（材料加工工程专业论文）钢轨四向调直机计算机系统的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着无缝线路的发展，对钢轨焊接接头质量提出了更高的要求，即要求钢轨焊接接 头具有较高的内在和外在的质量。接头内在质量通过设备自动化、数字化、模块化等 方面的改进已得到较好的保证；外在质量要求钢轨焊接接头表面无缺陷、具有较高的 几何尺寸精度和高平直度等，其中焊接接头平直度影响最大而且很难达到较高的精度 要求。 目前国内外使用的四向调直机虽然实现了无缝钢轨焊接后直线度误差的自动测量， 但是矫直过程还需要人工手动控制，尤其是矫直时需要加载的矫直力和矫直行程难以 控制，依靠经验和感觉，需不断重复地进行矫直，这制约了钢轨焊接接头调直的精度 和效率。而且在进行水平方向调直时由于刚度不够会慢慢产生机体弯曲的状况。 因此本论文设计了全新的自动钢轨四向调直机。在机械结构上采用前面为两柱式后 面为加强板的结构，整体放在可移动的基础平台上，保证了调直机的稳定性和寿命。 在控制系统上，应用a n s y s 建模软件对钢轨矫直过程进行了模拟，初步获取了矫直力 和矫直行程这两个矫直参数；通过激光位移传感器得到的钢轨表面弯曲图像进行分析， 来确定施力点和支距位置；并建立了矫直参数的数据库系统，通过在学习的模式在使 用过程中不断对数据库进行优化，提高了系统的自动化程度，有利于提高接头的质量。 关键词：四向调直机；a n s y s 模拟软件；矫直参数；数据库 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e a m l e s sl i n e s ，p e o p l ep u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t st or a i l w e l d i n gj o i n t ，n a m e l yt h er e q u i r e m e n to ft h er a i lw e l d i n gj o i n tw i t hh i g h e ri n t e r n a l a n d e x t e r n a l q u a l i t y t h ei n t e r n a lq u a l i t yh a d b e e nb e t t e r a s s u r a n c et h r o u g ha u t o m a t i o n ， d i g i t a l i z a t i o n ，m o d u l a ra n do t h e ri m p r o v e m e n t s t h ee x t e r n a lq u a l i t yr e q u i r e d t h er a i l w d d i n gj o i n ts u r f a c ew i t h o u td e f e c t s ，w i t hh i g hd i m e n s i o na c c u r a c ya n df l a t n e s s i nw h i c h ， t h ef l a t n e s sa f f e c t e dt h er a i ls e r i o u s l y , a n di tw a sd i f f i c u l tt oa c h i e v eh i g hp r e c i s i o n t h ec u r r e n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lu s eo ft h es t r a i g h t e n i n gm a c h i n er e a l i z e d s e a m l e s sr a i lw e l d i n ga u t o m a t i cm e a s u r e m e n to fs t r a i g h t n e s se r r o r , b u ts t r a i g h t e n i n gp r o c e s s n e e dt oc o n t r o lm a n u a l l y , e s p e c i a l l yi tw a sh a r dt oc o n t r o lt h es t r a i g h t e n i n gf o r c ea n d s t r a i g h t e n i n gd i s p l a c e m e n t ，r e l yo nt h ee x p e r i e n c ea n df e e l i n g ，a n dn e e dt os t r a i g h t e n i n g r e p e a t e d l y , w h i c hr e s t r i c t e dt h e r a i lw e l d i n gj o i n ts t r a i g h t e n i n gp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rd e s i g n e dan e wa u t o m a t i cf o u r - w a y r a i ls t r a i g h t e n i n gm a c h i n e i n t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea d o p t e di nf r o n to ft w oc o l u m nb a c kt os t r e n g t h e nt h eb o a r d s t r u c t u r e ，o v e r a l l o n am o v a b l ep l a t f o r m ，t oe n s u r et h es t a b i l i t ya n ds e r v i c el i f eo f s t r a i g h t e n i n gm a c h i n e i nt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ea n s y sm o d e l i n gs o f t w a r ef o rt h er a i l s t r a i g h t e n i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e d ，p r e l i m i n a r yo b t a i n e dt h es t r a i g h t e n i n gf o r c ea n dt h e s t r a i g h t e n i n gd i s p l a c e m e n to ft h et w os t r a i g h t e n i n gp a r a m e t e r s t h er a i l s u r f a c ec u r v e d i m a g eg e t t i n gf i o mt h el a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rw a sa n a l y z e dt od e t e r m i n et h ep o i n to f a p p l i c a t i o na n dt h eo f f s e tp o s i t i o n a n dt h es t r a i g h t e n i n gp a r a m e t e r sd a t a b a s es y s t e mw a s e s t a b l i s h e d b yt h el e a r n i n gm o d e i nu s i n gap r o c e s so fc o n s t a n td a t a b a s eo p t i m i z a t i o n ，t h e a u t o m a t i o nd e g r e eo ft h es y s t e ma n dt h eq u a l i t yo ft h ej o i n tw e r ei m p r o v e d k e y w o r d s ：t h ef o u r - w a ys t r a i g h t e n i n gm a c h i n e ；a n s y ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ；s t r a i g h t e n i n g p a r a m e t e r s ；d a t a b a s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼量, i i , i 量置鼍量置量曼曼曼曼皇 第一章绪论 在交通运输体系中铁路运输业起着举足轻重的作用，生产力的配置，产运销的构成， 需要依靠铁路作为纽带。而随着高速铁路和轨道交通的发展，其地位更加突出。作为 轨道结构技术进步的重要标志，无缝线路是实现高速、重载轨道结构技术的最优选择【l 】， 也是我国铁路实现跨越式发展的重要课题。随着无缝线路的发展，对钢轨焊接接头质 量提出了更高的要求，即要求钢轨焊接接头具有较高的内在和外在的质量。接头内在 质量通过设备自动化、数字化、模块化等方面的改进已得到较好的保证；外在质量要 求钢轨焊接接头表面无缺陷、具有较高的几何尺寸精度和高平直度等盟3 ，其中焊接接头 平直度影响最大而且很难达到较高的精度要求。 国内外高速铁路的研究和实践经验表明，在线路方面，必须具备持久稳定的高平直 度，尤其是焊接接头处，它是反映钢轨垂直方向上波浪起伏状况的指标，钢轨质量好 坏的衡量标准之一也是依靠平直度。假如钢轨平直度不高，会使轮轨撞击加剧，引起 线路剧烈晃动，成倍的增大轮轨作用力，使轮轨的受力状态变的恶化，机车车辆部件 和轨道也受到严重危害，列车速度的提高受到制约，最严重的后果是会导致列车脱轨 倾覆，会危及行车安全【3 一。因此，钢轨表面平直度不仅直接影响列车的安全性，也会 影响运行速度和乘客的舒适度，而且也是钢轨使用寿命的重要指标之一，必须用严格 的标准来进行控制【8 。9 】钢轨的生产。 文献n 明指出，现阶段我国主要干线的焊接接头的平直度与t b t 1 6 3 2 2 0 0 5 钢轨焊 接关于平直度的要求还有很大的差距。一些研究人员采用型尺测量方法，测试了某 线路现场铺设的部分钢轨焊接接头平直度【1 1 1 ，采用型尺方法测试现场闪光焊接头和气 表1 1 现场焊接接头平直度合格率统计( ) 压焊接头平直度结果如表i - i 所示。为了便于比较，将所测该线路钢轨焊接接头平直 度按照t b t1 6 3 2 - 2 0 0 5 钢轨焊接规定的速度等级进行了合格率统计，其中闪光焊 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 接头统计数为2 9 6 个，单元气压焊接头统计数为1 6 5 个【1 2 】。 平直度测试结果表明，该线路焊接接头平直度与t b t 1 6 3 2 2 0 0 5 钢轨焊接关于 平直度的要求差距较大。从表1 1 可以看出，两种焊接方法所得接头合格率都不高， 导向面合格率高于行车面合格率，这一方面说明行车面平直度要求较导向面更为严格， 另一方面也表明了我国对于线路高低接头控制还有待进一步加强。 国内外严格控制高速铁路钢轨的平直度，而钢轨的矫直精度是保证钢轨平直度的关 键。在钢轨生产过程中矫直是必不可少的工艺，各国比较先进的钢轨生产厂十分重视 钢轨矫直技术，尤其是美国、法国、德国、日本等国。不同的标准要求钢轨的平直度 也不同，如下图1 - 2 所示，图1 3 为钢轨焊接接头平直度允许的最大偏差。 表1 2 不同标准对应的钢轨平直度要求 代表标准 g b2 5 8 5 8 l t g vj i 亚1 1 0 le n2 0 0 k r n h - l3 0 0 k r no h l 垂直 d 4 2d 4 2 ( 上) a 影l 0 。4 2 0 7 1 1 5 0 5 1 1 5 0 3 10 3 1 端部 垂直 0 2 1口2 1 2d0 2 20 2 ，1 50 2 2 n l l l m( 下) d 6 ，2d 6 ，2 水平0 8 10 5 j r 20 5 1 1 50 7 1 5 0 4 1d 4 1 1 0 3 3d 3 ，3口4 3口3 2 轨身 垂直 0 2 1 10 2 _ 10 3 10 2 1 n 期渤 水平 0 4 5 1 50 6 2口o 1 50 6 2 上下 0 5 l m51 0 1 0 ms55 全长 弯 n 蚰 侧弯 r 1 0 0 0 m1 0 l t i mr 1 5 0 0 mr l s 0 0 nr 1 5 0 0 m 为了提高钢轨焊接接头平直度的精度，除了需要先进的测量系统外，还需要现先 进的钢轨四向调直机。以前国内使用的液压矫直机是反复的进行测量和矫直，效率低， 工作强度高。随着技术的发展，半自动矫直机应运而生，虽然一定程度上改变了这种 状况，但是矫直力和矫直行程这两个工艺参数依然难以确定，主要依靠经验和感觉矫 直，精度很难保证。在工业发达的国家里，钢轨矫直普遍采用高自动化、智能化设备， 生产效率和质量控制精度高，直接避免了人为因素对产品质量的影响，但是进口的调 直机价格非常昂贵。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 表1 - 3 钢轨焊接接头平直度允许的最大偏差 线路设计速度孰顶面垂直方向置大倔麓孰戋翻面工作边水平方向最大倔燕 h b m衄眦 、 n句b it i l 1 船 闪光焊接，o j 口0 4 铝热焊接，气压焊接，0 4 1 2 0 一2 o o 3o 3 2 0 0 蛇oo 3o 法l ；a l 、b 分别代表测鬣长度琵圉高出、低r 钢轨母材轨顼基准面最大允诲偏差 注2 tb 、b 分别代袭铡鬣长度范露轨头内嬲工作面湖进，凸出钢轨母材纂准最大允许偏差 近年来上海已有高校通过吸收国外的先进设计理念，集激光检测技术、实时监控反 馈技术、电液比例控制技术和现代数控技术于一体，成功研制出新一代的钢轨四向调 直机，很大程度上改变了矫直过程的控制操作模式，钢轨平直度的控制精度一定程度 上也有所提高。操作人员在操作控制区域里能直观的了解到钢轨在矫直过程中的施力 大小与产生的相应位移量关系，并参考这些数据信息来进行矫直调控n 铂。 目前各焊轨厂普遍使用的是进口调直机和上海理工大生产的钢轨四向调直机，虽 然一定程度上能够满足需求，提高精度，但是在现场工作的过程中对矫直力和矫直行 程的控制还是依靠人的经验感觉，也需要经过反复的矫直，降低了生产效率；而且调 直机在水平方向矫直时由于刚性强度不够，长时间使用造成了部分构件的弯曲，影响 了矫直精度。基于此，本论文对钢轨四向调直机的部分机械构件进行了重新设计，并 建立了矫直参数的数据库系统，使钢轨四向调直机结构更加合理，功能更加完善，矫 直效率和自动化程度也进一步提升。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章文献综述 对弯曲变形的金属塑性材料的矫正，是精整工序的重要部分，通过矫直可以消除外 力作用，使产品合格。在实际中由于材料属性不同，需要的矫直方法也有所不同，通 常校直方法主要分为拉伸校直法、压力校直法、拉弯校直法及其他一些特殊校直法【1 4 1 。 而以这些技术为基础发展起来的自动校直设备有压力校直机、拉伸校直机、拉弯校直 机等。根据需要加热与否，将校直分为冷校直和热校直，一般采用冷校直技术，最常 用的冷校直方法是压力校直，压力校直是以外加静载荷使弯曲零件产生反向变形以达 到校直的方法【1 4 1 ，具有简单、经济、灵活、有效等优点。 传统的矫直工艺都是由工人通过经验和感觉进行不断的测试和校验，这样增加了 劳动强度，还使得矫直效率低下，达不到矫直精度，产品的质量也不能保证。因此， 开展矫直工艺理论的研究和发明并改进现有的矫直机就越来越受到人们的高度重视， 针对这些问题我国的一些专家和学者进行了很多尝试性研究，取得了一定的成果。 对于矫直过程模型的压力矫直理论，一些学者如华东交大的熊国良和李骏等老师 进行了系统的研究，得出如下结论【1 5 之3 】：( 1 ) 提出矫直过程载荷挠度即f 。万模型，该 模型是建立在弹塑性变形理论的基础之上，对弹塑性变形的加载阶段和回弹阶段的数 学模型进行了建立，并推导轴类零件和矩形截面零件的f 万模型模型，只需根据测得 的初始挠度依据差值表进行差值，便可以得到每次的下压量，缩短了操作时间；( 2 ) 提出了运用有限元软件进行分析的方法，用a n s y s 软件对压力矫直过程进行了详细的 模拟分析；( 3 ) 通过简化和推导，将现有的矫直行程经验计算公式进行了修改，提出 了矫直过程模型分析的的理论依据，为全自动钢轨四向矫直机的开发研制提供了技术 支持 3 6 j 。 对于轴类零件的的压力矫直过程的研究，合肥工大的老师进行了长时间深入的研 究，研究结论如下阴1 】：( 1 ) 对矫直过程的弹塑性弯曲变形问题，也是引入了有限元 分析方法，对矫直参数的确定运用了自动动态增量非线性有限元算法；( 2 ) 通过弹塑 性变形理论建立了轴类零件矫直的力学模型，分析了轴类零件压力矫直方法的基本原 理，首次提出了压力矫直过程中的结构和工艺参数的计算方法，并对其进行了研究试 验：( 3 ) 依据理论计算和实验分析结果，分析了压力矫直参数理论计算的误差原因， 给出了修正方法；( 4 ) 对多点多次矫直问题进行了研究，对于多弧度弯曲矫直问题， 提出了基于加权评价函数的矫直工艺决策方、法【3 6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 此外，国外学者对多步矫直控制系统也进行了相关研究，依据也是f 6 模型，在线 识别材料特性、在线预测回弹进行实时液压控制，并在多步矫直过程中各工艺参数的 确定算法上采用了模糊自学习的方法【3 2 。3 1 。 本论文是在压力矫直理论研究的基础上，引用了有限元分析方法，通过a 丑s y s 软件 对压力矫直过程进行模拟，来确定矫直时需要的矫直力的大小、位置及矫直行程。并 建立数据库系统，不仅能反映并显示矫直时需要的矫直力和行程，而且这两个矫直工 艺参数可以自行修正，通过大量的矫直数据来得到最优的组合。避免了人员在手动矫 直时过分依赖经验和感觉，从而提高了矫直效率和精度，为以后实现全自动化调直提 供方便。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第三章钢轨四向调直机的设计 钢轨四向调直机是大型的专用设备，适用于长钢轨焊接生产线，对长钢轨焊缝处进 行冷态下的水平和垂直方向自动测量与矫直。 3 1 机械结构的设计 针对国外和上海理工大学生产的调直机的不足，对调直机的部分结构进行了重新设 计，图3 - 1 为设计的钢轨四向调直机的正面图，图3 - 2 为后面图： 图3 1 四向调直机机械设计图 图3 - 2 钢轨四向调直机背面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ii i 。 一 1 量量量鲁曼量曼量鼍曼曼曼曼曼曼曼皇曼量 四向调直机整体是放在基础平台上，基础平台是大型的焊接结构件，为了实现快速 接近慢速调整的功能，采用了变频器加异步电机加减速机的组合，使其在整体钢轨的 输送流水线上可以移动，以便调整钢轨弯曲变形的最大挠度和矫直施力位置相重合。 设计了安全防护门，把调直机整体分割为操作区和作业区两块，为了安全起见将平 直度自动测量系统、液压控制系统、四向施力校直系统和其他辅助机构安置在了作业 区内部；操纵柜和电气控制柜放置在操作区域。这样设计既可以方便操作者操作设备、 了解测量结果和反馈的信号，又可以通过防护门观察矫直过程，安全、舒适、可靠。 由同步齿形带、横梁、直线导轨、旋转编码器、缓冲装置、减速电机和测量组件等 构成了自动直线度测量装置。校直施力机架固定在的横梁座上，横梁上安装有高精度 直线导轨，导轨的滑块连接测量组件，如图3 3 。 图3 - 3 测量装置部分截图 当测量组件在导轨上作来回运动时，移动的轨迹形成了相对测量的基准线。选用的3 个激光位移传感器安装在测量组件上，对钢轨上表面和两个工作边进行采集平直度信 息，经过计算机的运算处理并将结果在显示屏上显示出来，整个测量系统是通过伺服 电机和同步齿形带来带动使其在直线导轨上运动【l 3 1 。 施力矫直系统采用前面为两柱式后面为加强板的结构，来防止水平垂直方向矫直时 由于强度不够造成弯曲的情况出现。本论文设计的如图3 4 所示，图3 5 为上海理工大 设计的，在长时间使用过程中，该机构会产生弯曲的情况。从下面两幅图中可以看出， 新设计的是在以前的基础上增加了加强机构，如图3 - 6 所示，提高了强度，整体上比 较美观， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图3 _ 4 新设计的结构部分图3 - 5 以前使用的结构部分 图3 - 6 本论文设计的加强机构 在施力校直机架的左右两侧安装了夹紧装置，如图3 7 所示，由驱动油缸、齿轮、 连接机构等组成，是用来对钢轨进行中心位置进行固定。在夹紧装置内侧，设计上安 装有钢轨支撑滚轮，如图3 8 所示，具有弹性，用于钢轨的流动输送，这样可保证钢 轨进行施力校直时尤其是垂直方向上，免于和校直支撑点发生作用。 图3 7 夹紧机构 图3 - 8 钢轨支撑滚轮 设计了机械安全锁定装置，如图3 - 9 所示。由小油缸上活塞杆齿条带动挂钩装置中 的齿轮轴进行翻转实现的。油泵未启动时上矫直油缸施力点会因自身重量向下移动， 使施力顶块占据钢轨的输送流动空间，当有钢轨输送流动时可能会碰撞损坏设备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图3 - 9 机械安全锁装置 液压系统采用两个独立的变量柱塞油泵。对于控制驱动垂直和水平方向的施力校直 油缸，由于校直作用时间较短，力很大，系统的泵站输出压力要求较高，为了减少系 统在高油压的工作时间，控制油温，采用恒功率变量柱塞泵，最高工作压力为3 0 m p a ， 高压小流量与低压大流量之间的切换冲击是通过油泵的恒功率输出对电液比例调压系 统进行自动平衡来实现的。对于控制定位加紧机构油缸、转角油缸和测量机构油缸等 机构的动作，采用小流量变量柱塞泵，最高工作压力选为1 2 m p a ”】。 3 2 重要部件的选型和设计 3 2 1 减速器、变频器和电机的选定 整个设备重约2 5 吨，移动速度为3 - - - , 9 m m i n ，可调，滚动摩擦系数查表为0 0 0 5 。 若在正常行走时其最大功率p 可由公式p = f v 可得，其中f f 滚动摩擦力，v 为最大行 驶速度，经计算最大功率为1 8 7 5 w ，若考虑启动瞬间需要的最大冲击力，再根据经验 值暂定为0 7 5 k w 。 电机转速可由公式，z 一6 0 f ( ，1 ，- s ) 得至l j ，其中，z 为电机转速，厂为频率，j 为转差率， v 为电极数。取为2 ，s 为0 7 ，f 为5 0 h z ，则电机转速n 为1 3 9 0 r m i n 。滚轮直径 2 5 0 m m ，周长为0 7 8 5 m ，则最大转速n ，= 9 0 7 8 5 = 11 4 5r m i n ，最小转速 ，z ，= 3 o 7 8 5 = 3 8 2 r m i n 。所以减速器的减速比为1 3 9 0 1 1 4 5 = 1 2 1 3 ，最小频率经计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 为1 6 3 h z 。 所以变频器频率范围选择为1 6 3 - - 5 0 h z ，减速器减速比选为1 2 0 ：1 - 1 3 0 ：1 。 3 2 2 矫直油缸的设计 上下油缸的最大调直力互为2 5 0 吨，泵的最大压力p 为3 0 m p a ，则油缸活塞的截 面积4 可由公式彳l = 互伊得到，即a ：= 8 3 3 3 3m m 2 ，在根据4 = 矾2 ，可得活塞半径墨 为1 6 2 r a m ，圆整后将直径定为3 8 0 r a m 。 ， 水平油缸采用双活塞杆结构，确保推力和拉力相等，最大矫直力五为1 2 0 吨，泵 的压力为p 为3 0 m p a ，活塞杆直径d 。 暂选为1 6 0 r a m ，则油缸面积 a 2 = 最p + 万( 盔2 ) 2 计算后为6 0 1 0 8m m 2 ，再由圆面积公式彳2 = 破2 可得油缸半径月2 为1 3 8 r a m ，圆整后将直径定为3 2 0 r a m 。 3 2 3 调直机的其他参数 钢轨四向调直机的其他参数暂定为： ( 1 ) 垂直方向最大矫直作用力为2 5 0 0 斟； ( 2 ) 水平方向最大矫直作用力为1 2 0 0 k n ： ( 3 ) 垂直方向矫直油缸行程为l o o m m ； ( 4 ) 水平方向矫直油缸行程为l o o m m ； ( 5 ) 支点间可调距离为5 0 01 5 0 0 m m ； ( 6 ) 支点移动速度为4 m m i n ； ( 7 ) 整机移动速度为3 - - - 9 r e r a i n ： ( 8 ) 测量小车移动距离为3 1 0 0 r a m ，移动速度为5 0 r a m s ； ( 9 ) 测量作业时上支点避让转角9 0 0 ，上施力点避让转角为7 0 0 ； ( 1 0 ) 设备输入电源电压为3 8 0 w 3 缈5 0 h z ； ( 1 1 ) 设备控制电压为2 4 v ； ( 1 2 ) 测量小车电机功率为0 3 7 k w 。 3 3 四向调直机的工作过程与液压控制过程 3 3 1 四向调直机工作过程 ( 1 ) 矫直机受电后要释放上矫直油缸机械安全锁，使其翻转到合适位置； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 i i i i i 量量曼量曼曼皇曼曼曼曼曼 ( 2 ) 钢轨焊接点进入作业位置，移动小车使钢轨焊缝位置与矫直机的施力中心对 齐； ( 3 ) 上施力点通过转角油缸向前翻转7 0 度，两侧的上支点也通过转角油缸向外侧 翻转9 0 度，便于测量小车的通过，同时矫直机架两侧的定位夹紧装置对钢轨进行夹紧 定位； ( 4 ) 测量装置通过小油缸的驱动，从高位下降至测量位置，然后电机驱动同步带 带动测量小车从钢轨一端匀速走向另一端，行程约为3 m ，触碰到行程开关后停止，再 由测量位置升至高位。此时测量曲线已显示在显示屏上，显示的范围为钢轨焊缝周围 1 5 m 的信息； ( 5 ) 释放上施力点和上支点回至原位置，同时松开夹紧定心装置； ( 6 ) 计算机开始数值处理，确定施力点位置和矫直参数，通过输出模块将信息分 别输出给各接收装置； ( 7 ) 移动小车使上施力点移动至需矫直位置，矫直油缸分别动作，开始矫直过程； ( 8 ) 重复以上测量动作，直至合格； ( 9 ) 矫直机在断电前启动机械锁系统，使其锁住上油缸施力点。 3 3 2 液压控制过程 液压系统的工作原理如图3 1 0 所示。液压系统准备工作：大泵得电后，液压油_ 单向阀一二位四通电液换向阀右位_ 插装式单向阀一溢流阀一水平、上下油缸( 使油 压稳定在1 5 m p a ，进而整个系统压力保持1 5 m p a ，使上下、水平油缸活塞回至初始位 置) 。 调直状态下快进( 施力点位接触到钢轨) 工位： 液压油_ 单向阀一二位四通电液换向阀左位_ 比例减压阀_ 二位四通电液换向阀 右位( 快进) 一节流阀- - , y 型阀( 右位控制上油缸，左位控制下油缸) 。 调直状态下工进( 施力点接触到钢轨) 工位： 当系统压力升至3 m p a ( 施力杆与钢轨接触达至3 m p a ) 时，压力继电器发出信号 至p l c ，二位四通换向阀左位( 工进) 叶节流阀_ y 型阀 调直状态下快退工位： 迸油_ 单向阀_ 二位四通电液换向阀右位_ 插装式单向阀_ 溢流阀_ 上下油缸 ( 1 5 m p a ) ，回油_ y 型阀中位- 油缸 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 小泵得电后的机械锁动作： 液压油一单向阀一二位二通电液换向阀左位一液压锁_ 机械锁小油缸，活塞杆走完 行程，接近开关检测到机械锁挂钩翻转信号，p l c 发出信号，二位二通电液换向阀回 至右位，机械锁处于打开状态。 转角油缸动作： 液压油一y 型阀右位一液压锁一转角油缸 图3 1 0 液压系统工作原理图 3 4 四向调直机的控制部分 整个控制系统的激光位移传感器有3 个，安装在测量小车上，分别用来采集钢轨上 边面和工作边的平直度信息；压力传感器和拉线式位移传感器各有3 个，安装在油缸 的活塞杆上，用来控制矫直力和矫直行程；旋转编码器有6 个，和伺服电机配套使用， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 1 1 分别用来控制支点距离、测量小车的位置和调直机整体移动的距离。激光位移传感器 和压力传感器模拟量信号，需经过a d 转化模块，通过p l c 和计算机进行数据通讯和 交换。 钢轨四向调直机在工作时，激光位移传感器将采集到的挠度数据和位移数据通过 p l c 传至计算机，实时显示出钢轨表面和工作变的平直度曲线，经过数据库系统的分 析，把信息输出，整个原理框图如图3 1 1 所示： l i - i i _ - _ l _ - _ - - - i _ _ _ o _ r o _ _ _ _ _ _ _ o o o o 1 i 激光位移传感器lc la d ( d a ) i 命 _ _ l _ _ _ _ - _ _ _ _ _ i m _ _ _ - _ _ l - l _ _ 一j l l _ _ _ _ _ - _ l _ _ _ _ i 压力传感器 i 命ia d ( d a ) i 命 _ _ - _ - i - _ _ _ _ _ _ _ l _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - o o 。一 l 拉线位移传感器l 一! - - i l 编码器i 匕= = = = l 液压系统 lc = = = = 图3 - 1 1 控制系统原理框图 三 今 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第四章钢轨矫直参数的有限元分析 钢轨矫直参数即矫直行程和矫直力可通过多种方式获得，比如有限元分析、数学建 模和m a t l a b 编程以及通过多次现场试验获取数据等，一些研究人员对理论计算、有限 元分析与实验测量进行了比较，结果吻合良好。本论文是用有限元分析来获取数据的。 4 1 钢轨压力矫直原理 由于钢轨自身具有的弹塑性变形的弯曲能力，所以钢轨完全可以实现压力矫直。在 对钢轨施加载荷的过程中，当弯曲变形量未达到屈服强度时，变形可以看做是简单的 拉压变形，此时为弹性加载阶段，根据胡克定律，其方程为： o = e 其中e 为弹性模量，是同金属材料的种类和属性有关。当弯曲变形量达到屈服强度之 后，即进入塑性变形阶段，应力应变关系不再遵守胡克定律，这一阶段为弹塑性加载 阶段。当卸去载荷后，有一部分变形量将不能恢复而成为永久变形，这个过程为弹性 回弹阶段，方程一般地只能用增量形式来进行表达，如下： d = e 也称为增量胡克定律。所以，当外加载荷达到一定程度时，超过弹性变形量，钢轨除 了会产生可回复的弹性变形外，还会产生不可回复的永久塑性变形。当卸掉载荷以后， 残余塑性变形量如果和钢轨的初始弯曲变形量相当，而且方向相反时弯曲的钢轨可以 被矫直。对弯曲工件进行压力矫直的示意图如图4 - 1 所示： ， 矫直前加压矫直矫直后 图4 - 1 对弯曲工件进行压力矫直过程的示意图 钢轨矫直的弯曲变形过程实际上基本符合材料力学的弯曲条件，变形遵守平截面假设 理论，即钢轨在变形后其横截面仍然保持平面，只是转过一个角度而已，和变形后的 中性层垂直不变。各层纤维的变形和横截面的高度呈线性关系，而且塑性变形是从最 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 置曼曼曼曼曼曼曼量量皇曼曼量曼舅曼曼量曼曼曼量曼曼曼皇曼曼量量曼皇曼i 一舅i 量量曼皇曼曼置鼍 外层纤维开始的嘲1 。通过弹性比可以定量反映钢轨弹塑性变形程度，表达式为： 善= h ，h 其中h 为钢轨厚度，鼠是钢轨弹性区域的厚度。弹性比是中性层附近未发生塑性变形 的纤维层厚度和钢轨整个厚度的比值，表现为孝的值越大，钢轨的弯曲变形越小，善的 值越小，则钢轨的弯曲变形量越大。当善= 0 时，钢轨的整个纤维层厚度均发生了塑性 变形，为极限弹塑性弯曲，当孝= 1 时，钢轨内没有纤维层发生塑性变形，为纯弹性弯 曲。 当弯曲钢轨在加载时由弹性状态进入塑性状态后，其塑性变形过程是非常复杂的， 但是在一般情况下对塑性变形不进行全面的考虑，而是将问题加以简单化，因此本文 将以常用的大韧性中低强度金属( 又称为理想金属) 为研究对象，作下面一些假设啪1 ： ( 1 ) 均匀性假设：钢轨内各质点的组织、化学成分都是均匀、相同，即所有的物 理性能都一样，而且当坐标改变时其性能也不改变； ( 2 ) 连续性假设：钢轨内部均由连续介质组成，应力、应变、位移等物理量都是 连续变化的，可以用坐标的连续函数来表达规律； ( 3 ) 各向同性假设：钢轨内各质点在所有方向上的物理性能、力学性能都是相同 的，不随坐标改变而改变。 4 2 压力矫直工艺参数 对于压力矫直过程工艺参数的研究，主要体现在矫直压力和矫直行程的确定、压点 和支点的调整、确定等几个方面。 ( 1 ) 施力点和支点的确定 为了防止将原本直的地方压弯，在压力矫直时通常施力点的位置选择在最大弯曲挠 度处，即弯曲变形量最大的地方。采用激光位移传感器检测并获得最大挠度。矫直时 两支点应尽量对称分布在施力点位置的两侧，支距越大，所需的矫直力就越小。 ( 2 ) 矫直力和矫直行程 确定了施力点和支点的位置之后需要对矫直力和矫直行程这两个矫直参数进行分 析与确定，在矫直过程中是最困难的部分。进行矫直时，随着矫直力的逐渐增大，弹 塑性弯曲变形程度会逐渐加剧，当载荷加载到一定程度时非常小的矫直力的变化都会 引起较大的挠度变化，因此为了防止过弯现象的出现，控制矫直行程会使矫直精度更 加精确更加可靠。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 4 3 压力矫直过程模型 压力矫直采用三点反弯模型，可以看做是弹塑性反弯的过程。未被矫直前，钢轨具 有初始弯曲变形量瓯，两端简支，中点施加集中载荷f 后产生反向弯曲，反弯量为屯， 钢轨发生弹塑性变形；当卸载载荷后，钢轨有一部分发生了永久塑性变形，变形量为以， 还有一部分为弹性回弹量万，若弹复量正好等于反弯变形量即万，= 氏，则钢轨被矫直。 此时总压下量就是矫直行程为疋= 8 0 + 艿。= 以+ 万，。 由以上可知，矫直的整个弯曲变形过程可用下图4 2 载荷挠度( f 一万) 矫直模型 表示，该模型由上海交大的学者李骏、熊国良等率先提出并应用，有很好的应用效果。 图4 - 2 压力矫直过程载荷一挠度模型 压力矫直的过程包括三个阶段，分别为弹性变形加载阶段( o a 段) 、弹塑性变形 加载阶段( a c 段) 、弹性卸载回弹阶段( c d 段) 。其中载荷e 为弹性极限载荷如图中 a 点对应的纵坐标，是钢轨发生弹塑性变形的起点；只为塑性极限载荷，图中b 点对 应的位置，是矫直允许的最大载荷，b 点对应的挠度( 横坐标) 即为最大矫直行程， 矫直时矫直力应在只和e 之间。由于钢轨具有不同的初始弯曲量，在实际的压力矫直 过程中所需要的矫直参数( 矫直力、矫直行程) 是不一样的。 根据卸载定律，将c d 阶段认为是弹性回弹阶段，由胡克定律，线o a 和c d 近似 平行，具有相同的斜率k ，o a 段发生的是纯弹性弯曲变形，a 点称为屈服点，作为进 入塑性的分界点。通过f j 图可知，在实际应用中只需测量中点的弯曲挠度，即钢轨 的初始弯曲量民，便可确定d 点的位置，已知斜率k ，过d 点作弹性回弹线使其与加 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 载曲线相交，交点c 的横坐标对应的万。，也就是所需的矫直行程，交点c 的纵坐标即 为所需的矫直力疋。 4 4 有限元分析方法 有限元法也可称为有限单元法【3 7 1 ，英语全称为f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，它是一种现 代计算方法，伴随着计算机的迅猛发展也迅速发展起来的。一开始是对固体力学问题 进行数值计算的，但是后来在英国科学家的努力下将有限元法推广到各类场问题的数 值求解，用来解决多种连续性问题，比如电磁场、温度场、流场等。有限元法是计算 机辅助工程和计算机辅助设计的重要组成部分，实际工作中解决了多种物理数学问题 和工程问题，效果良好。 有限元法是一种很常用而且非常有效的数值方法，原理是将连续体离散化很多个单 元体的集合，来求解连续体力学问题。有限元分析方法的一般求解过程如下： ( 1 ) 结构的离散化； ( 2 ) 单元分析； ( 3 ) 求解近似变分方程； ( 4 ) 求解节点变量； 目前，国际上比较著名的有限元分析软件有很多种，比如a n s y s 、m a r e 、a b a q u s 、 c o s m o s 等，这些软件如今已被广泛应用于机械制造、汽车、航空航天、国防、冶金等 各个工业领域【3 4 。5 1 ，有限元分析已经变成专门的学科，发展日益成熟。 有限元法具有很强的实用性，主要体现在以下个方面： ( 1 ) 建模功能非常强大，可以对规则形状的工件、不规则形状工件和复杂截面工 件进行模拟分析计算； ( 2 ) 材料的属性可以通过不同的应力应变模型来反映。比如在a n s y s 中，可以选 用m k i n ( 多线性随动强化) 来定义复杂的弹塑性材料模型，用b k i n ( 经典双线性随 动强化) 可以定义理想弹塑性材料模型或者是线性强化弹塑性材料模型； ( 3 ) 可以在工件的不同部位来定义不同的材料性能参数，非常适用于材料性能不 均匀的工件。它具有很强的适应变化能力和参数反映能力，为了得到高精度的计算结 果，只要定义好材料属性并将参数准确输入即可。 在实际应用过程中，有限元分析方法也有很多不足的地方。非常需要较高配置的计 算机设备，因为计算过程占用非常多的运算空间和时间，也需要借助有限元模拟分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 软件，前后处理工作量比较大。有限元分析法和有限元分析软件不适合在钢轨四向调 直机上直接使用，但作为辅助分析手段【3 叼可以通过模拟分析，将得到的处理结果作为 参考，为钢轨四向调直机的理论研究和实验研究提供方便。 4 4 1a n s y s 软件的简介 a n s y s 公司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授j o h ns w a n s o n 博士 于1 9 7 0 年创建发展起来的，总部设在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，目前是世界上c a e 行业最大的公司。 a n s y s 软件有前处理、分析计算求解、后处理三大模块。在前处理模块里用户可以 方便准确的构造工件的有限元模型，因为它具有强大的网格划分工具和实体建模工具； 在分析计算求解模块里可以对结构、流体动力学、电磁场、声场等多种物理场进行耦 合分析，而且具有优化分析和灵敏度分析的能力；后处理模块可将计算结果显示出来， 显示方式具有多样性，可以以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、 立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示，同时也可以将计算结果以图表、 曲线形式输出和显示【3 8 1 。 4 4 2 钢轨的非线性问题 钢轨矫直过程在进行模拟前，由于要定义材料的属性，涉及到非线性问题，简单介 绍一下钢轨变形行为的塑性理论。主要包括屈服准则、强化准则和流动准则等，钢轨 矫直问题主要考虑前两个准则。 ( 1 ) 屈服准则 屈服准则通常也称为塑性条件或屈服条件，是判断材料在弹性塑性状态还是塑性状 态的依据。在不同的应力状态下，变形体某点进入塑性状态并使塑性变形继续进行， 各应力分量与材料性能之间必须符合一定的关系，这种关系成为屈服准则。屈服准则 决定了材料开始屈服时应力水平的高低，对于复杂应力状态，屈服应力是各应力分量 的函数，也可以用等效屈服应力以来表示： 吒= ( p ) 其中，p 为应力分量。当等效屈服应力和材料的单向屈服应力相等时，有： 厂 p ) ) - ：o s 此时材料将发生塑性变形。当仃。 - _ 6 ： r x 目 口 峥 3 9 一露葡o 9 3 辱 离 q 譬 中和簟【65 足4 中心蛙 譬中心曩 器 。窜 一 r 枷l 另 加j i 撼甍 8 1 _ f1 ：9 _ l 鞠l 陶为| 9 1 乌 i 嚣：到蛰鼙 图禾36 0 轨横截面尺寸图 4 4 5 材料参数的确定 图4 46 0 钢轨的a n s y s 截面图 a n s y s 提供了多种塑性材料的模型，而钢轨压力矫直涉及到材料非线性问题，那么 可以从a n s y s 中找到合适的模型。由于压力矫直产生的挠度变形相对于跨度来说是非 常小的，属于小变形问题，本文所选的塑性材料模型双线性随动强化( b n ) ，它适 用于初始为各向同性材料的小变形问题服从m i s e s 屈服准则。对于u 7 1 m n 钢轨，选取 弹性模量为e = 2 2 0 g p a ，泊松比为0 3 ，屈服应力为o = ，切线模量为s 5 5 0 m p a e ，= 6 0 0 0 0 m p a 。选择了s o l i d 4 5 单元作为模拟的单元格类型，该单元具有8 个节点， 每个节点都有3 个沿着x 、y 、z 方向平移的自由度，而且单元具有塑性、蠕变、膨胀、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 应力强化、大变形和大变形能力3 9 1 等功能，非常适合三维实体的有限元模拟。双线性 随动强化弹塑性材料模型应力和应变关系如下图4 5 所示： 4 4 6 网格划分 图4 5 钢轨b k i n 模型的应力应变关系图 选择合适的网格尺度和单元能保证所需的计算精度，又能提高模拟计算的效率【4 0 。 网格