（材料加工工程专业论文）钢轨数控式火焰正火机的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 当今世界铁路发展趋势是货运重载化，客运高速化，需大量铺设跨区 间无缝线路。在无缝线路铺设和维修过程中，正火是整个工艺过程中不可 缺少的重要工序。目前钢轨现场焊后的火焰正火设备自动化程度低，正火 工艺采用手动摆火操作，以及人工测温控制正火时间，人为因素对正火质 量影响很大，因而研发新型的正火控制技术及设备，对于提高我国无缝线 路质量具有重要意义。 本文在分析国内外钢轨气压焊火焰正火技术的基础上，针对正火质量 不稳定的问题，采用有限元分析软件砧婚y s 对钢轨气压焊后正火温度场 进行了模拟计算；采用p l c 为控制核心，设计了控制齿轮齿条传动机构、 摆幅检测与比较的控制程序和控制电路，实现了正火过程摆幅、摆频的程 序控制：采用质量流量控制器 心c ) 的程序控制，实现了氧、乙炔气体配 比与流量的精确控制；研制成功了一套适用于无缝线路现场钢轨正火的新 型设备。 结果表明：采用a n s y s 有限元软件模拟计算钢轨正火温度变化规律， 与实测温度的误差为6 0 - - 1 0 0 c ：齿轮齿条传动式加热器摆幅调节范围 宽( 2 0 m m - - - - 8 0 m m ) ，加热器换向频率( 1 次s , - - , 2 獭) ，摆频、摆幅柔性 控制调节性能好；数控正火焊头的落锤和静弯性能优于手动正火；数控正 火机工艺参数可任意预置，减少了人为因素，降低了劳动强度，工作稳定 可靠，操作方便，能满足无缝线路现场焊头正火质量要求。 关键词：钢轨；正火；数字控制：有限元模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t t h et r e n do f r a i l w a yd e v e l o p m e n t i st o i m p r o v el o a d 吨a n ds p e e d n o w a d a y s al o to fc o n t i n u o u sr a i l w a y si sn e e d e d t h en o r m a l i z i n gi so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tw o r k i n gp r o c e d u r e si nt h eb u i l d i n ga n dm a i n t a i n i n go fr a i l s a t p r e s e n t , t h eq u a l i t yo fn o r m a l i z i n gi s u n s t a b l eb e c a u s et h ef a c i l i t yo ff l a m e n o r m a l i z i n gw a gw e a ki na u t o m a t i c , n o r m a l i z i n gw a go p e r a t e db ym a n u a l i ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pn e wt y p eo fc o n t r o l - t e c h n i q u ea n de q u i p m e n t i nn o r m a l i z i n gt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fc o n t i n u o u sr a i l w a y a f t e ra n a l y z i n gt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a st c c l m o l o g yo ft h ef l a m e n o r m a l i z i n gi ng a sp r e s s u r ew e l d ，t h eg r e a tf l u c t u a n ti nq u a l i t yo fn o r m a l i z i n g r e s e a r c hh a gb e e nd o n e t h en o r m a l i z i n gt e m p e r a t u r ef i e l do fw e l d e dr a i l sw a s s i m u l a t e db ya n s y s t h ec o r eo fc o n t r o lw a gp l c ，d r i v i n gm a c h i n ed e s i g n e d w a sg e a r - a n d - r a c k , c i r c u i ta n dp r o g r a mf o rc h e c k i n ga n dc o m p a r ei nr a n g eo f s w i n gw a sa l s od e s i g n e d ra c h i e v e dt h ec o n t r o lo fr a n g ea n df r e q u e n c yo f n o r m a l i z i n g t h ep r e c i s i o nc o n t r o lo ft h em a t c ha n df l u xo fo x y - a c e t y l e n ew a s c a r r i e do u tu s i n gm a s sh u xc o n t r 0 1 an e wn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n to f n o r m a l i z i n gw h i c ha p p l i e d i nc o n t i n u o u s r a i l w a y h a sb e e n s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e na c t u a l m e a s u r e m e n ta n ds i m u l a t i o nb ya n s y sw a sf r o m6 0 t o1 0 0 1 2 ，t h er a n g eo f s w i n gc o u l db ea d j u s t e df r o m2 0 m mt o8 0 m m ，t h ef r e q u e n c yo fr e v e r s i n gg e a r w a sf r o m1 st o2 s d i g i t a ln o r m a l i z i n gw a s s u p e r i o rt h a nm a n u a ln o r m a l i z i n g i nt h ec a p a c i t yo fd r o ph a m m e ra n ds t a t i cb e n d i n g t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e ro f m a c h i n ec o u l db ei n i t i a l i z e d i te n h a n c e dt h e , e f f i c i e n c yo fs u c c e s s f u l n o r m a l i z i n g , o p e r a t e dc o n v e n i e n t l y , s t a b l y a n dr e l i a b l y , i m p r o v e dw o r k c o n d i t i o n s ，r e d u c e dw o r k l o a da n di n s u r e dt h eq u a l i t yo fn o r m a l i z i n g k e yw o r d s ：r a i l ：n o r m a l i z i n g ：d i g i t a lc o n t r o l ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 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。当今世界铁路 发展趋势是货运重载化，客运高速化，由此需大量铺设跨区间无缝线路。 为适应铁路的跨越发展，满足提速要求，必须大力发展高速重载轨道建设 工程急需连接新技术和新装备1 1 , 2 j 。 根据我国铁道标准钢轨焊接t b t 1 6 3 2 0 5 规定：无论是闪光焊还 是气压焊接头。由于钢轨焊接接头焊后组织晶粒粗大，韧性、塑性低，疲 劳寿命短，是铁路线路的薄弱环节，因此焊后必须采用正火处理，保证焊 头金属强度、塑性和韧性达到母材相当水平，提高焊头的硬度、耐磨性， 消除内应力，保证铁路行车安全。目前我国现场钢轨焊后正火设备简陋， 自动化控制水平低，全是采用人工手动摆火、人工送气、人工测温控制加 热时间。因此，钢轨正火过程受人为因素影响很大导致正火质量波动大。 本文的主要研究内容是： 一、针对钢轨现场焊后正火热处理存在的问题，开发研制出适合各种 轨型的新型钢轨数控正火设备； 二、开发控制系统的p l c 程序，实现正火参数：氧、乙炔流量的配比、 加热器摆幅和正火时间的实时设置、在线修改等功能。 三、钢轨气压焊正火温度参数采集试验； 四、运用a n s y s 软件对钢轨气压焊正火温度场进行数值模拟； 五、优化正火参数，以期得到质量最好的钢轨气压焊后正火接头。 总之，研发出新型钢轨火焰正火设备，对于提高钢轨焊接效率和焊接 质量，提高我国铁路建设的自动化水平，加快我国铺设无缝线路的步伐， 保证铁路运输的快速稳定发展，都具有十分重要的现实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 第2 章文献综述 2 1 现场焊接工艺设备 目前，长钢轨现场焊接的主要方式为闪光焊、气压焊、铝热焊。闪光 焊和气压焊接头为致密锻造组织，接头韧性好p 】。 2 1 1 闪光焊 目前，我国主要引进国外钢轨闪光焊机，有固定式和悬挂式类型。悬 挂式焊机既可用于工厂或基地焊接长轨条，又可安装在焊轨作业车上，在 现场进行焊接，应用范围广。我国应用最多的钢轨焊机有g a a s 8 0 、a m s 6 0 闪光焊机和k 1 9 0 n k 、k 9 0 0 闪光焊机 3 1 。闪光焊接头伤损率低，接头质量 可靠，效率高，但设备投资大，现场焊接后，接头采用中频正火处理困难， 通常采用火焰正火，这样投资少，耗电少【4 】。 2 1 2 气压焊 钢轨气压焊是利用氧、乙炔气体火焰加热钢轨接头，并施加足够的压 力，形成冶金连接接头的一种固态焊接方法【5 】。其优点是一次性投资小， 无需大功率电源，设备重量轻，占地面积小，但缺点是焊前和焊后均需要 对接头进行严格处理。传统的钢轨气压焊焊接过程完全为手工操作，需要 多名熟练技术工人相互配合方能完成，由于焊接质量受人为影响囡素大 1 6 ，一次焊接成功率较低，生产率不高。由西南交通大学焊接研究所最新 研制成功的数控式小型气压焊轨机，将数控技术应用于气压焊轨工程，减 少和消除了人工操作所造成的质量波动现象，降低了断轨率，提高了我国 气压焊自动化控制水平。 2 1 3 铝热焊 铝热焊一般是指利用金属氧化物和铝之间的铝热反应所产生的热量， 进行熔融金属母材、填充接头而完成焊接的一种方法。铝热焊接所用工具 设备简单、投资小，操作简单，无需电源，安装速度快。铝热焊技术在实 现道岔某些部位的小空间焊接时较为方便。其缺点是焊缝金属为较粗大的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 铸造组织，性能较差。如果对焊接接头进行焊后热处理，则可使其组织有 所改进，从而改善焊接接头性能。与闪光焊、气压焊相比，铝热焊正火， 必须使用专用的保温箱和封砂箱【4 。 2 2 现场钢轨焊头火焰正火工艺设备 2 2 1 火焰正火工艺 我国钢轨钢材的金属含碳量0 6 8 - 0 8 0 t ，属亚共析钢中的高碳 钢，这种成分的金属在加热后，晶粒迅速长大，当加热至焊接温度时，基 本处于l 级晶粒度，属于奥氏体过热组织，焊接熄火后，在空气中迅速冷 却的条件下保存下来。该粗晶奥氏体组织的特征是塑、韧性及强度很低， 硬而脆，无法在线路上应用，必须采用热处理方法来消除，对亚共析钢， 最适宜的是完全退火，细化、均匀晶粒，提高强度、塑性和韧性，降低硬 度又能减少或消除内应力，此法需较长时间和必要的设备，现场难于实施。 与其同属一个范畴的正火工艺，仍可得到珠光体组织，晶粒更细，弥散度 更大，因而其强度、韧性、抗冲击性能都高于退火处理得到的组织，而且 工艺操作简便，时间短，设备简单，便于现场施工使用【7 1 0 1 。正火热处理 工艺可使焊缝处硬度均匀化，适当降低和去除一部分内应力，提高焊缝处 的强度，延伸率能提高2 3 ，冲击功则可提高4 j 5 j 【1 1 , 1 2 】。 钢轨正常正火与现场正火工艺曲线见图2 1e 4 】所示。 p 型 赠 2 率t n s 图2 一l 正火工艺曲线示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 钢轨正常正火工艺：按照铁一碳状态图，常温状态下将温度提高到a c 3 以上3 0 5 0 ，即8 2 0 - - - , 8 4 0 c 左右，经保温，使内外温度均匀后， 在空气中冷却，亦可采取吹风及喷雾冷却，得到7 8 级的晶粒度，即达 到正火的目的。 钢轨焊后正火工艺：由于在现场作业，无相应的保温设备，因此采取 瞬时过热的工艺措施来解决，即采取较高的加热温度，使之能在不保温的 情况下，粗晶组织尽可能转化为细晶组织，达到奥氏体化目的，以改善钢 轨接头的性能【1 1 l 。 1 正火起始温度 按照我国铁路标准钢轨焊接t b f r l 6 3 2 2 0 0 5 规定：当焊接接头温 度降至4 5 0 - 5 0 0 时必须正火。图2 2 为钢轨火焰加热时，轨顶表面 及轨头中心焊接及空冷的温度变化曲线。加热时，轨头表面与心部温差为 1 2 0 - - 1 5 0 ，表面温度高于心部，极不均匀。当心部温度达到7 0 0 7 1 0 c 时，珠光体开始转变成奥氏体，钢轨产生吸热反应，加热速度减慢， 到7 5 0 相变结束，继续加热转变成单相奥氏体。冷却时表面温度低于心 部，温差相对较小，当接头冷却至6 5 0 1 c 左右时，发生相变，组织由奥氏体 转变为珠光体，放热温度有所回升。6 l o 时完全转变为珠光体，焊后接头 正火前钢轨整体必须低于6 1 0 才能开始正火加热，如果在此温度以上就 开始加热，旧奥氏体晶粒将继续长大，无法达到正火目的。继续冷却至5 0 0 时温差仅1 0 - 2 0 c 。因此，冷却时控制钢轨温度应以轨顶表面为主，特 别是焊接后确定正火开始时间，应以轨顶表面温度来确定【1 3 。 l o g p 8 0 0 簧7 0 0 蛳 5 0 0 枷 1357叠j i 璩培 时间, , i n 图2 2 轨顶表面及心部温度变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 待焊缝区轨顶面冷却到4 5 0 5 0 0 时，应立即正火，否则在热影响 区将产生马氏体组织和冷裂纹，使钢轨性能下降i 堋。若正火起始温度很高， 此时钢轨心部温度也很高，焊缝区晶粒粗大，受热后会继续长大，影响接 头的性能；若正火起始温度很低，加热时间长且内外温差较大，导致钢轨 表面温度己达要求，而心部温度却未达到，达不到正火的目的 现场通常采用g d 型光电测温仪器或红外测温仪来测定钢轨表面的温 度，确定钢轨接头的正火开始时间。 2 正火火焰 火焰的选择对正火质量影响很大。通常采用微碳化焰( 微还原焰) 进 行火焰正火，这种火焰柔和，加热时间稍长，内外均温性良好，组织的均 匀化程度较好通过降低燃烧比户。或降低供气量的办法实现微碳化焰 火焰的外形和构造及其温度分布，主要由燃烧比决定，见式2 - - 1 。改 变卢。值的大小可以得到不同性质的火焰( 氧化焰、中性焰和碳化焰) 用 氧、乙炔火焰加热钢轨时，通常采用热效率比较理想的“微还原焰嗍， 燃烧比通常取p o - - 0 7 1 1 嗍。 矿 风一子( 2 - - 1 ) y 一 式中 卢。一燃烧比： y 七氧气的体积： 圪可燃气体的体积 3 加热温度 钢轨接头的正火温度为8 7 0 9 2 0 ( 2 ，不保温，当钢轨轨温升高到此 温度时便熄火，使其在空气中自然冷却 4 加热器的摆动方式 正火时，加热器摆动方式有两段摆动和均匀摆动法，其正火工艺参数 见表2 1 。 ( 1 ) 两段摆动法 第一阶段以焊缝为中心，摆幅为4 0 r a m ，加热时间从0 - 一9 0 1 2 0 s 。采 用小摆动量，使焊缝的粗大晶粒区迅速升温。第二阶段摆幅为6 0 r a m 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 8 0 m m ，加热时间从9 0 1 2 0 一1 5 0 1 8 0s ，摆动频率为3 5 次m i n 左右，加热 器要迅速通过焊缝且在两端略加停顿。由于加热器在两端具有停顿时间， 所以两端的升温速度比第一阶段快，以改善热影响区的性能，同时起到对 中间焊缝区的保温作用，尽可能充分地完成晶粒细化。 ( 2 ) 均匀摆动法 加热器摆动幅度始终是一个固定值，以焊缝为中心，总宽度为6 5 r a m 。 表2 1 正火加热器摆动参数【5 】 2 2 2 钢轨现场正火设备概况 目前现场钢轨焊后正火设备主要包括加热器、手钩式摆火架、气体控 制箱和水冷装置，由三名工人协调配合操作，完成钢轨焊后正火。 1 加热器 加热器是乙炔、氧气混合燃烧的一种专门装置，它的作用是使钢轨焊 缝加热到正火所需温度。加热器内部含有气路系统和水路系统。 按加热器的工作原理可分为射吸式、等压式和综合两者特点的强混式 加热器。从其结构特点可分为对开式和开启式两类。而对开式加热器又分 为单混合室和双混合室两类。开启式加热器都是单混合室的结构。 图2 3 对开式加热器示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 对开单混合室加热器的气路系统是对称分布的。两侧的混合气都是由 同一混合室供给，因此保证了两侧混合气质量的均匀性，火焰质量较高。 对开双混合室加热器的气路也是对称布置的，但两侧体的混合气分别由各 自的混合室供给，受混合室和外部条件的影响，难以保证两侧混合气质量 的一致性。目前用得较多的加热器是对开射吸式加热器( 见图2 - 3 ) 。 加热器的好坏直接影响到焊缝的温度场分布，从而直接影响到钢轨的 焊接质量【4 7 】。钢轨形状复杂，截面面积大，钢轨气压焊温度高( 1 3 0 0 c 以 上) ，焊接时间长( 5 6 m i n ) ；正火过程中，正火温度达到9 0 0 左右，正 火时间3 3 5 r a i n ，要求加热器各部位火孔大小、数量随钢轨形状和截面尺 寸的变化而变化，其火孔直径大小应适度，数量充足，焊接火焰分布合理， 能率大，保证钢轨加热迅速而均匀。 2 摆火机构 钢轨焊后正火热处理采用大功率的加热器，将钢轨加热至表面温度 8 7 0 - - 9 2 0 后，自然空冷。若采用固定火焰对钢轨加热，则会出现钢轨 表面熔化、心部达不到正火温度的不良现象。手动正火时，加热器放置于 手钩式摆火架上，由两个工人来回拖动手钩，从而实现火焰的来回摆动加 热，完成接头的正火处理。 3 流量控制箱 气体流量控制箱，是在焊接和正火加热时控制氧气与乙炔气体的流量 和配比，以保证加热器的火焰达到稳定和所要求的功率强度，满足焊接和 正火要求的装置。根据使用要求，分为单喷射器双流量计式和双喷射器四 流量计式两种。两种流量控制箱输入的气体压力一样，后者流量是前者的 一坐1 4 , 5 1 _ l _ -o 2 3 正火自动化相关技术 正火自动化技术属于机电一体化技术范畴，是机械学、控制工程、计 算机技术、热处理技术等多学科综合发展的产物，是利用多学科方法对热 处理过程进行设计和优化的一种集成技术。 2 3 1 机械技术 机电一体化机械系统要求精度高、运动平稳、工作可靠【1 5 】。对于绝大 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 多数的自动化产品，机械技术在质量、体积等方面都占有很大一部分，如 原动机、工作机和传动装置等。这些机械结构的设计和制造问题，都属于 机械技术范畴。除了要充分利用传统的机械技术外，还要利用精密加工技 术、结构优化设计方法等；运用新型复合材料，以便使机械结构减轻重量， 缩小体积，改善在控制方面的快速响应特性：通过使零部件标准化、系列 化、模块化来提高其设计、制造和维修水平【1 6 】。 2 3 2 传感技术 传感技术的核心是传感器。传感器按照一定的精度将被测量转换为与 之有确定对应关系的电信号，通常由敏感组件、转换组件和转换电路组成。 传感器种类很多，如有位移、压力、流量、温度、湿度、气体、声音、亮 度等传感：器 1 6 1 7 】。 2 3 3 信息处理及接口技术 信息处理技术指在机电一体化产品工作过程中，利用电子计算机及其 外部设备对工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、 变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。这里所说的电子计算机包括 工控机、单片机和可编程控制器等f 1 5 , 1 6 。 在自动化系统中，计算机与外部设备( 如执行机构、传感器、动力源和 人机交互设备等) 之间的连接和信息交换环节称为接口，接口功能的实现除 硬件电路外，还应包括相应的接口软件( 驱动程序) ，通常通过接口硬软件的 结合来实现接口任务。接口的作用是把外设输入和计算机输出的格式进行 转换。使计与外设之间信息的传输速度相互匹配：在计算机与外设之间对 传输信息进行缓冲和对信号电平进行转换等【1 6 ，1 7 】。 2 3 4 自动控制技术 自动化产品可使用多种控制策略，比如：p i d 控制，鲁棒控制，预测 控制，自适应控制，模糊控制，专家控制和神经网络控制等技术。自动控 制功能不断扩大，使产品的精度、效率得到了迅速的提高。而且能及时发 现故障，并能自动切换，可减少停工时间，提高产品的有效利用效率，应 用自动控制技术可使产品在各种情况下优化运行【1 6 , 1 7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 3 5 系统总体技术 系统总体技术是一种从全局角度和系统目标出发，用系统的观点和方 法，将系统分解成若干相互有联系的功能单元，找出能完成各个功能的技 术方案，并进行分析、评价和优化的综合应用技术。系统总体技术涉及到 许多方面，如接口技术、模块化设计技术、整体优化技术、软件开发技术、 微机应用技术和成套设各自动化技术等【1 6 ，1 7 1 。 2 4 有限元模拟分析技术 2 4 1 数值模拟技术在焊接中的应用概况 数值模拟是指利用一组数学的控制方程来描述一个过程的基本参数的 变化关系，采用数值方法求解，以获得该过程或一个过程的某一方面的定 量认识。换言之即对过程进行动态模拟分析，并在此基础上判断工艺或方 案的优劣，预测缺陷，优化工艺等【1 8 , 1 9 。目前在实际工程应用中，常用的 数值求解方法有：有限元法、有限差分法、边界元法等。 随着数值计算理论和计算机技术的发展，采用大型数值模拟软件对焊 接热传导分析已达到较成熟的地步，可较方便地实现三维瞬态焊接温度场 的数值分析。差分法和有限元法都可用于分析焊接热传导问题，有限元法 概念清晰、单元网格划分形象直观、不受物体几何形状、边界条件和物理 特性的限制、适用性强、灵活、易掌握。有限元法能灵活地满足复杂焊接 现象的各种边界条件，可将传热分析、热应力场和应变场统一起来啡。 有限元法是随着计算机的发展而广泛应用的一种有效的数值计算方法，在 国内外开始陆续出现了许多商业化的有限元分析软件，并已引入到焊接的 温度场、焊接应力与变形预测、焊接冶金和焊接接头组织性能预测、焊接 过程模拟等问题的研究分析当中【2 2 删。 2 4 2 温度场有限元模拟计算理论基础 1 热分析理论 根据传热学理论，热的传递有传导、对流和辐射三种基本形式闭。 ( 1 ) 热传导 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 热传导是指完全接触的两个物体间或一个物体的不同部分由于 温度梯度而引起的内能的交换。 ( 2 ) 对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存 在引起的热量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。 ( 3 ) 辐射 热辐射指物体发射电磁能，被其它物体吸收转变为热的热量交换过 程。在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体 同时辐射并吸收热量。 焊接和正火时焊件是局部受热，焊件中存在很大的温度差。在焊件内 部和焊件与周围介质之间都会发生热能的流动，即热的传递过程。研究焊 接和正火温度场以热传导为主，同时适当考虑对流和辐射的影响【2 m 8 1 。 2 有限元的基本方程 焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。正火则是 在其冷却到一定温度时，再局部进行二次加热至较高温度，并随后冷却。随 着热源的移动，整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性 能也随着温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变时的潜热现象。因此，焊 接和正火温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题 2 ”7 1 。 非线性瞬态热传导问题的控制方程为： 印i 8 t - - ac 彳a 。t ) + 昙m + i 8 【z i 8 t ) + 奎 ( 2 埘 。&跏积7两、咖7昆、瑟7 。 式中c 材料比热容( j k g k ) ；p 材料密度( k g m m 3 ) ； a 导热系数( w m k ) ：r 温度场分布函数； q 内热源( w m 3 ) ：f 传热时间( s ) 。 上述参数中，五、p 、c 均随着温度变化而变化。 焊接和正火温度场的计算过程中通常用到以下两类边界条件： ( 1 ) 已知边界上的热流密度分布 五罢n x + 五娶n r + 五娑刀：= 纵训，硝) ( 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 ( 2 ) 已知边界上的物体与周围介质间的热交换 旯罢+ 五罢确，+ 兄娶如= 尸( 瓦一i ) ( 2 4 ) 哳 哕 昵 式中 g 。单位面积上的外部输入热源( w m 3 ) ： 表面换热系数( w m 2 ) ； 周围介质温度( ) ； z 已知边界上的温度( ) ： 甩葺、刀y 、刀：边界外法线的方向余弦。 3 有限元分析软件a n s y s 目前，在工程领域应用最广泛的数值模拟方法是有限元法，有限元计 算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的有效手段。其中a n s y s 已 成为目前计算机辅助工程与工程数值模拟领域中最有效的软件。a n s y s 有 限元分析软件能够进行结构、热、声、流体、电磁场等学科的研究【2 9 州。 a n s y s 软件包括3 个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可方便的构 造有限元模型，分析计算模块包括机构分析( 线性分析、非线性分析和高 度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁分析及其耦合分析，可模拟多种物 理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析。后处理器又分为通用后 处理器和时间后处理器。前者用于观察在给定时间内整个模型的结果，后 者用于观察在模型中指定点处呈现为时间函数的结果，后处理可将计算结 果以彩色等值显示、梯度显示、曲线显示或输出【3 0 】。 4 基于a n s y s 软件的温度场计算步骤 ( 1 ) 前处理 建立几何模型 几何模型的形状由焊件的形状、尺寸大小和载荷施加方式及热源在焊 件内的传导方式所决定。对于钢轨气压焊，由于焊接接头形状复杂，且在 厚度方向上温度场分布不均匀，需建立三维模型计算温度场【2 】。 定义材料属性 由于焊接及正火温度场的模拟计算属于非线性瞬态热分析，所以须给 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 定随温度变化的热物理性能参数：钢轨材料的比热容c d 、导热系数k 和密 度p 。 指定单元类型和网格划分 在本文研究的钢轨气压焊中，采用连杆机构带动加热器，焊接和氧、 乙炔火焰是集中在以焊缝为中心、加热宽度约为2 0 m m 的范围内，因此其 网格划分与焊接相同。为提高计算的精度以及计算的速度和容量，在加热 区域的网格划分的细密一些，其它部分可划分得相对稀疏些。 ( 2 ) 加载计算 载荷的旋加 对于模拟钢轨气压焊的焊接和正火温度场，熟源载荷选择以热流密度 的形式施加。钢轨焊后自然冷却时，考虑辐射加载。当冷却到一定温度对， 再进行二次加载( 正火) ，加载的热源仍然以热流密度形式施加。 边界条件的处理 正火温度场的计算属于瞬态热分析，需将加载经辐射之后的焊接温度 场作为初始条件。焊件与周围介质的对流换热通常会损失一部分热量，但 对于在空气流动较小的情况下，对流换热系数很小，所以对流换热对结果 几乎没有影响，可以将其忽略。但在将热源作为热流密度的形式施加时， 应将对流换热考虑进来，避免计算结果出现不定值【3 l 】。 ( 3 ) l 后处理 后处理是查询计算结果，并对计算结果进行处理。在通用后处理p o s t l 中，可查看整个模型在某一载荷步或子步的计算值，如某一时间点钢轨接 头各点的温度值。时间后处理p o s t 2 6 中，可查看某点的值随时间变化的 状况，如整个正火过程中，某点的温度随时间如何变化。若要查看钢轨接 头整个正火过程中温度的动态变化，则可运用a n s y s 的动画显示技术。 在后处理中可通过列表和绘图的形式显示查询结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章正火温度场测试模拟及分析 在我国既有线路提速工程中，钢轨现场焊接通常采用气压焊接法。本 章对气压焊接后的接头正火温度参数进行采集，采用a n s y s 软件模拟其 正火温度场，并对温度测试和模拟结果进行对比分析。 3 1 正火温度测试 3 1 1 测试条件 采用连杆机构带动加热器，对钢轨接头进行加热，采用镍铬镍硅k 型 熟电偶测量钢轨焊缝处火焰加热表面与心部的温度，采用三菱p l c 温度模 块将热电偶采集的温度模拟量转换为数字量，通过r s 2 3 2 串口与上位机通 讯。其系统组成见图3 1 。 图3 一l 钢轨接头火焰正火温度测试系统 1 测温点的选择 本试验采兵 6 0 k g mu 7 1 m n 钢轨，温度测量位置和点数见图3 2 ，共测 量八路温度，表面温度共三点( 轨项、轨腰和轨角表面) 采用储能 焊机将热电偶焊在钢轨表面。为防止钢轨加热时火焰直接接触热电偶，导 致其烧毁，在热电偶表面覆盖上刚玉瓷管。心部温度共五点( 轨头、轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 腰、轨脚左右和三角区) ，它们是在钢轨焊口断面上沿纵向打斜 孔后将热电偶嵌入钢轨内部。 左轨脚0 鄂 三角区中心 轨腰心部 轨头心部 右轨脚心部 轨角表面 轨腰表面 轨顶表面 图3 2 钢轨正火温度测试点位置 2 热电偶的选型 标准化热电偶分贵金属热电偶和廉金属热电偶。气压焊焊接时，钢轨 焊缝心部温度一般不会超过1 2 0 0 c ；焊后正火时，温度不应超过9 5 0 c i s ， 若选择贵金属热电偶测温，则花费很多。因此试验中选用廉金属热电偶测 温【4 5 舯】。选用镍铬一镍硅k 型熟电偶，满足测量要求。采用k 型热电偶的测 温误差主要由冷端温度引起的误差( 士o 1 6 m v ，约士4 ) 、补偿导线匹配的 误差、热交换所引起的误差、热电偶不均质引起的误差和温度信号转换引 起的误差等组成。 降低系统测温误差的方法：采用专用的k 型热电偶补偿导线进行温度 冷端补偿；为了减少k 型热电偶引起的热交换误差，选用鳓4 m m 的热电 偶；温度信号转换模块f x 2 n 2 l c ，其转换误差为士1 。 3 温度采集模块的选择 采用三菱p l c 温度模块f x 2 n 2 l c 进行温度测量。该模块是一个可以 从热电偶和铂电阻处读取温度信号的特殊模块，它具有两个温度输入点和 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 两个晶体管输出点，各通道之间相互独立。该模块可以通过编程进行数据 的读写功能，而且本身自带了p i d 算法，不需要通过编程来实现p i d 控制。 4 采集系统的设计 由于温度控制模块f x 2 n 2 l c 只有两个温度采集通道，即每次只能同时 采集两个点的温度，为此需要设置多路选通开关，在本试验中采用继电器 作为选通开关。采用v i s u a lb a s i c 编程技术控制p l c 与上位机的通信，同 时对所采集的数据进行存储、处理和绘图。 5 试验条件 试验过程中，焊接及正火参数见表3 1 。 表3 1 试验用u 7 1 m n ( 6 0 k g m ) 钢轨焊接及正火参数 3 1 2 测试结果及分析 本试验将焊接加热时间为4 1 0 s 、正火加热时间为4 1 0 s 时所测得的、 、处心部温度数据，绘制出曲线示意图见图3 3 、图3 4 和图3 - - 5 。 1 轨头和轨底心部的温度变化曲线 由图3 3 中的曲线看出：钢轨接头的轨头和轨底心部在加热焊接、空 冷、正火加热和空冷过程中的温度变化。由于轨头的厚度大于轨底厚度， 所以其温度变化比轨底缓慢。在焊接加热区域l 中，可以看出当钢轨加热 到7 0 0 c 7 1 0 时，钢轨金相组织开始从珠光体向奥氏体转变，由于相变 吸热，加热速度减慢，至7 5 0 1 2 相变结束。在焊接空冷时段2 中，可以看 出当温度下降到6 5 0 c 时，钢轨金相组织开始从奥氏体向珠光体转变，温 度出现少量的回升，然后缓慢降低，降到6 1 0 以下时，钢轨金相组织已 完全转变为珠光体。此测量结果与文献【1 3 】结论相吻合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 3 焊接加热、空冷、正火加热和冷却温度时间曲线图 钢轨接头的正火属于二次加热过程。其温度变化实测结果如何，文献 报导极少。由图3 3 看出：在正火加热时段3 ，轨头心部温度接近7 5 0 ： 空冷时段4 ，接头在冷却至6 5 0 1 3 时同样也发生了相变。表明试验采集的数 据可信度较高。 2 心部各部位焊接空冷时段温度变化曲线 图3 4 中曲线显出钢轨心部各部位在焊接加热后的空冷过程中的温 度变化规律。冷却过程中产生了相变过程。轨脚心部4 最薄，冷却速度最 快：轨头心部3 是钢轨最厚部位，冷却速度最慢。 图3 4 钢轨心部各部位焊后空冷时段温度一时间曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 心部各部位正火加热及空冷时段温度曲线 图3 5 为钢轨接头的心部各部位正火加热和冷却时的温度变化曲线。 正火加热过程中，轨头的温度变化最缓慢，其原因在于轨头体积大，完全 靠热传导传热，升温或冷却速度较慢。在正火加热过程中，心部各部位温 度相差5 0 2 0 0 ；冷却过程中，温差仅为2 0 5 0 。 图3 5 钢轨心部各部位正火加热及冷却时段的温度一时间曲线 3 2 正火温度场模型及模拟计算 3 2 1 模拟计算条件 本文模拟计算所采用的正火工艺参数见表3 - 1 ，材料热物理性能参数 【3 2 3 3 】见表3 - 2 。 表3 - - 2钢轨材料热物理性能参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 2 2 温度场模型及计算过程 1 建模与网格划分 本次试验中，由于受试验条件所限，焊接和正火加热都采用连杆机构 控制摆火，所以正火温度场与焊接温度场的建模类同，即在焊接温度场模 拟完成后，再进行正火温度场模拟，两者仅是初始条件和施加载荷不同。 a ) 三维视图 紫 缫 灞 黧 蕊蓑熬 b ) 截面视图 图3 - 6 钢轨正火温度场有限元模型 实际上，长钢轨焊接正火所加热的温度区域较窄，考虑计算速度和容 量，只取距离接头焊缝两端各2 5 0 r a m 长的钢轨作为分析对象，同时假定两 接头端面紧密接触【3 4 1 。建模时先建立钢轨截面的二维平面几何模型，采用 过渡网格划分，将钢轨接头加热区2 0 m m 范围内的网格细密，远离焊缝处 网格稀疏，然后用几何变换法由二维模型拉伸成三维模型。在建模过程中， 选用a n s y s 单元库中热分析单元，二维模型用4 节点四边形单元 p l a n e 5 5 ，三维模型用8 节点六面体单元s o l o i d 7 0 。网格划分后的温度 场模型见图3 6 【2 8 3 1 1 。 2 加载计算 ( 1 ) 热源载荷的施加 钢轨气压焊采用氧、乙炔火焰加热，热源载荷应以热流密度的形式施 加。热流密度的大小取决于可燃气体的流量大小，与加热器的火孔分布、 直径大小密切相关。在实际加热过程中，当火焰性质确定下来后，热流密 度大小只与加热器的结构有关。图3 - 7 是6 0 k g m 轨加热器火孔数量、尺 寸的分布图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 ，j 习 7 卜? 刀功 1 l 一一l j 。e ： ： = ： ：i ：i = ! 巴上s 图3 76 0 k g m 钢轨加热器火孔尺寸分布图 ( 2 ) 焊接热流密度载荷施加 根据表3 一l 中焊接过程乙炔流量和加热器火孔尺寸大小，计算加热区 域的焊接热流密度载荷，其它未加热区域则只施加对流边界条件。运用 a n s y s 软件进行模拟，焊接加热模拟过程属于瞬态热分析。整个计算终止 时间为4 1 0 s ，自动时间步长a u t o t s 为o n ，瞬态效应t i m i n t 也为o n 。采 用通用后处理器p o s t l ，模拟绘制出钢轨焊头顶锻时的纵向温度场分布如 图3 8 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图3 8 钢轨接头模拟加热4 1 0 s 纵向温度场分布图 ( 3 ) 辐射载荷施加 钢轨在自然空冷过程中，与外界不停地交换热量，内部发生热传导。 假设在其冷却过程中仍不考虑潜热，模拟空冷时需加载辐射载荷，经分析 该热辐射为一个开放系统，以模拟焊接加热4 1 0 s 后得到的温度作为辐射计 算的初始温度条件，采用维度为3 d 的辐射热单元s u f l 5 2 进行辐射热分析 【3 7 】。根据表3 - 1 的空冷时间l l o o s ，模拟得到图3 - - 9 的空冷温度场分布图。 e 盈盏翻墨二一_ o 二二二- 二- 蛊置盔墨掘j 奠 6 ：t ：9：5：i 35e ：j 。，二6 ! ： ：；! ! ：i ! ! ! ! !：! ! ：!：一! !： 图3 - 9 钢轨接头焊后空冷l l o o s 纵向温度场分布图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 ( 4 ) 正火热流密度载荷施加 正火采用的氧、乙炔火焰仍是微碳化火焰。根据表3 1 中正火乙炔流 量，计算加热区域的正火热流密度载荷，以模拟空冷l l o o s 后得到的温度 作为正火模拟加热的初始温度条件，在其它未加热区域只施加对流边界条 件。正火加热模拟过程仍属瞬态热分析，整个计算终止时间是1 8 0 s ，自动 时间步长a u t o t s 为o n ，瞬态效应t i m i n t 仍为o n 。经过模拟，所得到正 火加热1 8 0 s 端面温度场分布如图3 1 0 。 人n 图3 一l o 正火模拟加热1 8 0 s 焊缝端面温度场分布图 图3 1 0 表明：模拟加热的钢轨接头，其轨头及三角区均未正透，轨 头心部低温区域较大，正火模拟效果不佳。其原因是轨头模拟空冷时间过 长和轨头模拟加热时间不足。 3 3 测试结果与分析 3 3 1 与相关文献结果对比分析 铁道科学研究院金属及化学研究所于2 0 0 3 年开展了6 0 k g mu 7 1 m n 钢 轨气压焊热循环分析工作【1 ”。本文的试验条件与其对比如表3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 由表3 3 可以看出：热电偶选材基本相同，铁科院采用手动加热测温， 测温点心部( 轨头，轨腰，三角区，轨脚) ，表面( 轨顶，轨腰，轨底角， 轨脚，轨底) 。两种方式所得焊接加热及空冷时段曲线见图3 一1 1 。 时同j i n 心 a ) 铁科院测温曲线b ) 本文测温曲线 图3 1 1 焊接及空冷时段测温曲线对比 观察分析图3 一1 1 ，图b 加热冷却过程清晰明了，尤其是相变过程明 显优于图a 。图a 中加热过程仅3 3 0 s 左右，而图b 则加热到4 1 0 s ，更能反 映出长时间加热时钢轨心部的温度变化过程。采用自动数控加热方式，排 除t n 热过程中的人为影响因素，采用p l c 温度模块采集温度，减小了测 量误差。因此，本文试验所测试得到的温度曲线，比文献 1 3 】结果更完整， 为模拟研究火焰加热钢轨温度场提供了更有价值的数据。 3 3 2 测试与模拟结果对比分析 1 焊后空冷时段曲线对比 采用o r i g i n 对实测的温度数据进行绘图处理；采用a n s y s 的时间历 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 程后处理器p o s t 2 6 ，调用“f i l e r t h ”对模拟的焊后空冷时段温度数据进行 处理，结果如图3 1 2 。 t 5 i o 蜊 址l i 2 l085lt 时日旺， a ) 测试结果b ) 模拟结果 图3 1 2 钢轨心部各部位焊后空冷时段对比曲线 在图3 1 2 空冷的过程中，测试与模拟的温度变化总体趋势一致性良 好。在测试图a 中显示出，当钢轨接头冷却至6 5 0 左右时，发生相变，组 织由奥氏体转变为珠光