（材料加工工程专业论文）钢轨气压焊电液伺服系统及控制技术.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国高速重载铁路建设步伐的加快，对钢轨焊接质量的要求越来越 高。钢轨小型数控气压焊轨机由于焊接一次投入成本低，重量较轻，体积小， 作业灵活而被广泛采用。但是，这种设备在调压换向系统方面尚需改进提高， 存在着调节控制精度、控制柔性、可靠性等的问题，迫切需要进一步改变系 统控制方式、实现柔性控制，提高焊接质量。因此，开展钢轨气压焊电液伺 服系统及控制技术研究，具有重要意义和工程价值。 本文在y j - 7 2 0 t b - z s 的基础上，运用先进的电液伺服控制技术，采用三 菱p l c 及a d 、d a 等，设计研究了一种新型的气压焊电液伺服控制系统及 控制技术。通过控制电液比例阀，替代原焊机的锥阀式调压换向控制装置， 提高焊接压力、位移、速度关键参数的调节精度、控制柔性，以及系统工作 的可靠性；分析对比了国产阀、进口阀等不同档次的液压阀在新系统中的控 制特性，并在新型控制系统的基础上，探讨了不摆火加热或微缝直接加热的 高效加热焊轨工艺的可行性。 试验结果表明：采用比例溢流阀调压，响应速度快，控制精度高；采用 电液比例控制方式能够精确的控制焊接位移：通过电液比例控制方式可以方 便的实现多种焊接工艺：电液比例控制系统应用于钢轨气压焊，较之电机调 节系统有可靠性高、控制柔性好等优点：经过现场焊轨试用，焊接质量好， 达到了t b t 1 6 3 2 2 0 0 5 钢轨焊接标准要求，该项技术具有良好的实用价值 和推广意义。 关键词：钢轨；气压焊；电液比例控制；p l c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no ft h ep a c eo fc h i n a sh i i g hs p e e dr a i l w a yc o n s t r u c t i o n ，t h eq u a l i t y o fr a i lw e l d i n gi sd e s i r e dt ob em o l ea n dm o l eh i g h t h em i n i t y p ec n c g a sp r e s s u r ew e l d i n g a r ew i d e l yu s e d ，f o ri t sl o wc o s t s ，g o o dp e r f o r m a n c eo fj o i n t s ，l i g h tw e i g h tc o m p o n e n t s ，s m a l l s i z ea n df l e x i b l eo p e r a t i o n h o w e v e r , t h ep r e s s u r er e g u l a t o ra n dr e v e r s i n gm e c h a n i s mi no l d e q u i p m e n th a v et h ep r o b l e m si nl o wc o n t r o lp r e c i s i o n ，b a df l e x i b l ea n dp o o rr e l i a b i l i t y s o s t u d yo nt h en e wc o n t r o ls y s t e mh a st h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n gp r a c t i c a l v a l u e i nt h i sp a p e r , d e p e n d e do nt h ea d v a n c e de l e c t r o - h y d r a u l i c $ e i n oc o n t r o lt e c h n o l o g ya n d m i t s u b i s h ip l c ，a d ，d ae t c ，b a s e do ny j - 7 2 0 t b z s ，w ed e s i g n e dan e wt y p eo fg a s p r e s s u r ew e l d i n ge l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e m sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g y w eu s e dt h e e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v et or e p l a c et h eo r i g i n a lm a c h i n ec o n t r o l l e db yt h ec o n e v a l v e t h ep u r p o s ei st oi m p r o v et h ew e l d i n gp r e s s u r e ，d i s p l a c e m e n t ，s p e e dr e g u l a t i o n a c c u r a c yo fk e yp a r a m e t e r s ，c o n t r o lf l e x i b i l i t y , a n ds y s t e mr e l i a b i l i t y w ec o n t r a s tt h em a d ei n c h i n av a l v ea n dv a l v ei nt h en e wv a l v ec o n t r o ls y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s c u s st h e f e a s i b i l i t yo fe f f i c i e n th e a t i n gt e c h n o l o g y , b a s e do nt h en e w c o n t r o ls y s t e m t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a tt h en e w p r e s s u r er e g u l a t o rs y s t e mh a sf a s tr e s p o n s e ， a n dh i g ha c c u r a c yc o n t r o l ；t h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e ma c h i e v e dp r e c i s e c o n t r o li nw e l d i n gd i s p l a c e m e n t ，a n dav a r i e t yo fw e l d i n gt e c h n o l o g y a f t e rt h et r i a ls c e n er a i l w e l d i n g ，w e l d i n gq u a l i t yr e a c h e dt b t 1 6 3 2 - 2 0 0 5 g r a i lw e l d i n g ) ) s t a n d a r d s i nb r i e f , t h e e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e mi ng a sp r e s s u r ew e l d i n g i sb e t t e rt h a nc o n t r o ls y s t e m i nm o t o ri nf l e x i b l ec o n t r o la n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：r a i l ，g a sp r e s s u r ew e l d i n g ，e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o l ，p l c 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 利用先进的电液比例控制方式作为气压焊焊机调压、换向、调 速的控制手段，力争实现高精度、快响应的调压、换向结果： 2 利用这种新型的控制手段，可以实现焊接参数的柔性控制，能 够适应多种焊接工艺的需要； 3 对比了国产阀与进口阀在同一台焊机上的控制特性，为节约成 本提供了依据。 物k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 铁路线路是铁路运输的主要技术设备，是行车的基础。铁路线路就钢轨 的联接方式可分为普通线路( 有缝线路) 和无缝线路两种，无缝线路又分为一般 无缝线路和超长无缝线路。铁路提速要求高，线路建设快，超长无缝线路愈 来愈多。实践证明，无缝线路是轨道结构的一大变革，它以无可争议的优越 性为各国铁路所承认，成为高速、重载铁路的最优选择。我国铁路跨越式发 展，线路提速将需要大量现代化焊轨技术装备进行无缝线路建设。 无缝线路就是把标准长度的钢轨焊接成长钢轨，以减少有缝接头，使线 路更加平顺。从理论上讲，钢轨的长度越长越好，这样既能减少接头的冲击 和磨损，又能减轻铺设的劳动强度，提高乘坐舒适性【卜4 l 。然而，由于生产制 造和运输的制约，我国目前的钢轨标准长度只有2 5 m 、5 0 m 和1 0 0 m 三种，因 此，要铺设无缝线路，还必须采用焊接手段焊接定尺钢轨。无缝线路铺设施 工时采用三次焊接完成，首次焊接通常是把2 5 m 长的钢轨，在基地工厂用闪 光焊的办法【5 硼，焊成2 0 0 m 到5 0 0 m 的长轨：第二次焊接是在现场线下将长钢 轨焊成1 0 0 0 m 到2 0 0 0 m 的长轨条；第三次焊接是在轨道上完成长轨条的焊接， 晟终成为区间或跨区间无缝线路。 由于内部质量可靠，性能稳定，设备投资少，操作和移动都比较方便， 气压焊在长轨现场铺设中起到了重要的作用，是我国钢轨现场焊接的主要方 法之一。目前，我国数控式小型气压焊轨机初步具备了自动控制功能和参数 检测功能，它能基本消除人为因素干扰，焊接质量稳定性良好。但是，它的 泵站工作压力高，其调压、调速和位移控制主要采用电机控制锥阀的开口大 小和正反转方向方式工作，其系统故障率还居高，控制精度和柔性有待改善。 因此针对这些问题，有必要在原有焊轨机的基础上，为降低系统工作压力， 对项锻油缸结构进行调整，引入比例伺服控制新技术，开展柔性、快速、准 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 确控制焊接过程参数的新型电液控制系统研究和工艺试验，比较考察新旧系 统焊轨控制应用效果，对于推进现场焊轨新技术应用具有重要意义和价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 1 钢轨焊接现状 第2 章文献综述 2 1 1 高速铁路无缝线路的意义及发展 铁路线路就钢轨的联接方式可允为普通线路( 有缝线路) 和无缝线路。 普通线路是由标准轨条用联结件连接起来，在接头处存在缝隙。无缝线路也 叫长钢轨线路。就是把若干根标准长度的钢轨经焊接成为1 0 0 0 - 一2 0 0 0 m 而铺 设的铁路线路。通常是在焊轨厂将标准轨焊接成1 2 5 2 5 0 m 的轨条，再运到 现场就地焊接后铺设。普通线路上由于轨缝的存在，接头处就成为轨道结构 的最薄弱环节。接头处线路易产生诸如道床翻浆、板结，钢轨鞍型磨耗、破 损、轨头表面金属碎裂、剥离等病害，从而导致设备使用寿命缩短，修理工 作量增大，这样不仅影响列车运行的平稳性和旅客的舒适度，增加维修费用， 而且还严重影响列车的安全行驶【9 2 1 。 轨道平顺是列车高速运行的必要条件，无缝线路是实现轨道平顺所必须 采取的重要技术措施。为达到确保列车运行平稳、旅客乘坐舒适、降低噪声 污染、减少设备机械磨损及延长钢轨使用寿命的目的，新建和改建的铁路应 铺设无缝线路【5 】o 与普通线路相比，无缝线路在其长钢轨段内消灭了轨缝，克服钢轨接头所 带来的台阶、折角等不平顺对行车速度的限制，从而消除了车轮对钢轨接头 的冲击，使得列车运行平稳，旅客舒适，延长了线路设备和机车车辆的使用 寿命，减少了线路养护维修工作量，并能适应高速行车的要求，因此得到普 遍应用，是轨道现代化的发展方向。为适应高速铁路发展的需要，无缝线路 的铺设由普通长轨无缝线路发展到区间无缝线路和跨区间无缝线路，其施工 方式也由标准轨更换长轨发展为目前的新建高速客运铁路次性铺设无缝线 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 路1 9 4 1 。 我国无缝线路是1 9 5 8 年开始铺设的，到1 9 8 0 年底铺设里程已达8 0 0 0 多 公里，约占正式营业里程的1 6 ，初期采用电弧焊法焊接长钢轨，但焊接质量 较差。2 0 世纪8 0 年代改用气压焊和闪光焊，至1 9 9 0 年，我国己建成焊轨厂 1 6 处，焊轨流水作业线2 3 条。这些流水线多采用瑞士g a a s 8 0 和乌克兰k 1 9 0 接触焊焊机，焊接能力和焊接质量有了明显提剐1 5 】。目前，我国高速铁路特 别是客运专线铁路已经进入大规模建设阶段，轨道结构由传统的有碴轨道发 展为现在的板式无碴轨道和更为先进的双块式无碴轨道，线路均采用跨区间 无缝线路。线路技术水平的提高一方面对无缝线路设计提出了更高的要求， 另一方面是无缝线路的施工技术由“标换长”到“一次性新建”，我国铁路既 有线的提速和新建铁路的一次铺设无缝线路，有力地推动了无缝线路的技术 进步【9 】o 2 1 2 无缝线路焊接技术概述 无缝线路的铺设，钢轨焊接是首要条件，也是实现无缝线路铺设的重要 环节。所谓钢轨的焊接就是指将两根钢轨从端面经过加热或加热加压的方法，- 使其达到原子间的结合，联结成一个整体的过程【1 6 l 。我国铁路无缝线路长轨 条的焊联长度，2 0 世纪9 0 年代之前一般取1 2 k m 。近年来，在提速工程的 带动下，超长无缝线路发展迅速。超长无缝线路最大限度地消除了缓冲区及 其钢轨接头。区间长轨条与车站道岔焊联时，长轨条连续焊接的长度可达数 百千米，从而构成名符其实的无缝线路【9 1 。钢轨焊接接头的外形和内部质量 是确保高速重载无缝线路安全运行的关键【1 6 1 7 1 。钢轨焊接技术的作用日益凸 现。当今普遍采用的钢轨焊接技术为闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊。各 种钢轨焊接方法与特点见表2 - 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表2 1 钢轨焊接方法与特点比较 焊接方法热源 温度特点 挤压形变质量 闪光焊 电弧、电阻热准热液体均匀热液体挤压形变，交互结晶 很好 气压焊气体燃烧不均匀热体热塑性，交互结晶好 铝热焊置换放热 热液体 熔池结晶( 单层) 一股 依情 电弧焊电弧热液体 熔池结晶( 多层) 况定 2 2 钢轨气压焊原理及现状 2 2 1 钢轨气压焊原理 钢轨的气压焊接，是用气体燃料燃烧时产生的热能，将钢轨的焊接端加 热到塑性状态，再施以一定的顶锻压力，钢轨端面塑体的原子之间，相互扩 散渗透再结晶，两钢轨接头即被焊接成一个整体，然后去除金属焊接面因顶 锻而形成的凸出量，进行正火处理后即完成焊剖1 2 】。 气压焊工艺分为熔化气压焊和塑性气压焊两种，熔化气压焊是：两被焊 端面之间要离开一定的距离，用气体火焰对两端面进行加热达到熔化的程度， 这时撤掉火焰，并迅速推进工件，使两熔化端面贴合并施以顶锻，在顶锻过 程中两贴合面相互结晶，焊接成为一体。这种方法工艺复杂，在加热熔化时 合金元素会有烧损，与熔化层相邻的半融化区也会形成疏松组织影响整个焊 接接头的力学性能，在撤掉火焰，推进工件时稍有迟延也会使接头出现缺陷。 塑性气压焊是：将钢轨的两清洁端面紧密贴合，并对贴合面用气体火焰 加热，待贴合面及其附近被加热到塑性状态，这部分的金属原子具有了足够 的“活化能”，并穿过界面互相急剧扩散时，即对贴合面加压顶锻，施以足够 的挤压力以便使焊接表面的之间的距离缩短到原子之间的相互作用半径，以 求达到分子之间的金属键连接，完成再结晶，从而获得两钢轨牢固连接的焊 接接头。这一过程可以解释为：由于在高温高压下，局部塑性变形，接触面 的最大靠近和接触材料的表面层原子相互扩散的结果而产生了金属键，完成 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 接头的焊接。 目前气压焊由于在设备上的局限，无法实现熔化气压焊的复杂工艺，采 用的都足第二种塑性气压焊，由于熔化气压焊是拉开焊口加热，由气体燃烧 利用率会大大的提高，这必将缩短焊接对间，在实际焊轨作业中，天窗时间 很宝贵，焊接时间的缩短具有实际意义。 2 22 国内外钢轨气压焊现状 世界无缝线路现场焊接最为广泛地采用气压焊技术装备的国家有日本、 中国台湾地区和中国大陆的既有线和新线建设。1 1 9 1 1 、台湾气压焊 台湾地区的气压焊技术主要应用在其台北至高雄的高速铁路中。将气压 焊轨全套设备集成装配在一辆公铁两用的专用工程车上，方便施工作业，提 高了作业效率。具结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 台湾气压焊轨车 台湾地区气压焊轨设备的基本特点是： i ) 可使用重量和刚度较大的压接机，保证焊接接头的外观质量。 2 ) 配备公铁两用工程车，便于焊轨设各的移动。 3 ) 成本远低于闪光焊焊轨作业车，性价比高，有较好的竞争优势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 4 ) 气体和压力的控制依然使用手动操作，自动化程度低。 5 ) 整车布局不尽合理，整车档次尚待提高。 2 、日本气压焊 口本的高速铁路新干线( 时速2 6 0 k m ) 中，广泛采用气压焊轨技术，其设 备焊接过程如图2 2 、2 - 3 所示。 图2 2 安装压接机图2 3 加热待焊面 日本钢轨气压焊设备的基本特点是： 1 ) 焊机小巧，有较好的移动性。 2 ) 在高速铁路新干线中广泛应用，有较好的使用经验。 3 ) 整机刚度小，焊接外观质量较差。 3 、德国气压焊 德国斯密特集团开发的气压焊如图2 4 所示，将气压焊所有设各装在公 铁两用工程车上，工程车上装有吊臂，运到指定地点后直接将焊接设备从工 程车中调出即可开始焊接，这样提高了气压焊的效率。 凹2 4 德国斯密特集团气压焊轨】程车 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 4 、中国大陆气压焊 目前国产的y j 7 2 0 4 4 0 t b z s 型数控式小型气压焊轨机【1 8 】已经在朔黄 线、成渝线、青藏格望段、浙赣线、西格线、上海轨道交通9 号线等线路上 得到了成功的应用，实践证明，利用该焊机焊轨质量优良，占用天窗时间短， 接头损伤少，轻便小巧，适应工务现场所有线上、线下无缝线路的焊接和无 缝线路放散后的焊接工作的要求，对提高焊轨工作效率，减轻工人劳动强度， 确保高效化焊轨旖工质量，减小安全隐患，具有明显的经济效益和社会效益。 该设备具有以下特点： 1 ) 采用电机带动齿轮进行调压和换向，取代了原有的手动调节油压的方 法。 2 ) 采用位移传感器监测焊接过程的位移，进而控制顶锻量，取代了原有 的标定顶锻量的方法。 3 ) 采用数据采集系统，监测焊接过程，达到判断焊接质量的目的。 4 ) 采用数控箱控制气体的流量和焊接过程，取代了原有的手动调节气体 和人工干预的问题。 5 ) 采用曲柄连杆机构进行摆火，取代了手动摆火的方法。 2 3 气压焊机电液一体化技术 2 3 1 液压传动技术 液压传动是以液体为工作介质，进行能量的转换、传递、分配和控制的 - i - j 技术科学，液压传动系统的功能是把机械能转换成液体的压力能，借助 受压液体通过执行元件对外做功。与电气传动相比，除了两种传动应用场合 不同以外( 如一些防爆场合不宜采用电动机) ，液压传动尚有其独到之处，概 括的来说，液压传动有以下几个特点【2 2 1 ： 1 ) 液压缸执行元件易于实现直线往复运动，并能输出较大的力。 2 ) 电动机的输出扭矩与电流成正比，其大小受磁饱和和损耗限制。而液 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 压马达输出的扭矩( 对液压缸而言是输出的力) 与压力差成正比，其大小只 受元件结构强度限制。因为液压传动装置体积小、质量轻。即通常所说的功 率与质量之比大，可达4 k w k g 以上，这在行走机械和航空设备上的应用更能 体现这一技术优点。 3 ) 电动机就电压一速度而言，可以简化为一阶惯性环节；而液压执行元 件就流量一速度而言，是一个固有频率很高的二阶振荡环节。因而采用液压 执行元件的机构响应速度快，可以高速启动、制动和换向。同时其扭矩一惯 性比也比较大，因而其加速能力较强，这在伺服系统的应用中可以提高系统 的增益，增大频宽。 4 ) 液压传动系统所产生的功率损失可通过工作介质一液压油比较方便的 带到热交换器和油箱中去散发。 5 ) 低速大扭矩液压马达低速运转平稳，输出扭矩大，并可直接与工作机 构连接，使传动装置紧凑。 6 ) 由于采用液压油作为工作介质，元件能自行润滑，延长了使用寿命。 7 ) 液压传动装置易于实现过载保护，并且能在很大的范围内实现无级调 速。 8 ) 液压传动系统的速度刚度大，因此，加上负载后，速度的变化较小。 2 3 2 电液比例控制技术 液压控制系统多采用伺服阀比例阀等电液控制阀组成的带反馈的闭环控 制系统，以传递信息为主，传递动力为辅，追求控制特性的完善。由于加入 了检测反馈，故系统可用一般的元件组成精确的控制系统，其控制质量受工 作条件的变化影响较小。习惯上，把使用比例控制元件( 含比例阀、比例控 制泵及比例放大器) 的液压系统称为电液比例控制系统。严格的说，比例控 制是实现元件或者系统的被控制量( 输出) 与控制量( 输入或指令) 之间线 性关系的技术手段，依靠这一手段要保证输出量的大小按确定的比例随着输 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 入量的变化而变化。 2 0 , 2 1 】 一个实际的液压控制系统不论如何复杂，都是由些基本元件构成的， 如图2 5 所示。这些基本元件包括输入元件、检测反馈元件、比较元件及转 换放大装置( 含能源) 、执行器和受控对象等部分。输入元件的作用是根据系 统的动作要求，给出指令信号，加于系统的输入端；检测反馈元件的作用是 用于检测系统的输出量并转换成反馈信号，加于系统的输入端与输入信号进 行比较，从而构成反馈控制；比较元件的作用是将反馈信号与输入信号进行 比较，产生偏差信号，加于放大装置；转换放大装置的作用是将偏差信号的 能量形式进行变换并加以放大，输入到执行机构；执行器驱动受控对象动作， 实现调节任务：受控对象( 负载) 和执行器的可动部分相连接并且同时运动， 在负载运动时所引起的输出量中，可根据需要选择其中某物理量作为系统的 控制量；液压能源是系统的动力源。 图2 5 液压控制系统的典型组成 电液比例控制阀，简称电液比例阀或比例阀，是一种介于普通液压阀和 电液伺服阀之间的液压阀，是机电一体化的基础组件，可接受电信号的指令， 连续地控制液压系统的压力、流量和方向等参数，使之与输入电信号成比例 地变化，既可以用于开环系统中实现对系统参数的遥控，也可以作为信号转 换与放大组件用于闭环系统中。与传统的手动调节和普通开关型液压阀相比， 它能大大提高液压系统的控制精度，并且可以弥补普通的液压控制阀所只能 进行开关控制、不能进行连续控制的缺陷。比例阀可分为比例压力阀如比例 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 溢流阀及比例减压阀、比例流量阀、比例方向阀和比例复合阀大类，按控制 方式的不同，比例阀可分为电磁式或直动式比例阀，电动式比例阀或先导式。 电液比例控制技术是在微电子技术和计算机技术的迅速发展下，为满足现代 工业自动化的需要而产生的一种电液控制技术。电液比例压力或力控制系统 与电液比例速度控制系统是两种常用的比例控制系统。需要对系统的工作压 力进行多级或无级调节，或需对压力进行准确控制及反复加载的场合，就可 以采用比例系统构成的压力或力控制系统。比例压力控制系统通常按是否带 有实际值反馈，分为开环和闭环系统，从采用的比例元件来分又可分为节流 型和容积型。用普通的压力阀来实现多级压力控制时，需要较多的液压元件， 在进行压力转换时，由于是开关控制方式，转换是突然发生的，转换时间得 不到控制，不可能做到无冲击的平稳过度，有时为了获得必要的平稳性而不 得不降低机器的速度，使生产率下降。使用比例压力控制系统，可以使液压 回路得到大大的简化，并且不只是回路简化，且性能也得到了提高，使压力 转换快速而平稳。 2 3 3p l c 控制技术 p l c 是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的p l c 只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作， 来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要 求，并事先存入p l c 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执 行，以完成工艺流程要求的操作。p l c 的c p u 内有指示程序步存储地址的程 序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1 ，程序从起始步 ( 步序号为零) 起依次执行到最终步( 通常为e n d 指令) ，然后再返回起始 步循环运算。p l c 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同 型号的p l c ，循环扫描周期在1 微秒到几十微秒之间。p l c 用梯形图编程， 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1 k 逻辑程序不到1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，1 6 位( 也有3 2 位的) 为一个模 拟量。大型p l c 使用另外一个c p u 来完成模拟量的运算。把计算结果送给 p l c 的控制器 2 3 4 焊接参数检测技术 传感器是能够把特定的被测量信息( 如物理量、化学量、生物量等) 按 一定规律转换成某种可用信号的器件或装置。所谓“可用信号 ，是指便于传 输、便于处理的信号。就目前而言，电信号最能满足便于传输、便于处理的 要求。因此，也可以把传感器狭义地定义为：能把外界非电量信息转换为电 信号输出的器件或装置【矧。传感器是自动控制系统必不可少的关键部件。传 感器按被测物理量的不同可以分为位置传感器、位移传感器、速度传感器、 压力传感器、温度传感器、湿度传感器和气体传感器等。通常在钢轨气压焊 接工艺中，需用位移传感器、压力传感器和气体流量控制器等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章气压焊新型控制技术研究 3 1 数控小型气压焊机控制技术 y j 7 2 0 4 4 0 t b z s 型数控式小型气压焊轨机控制机构组成如图3 1 所示 r 1 h “，位置传感器与数字控制模块的接口相连，连接于高压泵输出油路的压力 变送器经a d 转换口与数字控制模块相连；参数预置和显示模块与数字控制 模块的对应接口相连；数字控制模块的调压输出口与调压电机的驱动电路相 连；数字控制模块的换向输出口与换向电机的驱动电路相连。其控制原理为： 参数预置、显示模块可以设置焊接过程中各阶段的压力大小，以适应不同钢 轨轨型和不同的焊接工况；压力变送器将高压泵输出油路的压力信号转换为 电压信号，送入数字控制模块中，并与设定值进行比较，同时数字控制模块 检测位置传感器的信号，并通过一定的控制算法进行运算，输出信号到调压 电机的驱动电路及换向电机的驱动电路，实现对调压机构和换向机构的控制。 参数预置显示 模块 数字 控制 模块 调压电机驱动电路 = 刽调压电机 换向电机驱动电路 = 爿换向电机 位置传感器i _ - - - - - - jila d 转换口k 爿压力变送器 图3 - 1y j 7 2 0 4 4 0 t b z s 控制机构组成 调压机构的结构示意图如图3 2 所示，调压机构的组成为：调压电机的 输出轴上固定有调压外齿轮，调压外齿轮与调压内齿轮啮合，调压内齿轮固 定在中心轴上部，且调压内齿轮外套定位套，定位套固定在调压安装支架及 调压电机壳体上；中心轴的下部螺纹固定在调压安装支架的中心孔上端，中 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 心轴的中部置于调压安装支架的腔内，且中心轴的中部固定套有三个定位环， 三个定位环的外缘均设有感应块，在调压安装支架的腔上与定位环对应位置 设有高压位、中压位以及零压位位置传感器；中心轴下端与调压安装支架中 心孔内的钢珠、防溢件、弹簧、锥阀顺序调压，锥阀下锥面压在主油路连接 器的出油孔上；主油路连接器螺纹连接于调压安装支架中心孔的下端，调压 安装支架固定在油箱上。 图3 2 调压机构结构示意图 该调压机构的工作原理为：调压机构控制调压电机的正反转，调压电机 的旋转通过输出轴带动调压外齿轮及调压内齿轮正反向旋转，调压内齿轮再 带动中心轴正反向旋转。由于中心轴的下部螺纹固定在调压安装支架的中心 孔上端，故中心轴在正反向旋转的同时，还将在支架上的中心孔内上下移动。 中心轴向下移动时，推动与其下端顺序相压的安装支架中心孔内的钢珠、防 溢件、弹簧、锥阀相应下移，使锥阀下锥面压在主油路连接器的出油孔上； 相反，中心轴向上移动时，主油路连接器内的高压液压油通过其出油孔向锥 阀施以向上的压力，推动中心孔内的锥阀、弹簧、防溢件、钢珠相应的上移， 锥阀下锥面远离主油路连接器的出油孔。如此，锥阀上下移动，锥阀下锥面 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 与主油路连接器的出油孔的间隙大小得以调整，从而实现了主油路压力的受 控调节。 上述调压机构的控制机构的组成为：高压位、中压位、零压位位置传感 器分别与数字控制模块的相应数字输入接口相连；连接于高压泵输出油路的 压力变送器经a i ) 转换口与数字控制模块相连；参数预置与显示模块与数字 控制模块的对应接口相连；数字控制模块的调压输出口与调压电机的驱动电 路相连，数字控制模块的换向输出口与换向电机的驱动电路相连。 该控制机构工作原理的特点为：压力变送器将高压泵输出油路的压力信 号转换为电压信号，送入数字控制模块中，并与设定值进行比较，同时调压 机构的高压位、中压位、零压位位置传感器检测出来的信号，也送入数字控 制模块中，通过一定的控制算法进行运算，输出指令信号到调压电机驱动电 路，驱动调压电机正反转及转动幅度，调节锥阀的位置，对压力进行恒值控 制与切换，实现钢轨气压焊三段压力控制。电机调压闭环控制框图如图3 3 所示： 光电限愀 给拗 o 加一 乐燃 ； 。i ，二。+ i ，。lj ，l 二。世ml。 茬 p l c 7 i 也j 删h 说训衣且r 心川唧h 州i 落 a d 压力传感器 图3 - 3 电机调压闭环控制框图 国产的y j 7 2 0 4 4 0 1 卫z s 型数控式小型气压焊轨机已经在线路上取得了 成功的经验，但是它也有故障率高，控制柔性差等缺点，这极大的影响了施 工进度以及焊接质量。现场焊接时，由于给油泵供电的发电机组还要带其他 设备，如打磨电机等，从而油压压力会因油泵电机的转速不稳而有波动，将 会使实际压力偏离当前设定的压力值。同时由于加压过程是由直流减速电机 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 来完成，其中存在电机惯性的问题，加压时压力很容易超过预设的压力值。 焊接现场焊接环境比较恶劣，粉尘大，经常造成光电开关故障，从而导致压 力控制的不准确，此外锥阈里面的弹簧也是经常出现故障的部件之一。 该小型气压焊机采用的是6 3 m p a 的高压泵站，工作压力在5 5 m p a 左右， 在如此高的压力下，对液压油清洁度的要求就比较高，其次还要为高压泵站 提供相应的液压阀，目前国内6 3 m p a 的液压阀价格较高，寿命不长，应用于工程 的成本也较高。而且压力较高的话，溢流阀的特性不好，给控制带来了难度。 例如华德d b d 直动式溢流阀，其工作压力可达6 3 m p a ，但是6 0 m p a 以上的特性 不好控制，如图3 4 所示。 壁丝! 堡! i ! 墼墨! i ：! ! ：! 1 1 二! 竖 ”酵要考三i lm 卜b ；= = ：= ：吲 霎 e 苎苎差三三驯 图3 - 4 华德d b d 直动式溢流阀特性曲线。” 3 2 新型控制技术控制目标及研究任务 液压系统的最大工作压力设定为3 1 5 m p a ，顶锻油缸最大顶锻压力为 顶锻速度不小于5 唧s ，实现保压推凸、保压正火功能； 研究新型的气压焊加热方式，在加热阶段为了缩短钢轨现场焊接作业 雪 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 时间，将焊口封闭式传热加热方式改为开敞式直接加热，最大限度地提高火 焰对焊口的加热效率，需要对焊接系统功能进行升级，使其具有柔性调节焊 口加热间隙( 即能实现1 - 3 r a m 正、反位移) 、并能精确控制的功能。 3 、提供顶锻阶段参数具有最优热机循环效果。为了最大限度地减少焊接 缺陷，提高钢轨焊接接头的强韧性，需要焊接系统具有顶锻压力、顶锻量和 顶锻速度精确调节控制的功能，保证焊口金属在良好的热挤压条件下交互结 晶和再结晶，获得致密细小晶粒强韧化组织。 3 。3 新型气压焊机控制系统 3 3 1 液压系统设计 1 、油缸的设计 根据经验，要获得合格的焊接接头，项锻力要求不小于7 0 0 k n ，液压系 统的最大工作压力定为3 1 5 m p a ，原小型气压焊机的液压系统最大工作压力为 6 3 m p a ，最大工作压力降低了一半，根据f p s ，p 为压强f 为力s 为作用 面积，可知为了使焊接压力不发生变化，在系统压强减小的情况下，必然要 增大油缸的工作面积，如果要增粗顶锻油缸，必将破坏小型移动气压焊机的 移动性，这里考虑使用串联缸代替单活塞杆液压缸，将过去的油腔分成两个 独立的油腔，由于有两个活塞，在压强一定的条件下，压力大致为过去的两 倍，串联缸原理图如图3 - 5 所示， 图3 - 5 串联缸原理图 根据焊机工作机械结构原理，顶锻时油缸是有杆腔进油，根据【2 7 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 d = 夸 式中d 缸筒内径( 姗) ； f 最大负载力( k n ) ； p 工作压力( m p a ) ； 若取回油压力为零，1 2 7 】取d = 0 7 d ，则 d 。，4 x 7 0 0 0 0 0 +049d2i-1 1 7 跏聊1 - 1 1 ，硼z ，竹 v4 3 1 4 3 1 ) e 6 圆整到11 5 m ，则， d = 0 7 d = 0 7 1 1 5 8 0 5 m m 取7 0 m m 彳一 万p 2 一d2 ) 3 1 4 x ( 1 1 5 2 7 0 2 ) 4 4 ( 3 一1 ) 。6 5 3 5 m m 2( 3 - 2 ) 式中a _ 顶锻缸有效作用面积( m m 2 ) ； 油缸最大行程定考虑到钢轨装夹及顶锻缸收拢的问题设定为1 5 0 r a m 。 推瘤刀保留过去小型气压焊机所用的推瘤刀，其油缸内径和活塞杆直径 分别为8 0 m m 一3 5 m m 和6 0 m m - - - 3 5 m m 两组，其有效作用面积为 彳推瘤- 1 1 8 5 3 5 r a m 2 。 摆火油缸采用【1 9 】中的设计，内径为2 5 m m ，活塞杆直径为1 2 m m 液压泵 工作压力选用6 m p a ，流量8l _ m i n ，选用1 1 k w 电机。 2 确定系统的流量 根据焊接工艺的要求，顶锻缸压力图和顶锻缸速度图如图3 6 、3 7 所示， 在实际焊接过程中，顶锻缸在顶锻过程中需要的流量最大，因此计算整个系 统的最大流量只需要计算项锻过程需要的流量即可。气压焊顶锻时要求速度 不小于5 m m s ，因此， q = 爿v 懈一6 5 3 5 5 3 2 6 7 5 m m s 一1 9 6 0 5 l r a i n ( 3 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 q 一= 4 x q ；7 8 4 2 l r a i n ( 3 4 ) 式中，v 。一项锻缸的最大运动速度( m m s ) a 项锻缸有效作用面积( m m 2 ) 口一一系统空载流量( l m i n ) 考虑到泄露和溢流阀最小溢流量的系数，取泄露系k = 1 3 q 泵一幻总= 1 3 x 7 8 4 2 = 1 0 1 9 4 6 l m i n ( 3 5 ) 式中q 泵为液压泵的最大输出流量( l m i n ) ， 所以电动机功率p 为 匕串= 等- 等1 3 刀o u 6 ；6 7 k 式中，7 为油泵的机械效率。 根据理论计算，取电动机功率为7 k w 。 2 8 一 山 茎 r 1 0 幽 鲻 驶 4 0 ( 3 6 ) 1 5 0 2 8 0 2 8 5 焊接时间( s ) 图3 6 项锻缸压力图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 一、 鼍 s 5 越o 到 遥 善3 l - 1 5 0 2 8 0 2 8 5 焊接时间( s ) 图3 7 顶锻缸速度图 3 控制阀的选型 1 ) 比例溢流阀的选择 根据系统的最大工作压力3 1 5 m p a 以及泵最大的流量1 0 1 9 4 6 l m i n ，选 择力士乐公司d b e m e1 0 5 x 3 1 5 y g 2 4 k 3 1 m ，该阀通径为1 0 ，最高压力为3 1 5 m p a ， 接2 4 v 直流电源，滞环为1 5 ，重复精度2 ，线性度3 5 ，阶跃响应时 间为1 5 0 m s ，另外该阀带有最高压力保护装置，并且集成电控器。完全可以满 足安全、高速、柔性、大范围调压的需要。其设定值一压力特性曲线图如图3 8 所示。 3 ，5 3 0 0 。2 5 0 噶 竺2 0 0 兰 s o 1 0 0 5 0 k 歹j 等缀3 5b a r ；， 一 j z - ，- 圹 纩 7 o2 s5 07 51 没窀f f l 一 图3 - 8 力士乐比例溢流阀设定值一压力特性曲线图【2 9 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 国产阀方面，考虑到产品的互换性，选用了采用力士乐技术的北京华德 公司的d b e m l 0 3 1 5 x y ，该阀最高工作压力3 1 5 m p a ，线性度3 5 ，重复精度 小于2 ，滞环有颤振时为1 5 ，无颤振时为3 5 ，阶跃响应时间为3 0 到1 5 0 m s ，图3 - 9 为该阀的输入电流与压力特性曲线图，图中虚线为无颤振， 可见死区范围要大于力士乐的产品，其最低设定压力与流量有关，一般来说 用到的压力范围不在其死区范围内。 。z l 氟定压力i o m lh 彳歹。 l 彳彰1 么少 无。葩 乡 管 扩 o 抽口柚oq o 蛳翻睁为撕 输人电矗( 霸滤， 图3 - 9 华德比例溢流阀输入电流一压力特性曲线刚4 8 j 2 ) 伺服流量阀的选择 普通电磁换向阀的阀口或者全闭，或者全开，没有中间状态。这种阀阀 口处的流速与阀口后流速大致相同，在选择油路中换向阀的通径时，只要保 证阀的额定流量大于系统工作时的最大阀口过流量即可，就能把阀内压力损 失控制在产品性能规定的范围内，而伺服流量阀，阀块开口可变，所以样本 中给出的一般都是固定阀压降下的流量，在选择阀块时需要根据实际的焊接 工艺要求，计算出阀压降，然后根据公式计算出需要的实际流量，再根据样 本中介绍的伺服阀选型。由图3 - 5 知，顶锻时所需的负载力最大，因此 锻一7 0 0 k n ，嘞锻，鱼aa 丽7 0 0 = 2 6 8 m p a e = p 一户顶锻= 3 1 5 2 6 8 = 4 7 m p a ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 强鼻始 婚 埔五o 己z v r 幽、r 簟 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 q n2 日，咖 7 出2 辱4 7 = 9 鹏， 仔9 ， 根据力士乐公司的产品介绍，选用公称流量为1 2 l m i n 的系列4 w r p h 6 c 3 8 1 2 l 一2 x g 2 4 2 4 m 型伺服流量阀，该阀通径为6 ，2 4 v 直流电源供电，进油口 最大工作压力3 1 5 m p a ，回油口2 5 m p a ，滞环0 2 ，o 到1 0 0 的响应时间为l o m s ， 可以满足焊接过程快速响应，精确调节焊接位移，顶锻缸速度的要求，其控 制曲线即流量电压曲线如图3 1 0 所示，可见线性度还是很好的。 在焊接的推凸阶段，需要推凸能够尽快的完成，不必调速只需要换向即 可，因此选用了一般的电磁换向阀。这里选用的是华德的4 w e 6 e g 2 4 行电磁换 向阀，其最大工作压力可以达到3 1 5 m p a ，流量可以达到6 0 l m i n ，完全可以 满足需要，该阀电磁铁采用2 4 v 直流电供电，与前面的溢流阀和伺服阀致。 囊耵 融乞 v j 孵1 毹总 肇貉 o a y 一扔0 ij 匾 一j 最。f ，訾 “矗二、 7 ? 甜“ 一 j 谚 l； 砟 一 。_ b 艘f 一 p 8 o 一 吖圈 z 。， u 图3 1 0 伺服阀控制特性曲线 4 液压系统设计 本液压控制系统是在【2 5 】的基础上进行系统设计，其液压系统原理图如图 3 1 1 所示。 在焊接阶段，油液通过7 进入系统，按照工艺的要求通过p l c 给定数字 量，经由d a 模块传到比例放大板，控制1 1 比例溢流阀，柔性、快速的调节 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 焊接压力；4 为电磁换向阀或者是伺服流量阀，当它是电磁换向阀时，工作过 程为通过项锻缸两端的位移传感器实