（材料加工工程专业论文）k190ΠΚ焊机控制系统改造及工艺研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 k 1 9 0 兀k 钢轨交流闪光焊机是我国早期从前苏联引进的固定式连续闪光焊 机。该焊机结构简单，维修方便，维护费用低，至今在我国一些工厂仍然得到应 用。随着时间的推移和生产力的进步，原有系统逐渐不能满足焊接生产的需要。 西南交通大学焊接研究所曾对设备进行多次改造，设计了电压调压和稳压系统， 对液压送进系统进行了改进，但响应速度慢，不适合采用脉冲闪光焊工艺，对于 现在大量使用的u 7 5 v 钢轨，采用该设备进行焊接工艺调试很难合格。 针对存在的问题，在k 1 9 0 nk 钢轨交流闪光焊机已有改造基础上主要进行了 以下工作：( 1 ) 采用电磁比例阀重新设计和制作了液压系统，其中钢轨的送进与 后退控制采用电磁比例阀，因为比例阀与电子控制装置结合在一起，可以十分方 便地实现复杂的控制功能，而且响应速度快，能够满足脉冲闪光焊工艺对液压系 统的要求；( 2 ) 按输出功率最大化控制要求，采用计算机程序柔性调节闪光全过 程，保持待焊轨端之间最佳电阻值，进而实现高效焊接；( 3 ) 以t b t 1 6 3 2 2 0 0 5 为试验标准，进行了u 7 5 v 落锤试验，并进行了焊接工艺研究。 经过襄樊焊轨基地的生产应用结果表明：按本设计方案改造后的系统有效地 实现了脉冲闪光焊工艺，并发挥了脉冲工艺焊接u 7 5 v 钢轨的优势；同时改造后 热输入功率和生产效率比改造前有了大幅度的提高，节约了大量的电能。 关键词：闪光焊；液压改进；工艺研究；脉冲工艺 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t k 19 0 h kr a i la cf l a s hb u t tw e l d i n gm a c h i n ei ss t i l lb eu s e d f o ri t ss i m p l es t r u c t u r e s ， c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c ea n dl o wm a i n t e n a n c ec h a r g e s i tb e l o n g st of i x e dc o n t i n o u s f l a s hw e l d i n gs e tw h i c hw a si m p o r t e df r o mf o r m e rs o v i e tu n i o n w e l d i n gr e a s e a r c h i n s t i t u t eo fs o u t h w e a s tj i a o t o n gu n i v e r s i t ym a d er e c o n s t r u c t i o ns e v e r a lt i m e ss i n c ei t c o u l d n tm e e tt h ed e m a n do fw e l d i n gp r o d u c t i o n t h e s y s t e mw h i c hv o l t a g ew a s r e g u l a t e da n ds t a b i l i z e da n dt h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mw e r er e d e s i g n e d ，b u tt h e f e e d b a c kw a st o ol o wt oa c h i e v ep u l s ef l a s hb u t tw e l d i n gp r o c e s s i ti st o od i f f i c u l tt o w e l du 7 5 vr a i lw i t ht h i sm a c h i n e b a s e do nf o r m e rr e c o n s t r u c t i o n ，k 19 0 h kr a i la cf l a s hw e l d i n gb u t tm a c h i n ew a s r e d e s i g n e d a s f o l l o w e d ，( 1 ) h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m w a s r e d e s i g n e d w i t h e l e c t r o m a g n e t i s mp r o p o r t i o n a lv a l v e b e a u s ep r o p o r t i o n a lv a l v ec o n b i n e dw i t he l e c t r i c e q u i p m e n t c a r lc a r r yo u tc o m p l e xf u n c t i o na n di m p r o v ei t sf e e d b a c k ，e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lv a l v ew a su s e dt oa c h i e v ep u l s ef l a s hw e l d i n gp r o c e s s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo fh i g h e s to u t p u tp o w e r , w e l d i n gp r o c e s s w a sc o n t r o l e dw i t hc o m p u t e r p r o g r a m et oh o l db e s tr e s i s t a n c et oa c h i e v eh i g he f f i c i e n c ew e l d i n g ( 3 ) a c c o r d i n gt o t b t16 3 2 2 0 0 5 s t a n d a r d ，w e l d i n gt e c h n o l o g yw a s r e s e a r c h e dc o n d u c t e dw i t h d r o p w e i g h tt e s t a f t e rb e i n ga p p l i c a t e di nf i e l d ，t h en e wc o n t r o ls y s t e me n h a n c et h e r m a li n p u tp o w e r a n dp r o d u c t i o ne d f f i c i e n c yg r e a t l ya n de c o n o m i z eg r e a tq u a n t i t yo fe l e c t r i cp o w e r t h e q u a l i t yo fu 7 5 v r a i lw e l d e dw i t hp u l s ef l a s hb u t tw e l d i n gp r o c e s si sg o o d k e yw o r d s ：f l a s h b u t t w e l d i n g ；t e c h n i c a ls t u d y ；h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m r e c o n s t r u c t i o n ；p u l s ef l a s hw e l d i n gp r o c e s s 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 文作攀净备厌指刷雠：、参，瑷驭 日期捌孑、孓佑 日期 沙r 托么。 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， 的成果。除文中已经注明引用的内容外， 是在导师指导下独立进行研究工作所得 本论文不包含任何其他个人或集体己经 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： 首次在k1 9 0 hk 钢轨交流闪光焊机上采用电磁比例阀来满足脉冲闪光焊的 工艺要求，并实现脉冲闪光焊焊接过程的自动控制。 学位论文作者签名：? ，3 善段 日期：川7 名 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究背景及现状 随着国民经济的发展，铁路运输在国民经济发展中起着越来越重要的作用。 客运高速、货运重载已成为铁路发展的必然趋势。客运高速、货运重载两者都对 钢轨提出了更高的要求。无缝线路成了世界各国铁路发展的趋势，无缝线路就是 把标准长度的钢轨焊接成长钢轨和“无缝”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f l 钔，而且还能改善车辆运行的平稳程度，提高车辆的运行 速度和安全性。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，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，在基地工厂用接触焊的办法【2 州，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，最终成为一段无缝线路。在无缝线路 的发展中钢轨焊接已成为其中的关键技术之一。 我国无缝线路钢轨焊接技术现状：我国铁路长钢轨的焊接始于1 9 5 7 年，当时 采用了由前捷克和斯洛伐克引进的电弧焊接技术，使用中发现这种焊接方法焊接 质量低、铺后断轨率高，后相继拆除。以后由前民主德国引进铝热焊技术，焊剂 也是由前民主德国进口的。上世纪钢轨闪光焊接机研制成功，自此国内大量引进 闪光焊机，各铁路工程局开始采用气压焊、接触焊等方法。已相继建成近2 0 个焊 轨厂，并开始引进国外先进的接触焊机。闪光焊焊机目前主要有次级整流闪光焊 机和交流闪光焊机两种机型，直流焊机的典型代表是瑞士s c h l a t t e r 公司g a a s 8 0 三相次极整流式焊机；交流焊机为前苏联巴顿焊接研究所研究生产的k 系列焊机， 该类钢轨闪光焊机与g a a s 8 0 三相次极整流式焊机不同点在于采用连续和脉冲闪 光焊工艺。由于采取了特殊措施，从而使得该焊机容量仅为同类焊机的三分之一， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 具有体积小、成本低、可靠性高等优点，一直在国内钢轨焊机中占有较大市场。 1 2k 1 9 0 兀k 钢轨交流闪光焊机简介 k 1 9 0 nk 钢轨交流闪光焊机是我国早期从前苏联引进的固定式连续闪光焊 机。该焊机结构简单，维修方便，维护费用低，至今在我国一些工厂仍然得到应 用，其特点如下：p i u ( 1 ) 程控变换二次电压，既保证初始闪光的顺序激发，又实现了中期阶段的 低电压闪光，使钢轨的加热效率大大提高，焊机容量却不大，仅为s c h l a t t e r 公司 g a a s 8 0 焊机的1 3 。 ( 2 ) 采用电流负反馈控制工件的送进速度，使闪光过程并不完全依赖于送进 曲线，焊机可以根据焊接电流的变化，自适应地调节动立柱送进速度，以保证烧 化过程的稳定进行。 ( 3 ) 焊接变压器以并联方式馈电，对称布置于钢轨两侧，降低了焊机的短路 阻抗，焊机二次短路阻抗仅为1 0 0 微欧左右。 ( 4 ) 采用专门设计的电液随动装置，结构紧凑，动作灵敏。 但随着生产要求的不断提高，该焊机存在的问题也越来越突出。如电流反馈 灵敏度的设定不精确，调节困难，由主令控制器、接触器和继电器等构成的程控 系统可靠性差，速度控制方式落后，工艺参数调整不方便，精度很低，不能对网 压波动进行自动补偿；在焊接过程中，接触器中通过大约2 5 0 1 0 0 0 a 左右的工作 电流，在这样大的工作电流情况下，进行高低压切换，必然伴随有接触器触点的 打弧现象，接触器触点烧损严重，使整个控制过程的可靠性降低，影响焊轨的质 量。 西南交通大学焊接研究所在多年现场生产实践积累经验的基础上，对该焊机 的电气控制系统进行了较深入、系统的分析和研究，对该焊机存在的问题进行了 分析总结，针对该焊机焊接过程控制系统控制方式落后，控制精度不高，参数调 节不便，配件获取周期太长，存在网压不稳定及触点烧损和可靠性等问题，于2 0 0 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 年，对k 1 9 0 nk 钢轨交流闪光焊机控制系统进行了改造，主回路采用一组晶闸管 进行控制，对焊接电压的大小进行程控调节。整个焊接过程控制系统采用双c p u 结构：上位机采用工业控制计算机，负责采集、记录焊接过程参量( 焊接电流、焊 接电压、焊接位移、油压等) ，并通过r s 2 3 2 接口与p l c 的r s 4 2 2 接口进行通讯， 对焊接工艺参数进行修改；下位机采用p l c ，负责焊接过程的过程控制。 单相电网电压经过自耦变压器升压后，通过单组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 所有部件按一定顺序工作，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。 实时数据采集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，并通过串口将参数传送至p l c 。在连续闪光过程中通过电流恒值控制电路， 采用焊接电流负反馈调节动立柱的送进速度。当闪光过程焊接电流偏离规范时， 在设定时间内进行速度修正，从而实现对焊接回路中焊接电流的控制。p l c 的程 序编制是按焊接顺序完成的，固化在存储器中，每次焊接自动进行，完成各个工 步，使操作方便、简单，控制精度得到提高。图1 1 为p l c 控制送进速度的原理 图。 图1 - 1p l c 控制送进速度原理图 改造后的k 1 9 0 nk 通过几年的现场应用表明，系统仍然存在着一些不足之 处，值得改进：钢轨闪光焊工艺中采用一组晶闸管进行焊接电压调节，若高压阶 段和低压阶段电压差值比较大，则在低压阶段，晶闸管的控制角会比较大，将会 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 影响焊接过程的顺利进行；焊接阶段信号是通过三个继电器按编码方式判别的， 因此对继电器抖动带来的干扰信号，需要进行延时处理，这不利于实时控制的实 现，而且会影响后期的数据处理；焊接过程是靠固定的时间进行控制，实际焊轨 时，由于钢轨表面不平整、液压系统受外界影响等原因，钢轨的烧化速度将产生 变化，导致烧化量产生波动，直接影响钢轨的焊接质量；控制系统的人机交互平 台运用v i s u a lb a s i c 开发桌面应用程序，而参数修改采用组态软件开发，两者相 互独立存在兼容性问题；采用单一0 n o f f 控制法控制焊机送进速度，使得送进速 度与烧化速度不匹配，影响闪光的顺利进行。 由于改造后焊机还存在以上不足，西南交通大学焊接研究所于2 0 0 4 年再次对 k 1 9 0 nk 进行改造【1 3 】。其具体改进如下： ( 1 ) 针对焊接高、低压阶段焊接电压差异较大的情况下，在原有的一组晶闸管 的基础上，增加一组新的晶闸管，两组晶闸管分别在不同的焊接阶段导通。 ( 2 ) 设计新的控制系统，实现高低压阶段电压控制分离，使该控制系统具有 调压范围宽、精度高、抗干扰性强、网压自动补偿等优点。 ( 3 ) 改变焊接阶段信号的读取方式，运用串口通讯技术直接从p l c 中读取信 号，取代继电器编码方式，彻底解决阶段信号干扰问题。 ( 4 ) 以位移为参量来控制整个焊接过程的进行，保证烧化量的稳定。 ( 5 ) 运用v i s u a lb a s i c 开发新的人机交互桌面应用程序，实现焊接参数修改和 监控程序运行平台的统一。 ( 6 ) 采用比例调节和o n o f f 控制相结合的方式控制焊机送进速度，保证闪 光的连续和稳定。 1 3 课题研究意义及研究内容 经过前后两次的改造，k 1 9 0 兀k 焊机已经能顺利而有效地完成钢轨焊接任务。 由于k 1 9 0 y ik 钢轨交流闪光焊机送进液压缸采用老式液压随动系统进行调节，控 制系统可靠性差，响应速度慢，焊接工艺调整困难，不适合先进的脉冲闪光焊方 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 法，对于现在大量使用的u 7 5 v 钢轨，采用该设备进行焊接工艺调试很难合格。脉 冲闪光焊焊接时间短( 约为连续闪光焊的二分之一) ，焊接生产率高，焊接质量好， 是一种新型的焊接工艺。针对以上不足和新工艺的要求，对k 1 9 0 hk 钢轨交流闪 光焊机送进系统和控制系统进行改造提高其反应速度进而满足脉冲闪光焊的要 求，并研究与设备相配套的脉冲闪光焊工艺及脉冲闪光焊各工艺参数对焊接接头 质量的影响规律，具体内容如下： ( 1 ) 采用电磁阀重新设计和制作液压系统，其中钢轨的送进与后退控制采用 电磁比例阀，因为比例阀与电子控制装置结合在一起，可以十分方便的实现复杂 的控制功能，而且响应速度快，能够满足脉冲闪光焊工艺对液压系统的要求； ( 2 ) 按输出功率最大化控制要求，采用计算机程序柔性调节闪光全过程，保 持待焊轨端之间最佳电阻值，进而实现高效闪光焊工艺； ( 3 ) 依据闪光焊过程特性，在焊接加热阶段分别设置了连续闪光阶段和脉冲 闪光阶段，充分发挥了两种工艺的优势； ( 4 ) 结合前人经验，在此基础上改变钢轨焊接各阶段烧化量、电压、电流、 送进和后退速度等工艺参数，进行钢轨的焊接试验，结合落锤试验确定系统最佳 工艺参数。 1 4 闪光焊技术的原理 对焊( 对接电阻焊) 是一种常用的焊接接头形式。对焊又分为电阻对焊和闪光 对焊两种。闪光对焊作为一种有效的焊接手段广泛应用于机电、建筑、交通、石 油钻井和冶金工业等方面。 闪光对焊是多参数影响的不连续过程，闪光对焊的原理如图1 - 2 所示。焊件 装配成对接接头，焊件l 于夹具2 中夹紧，接通变压器3 ，然后移动可动夹具， 使其端面逐渐移近达到局部接触，即开始通电加热，并有接触点，利用电阻热加 热这些接触点，形成液态过梁，液态过梁爆破产生闪光，使端面金属熔化并加热 端面，直至端面在一定深度范围内达到预定温度时，动夹具突然加速，以很大的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 压力使焊件端面相互挤压，随即切断电流，焊接区发生强烈塑性变形，接合面交 互结晶，形成牢固接头m 】。 1 _ - l - f 婶 砻埘“ ， ，7 、 幽 翻倒淄 u已d _ _ _ 4写 v l 一呻坤 图卜2 闪光对焊原理图 交流闪光焊有连续闪光焊和脉冲闪光焊两种工艺，下面将进行详细介绍。 1 4 1 连续闪光焊 目前较为成熟和应用较广的连续闪光焊工艺有预热闪光焊和不预热闪光焊两 种。如图1 3 所示，连续闪光焊的焊接工艺过程包括闪光、顶锻、保持和恢复等 阶段。闪光阶段的实质是工件端面的接触触点熔化，液态金属过梁的不断形成和 爆破的过程，同时伴随此过程析出大量的热来加热工件。因此闪光阶段的主要作 用是加热工件，热源主要是液体过梁的电阻和工件电阻；闪光阶段的另外一个作 用是烧掉工件端面上的不平和脏物，使闪光后期工件端面上形成一层均匀的液体 金属层和适当的温度。顶锻是闪光焊后期对工件施加顶锻力，封闭工件对口间隙， 排除液体金属层、过热金属及氧化物夹杂，使工件对口和邻近区域金属获得必要 的塑性变形，促使焊缝再结晶，从而获得牢固的焊接接头。 预热闪光焊的工艺过程与连续闪光焊不同之处在于在闪光阶段之前还有一个 预热阶段，通过预热使工件端面的温度提高到一个合适的温度值( 对钢来说是 8 0 0 - - 9 0 0 ) ，然后再进行闪光和顶锻，如图1 _ 4 所示。 西南交通火学硕士研究生学位论文第7 页 f 、p 、s 。 j 、 一， ， 尸u ： 、 f 上 k 厂广、_ 少 ，|，、s _ _ 一 一 k 舾詹 ”广 、 ，j 己 l 监， 图l 一3 连续闪光焊工艺循环图 t if 、rs - - ， j ， i f f u i “h l ， ij i ，名滞么 f 趿厶。仁芦， v s vv 1 _ _ 一 ， 一 。轴 建董 4 。2 脉；毒闪光焊 s ：位移f ：压力p ：功 图1 4 预热闪光焊工艺循环图 连续闪光焊可获得高质量的接头。但根据资料，普通闪光对焊焊接截面 0 ，则电压差u 增大，使控制放大器的输出电流增大，比例电磁铁的输出 推力也增大，推动阀芯右移。而阀芯的右移又引起反馈电压u ，的增大，直至u ，与 指令电压u 。基本相等，阀芯达到力平衡。此时， u 。= u f - k ，x ( k ，为位移传感器增益) 上式表明阀芯位移x 与输入信号u a 成正比。若指令电压信号u 。 尼，只 ( 2 3 ) y - , a p t 可以按照有关资料选择0 8 m p a 。所以泵的输出压力辟应大予9 9 6 m p a ，考虑 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 到一定的压力储备和a 1 0 v 的标准型号，选用3 l 系列轴向柱塞泵。该泵的额定工 作压力为2 8 m p a ，最大工作压力为3 5 m p a 。 液压泵的流量按下式计算：q 尸k g 一，其中：g p 为液压泵的流量；k 工为 系统泄漏保持最小溢流量的系数，取k 。= 1 1 ；g 一为液压执行元件所需最大流量， 该液压系统在项锻时出现最大流量3 2 6 4 l m i n 。经过计算可得q p 3 5 9 l r a i n ， 根据产品样本选择排量为2 8 m l r 的泵，当液压泵的转速达到1 3 0 0 r m i n 时理论流 量可达3 6 4 m l m i n 即可满足最大流量要求。 z 电机功率确定 采用下式进行电机额定功率计算： 尸：里垂兰旦垂( 2 4 ) 6 0 e p 式中 7 7 。一油泵的机械效率，取0 8 ； q 泵一油泵的实际流量( l m i n ) ； p 泵一额定工作油压( m p a ) 。 计算得：p = 2 1 2 3 k w ，所以选择电机的额定功率为2 2k w 。根据产品样本选择 y 1 8 0 l - 4 型号的电机，其额定功率为2 2 k w ，电流为4 2 5 a ，电压为3 8 0 v ，转速为 1 4 7 0 r m i n ，完全可以满足液压系统的要求。 7 油管的选择 液压系统中使用的油管有钢管、紫铜管、尼龙管、塑料管和橡胶管等。因为 液压系统中各油缸的进出油口随机械动作位置随时发生移动，所以油管主要选择 一橡胶管厂对于动立柱和静立柱集油块的连接可以选择钢管。橡胶管根据管子标称 的流量和压力选择，钢管直径和管壁厚的计算公式如下： r - - - 一 d 2 ，1 - ，万p a _ _ 2 _ n ( 2 5 ) v 刀p 2 g b 其中d 为内径；q 为管内流量；y 为管中油液的流速；送进回路取5 m s ；夹 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 紧回路取4 m s , 万为淫管壁厚；p 为警内工作压力；露为安全系数，取莲；玩为 管道材料的抗拉强度，取2 3 5 m p a 。根据计算结果、使用经验和国家标准规格，油 管的选择觅表2 2 。 表2 - 2 液压系统油管选有表 名称类型型号及要求 夹紧回路油管橡胶管i n2 2z x j ( 符合g b t 3 6 8 3 ) 橡胶管l2 2z x j ( 符合g b t 3 6 8 3 ) 送进回路油管 钢管材质：2 0 ；d = 3 2 m m ；万= 3m m 集油块连接油管钢管材质：2 0 ；d = 1 8 m m ；艿= i 5 m m 其他回路油管橡胶管i1 3z x j ( 符合g b t 3 6 8 3 ) 4 选择油箱 、油箱麓容积，即油面高度为油箱离度8 0 时的油箱有效容积，应根据液压系 统的发热、散热平衡的原则来计算。对于一般情况，固定式装置的油箱容积可依 下式估算： v = 白装；f 取7 ，则，v = 2 5 4 l 。 液压泵站分上置式和非上置式两种，其中上置式液压泵站结构紧凑，占地小， 被广泛应用予中、小功率液压系统中。所以，液压泵站最后选择上置卧式。 2 。4 比例换向阀的选择 比例换向阀除了换向外还有流量调节作用，其特点是进油节流作用与回油节 流作用同时存在。正确鲍通径选择可以使阀具有良好豹控制信号分辨率，透径选 择过大会因控制信号分辨率的降低而影响液压执行器的控制精度。理想的阀通径 是在工作压力下控制信号最大时，恰好能通过执行器最高速度所需的流量。 2 4 。1 比例换向阀通径的选择依据 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 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【2 5 1 。 比例换向阀因其阀口开度可变，故样本提供的工作特性是形式不同的流量一压 降曲线。它以阀压降为横坐标，流量为纵坐标，均取对数坐标，且明确说明p “表示阀两端的总压降，每个流量通道各占5 0 。 2 4 2 比例换向阀压降ap 的求取 比例换向阀压降ap 与负载大小及性质、油缸的结构和尺寸，以及进回油压 力都有关系。为简化问题，以下研究均设阀的回油压力为0 ，这与实际情况基本 相符。与普通电磁换向阀不同，比例换向阀的二个阀口开启面积可以制作成各种 比例。阀口开启面积比为k 的比例换向阀在受控差动油缸作用面积比同为k 时， 能保证良好的运动控制性能。k 1 9 0 钢轨闪光焊机的送进油缸作用面积相同，即 k = l ，所以，比例换向阀的两个阀口开启面积也应相同，同时控制。 1 正向进油 简化油路如图2 8 ，按定义，阀压降为凹= ( 只一只) + ( 只- 只) ，其中一0 、 邱为已知进油压力，可视为系统供油压力。 图2 8 正向进油示意图 进油阀口压降可写为如下形式 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 纰= 0 。忍= ( c a i c a 2 ) 2 ( 生) 2 b 口l 式中a l ，a 2 一分别为进、回油阀口开启面积，阀口开启面积比k = l ，所以，a l - - a 2 。 q 1 = c a莎j ；q 强历 故有：尸p 以= ( 鲁) 2 b 不考虑虑油缸的微小的内部泄露，则有： 曼2 鲁，液压缸活塞两端的作用面积相等，即彳利：，所以，曼= 1 故，岛巩b 由力平衡得：p 2 相l 毋蚴2 叩 式( 2 i ) 、( 2 2 ) 联立求解可得： 最= 三( 昂+ 三) ；只= 互1 ( 斥一百f ) 于是，阀总压降凹= 名- 最+ b = 昂+ 可彳。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 则，焊接各个阶段正向进油压降ap 如下： 1 ) 高压一阶段：p p = 5 m p a ，f = 1 1 5 4 7 9 2 n ，计算得：a ：) = - - 4 5 6 m p a ； 2 ) 高压二、低压一阶段：p p = 5 m p a ，f = 4 2 7 9 7 9 0 n ，计算得：ap = 3 2 4 m p a ； 3 ) 低压二阶段：p p = 5 m e a ，f = i 1 31 2 5 n ，计算得：ap - - 4 9 5 m p a ； 4 ) 加速烧化阶段：p p = 5 m p a ，仁1 7 2 3 1 1 n ，计算得：ap - - - - 4 9 3 m p a ； 5 ) 项锻阶段：p p = l o m p a ，：- - 1 7 0 5 5 3 1 3 n ，计算得：a p = - 3 0 0 m p a ； 2 反向进油 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 岫母c c a 2 p ( f p 2 - p 1 ) 九黔 经类似上节的推导可得：p 2 = p p p 3 上式联立求解碍最= 丢( 昂+ 争只= 丢( 弓一争 因为：a 1 _ a 2 ，所以，ap = p p p 2 + p 3 = p p f a 存在反向进油。f = ( f i + f s ) 一1 ：( 旦譬+ f s ) 一1 ，v ：o 4 删彬s ，a t = o 1 s f = ( 2 5 0 0 0 一0 4 + 1 0 8 6 ) j 【一：1 1 5 4 7 9 2 n ；根据公式计算得p = 4 5 6 m p a 1 0 0 10 9 6 。 反向进油，动柱快速后退的过程。f ：( 厅+ f s ) 上：( 鱼一a v + f s ) 一1 ， 7 7 。g a t r c m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 高压二慨护1 0 m m s , 刊汴( 警等+ 1 0 8 06 ) 志2 7 1 7 2 9 2 n ， 计算褥p = 3 8 8 m p a ；低压一阶段：曲铷。6 m m s ，岔锄。l s ， f = ( 掣xo a + 1 0 8 6 ) j 一：1 6 7 5 6 2 5 n ，计算得p 叫，3 1 m p a ； 、1 00 10 。9 6 1 3 ) 低压二阶段同样为闪光焊阶段，其结果与高压一相同o 4 ) 加速阶段和顶锻阶段无反向进油，动柱后退的情况； 5 ) 焊机复位依靠电磁换向阀完成，比例方向阀无反向进油。 2 4 。3 比例方向阀型号的选择 选用a t o s 的产品，其相应产品的特性见表2 3 。根据比例阀的选用原则，应按 照最大流量及对应压降选择比例阀，但本系统最大流量澎现在项锻阶段前期，流 量大于3 2 6 4 l m i n ，但此时送进缸的推动由换向阎控制完成，所以，流量按照项 锻阶段后期计算，流量为4 9 5 乙m i n 。 表2 - 3a t o s 比例方向阀液压特性表f 2 6 】 阀型号d l h z o 1 d l k z o r t 阎芯形式 l ll 3l 5 t 5l 7t 7l 3l 7t 7 最大漉量( 1 ) 【l 舾竭 在p = 3 0 0 b a r 时4 591 82 74 06 0 a p = 7 0 0 b a r 时 7 1 4 2 84 0 6 01 0 0 ap 最大时 1 8 ( 3 5 0 )3 2 ( 3 5 0 )5 0 f 2 5 0 )7 0 ( 2 0 0 )9 0 ( 2 0 0 )1 6 0 ( 1 6 0 ) p = 1 0 0 b a r 时的泄漏 爨( e m 3 r a m ) 2 0 03 5 2 0 0 9 0 02 0 0l o 1 5 4 0 0 响应时间( 螂)l o 1 5 滞环( 1 0 0 )0 1 0 1 综合正向迸漓和反向进油的计算结果，采用比例阉进行调速时最大流量 曰= 4 9 5l m i n 时的压降p = 3 0 m p a ，根据a t o s 的10 0 阀芯行程时流量压差曲 线图2 一l o ，可以看到压降p = 3 0 b a r 时，曲线4 为4 5 l r a m ，小于系统流量要求， 而曲线3 可满足要求，其他曲线在压降p = 3 0 b 觥时值离要求值都比较远，所以选 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 用曲线3 对应的阀芯l 3 。 芒 e 兰 墨 媸 瞄澎 p l t ：啊压戮 p 阳嚏 d l h z o ：1 = l 7 ，t 7 ；2 = l 5 ，t 5 ；3 = l 3 ；4 = l 1 d l k z o r ：5 = l 7 ；6 = l 3 。 图2 1 01 0 0 阀芯行程时流量压差曲线 根据上面的分析和计算，最终选用a t o s 制造的d l h z o i - 0 4 0 - l 3 1 3 1 型号的 比例方向阀，其为配有内部传感器的0 6 通径线性调节比例方向阀。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 第三章控制系统的设计及脉冲功能的实现 3 1 控制系统的设计方案 液压系统改造后，焊机的性能有了很大提高，相应的控制系统也在原有的基 础上进行了改进。改进后的液压送迸系统工作原理( 见图3 1 ) 如下：采集到的焊 接电流经调理回路转换成电压，并通过a d 转换模块转换为数字量送入p l c ，与 给定的设定电流值进行比较运算后送入d a 模块，输出至电液比例放大器转化为 电磁阀电磁线圈控制电流，由电磁阀控制送进。控制系统的改进包括了硬件电路 的设计和控制软件的设计，主要有以下几个方面的工作：电液比例放大器接口电 路的设计、电流的控制、电压的控制，焊接过程控制。 图3 - 1 改造后焊机液压送进系统原理图 3 2 比例放大器的接口电路 根据比例伺服阀放大板的接线框图( 见图3 2 ) 及特性，供电电源为d c 2 4 v , 电磁铁供给电流3 3 a ，最大功率为5 0 w ，所以选择5 a d c 2 4 v 的开关电源模块。 通过p l c 输出触点控制c 8 ，a c 2 0 接+ 2 4 v 电压，从而实现比例伺服阀的运行或 关闭，当c 8 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c 1 2 与c 1 8 ，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。放大板的运行情况可以通过观察l e d 显 示情况来判断：绿色表示放大板己经运行，红色表示故障。放大板接口电路如图 3 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 图3 2 比例放大器接线框图 图3 - 3比例方向阀接口框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 3 。3 焊接电压的控制 根据k 1 9 0 hk 钢轨交流闪光焊枧多年的使用和改造经验，焊机采用马鞍形电 压进行钢轨焊接，如图3 4 所示【2 7 - 2 9 。在焊接前期，采用高压激发闪光；在中期， 采髑低压闪光，增加热输入效率；在后期，采用高电压使闪光激烈，形成良好金 属保护气氛【3 0 l 。 之 。 蚓 誉 鲻 驶 3 。4 焊接电流的控制 图3 4 马鞍形电压示意霉 焊接时间佻 钢轨闪光焊过程中，过大的电流会产生大的凹坑，容易形成灰斑缺陷；过小 豹电流又会使闪光不剧烈，保护不好，麓时焊接热输入量不够，焊接接头覆量变 差，应对焊接过程中电流进行控制。k 1 9 0 hk 钢轨交流闪光焊机采用恒压电源供 电，焊接电流的大小与接魅电阻成比例关系，鄹焊接电流与焊接过程中钢轨的接 触面积或液桥成比例关系。钢轨闪光焊过程中钢轨的接触面积的大小或液桥的数 量是靠动立柱翡运动方向和运动速度控制，动立柱前进则钢轨接触面积增加焊接 电流上升，动立柱的前进速度越快则钢轨接触面积增加越快焊接电流越大；反之， 动立柱后退刘钢轨接触面积减小焊接电流下降，动立柱的后退速度越快则钢轨接 触丽积减小越快焊接电流越小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 钢轨闪光焊的顺利进行也需要送进速度与烧化速度相适应，而烧化速度与焊 接电流有关，焊接电流越大热输入量越大，烧化速度越快。因此焊接电流和送进 速度相互之间存在相互制约的关系。利用焊接电流和送进速度的关系，不仅可以 实现闪光过程的稳定，而且利用焊接电流负反馈还可以实现程序控制的自适应脉 冲闪光焊。 3 4 1 连续闪光阶段电流控制 连续闪光焊时焊接电流和送进速度的控制关系如图3 5 所示，控制程序中设 定连续闪光阶段的乃、2 、3 三个电流基值，设检测到实际电流为厶。当俨 0 ，乃) 时，认为是开路状态，以给定速度乃快速前进：当班晒，乃) 时，根据高于2 的 偏差量进行比例调节，给定正电压，控制前进速度为蜀。勘；当亏 厶，厶 时， 根据高于乃的偏差量进行比例调节，给定负电压，控制后退速度为恐勘；当 矽 3 ，+ 叫，认为在短路状态，以给定后退速度圪，迅速将两钢轨端面拉开。通 过这样的控制，利用电流与送进速度的自适应特点，实现焊接电流的负反馈调节。 焊接电流与送进速度的闭环控制数学模型如式3 1 所示【3 i 】： lki ，1 1 肚憾k , ( 1 卜2 - i f ) i 小1 i 邵f 1 3 ) ； o ( ，2 ，j 3 ) ；( 3 - 2 ) c 1 一( ，r 一，。血) x k l ，( 1 1 ，1 2 ) ； c 1 ，( ，1 1 ) 1 一 i 。 i ： i 。! 焊蟊 l l v 。：送进速度；v 。：回拉速度； i 。：基准电流；i 。：送机极限电流；i 。：回拉极限电流 图3 - 6 脉冲闪光焊送进速度与焊接电流关系 上述表达式中，y k 为p l c 的d a 输出到液压驱动控制电路的控制电压值： 当为正时，动立柱送进；当为负时，送进系统回拉，送迸和回拉速度随电压 值的增加而增大。电流i l 、1 2 、1 3 可根据实际系统进行调节，k i 为系数，i t 为实际 检测的焊接电流值，c l 和c 2 为常数，且c 1 为正值，c 2 为负值。 3 4 3 加速闪光阶段电流控制 加速烧化阶段的闪光烧化速度不受焊接电流的影响，按既定程序进行逐渐加 速。钢轨不断地进行加速前进烧化，不停止或后退，钢轨端面间形成激烈的闪光， 产生良好的保护气氛，大大减小钢轨断面被空气氧化的影响，为顶锻创造有利条 件；同时，焊接钢轨端面温度进一步均匀，形成均匀的液态金属覆盖膜，顶锻时 这层液态金属完全挤出，形成牢固的焊接接头。 加速阶段的速度控制方案如图3 - 6 所示。加速阶段的焊接电流是通过加速末 速圪来控制的。圪越大，焊接电流越大，反之焊接电流则小。圪为低压i i 阶段设 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 定的送进速度；圪为加速送进末速度；圪为加速送进速度拐点值，将整个加速阶 段分为两部分，圪大小由圪和圪决定，运算公式为圪= ( 圪+ k ) 2 。通过p l c 程序控制虼到，圪到攻的两个加速斜率，到圪比圪到圪的加速斜率大， 这样控制的优点在于：越靠近加速阶段末尾，送进速度加速越快，使闪光越激烈， 对焊口的保护越有利，更能保证焊接质量。 矿 屹 圪 0 图3 - 6 送进速度与焊接电流关系图 加速烧化电压越高，闪光越激烈，焊口被保护越好，因此灰斑会减少；但加 速烧化电压太高，在加速阶段烧化的钢轨预留量太多，焊接接头的温度场会变差。 焊接接头的质量不仅仅与灰斑缺陷有关，还与焊接接头的温度场有关。因此对于 加速烧化电压需要选定在一定的范围，过大或者过小都不行。 加速末速增加太多，落锤质量变差，平均灰斑面积增加，原因有：末速增加， 在加速阶段烧化的钢轨太多，从而焊接接头的温度场会变差；速度增加太快，送 进速度大于烧化速度，还未达到最大末速时钢轨就形成严重短路。加速末速过小， 闪光会出现间断，端面金属易被氧化而形成焊接缺陷。因此，加速末速也应有最 佳值。 加速烧化时间越长，因为最后的加速末速一样，在加速烧化阶段焊口被氧化 的概率增加，同时加速阶段的烧化量越多，在高压、低压阶段形成的合适的温度 场被破坏，氧化物在顶锻时很难从焊缝处挤压出来，从而使灰斑面积增加。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 3 5 焊接过程控制 闪光焊过程应由开始的低速度、低激烈程度的闪光并伴有较多短路过程，其 后逐渐提高闪光速度，直到高速、高激烈程度、细而密集的闪光进而顶锻结束焊 接全过程瞰】。k 1 9 0 f k 钢轨闪光焊机改造时，根据闪光焊基本特点并参考其它钢 轨闪光焊机应用情况，对焊接过程控制也进行了改进调整。 钢轨闪光焊闪光阶段的实质是钢轨端面的接触触点熔化，液态金属过梁的不 断形成和爆破的过程，同时析出大量的热来加热钢轨，闪光阶段的主要作用是加 热钢车九【1 3 】。由于钢轨端部打磨状况不同，焊接初始阶段钢轨端面不平整，温度低， 在快速送进，频繁短路的情况下，很容易出现钢轨端面局部直接焊接在一起的情 况，长时间短路将使变压器过载而导致焊接中断。连续闪光焊时电流低，速度慢， 则不会出现这种情况。所以初始阶段依然采用连续闪光工艺。脉冲闪光焊时，功 率大，热量集中，热损失小，可以有效地加热钢轨端面，所以，端面平整，温度 升高后采用脉冲闪光焊加热钢轨以提高效率。根据焊接工艺要求，将钢轨闪光焊 过程分成以下几个阶段，各阶段的状态描述如下： ( 1 ) 高压一阶段由于闪光初期，钢轨较冷，高压容易激发闪光，所以在闪光 预热的前阶段，采用高电压连续闪光预热。 ( 2 ) 高压二阶段焊口温度升高到一定程度，为提高加热效率，减少飞逸金属 带走的热量，需改用较低电压实现脉冲闪光加热。 ( 3 ) 低压一阶段为了保证焊接接头的能量积聚，应该在闪光过程中适当降低 电压。由于低电压有利于加热，减少激烈闪光造成的火口，并减少闪光过程中的 金属烧损量，增加加热效率。 ( 4 ) 低压二阶段适当地改变焊接参数，保持低压状态，同时改为采用连续闪 光焊，为加速阶段作好准备。 ( 5 ) 加速闪光阶段在闪光的末阶段，加速可以使焊口具有良好的金属气氛保 护，保证获得良好的焊接接头。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 ( 6 ) 顶锻阶段对焊件施加顶锻力，使烧化端面接触，排挤液态金属，通过塑 性变形实现优质接头，顶锻可设置为带电顶锻和无电项锻两个阶段。 ( 7 ) 保压阶段顶锻后继续给予一定的压4 1 , 对形成优质的焊接接头是非常有 益的