速度不小于2 5 砌s ； ( 十二)烧化速度o 一1 0 唧s ； ( 十三)焊机动架的最大行程7 0 帅。 ( 十四)推瘤行程7 0 姗 ( 十五)焊机机头外型尺寸：长1 6 2 0 5 0 哪 宽1 3 0 0 2 0 唧 高1 1 9 0 3 0 i 啪 焊机有4 个油缸，分为两组，分别从事顶锻、夹紧工作，每组一对。均为 缸内径中1 9 0 咖，活塞杆中7 6 衄。 3 1 3 焊机机头与控制系统的接口 如图3 2 所示，焊机上有一个位移传感器，它负责向控制柜提供动架的移 动量，控制系统以此来分析焊接位移参数，由此计算焊接的烧化量，并且为焊 接顶锻保压阶段的参数调整提供依据。焊接保压阶段的参数依据也可以是顶锻 缸的两侧压力，但是此方案在实际应用中比以位移为参数依据要复杂的多。目 前，本焊机采用位移传感器位移量作为顶锻控制参量，结果表明，该方案在实 际应用中能完全保证钢轨焊接接头的焊接质量。 如图3 2 所示，焊机机头上有一个手工操作面板。手工操作面板是为了方 便焊接工人进行焊接工作，在控制柜启动后，软件程序将进入焊接界面，焊接 工艺参数对不同的钢轨有所不同。手工操作面板的操作键连接至控制系统中p l c 的输入端，“焊接”和“故障”指示灯连接至p l c 输出端，在操作面板设置有一 个主回路的“急停”按钮。手工操作面板实物如图3 3 所示。 焊机机头的实物如图3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 通液压阀和一个三位四通液压比例阀。两个由日本油研生产的三位四通液压阀 ( 型号为d s g 一0 3 3 c 4 一d 2 4 ) 中位采用y 型接法，分别对两个夹紧液压缸进行换 向控制，进而实现焊机对钢轨的夹紧和松开功能：另外两个为日本油研生产的 型号为d s g 0 3 3 c 2 一d 2 4 的三位四通液压阀与b o s c h 系列型号为n g 6 ( 4 0 4 3 7 ) 的 三位四通比例阀，它们的中位都采h 型接法，同时对两个并联的顶锻液压缸进 行换向控制，进而实现焊机焊接时对钢轨的送进和退后操作，比例阀进行精确 控制，液压换向阀则是进行顶锻与推瘤控制。集油块上面还有两个液体压力传 感器，分别接至顶锻缸的有杆腔和无杆腔，用于检测顶锻缸的油压，以便控制 系统在焊接时对液压阀进行调节和工控机进行焊接质量评定。 图3 4 集油块实物图 3 2 液压系统设计 3 2 1 液压系统的设计思路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 液压泵站的设计是在参考国内外先进经验的基础上进行设计。如图3 4 所 示的集油块是在选择进口液压阀的基础上设计。液压系统设计必须使顶锻缸满 足下列技术参数：油压为1 5 m p a 时顶锻力6 5 0 k n ，油压为l o m p a 时顶锻力 4 5 0 k n 。 在液压控制系统中，电液控制的关键是送进速度的控制，送进速度的快慢 直接影响电流的大小、焊接闪光烧化速度以及烧化稳定性。 图3 5 双闭环电液控制原理图 本系统采用比例伺服阀实现电流和速度双闭环电液控制。其控制原理图如 图3 5 所示，系统由p l c 系统、比例伺服阀放大板、比例伺服阀、顶锻缸和焊 接主回路组成。双闭环控制分内闭环和外闭环。内闭环控制由比例伺服阀放大 板与比例伺服阀构成，当p l c 给定速度固定时，内闭环自动调节流量达到稳定 值( 相应的焊接送进与后退速度固定) 。外闭环控制通过采集焊接电流，输入p l c 进行程序运算，给出比例伺服阀控制信号，控制动夹具的送进速度，以使得送 进与后退速度与焊接电流匹配。 3 2 2 液压系统原理设计 由图3 一l 可知，本焊机采用了钳形夹紧机构，夹紧油缸的缸体和活塞杆分 别位于钳形臂的加力端，根据工况要求，左右夹紧共有两个夹紧缸，所以我们 采用两个y 形电磁阀，实现左右夹紧、松开和张开操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 压作用；1 2 是滤油器，其作用是更好的保护液压比例阀；1 3 为y 型接法的三位 图3 6 液压系统原理图 四通电磁换向阀，用于焊机的左夹紧、右夹紧、左松开、右松开的动作控制。 1 4 为h 型接法的三位四通电磁换向阀，用于焊机顶锻及推瘤控制。1 5 为h 型接 法三位四通比例电磁伺服阀，p l c 输出模拟信号通过放大板对其进行控制，使 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 输出的流量连续成比例地得到控制，实现闪光对焊机的进退控制，对电磁伺服 阀的控制是实现连续闪光、匀速烧化、加速烧化的关键。 泵站液压油箱中的油温由温度传感器监测，当油温达到温度传感器报警温 度时，温度传感器输出信号至p l c 输入端，p l c 检测到该信号后输出控制信号使 一个l 马力循环泵启动、液压油通过冷却装置、回流滤油器开始循环冷却，见 图3 6 和图3 7 。循环液压油通过自带散热片的冷却装置，风扇转动使冷空气通 过散热片，带走液压油的热量。油箱内的液压油通过循环，使油箱内油温降低。 液匿泵站的实物图如图3 7 所示。大电机为压力油驱动电机，小电机为油 循环冷却电机，与大电机相连的白色部分为液压泵：正前上方是液压油风冷装 置，其下面是保护大电机系统的单向阀回油控制装置；左边是压力表和自动控 制滤油器装置：图后方是液压油箱。 图3 7 液压泵站的实物图 3 2 3 工作油缸设计 液压油缸是液压系统的液压执行元件，它是将液压能转变为机械能使机头 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 进行直线运动的能量转换装置。本文全部采用双作用单活塞杆液压缸结构，如 图3 8 所示。 图3 8 液压油缸示意图 一、夹紧油缸设计 在顶锻时，电极钳口与钢轨间的摩擦力大于顶锻力时，才不会出现打滑。 电极钳口由铬锆铜制造，铜与钢轨的摩擦系数约为2 5 。因此，保证夹紧力为顶 锻力的2 5 倍时，才能保证系统可靠工作。根据经验，要得到合格的焊接接头， 顶锻力要求大于4 0 0 i ( n ，通常情况下最大顶锻力小于6 0 0 k n ，因此本系统在设计 时要求钳口最大夹紧力1 7 5 0 i ( n 。夹紧油缸对往返运动速度没有严格的要求。 液压系统的工作压力最大为1 5 m p a ，不考虑回油通油箱产生的压降。 焊机在顶锻时，为了保证焊接质量，要求比较大的合缝速度( 即要求比较 大的顶锻初速度) ，为了保证顶锻初速度，顶锻缸在顶锻时采用有杆腔进油的方 式。为了保证系统稳定工作，确保焊接过程中夹紧力始终大于顶锻力2 5 倍， 在设计时夹紧缸也采用有杆腔进油的方式，这样夹紧力和顶锻力随系统压力的 增加与减少而同步增减。 焊机夹紧示意图见图3 9 。为了整个机械系统结构紧凑，夹紧力达到工况要 求，机构夹紧时，钳形夹紧机构与加力端的距离为1 0 2 8 哪。转动中心轴与夹紧 油缸推力方向垂直距离为6 8 2 咖，与钳口夹紧力垂直距离为3 4 6 珊。为了确保焊 接过程中夹紧力大于顶锻力2 5 倍，在正常工作时铰链水平夹角为g 一1 l 度， 在夹角为9 度时，夹紧力最大，在夹角为1 1 度时，夹紧力最小。在铰链水平夹 角为1 l 度时，由杠杆原理，计算夹紧油缸工作负荷r * ；如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 嗡= 2 1 7 5 0 爰t g 叭9 1 9 = 1 7 0 9 7 k n( 3 _ 1 ) 图3 9 焊机夹紧示意图 焊机张开时，由于6 0 轨的轨头宽为7 3 0 哪，考虑悬挂机头落下时钢轨左右 各留量1 9 胁，所以张开的钳口最大距离x 为1 1 1 衄，此时钳形夹紧机构加力端 的距离变为2 1 8 8 姗。计算夹紧油缸的行程l 如下： ( 3 2 s 罴1 1 1 ) 2 + 0 2 5 f g o l 5 7 + l ) 2 = ：盎) 2 ( 3 _ z ) l = 1 8 8 1m 夹紧时采用有杆腔进油，选择活塞杆直径d 韫与顶锻油缸直径d 日* 的比为 口= 0 4 ，根据以下公式进行夹紧缸内径d 夹设计。 r 女= f 女g 叩= 等1 0 3 ( d2 女一d 2 女) p 叩= 1 7 0 9 7 ( 3 3 ) d 2 央蟹一d 2 央蟹= 4 r 央紧1 0 3 ( pn ) ( 3 4 ) 式中f 。；一夹紧油缸活塞的最大推力。 ，7 一机械效率。取7 7 = 0 9 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 p 一工作油压，最大工作油压为1 5 m p a 。 计算得：d 2 夹紧一d 2 采紧= 1 6 1 3 3 胁2 妒= 0 4 得d $ = 1 3 8 5 9m 考虑在铰链水平夹角出现偏差时也能可靠夹紧，最后决定的d * * 值由参考 文献。”查得整圆值：d 女g = 1 9 0 衄。取夹紧油缸的行程l $ r = 1 9 0 i l i l 。设计时，液压 缸内径中1 9 0 硼，活塞杆0 7 6 册，行程为1 9 0 砌。 二、顶锻油缸设计 要得到一个合格的焊接接头，对顶锻力有要求，而且对顶锻速度也有高的 要求。设计时，根据最大顶锻力6 0 0 k n ，设计顶锻油缸的直径与活塞直径，再根 据所需的顶锻速度选定泵的流量。 为了使得活塞杆有较大推力，同时考虑机头刚度的要求，选择活塞杆直径d 。与顶锻油缸直径d 镕的比为p = 0 4 。由公式3 5 计算d 锻。 r 顶银2 = f 顶锻叩= 詈1 0 寸( d2 顶锻一d 2 嘎锻) p 玎 ( 3 5 ) 可计算得：。= 乐 最后决定的d 镫值由参考文献“”查得整圆值dm * = 1 9 0 衄。 顶锻缸的行程由烧化量、顶锻留量、调整留量组成，按以下式子计算： l 顶韫= l 烧化+ l 顶嘏留景+ l 调整留量= 5 0 + 1 0 + 1 0 = 7 0m m 最后取顶锻油缸的行程l 镕= 7 0m 。 设计时，液压缸内径巾1 9 0 m ，活塞杆直径0 7 6 眦，行程为7 0 m m 。 当油压为1 5 m p a 时，由公式( 3 5 ) 得： r 砸镕= 要1 0 1 ( d 2 m 镕一扩m 镕) p 叩= 6 7 8 7 7k n ( 6 5 0 k n ) 上 当油压为1 0 m p a 时，由公式( 3 5 ) 得： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 r w n = 罢1 0 一3 ( d2 镕一d 2 顶镕) p 叩= 4 5 2 5 1 _ k n ( 4 5 0 k n ) 由此可知，顶锻油缸的设计满足技术要求。 3 2 4 液压泵站设计 ( 1 ) 液压泵的选择 系统额定油压为p 。，= 1 l m p a 。考虑液压执行元件进出回路上存在压力损失 pt 。所以液压泵的输出压力p p 应按公式3 6 计算： p p p 。，+ a p ， ( 3 6 ) pi 可以按照有关资料口明选择o 8 m p a 。所以泵的输出压力p p 应大于 1 1 8 m p a ，泵的选择还要考虑到一定的压力储备，本文所选油泵的额定压力高出 计算所得工作压力的1 0 ，所以油泵额定工作压力为1 1 8 1 1 0 。1 3m p a 。选 用最大工作压力为3 0 m p a 的液压泵。考虑系统安全，通过安全阀将系统最大工 作压力设置为1 5 m p a 。 当焊机进行顶锻操作时，流量最大，口。可通过公式3 7 计算： 叮。，v 镕am 镕1 0 1 6 0 2 ( 3 7 ) 式中v 镕一顶锻速度，v 镕 3 0i i l i n s 。 am 锻_ 一顶锻油缸的活塞面积( 帆2 ) 。 计算得：g 。，v 镕a 日镕l o 。6 6 0 2 = 8 5 7 ( l m i n ) 考虑在项锻阶段，顶锻速度越快越好，因此选择液压泵额定流量q ；为 9 0 l m i n 的油泵。 ( 2 ) 电机功率确定 采用公式3 8 进行电机额定功率计算： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 单相电网电压经过升压自耦变压器升压后，通过晶闸管调压稳压电路向焊机 提供所需的电压。焊接控制系统采用以p l c 为控制核心的控制装置，保证焊机 的所有部件按定顺序工作，并自动控制焊接过程的进行。p l c 根据焊接顺序， 输出信号控制晶闸管触发电路，以改变晶闸管的导通角，实现对焊接电压的调 节。工控机系统通过参数采集板将采集的参数进行存储、显示、打印、分析及 计算。 图4 一l 控制系统结构框图 在连续闪光过程中通过如图4 2 所示的焊接电流负反馈调节动夹具的送进 速度。当闪光过程中焊接电流偏离规范时，在设定时间内进行速度修正，从而 实现焊接回路中焊接电流和送进速度之间的动态平衡。 在焊接初期，温度较低，接触电阻较大，不容易激发闪光，烧化电流比较 小，烧化速率也比较小。随着闪光的进行，接触电阻减少，温度升高，闪光激 烈，烧化电流增大，钢轨烧化速率也随着增大，两者成抛物线关系。根据烧化 电流与烧化速度的对应关系，为了防止缺陷产生，需要钢轨的送进速度与烧化 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 电部分，布置弱电元件。控制柜的左门上布置电压表和电流表以及一个空开手 柄和启动、停止按钮；右门上布置工控机、液晶显示器、键盘和光电鼠标，它 们的布局见图4 3 。 图4 3 电气控制系统控制柜实物图 4 2 电气控制系统的硬件设计 4 2 1 控制系统主电路设计 一、控制系统主电路概述 整个控制系统的主电力电路如图4 4 所示，两组晶闸管分别并联一个压敏 电阻，以防止电压过高时被击穿。本设计的反馈电流在晶闸管与焊接变压器之 阃提取，反馈电压在晶闸管与升压变压器之间提取，晶闸管同步信号在升压变 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 升高时，使自耦变压器的输入线圈匝数适当增加，由于输出线圈匝数固定不变， 自耦变压器的变比升高，输出电压降低，降低的电压值可近似抵消网压升高所 致的电压升高值。 自耦变压器的冷却方式采用强制风冷方式。 自耦变压器实物如图4 6 所示。 图4 6 自耦变压器实物图 4 2 2 p l c 控制系统的硬件设计 适合机械加工一般现场使用的计算机有微型计算机系统、单板机、单片机、 工业控制机以及多级控制微型计算机等。另外一种是很有使用价值，并和一般 微型计算机有所区别的可编程逻辑控制器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 图4 7 比例伺服阀放大板接口框图 根据比例伺服阀放大板的原理框图及特性，我们选择n g 6 的比例伺服阀时， 供电电源为d c 2 4 v ，需要最大电流为2 5 a ，最大功率为6 0 w 。所以选择 1 0 0 v a d c 2 4 v 的开关电源模块。另外，由于u 。纹波小大于1 0 ，不使用 4 7 0 0 ，6 3 v d c 的滤波电容。通过p l c 输出触点y 控制z 1 6 ，实现比例伺服阀的 运行或关闭。当z 1 6 为高电平时，比例伺服阀开始运行，反之，关闭。电量的 给定由p l c 的d a 输出，采用直接差分放大的方式输入z 2 0 与b 2 0 ，控制比例伺 服阀的流量及方向，可以有效抑制共模信号的干扰。同时把z 2 2 与b 1 4 接到p l c 的输入点上，可以检测放大板的运行情况，当检测到的信号为高电平时，运行 正常：当检测到的信号为低电平时，表示放大板有错误发生，再通过观察l e d 显 示情况，判断问题出现的原因：绿色表示放大板已经运行，黄色表示反馈信号 已经断开，红色表示电压不足( u 。太低) 。放大板接口电路框图如图4 7 所示。 4 2 4 系统的抗干扰设计 电气设备在使用过程中会产生电磁干扰。电磁干扰的影响很大，轻则使设备 的性能得不到很好的体现，重则使设备根本无法工作。电磁干扰有两种传媒途 径，一种是由于工作电流的动态变化使得局部电网上电压不稳，从而影响使用 本地电网的设备工作，这种干扰称为传导干扰。另外就是设备中工作电流( 电 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 压) 的动态变化产生电磁辐射同样影响其它设备的工作，这种干扰称为辐射 干扰。抑制电磁干扰的两种有效途径是采用电源滤波器和加屏蔽装置，屏蔽装 置主要是针对辐射干扰，既防止本身电磁波的外泄而造成新的干扰源，又避免 受到外来辐射的干扰。 在电气控制柜和焊机上的位移传感器、液压阀和部分手动控制面板间的连接 线路都采用屏蔽线，以排除可能的干扰。 4 3 电气控制系统软件设计 4 3 1 软件设计概述 控制系统软件设计由两部分构成，即p l c 闪光焊程序控制系统的设计和计 算机闪光焊监控系统的设计。 影响钢轨闪光对焊接头质量的参数很多，除了设置的工艺参数以外，还有 一些其他不确定的因素也在影响接头的质量，如焊机的工作状况、零部件磨损 老化、控制部件的功能出现异常等。实际生产中不可能也没有必要对所有的影 响参数都进行监控，通常是监控其中一个或某几个参数。因此对于一套完善的 钢轨闪光焊系统而言，需要设计一套功能完善、人机交互友好、运行可靠稳定 的焊接参数监控系统。此外，通过对焊接过程的一些重要参数( 如：焊接电压、 焊接电流、动夹具位移等) 进行实时、准确的记录可以对焊接工艺的调试做出指 导。 u n 5 一1 5 0 焊机采用主从双c p u 进行控制，其中下位机采用的是三菱公司的 f x 系列p l c 进行焊接的逻辑控制和能量控制；上位机采用的研华公司的工业控 制计算机和工业级数据采集卡对焊接过程参数进行实时采集、显示、分析和存 储。其中监控程序采用微软公司的v i s u a lb a s i c6 o 在w i n d o w sx p 平台下进 行开发。系统组成如图4 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 图4 8 监控系统构成框图 4 3 2 软件设计技术要求 监控系统软件采用v i s u a lb a s i c6 0 进行编写，通过驱动研华数据卡 p c i l 7 1 0 l 对焊接参数：焊接电压、电流有效值、位移量和油压量进行实时采集； 通过与p l c 之间通过串行通讯的方式读取焊接过程中的阶段信号；焊接结束后 根据闪光速度、顶锻量、烧化量、项锻力和平均电流等条件来判断接头的好坏， 并显示闪光速度、顶锻量、烧化量、顶锻力和平均电流等焊接数据：可以通过 同报表、月报表、接头数据等来查阅以前的焊接记录；具有强大的焊接工艺参 数管理功能。 4 3 3 软件设计简介 根据软件功能的要求，本课题将数据采集与管理系统设计成四个模块，即： 系统管理模块、工艺参数的设置模块、在线数据检测模块、数据库的管理模块。 监控系统的软件总结构框图如图4 9 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 闪光焊计算机监控系统 系统管理lj 工艺参数设置 在线检测 汕雏 数据管理 阐 图4 9 系统的软件总结构框图 系统管理模块分为2 个功能模块：钢轨型号管理和用户管理。随着冶炼技 图4 1 0 系统管理模块界面 术的发展以及铁路发展的实际需要，新的钢轨型号会不断的产生，与之对应的 是新的钢轨焊接生产工艺，因此要求钢轨闪光焊计算机监控系统在钢轨类型的 管理方面具有一定的扩展性，以满足实际焊接生产发展的需要。图4 一1 0 为系统 管理模块界面。 在焊接生产中，焊接参数是存储在p l c 中的寄存器中，但是p l c 的寄存器 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 空间是有限的，而在实际生产过程中，需要对工艺参数进行多次调试。这就要 求需要上位机具有工艺参数的存储、修改功能。工艺参数设置界面如图4 1 1 所示。 图4 1 l 参数设置界面 焊接参数的在线检测模块分为4 个部分：数据采集、数据显示、数据计算 和数据存储“。每次焊接完成后的数据都会以接头编号的数据库形式进行保存。 数据库存放在以年、月、日命名的文件夹内。 数据库管理模块包括日报表查询与打印、月报表查询与打印、图形查询与 打印以及焊接工作量的统计。设计的报表分为两种形式，一是日报表，显示这 一天所焊接的每个接头的最基本的信息；二是月报表，显示这个月内每天所 焊接头的数目、质量合格与不合格的数量以及该月生产质量