（材料加工工程专业论文）钢轨闪光焊机控制系统及工艺研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学证 摘要 随着铁路运输高速 重载的大力发展 客货运量和行车密度大幅度增长 从 而导致钢轨磨耗日益严重 尤其是曲线钢轨的侧面磨耗急剧上升 因此铁路工务 部门十分重视对钢轨材料以及焊接质量的控制 以确保行车的平稳性和安全性 目前 我国铁路轨道工程中广泛使用u 7 1 m n 合金钢轨 此类钢轨强度低 耐磨性 差 而u 7 5 v 钢轨强度高 耐磨性好 但可焊性较差 对焊接设备性能要求高 给 大面积推广使用带来了较大阻力 为此 研制更好的设备和工艺以保证焊接质量 和行车的安全是焊接领域的一个重要研究课题 本文针对改进型k1 9 01 1k 钢轨交流闪光焊机存在的问题 电流反馈灵敏度的 设定不精确 调节困难 焊接电流恒值控制系统不完善 设备故障率高 焊接电 压控制方式不合理 焊接出现灰斑的几率较大 从而使焊接钢轨的接头质量得不 到保证 焊接质量检测与管理系统不完善等 对整个系统进行了改进 对系统硬 软件进行了抗干扰设计 从理论上分析了焊接主回路的问题 并重新进行了设计 设计了焊接电流恒值控制系统 完善了焊接电流 焊接电压 闪光量 顶锻量 油压等参数采集的软硬件和焊接过程控制 在系统设计完善的基础上 完成了系 统组装调试与工艺试验研究工作 通过大量的试验 对试验钢轨进行落锤 静弯 疲劳强度的检验 结果表明 新型控制与检测系统控制精度高 动态响应速度快 焊接过程稳 定 抗干扰能力强 数据采集 管理以及参数修改智能化程度高 双组晶闸管控 制焊接电压比单组晶闸管控制的焊接质量效果好 实用性强 通过大量试验优化 了焊接工艺 采用优化的焊接工艺通过了u 7 5 v 钢轨焊接接头型式试验 达到了 t b l 6 3 2 9 1 要求 关键词 闪光焊 数据采集 质量评定 焊接工艺 i l 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 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e da n dh e a v yt r a n s p o r t t h ef r e i g h ta n dt h e d e n s i t yo ft r a i nh a v e i n c r e a s e dm o s t l y i tr e s u l t si nr a i l a b r a s i o nd a ya f t e rd a y e s p e c i a l l yt h es i d er a i l a b r a s i o n s ot h em i n i s t r yo fr a i l w a yh a sb e e nt a k i n gt h ec o n t r o l o ft h em a t e r i a la n dw e l d i n gq u a l i t yo fr a i li n t oa c c o u n tg r e a t l yt oi n s u r et h es a f e t yo f t h et r a n s p o r t t h ea l l o ys t e e lr a i ls u c ha su 71m n w h i c hi su s e dw i d e l yi nt h er a i l w a y e n g i n e e r i n gi no u rc o u n t l y h a sl o wi n t e n s i t ya n dp o o rw e a r a b l ec a p a c i t y h o w e v e r u 7 5 vr a i lh a sp o o rw e l d a b i l i t ya l t h o u g hi th a sh i g hi n t e n s i t ya n de x c e l l e n tw e a r a b l e c a p a c i t y a n dn e e dt ob ew e l d e db yh i g h p o w e r e dw e l d i n ge q u i p m e n t s oi ti sd i f f i c u l t t ow i d e l yu s et h eu 7 5 vr a i l t h e r e f o r e i ti sa ni m p o r t a n tt a s ko ft h er a i lw e l d i n gf i e l d s t or e s e a r c hg o o dr a i lw e l d i n ge q u i p m e n ta n dw e l d i n gp r o c e d u r et oi n s u r ew e l dq u a l i t y a n dt h es a f e t yo ft h et r a n s p o r t a i m i n ga tp r o b l e m so ft h ei m p r o v e d k19 0r lkr a i l a l t e r n a t i n gf l a s hb u t t w e l d i n gm a c h i n e t h a to r i e n t a t i o no ff e e d b a c ko f c u r r e n ti nd e l i c a c yi sn o ta c c u r a t ea n d d i f f i c u l tt ob ea d j u s t e d t h ec o n s t a n tc o n t r o ls y s t e mo fw e l d i n gc u r r e n ti ss t i l ln o t p e r f e c t w h i c hl e a d st ot h eh i g hr a t eo fe q u i p m e n tt r o u b l e t h ew e l d i n gv o l t a g ec o n t r o l m a n n e ri sn o tr e a s o n a b l ew h i c hl e a dt om u c hg r a y s p o t sf l a wi nr a i lw e l d a n dt h e s y s t e mo fw e l d i n gq u a l i t yi n s p e c t i n ga n dm a n a g e m e n ti si n c o m p l e t ea l lt h es a m e t h e s y s t e mo ft h ew e l d i n gm a c h i n ew a si m p r o v e d t h ef i r s t t h em e a s u r eo fr e s i s t i n g i n t e r f e r ew a sd e s i g n e di nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h es e c o n d t h em a i nc i r c u r i to f w e l d i n gw a sa n a l y s e di nt h e o r ya n dd e v i s e dn e w l y f i n a l l y t h es y s t e mo fl a s t i n g c o n t r o l l i n gw e l d i n gc u r r e n tw a sp r o j e c t e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eb yw h i c ht h e p a r a m e t e rs u c ha sc u r r e n t v o l t a g e l e n g t h f l a s h l e n g t h f o r g i n ga n dp r e s s u r e o i l i n w e l d i n gp r o c e s sw e r ea c q u i r e dw a sp e r f e c t e d a n dt h ec o n t r o lo fw e l d i n gp r o c e s sw a s o p t i m i z e d b a s e do nt h es y s t e mh a v i n gb e e np e r f e c t e d t h ea s s e m b l i n ga n dd e b u g g i n g ii l j llj 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 o ft h ec o n t r o ls y s t e mw a sc o m p l e t e d i n c l u d i n gt h ep r o c e s se x p e r i m e n t s t h et e s t so ft h e d r o p p i n gh a m m e r s t a t i cb e n d i n ga n dw e a r i n e s sw a sd o n e t h er e s u l ts h o w st h a tt h en e wc o n t r o ls y s t e mh a sh i g hc o n t r o l l i n gp r e c i s i o n r a p i d d y n a m i cr e s p o n s e s t r o n gr e s i s t i n gi n t e r f e r ec a p a b i l i t ya n di n t e l l i g e n tc a p a b i l i t i e so f d a t aa c q u i s i t i o n d a t am a n a g e m e n ta n dp a r a m e t e rm o d i f i c a t i o n t h eq u a l i t yo fw e l d i n g j o i n t so f r a i la n dt h ep r a c t i c a b i l i t yw a sb e t t e rb yc o n t r o l l i n gw e l d i n gv o l t a g et h r o u g h t w og r o u p so f t h y r i s t o r st h a nt h r o u g hag r o u po ft h y r i s t o r b a s e do nal o to ft h ep r o c e s s e x p e r i m e n t s t h ew e l d i n gp r o c e s sw a so p t i m i z e d b yw h i c ht h em o d e lt e s t so fw e l d i n g j o i n t sf o ru 7 5 vr a i lw a sq u a l i f i e da c c o r d i n gt ot b l 6 3 2 9 1 s t a n d a r d k e yw o r d s f l a s hw e l d i n g d a t aa c q u i s i t i o n q u a lit ya s s e s s w e l d i n gp r o c e s s ij 一 i i 西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 目录 第1 章文献综述 1 1 钢轨焊接的现状 o oo 0060 l 1 2 闪光焊技术的原理 现状和发展 m ooogo r e 4 1 2 1 闪光焊的机理 4 1 2 2 闪光焊的特点 o og im0oo 5 1 2 3 闪光焊设备及其发展 6 1 3 现代测试技术 c a 1 3 1 传感器 c a 1 3 2 互感器 1 0 1 3 3 数据转换与采集技术 1 2 1 4 数据通信技术 1 4 1 4 1 数据传输方式 1 4 1 4 2 数据通信性能指标 1 5 1 5 三菱f x 系列p l c 与研华工控机 1 6 1 5 1 三菱f x 系列p l c 特点及应用 1 6 1 5 2 研华工业控制计算机的特点及应用 1 7 第2 章闪光焊机控制系统硬件设计 2 1 控制系统总体设计 1 9 2 1 1 控制系统设计的基本原则 1 9 2 1 2 控制系统的技术要求 1 9 2 1 3 改进前的整个系统存在的问题 2 0 2 l4 迸一步完善控制系统总体设计思路 2 1 2 2 控制系统硬件的设计 2 2 2 2 1 闪光焊稳压调压系统 2 2 2 2 2 闪光焊电流恒值闭环控制系统的设计 2 6 第3 章数据采集与管理系统设计 3 1 数据采集硬件设计 3 l j j 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 3 1 1 数据采集系统硬件总体设计 3 l 3 1 2 数据采集板卡和通信适配器的选择 3 2 3 1 3 焊接信号的采集 3 4 3 2 数据采集与管理系统软件设计 3 6 3 2 1 数据采集与管理系统的要求 3 6 3 2 2 程序设计 3 8 第4 章系统调试和实验结果分析 4 1 控制系统的组装调试 5 5 4 1 1 稳压调压控制板的调试 5 5 4 1 2 电流恒值控制板的调试 5 5 4 l3 采集信号与实际信号的校正 5 6 4 2 工艺试验 5 7 4 2 1 试验材料 5 7 4 2 2 单组晶闸管控制电压工艺试验 5 7 4 2 3 双组晶闸管控制电压工艺试验 6 0 4 3 试验结果分析 0 l i pl d 6 4 4 3 1 理论分析 6 4 4 3 2 试验分析 6 5 结论 o 0 00 q a o0 6 9 赘 射 7 0 参考文献 7 1 攻读硕士学位期间发表的论文 7 4 j 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 第1 章文献综述 1 1 钢轨焊接的现状 随着国民经济的迅速发展 高速运行 重载运输已成为铁路发展的必然趋势 实现无缝铁路的焊接已成为其中的关键技术之一 自从铁路成为主要的运输方式 以来 人们就一直在努力研究如何增加钢轨的长度i 如果能实现钢轨的无缝连接 既能改善车辆运行的平稳程度 又能延长钢轨的使用寿命 而且还能提高车辆的 运行速度 目前 随着铁路运输量的迅速增长 国内外越来越多的科研机构 工 厂对无缝线路的研究及开发极为重视 2 1 为进一步发挥铁路运输的潜在能力 铁路 运输的再次提速已提上日程 保证无缝铁路高速运行的安全性 对无缝线路的焊 接技术则提出了更高的要求 对焊接接头质量及可靠性要求更加严格 无缝线路是铁路轨道结构技术进步的重要标志 也是高速 重载轨道结构的 最优选择 它以无可争议的优越性为各国铁路所承认 3 1 因此 世界各国铁路竞相 发展无缝线路 目前已累计铺设3 0 多万k m 各国在解决无缝线路钢轨焊接问题中 根据本国国情 创造了许多新技术 新材料和新工艺 目前 钢轨焊接的主要方 法有接触焊 闪光对焊 气压焊 铝热焊 电弧焊 4 5 1 接触焊 利用电流通过 电阻时所产生的热熔化焊件 再经顶锻完成焊接 其特点是焊接速度快 焊接质 量稳定 但其设备较复杂 焊机一次性投资大 所需电源功率大 目前工厂内焊 接主要采用这种方法 气压焊 利用气体燃料产生的热能将轨端加热到熔化状态 或塑性状态 再加一定的顶锻压力 实现连接的一种焊接方法 气压焊的一次性 投资小 无需大功率电源 焊接时间短 焊接质量好 多用于现场 缺点是焊接 时对接头端面的处理要求十分严格 并且在焊接时需要钢轨有一定的纵向移动 因此对超长钢轨的焊接有一定难度 特别是无法进行跨区间无缝线路的在线焊接 i t 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 铝热焊 用重金属氧化物和铝的混合物为焊剂 铝热剂放入坩锅点燃后剧烈放热 将钢轨预热 坩埚内熔化的钢水流入砂模中 从而实现钢轨的焊接 铝热焊设备 简单 操作方便 但性能较差 需加强现场的质量检查 6 l 电弧焊 用于现场维修 工作 焊缝金属能达到母材的力学性能 硬度和耐磨强度有时甚至超过钢轨 钢 轨电弧焊在国外已有较长的发展历史 但在我国尚处起步阶段 钢轨的其它焊接 方法 最近 欧洲开发出一种采用自动窄间隙活性气体保护焊焊接钢轨的方法 称之为t i m e 焊接法1 7 1 所用气体为6 5 a r 2 6 5 h e 8 0 c 0 2 1 0 5 0 2 的混合 气体 采用直径为0 8 1 2 m m 的实心焊丝 d i n 8 5 5 9 合金体系为n i c r m o 这种 窄间隙多层焊接方式使焊缝金属在奥氏体区停留时间很短 而在马氏体转变点以 上停留时间较长 使每道焊缝有回火作用 不需要预热和焊后热处理 熔敷速度 快 焊接时间短 接头质量高 世界各国发展无缝线路钢轨焊接技术各有特点 例如 前苏联正线钢轨焊接 只采用接触焊方法 日本高速铁路钢轨焊接经历了一个对各种焊接方法逐步认识 改进 提高和完善的过程 采用闪光接触焊和气压焊一次焊接 将2 5 m 或5 0 m 的标 准钢轨在厂内或基地内焊成2 0 0 m 长 2 次焊接和3 次焊接多采用铝热焊 强迫成形 电弧焊和气压焊 即在铺设现场将钢轨焊成8 0 0 m 1 5 0 0 m 长或超长无缝线路 在 世界各国铁路中 德国的铝热焊技术发展较早 在2 0 世纪7 0 年代前西德的铝热焊 技术及其使用范围 焊接材料 焊剂 和焊接机具就有很大发展 多年来德国在 铁路上全面采用铝热焊接技术 使铝热焊焊接技术得以不断改进 目前现场普遍 采用的 短时预热快速铝热焊法 几乎成为德国联邦铁路现场焊接钢轨接头的 惟一方法 其最大特色是改进了预热的加速器 将铝热焊的预热时间缩短为1 m i n 从而使铝热焊接头的焊接时间缩短为8 9 m i n 并改善了接头的材质性能 使焊接 接头更加可靠 最近 德国电热股份有限公司又研制了最新一代用于钢轨和道岔 焊接的短时预热快速铝热焊新方法 简称s k v 焊法 法国在高速铁路钢轨焊接 技术上发展较快 基地焊接采用先进的接触焊法 现场线上焊接有移动式接触焊 和一次性坩埚铝热焊 简称q p c j 铝热焊 可成功地完成一个钢轨接头的焊接 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 有严密 完整的焊接工艺 从到焊接现场前的准备工作 焊接现场的准备工作 轨道的准备工作 钢轨端头的准备 钢轨端头的对正 砂模的准备 预热 焊药 包的准备 浇注 拆除砂模和推瘤 热打磨 冷打磨到收尾工作共分1 3 个步骤 每一步又都有详细的规定和重要的注意事项 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l9 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 铺后断折率高 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 1 9 6 3 年我国钢轨焊接机研制成功 自此各铁路工程局 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 如瑞士的g a a s 8 0 型 乌克兰的k 型电接触焊机 目前除工地焊接 联合接头使用气压焊法外 焊轨厂已全面淘汰了气压焊法 现场联合接头焊接和 断轨再焊采用铝热焊和小型气压焊 铝热焊技术在我国经历了艰难的发展过程 近年研究成功的大剂量 片模定时预热焊法等新材料 新工艺 在质量上有了一 定的提高 区间联合接头的焊接已广泛采用移动式小型气压焊机 钢轨焊接是铺设无缝线路的重要环节 其几何外形尺寸的平顺和内部质量 是保证无缝线路正常运营的关键 随着我国铁路高速 重载和安全技术的发展 对钢轨焊接提出了越来越高的要求 在钢轨焊接过程中 影响焊接质量的因素很 多 焊接回路阻抗的变化 焊接设备的状态 钢轨焊接材质的变化 钢轨导电部 分的打磨状态 电网的电压波动等等 如何保证高速无缝线路中焊接接头的质量 保证交通运输的安全 已引起了广泛关注 8 i 钢轨焊接质量的检测主要有破坏性检 测 如静弯 落锤 疲劳性能等检测方法 和无损检测两种方 法 们 无损检测有多 j 种方法 文献 1 0 介绍英国a m e c 铁路工程获得轨道线路公司1 0 0 万英镑的合同 采用无损的x 光线照相技术对铝冶焊接技术进行试验 用x 光线照相技术检测焊缝 所需的时间不至l j 3 0 m i n 文献 1l 介绍钢轨探伤的无损检测新技术低频涡流 基 于激光的超声感应和接收 纵向导向超声波等研究 尤其是基于激光的超声技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 采用高能激光冲击钢轨表面 在钢轨材料内产生超声波 纵向导向波传感器能产 生沿钢轨全长内部传送的低频波 钢轨核伤将使信号部分或全部返回 接收器收 到返回信号便可判定 目前钢轨闪光焊设备基本依靠进口 上海铁路局与戚墅堰机车车辆研究所合 作开发了钢轨闪光焊机 机械部分进行了国产化 而对于控制系统及其系统软件 全采用进口 系统操作界面仍为全英文版本 无汉化界面 操作很不方便 在控 制系统软 硬件 特别是系统在线质量检测和控制方面还有很多问题 而国内在 闪光焊质量在线检测与控制方面还基本处于空白状态 因此 进行钢轨闪光焊新 设备 新工艺和焊接质量的在线检测与控制研究具有非常重要的实际意义 1 2 闪光焊技术的原理 现状和发展 1 2 1 闪光焊的机理 对焊 对接电阻焊 是一种常用的焊接接头形式 是点加热的塑性焊接 对焊又分为电阻对焊和闪光对焊两种 闪光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 j 2 l 1 f u p f u p v s 厂 图2 1 闪光对焊原理图 闪光对焊过程是多参数影响的不连续过程 闪光对焊的原理如图2 1 所示 焊件装配成对接接头 焊件1 于夹具2 中夹紧 接通变压器3 然后移动可动夹 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 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 产生闪光 使端面金属熔化 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 1 3 l 1 2 2 闪光对焊的特点 闪光对焊有三种方法 连续闪光对焊 预热闪光对焊和脉动闪光对焊 1 3 l 预 热闪光对焊是在连续闪光对焊之前先进行预热 目前连续闪光焊和预热闪光焊两 种焊接工艺较为成熟和应用较广 近几年来 出现一种新的焊接工艺称为脉动闪 光焊 但是 在国内外应用很少 巴顿焊接研究所研制的k 7 0 0 1 型大口径管道 闪光对焊机即采用了脉冲闪光焊的技术f i 钔 连续闪光焊的焊接工艺过程包括闪光 顶锻 保持 恢复等阶段 其中闪光 和顶锻是形成焊接接头的重要阶段 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的电阻 前者是主要的 闪光阶段的另一个作用是烧掉工件端面的不平和脏物 使闪光后 期工件端面上形成一层均匀的液态金属层和适当的温度 研究表明 1 2 闪光过 程是不连续的 闪光过程中实际有效时间只占闪光时间的l o 3 0 如何改善 闪光不连续过程 使加热效率提高 是闪光对焊过程控制系统必需实现的一个课 题 目前仍需作出探索 顶锻是闪光后期对工件施加顶锻力 封闭工件对口间隙 排除液态金属层 过热金属及氧化物夹杂 使工件对口和临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 其过程分为有电顶锻 和无电顶锻阶段 有电顶锻是为了在闪光停止后对焊件补充加热 以利于排除液 态金属 进行塑性变形 但由于闪光接触电阻消失 电流突然增大 对焊机的容 量要求很大 国外和国内有些单位开展了对于顶锻模式的研究工作 1 5 l 为了减少 焊机容量 使焊机容量充分利用 降低电能消耗 国外已着手研究不带电的项锻 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 过程 1 5 1 预热闪光焊的工艺过程与连续闪光焊的不同之处在于 在闪光阶段之前有一 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 口 然后再进行闪光和顶锻 预热又分为闪光预热和短路预热两种 短路预热是多次将两工件端面紧密接触 分开 接触时工件短路 施加一定的压 力 并通过预热电流 闪光预热是接通电源后 多次将两工件端面接触 分开 在每次接触都激起短暂的闪光 与短路预热相比 闪光预热的控制比较复杂 连续闪光焊主要用于截面积为1 0 0 0 m m 左右的闭合零件的对接 如车圈 铝 窗等 预热闪光焊则可焊接面积为5 0 0 0 一1 0 0 0 0 m m 黑色金属材料零件 钢轨对 接接头等 1 6 i 1 2 3 闪光焊设备现状及其发展 闪光焊设备即闪光焊机 包括机械装置 供电装置和控制装置三部分组成 闪光焊机的机械装置包括机架 导轨 加紧机构及送进机构 加紧机构包括 动夹具和静夹具 过去的加紧机构有弹簧式和偏心轮式 再往后出现了气压式和 液压式 目前普遍采用液压式 送进机构是使工件送进的装置 过去的送进机构 有弹簧式 手动杠杆式和电动凸轮式 目前较先进的是液压传动式 闪光焊机的供电装置包括焊接变压器 输出功率调节机构和焊接回路 焊接 变压器是供电装置的核心 按其结构分为壳型 芯型和环型 常用的是壳型变压 器 输出功率调节机构 过去传统的是采用级数转换器 即采用改变焊接变压器 的初级匝数来获得不同的初级电压 从而进行输出功率的有级调节 新发展的是 在变压器初级晶闸管等可控整流开关元件 对焊机次级输出电压进行无级调节 从而达到调节输出功率的目的 闪光焊机的焊接回路有焊接变压器次级绕组 软 导线 电极等组成 次级整流焊机还包括次级整流二极管 1 6 i 闪光焊机的控制装置包括主电力开关控制装置以及其它焊接过程程序控制 装置 控制装置又称控制柜 其作用是 1 可靠的接通和切断焊接变压器的控 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 制电源 2 控制闪光焊机按预定的焊接循环自动工作 3 均匀的控制焊接电 流及接通时间 4 实现接头的质量监控 焊接主电力开关控制主要指对电磁式 开关的控制 对可控整流元件 如水银引燃管 晶闸管等 的触发控制 焊接过 程控制包括记数 记时 程序切换 焊接参数记录及故障诊断及处理等等 传统 的程序控制采用逻辑门电路 接触继电器等来实现 随着计算机控制技术的发展 出现了闪光焊接过程的微机控制装置 在国内外的闪光焊机上已经得到了具体的 应用 闪光对焊可焊金属范围非常广泛 易于获得优质接头 如何提高闪光对焊过 程的质量 降低原材料损耗和电能源的消耗 是优化闪光对焊过程的目标1 1 7 i 对 现场钢轨的焊接技术 应从新的焊接方法 焊接工艺 焊接材料和焊接设备方面 进行深入研究和开发 从而进一步提高焊接接头质量和焊接效率1 2 1 采用先进的 闪光过程控制思想 开发先进的焊接工艺 目前采用预热闪光焊和连续闪光焊两 种工艺 但是这两种工艺焊接需要的时间一般2 0 0 s 以上 在9 0 年代巴顿电焊所 库丘克一雅琛科院士在连续闪光焊的基础上开发一种新工艺 称为脉动闪光焊 其焊接工艺特点是闪光颗粒十分细小 过程稳定 加热效率高 热影响区窄 节 能 目前焊接1 0 0 0 0 r a m 2 断面钢轨仅需6 0 7 0 s 实现优质高效化焊接 1 8 9 2 们 其中 k9 0 0 闪光焊机上可以使用这种工艺 运用现代电力电子技术 微机技术 电液伺服技术相结合开发新型焊接设备 目前 国内外先进的钢轨闪光焊机主要 有交流闪光焊机和次级整流闪光焊机两种 典型交流闪光焊机有乌克兰巴顿焊接 研究所生产的k3 5 5 a k1 9 0l lk k9 0 0 以及美国霍兰德 h o l l o n d 公司 制造的k3 5 5h 型钢轨闪光焊机 它们的主要特点 2 i l 电功率小 焊接断面积大 体积小 重量轻 机械结构紧凑灵活 固定式焊机适用于工厂焊接 移动式焊机 便于在线路上进行钢轨接触焊接 在设计上采用了并联的2 台十分靠近且对称于 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 其数值为1 5 l o 击口约为一般接触焊机的1 5 设计的额定功率为一般焊轨 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 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 给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l 3 l 2 提高了钢轨接头的质量 因此工艺先进 节能省电 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 2 1 i 为 用三相3 8 0 v 5 0 h z 的交流电源 通过2 组6 个共5 4 0 k w 焊接变压 器及6 只大功率二极管 在二次侧进行整流 得到一个大约6 00 0 0 a 5 4 v 的连续 直流电 l s 内的过载电流可达到1 2 00 0 0 a 供焊接钢轨用 这样就保证了电网 电压三相平衡供电 使供电系统尖峰负载减小 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 减小焊接变压器和馈电导线的截面尺 寸 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 焊 缝及晶粒细小均匀 可获得优良的焊轨质量 该焊机为框架结构 使对钢轨的夹 紧力及顶锻力顺延钢轨长度方向分布 保证钢轨的焊接精度 焊机还附有焊轨过 程压力 f 电流 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 制止不良焊接接头的重复出现 焊机功率均大于5 0 0 k w 近几年 来 出现了一种新型闪光焊机一脉冲闪光焊机 美国的k3 5 5h 和乌克兰k1 0 0 0 型属于脉冲闪光焊机类型 该种装备与连续闪光焊的主要不同点是它采用先进液 压传动系统和计算机控制系统对焊接过程进行精确控制 并在c j j 光送进过程中叠 加一个5 2 5 h z 的脉冲 产生微小脉动位移 以提高闪光的稳定性和加热效率 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 美国 法国普拉萨公司最新开发出由计算机控制的 钢轨焊接检测系统 能够检测和记录钢轨焊接工作的质量 2 2 3 i 检测程序在笔记 本电脑中微软的w i n d o w s 平台上运行 程序自动记录和分析钢轨焊接的情况 用卫星定位系统记录焊接的位置 建立焊接数据文件 操作员输入更详细的数据 信息 或者自动地从轨道状况记录车的数据库中获取数据信息 绘制焊接参数曲 线图 同时 现在很多焊机设置带有自动去毛刺机构 使机械部分更加完善 目前 次级整流闪光焊机是焊接设备的发展方向 而采用脉动闪光工艺焊接 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 是钢轨焊接的必然趋势 1 3 现代测试技术 随着现代科学技术的迅猛发展和生产过程的高度自动化 以及人类生活质量 的不断提高 以传感器一微机为核心的现代测试与控制系统正在越来越广泛地应 用于航天 航空 兵器 舰船 交通运输 电力 冶金 机械制造 动力制造 化工 轻工 生物医学工程等部门和技术领域1 2 4 1 现代测试与控制系统 常常是 以信息的流通过程来划分为开环测试系统 如图2 2 所示 和闭环测试系统 如 图2 3 所示 石叵 五互三逦 从量 匦网 图2 2 开环测试系统图 图2 3 闭环测试系统图 1 3 1 传感器 传感器 t r a n s d u c e r 或s e n s o r 是将各种非电量 包括物理量 化学量 生 物量等 按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量 一般为电量 的装 置 2 4 1 传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术 它是检测 传感 原理 材料科学 工艺加工等三个要素的最佳结合 检测 传感 原理 指传感器工作时所依据的物理效应 化学反应和生物反应等机理 各种功能材料 则是传感技术发展的物质基础 从某种意义上讲 传感器也就是能感知外界各种 被测信号的功能材料2 量2 6 i t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l o 页 传感器一般由敏感元件 转换元件和测量电路三部分组成 有时还需要加辅 助电源 2 7 1 用方块图表示如图2 4 所示 图2 4 传感器原理图 新设计的控制系统中使用了位移传感器和压力传感器 1 直线位移型电阻式传感器 电阻式传感器是把被测量 如位移 力等转换为电阻变化的一种传感器 按 其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类 变阻器式传感器也称为电位计式 传感器 其工作原理是通过改变电位计触头位置 实现将位移转换为电阻的变化 常用变阻器式传感器有直线位移型 角位移型和非线性型等 本系统中所用 的位移传感器就是直线位移型变阻器式传感器 型号为w d l 一l o o 其电阻值为 2 k 口 精度为o 1 2 s 在焊接过程中 动立柱的位移信号一般通过陔型号位移 传感器提取 2 压力传感器 压阻式压力传感器是利用半导体的压阻效应而工作的 当单晶硅半导体 如 p s i n s i 沿某方向受外力作用时 其电阻率发生变化 导致电阻值相对变化 通过惠斯通电桥输出对应的电信号 实现对压力的准确测量 本系统中采用 m p m 4 8 0 型带隔离硅压阻式压力传感器 该产品采用数字补偿及非线性修正技 术 非线性 重复性 迟滞性达0 0 5 在 1 0 8 0 微字化温度补偿 产品综合 精度高达0 2 5 4 2 0 m a 两线制电流输出 采用全不锈钢结构设计 具有体积 小 重量轻等优点 可在1 5 2 8 v d c 范围内可靠工作 2 9 1 顶锻压力信号一般通 过压力传感器提取 1 3 2 互感器 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1l 页 电流互感器和电压互感器统称互感器1 3 0 1 互感器从其结构和工作原理来说是 一种特殊的变压器 互感器的主要作用是实现仪表 继电器与强电主电路隔离 这可避免主电路的高电压和大电流直接引入测量仪表和继电器 同时也防止仪表 继电器等故障时影响主电路 从而提高主电路和测量及控制电路两方面工作的安 全 可靠性 互感器还可以扩大仪表和继电器的测量和控制范围 3 i i 如一只有5 a 量程的电流表 通过互感器可测量任意大的电流 同样 用一只l o o v 量程的电 压表可测量任意的高电压等 l 电流互感器 电流互感器的原理图如图2 5 所示 电流传感器的一次绕组串联在回路里 在 导线截面处 二次绕组经某些负荷 测量仪表和继电器 而闭合 并保证通过的 负荷电流与一次绕组的电流成正比 其结构特点是一次绕组匝数少 有的直接用 扁钢穿过铁心 只有一匝 而二次绕组匝数很多 导线也较细 运行时 一次绕 组串联在电力系统主电路中 二次绕组与仪表 继电器等电流线圈串联 形成单 独的闭合电路 3 2 1 由于电流线圈阻抗很小 电流互感器二次回路工作时接近短路 状态 一般与电力网上配套使用的电流互感器二次绕组的额定电流为5 a 本系统 采用l m z j i 0 5 电流互感器 电流比为2 0 0 0 a 5 a 精度达到o 5 级 3 石 上 图2 5 电流互感器原理图和等效电路图 l 铁心2 一一次绕组3 一二次绕组 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 电压互感器 电压互感器的电路原理图如图2 6 所示 其结构特点是 一次绕组匝数较多 而二次绕组匝数较少 相当于降压变压器 工作时一次绕组并接于三相电路的一 次电路中 二次绕组并联仪表 继电器的电压线圈 由于这些电压线圈阻抗一般 很大 所以电压互感器二次侧工作时近于空负荷状态i i 一般用于供配电系统中 的电压互感器二次绕组额定电压为1 0 0 v 本系统采用交流电压传感器 线制输 出 型号 w b v 4 1 4 a s 3 输入为1 0 v 1 0 0 0 v a c 输出为4 2 0 m a d c 精度 高 达到o 5 级 响应时间快为2 5 0 m s 负载能力为6 v 静态功耗小为5 0 m w 供电电源为 1 2 v 或 2 4 v 1 3 4 1 l i l 2 2 图2 6 电压互感器原理图 l 一铁心2 一次绕组3 一二次绕组4 熔断器 1 3 3 数据转换和采集技术 数据采集技术作为微型计算机应用技术的一个重要分支 它集传感器 信号 采集与转换 计算机等技术于一体 是获取信息的重要手段和工到3 5 1 数据采集系统的任务 就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识 别的数字信号 然后送入计算机 根据不同的需要由计算机进行相应的计算和 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 处理 得出所需要的数据 3 6 l 而且计算得到的数据可以进行显示和打印 以便实 现对某些物理量的监视 其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用 来控制某些物理量 数据采集系统性能的好坏 主要取决于它的精度和速度 在 保证精度的前提下 应该尽可能的提高采样速度 以满足实时处理和实时控制对 速度的要求 3 随着微电子技术和计算机的迅速发展 以传感器一微机为核心部件组成的数 据采集系统应用领域正在不断扩大 其自动数据采集系统硬件图如图2 7 所示 温度 速度 州 压力 流量 位置 数字 离黼 图2 7 自动化数据采集系统图 计算机内部能识别的是二进制的数字信号 因此输入计算机的信号必须转换 为离散的数字信号 即将连续的模拟信号转换为离散的数字信号 模拟的非电量 电流 电压 必须先通过传感器 把非电量的模拟信号 如湿度 温度 压力 流量等模拟量转换为电信号 连续的模拟信号转换为离散的数字信号必须经历以 下过程 采样过程一保持过程一量化过程一编码过程 数据采集系统的主要性能指标 3 鼻3 6 1 l 系统分辨率 是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量 2 系统精度 是指当系统工作在额定采集速率下 每个离散子样的转换精 度 模数转换器的精度是系统精度的极限值 系统精度是系统的实际输出值与理 论输出值之差 它是系统各种误差的总和 通常表示为满度值的百分数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 采集速率 又称为系统通过速率 吞吐率等 是指在满足系统精度指标 的前提下 系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数 或者说是系统 每个通道 每秒钟可采集的子样数目 这里所说的 采集 包括对被测物理量进 行采样 量化 编码 传输 存储等的全部过程 4 动态范围 是指某个物理量的变化范围 信号的动态范围是指信号的最 大幅值与最小幅值之比的分贝数 5 非线性失真 也称谐波失真 当给系统输入一个频率为厂的正弦波时 其输出中出现很多频率为矿 七为正整数 的新的频率分量的现象 称为非线性 失真 1 4 数据通信技术 数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机 器 本系统数据通信系统的任务是把地理位置不同的上位机 工控机 和下位机 p l c 设备连接起来 高效率地完成数据的传送 信息交换和通信处理三项任 务 数据通信系统一般由传送设备 传送控制设备和传送协议及通信软件等组成 3 8 1 4 1 数据传输方式 按照传输数据的时空顺序分类 数据通信的传输方式可以分为串行传输和并 行传输两种 并行传输是将数据在多个信道同时传输的方式 其特点是 传输速 度快 但是成本较高 通常并行传输用于传输速率高的近距离传输 串行传输是 数据在一个信道上按位顺序传输的方式 其特点是 在远距离传输时 通信线路 简单 成本低 但与并行传输相比传输速度慢 故常用于远距离传输而速度要求 不高的场合 根据数据传输系统在传输由终端形成的数据信号的过程中 是否搬移信号的 频谱 是否进行调制 可将数据传输系统分为基带传输和频带传输两种 基带传 输 是指数据传输系统对电信号不做任何调制 直接传输的数据传输方式 在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 p l c 网络中 大多数采用基带传输 对二进制数字信号不进行任何调制 但是若 传输距离较远时 则可以考虑采用调制解调器进行频带传输 频带传输是把信号 调制到某一频带上的传输方式 当进行频带传输时 用调制器把二进制信号调制 成能在公共电话上传输的音频信号 模拟信号 在通信线路上进行传输 信号传 输到接受端后 再经过解调器的解调 把音频信号还原为二进制信号 根据发送端和接受端之间的是否同步问题分为 异步传输和同步传输 异步 传输是利用起止法来达到收发同步的 同步传输是把每个完整的数据块作为整体 来传输 因而传输效率高 按照数据在某一时间传输的方向 线路通信方式可以划分为单工通信 半双 工和全双工通信方式 单工通信就是指信息的传送始终保持同一个方向 而不能 进行反向传送 半双工通信是指信息流可以在两个方向上传送 但同一时刻只限 于一个方向传送 全双工通信能在两个方向上同时发送和接受 1 4 2 数据通信性能指标 传输速率是指单位时间内传输的信息量 它是衡量系统传输的主要指标 i 在数据传输中定义有以下3 种速率 l 调制速率 调制速率也称码元速率 是脉冲信号在经过调制后的传输速 率 既信号在调制过程中 单位时间内调制信号波形变化次数 也就是单位时间 内所能调制的调制次数 单位是波特 b a u d 通常用于表示调制解调器之间传 输信号的速率 2 数据信号速率 单位时间内通过信道的信息量 单位是比特 秒 b i tp e r s e c o n d 用b f 以表示 3 调制速率 波特 和数据传输速率 比特 秒 在传输的调制信号是二态 串行传输时 两者的速率在数值上是相同的 数据传输速率是指单位时间内传输 的数据量 数据量的单位可以是比特 字符等 通常用字符 每分钟为单位 差错控制是指对传输的数据信号进行检测错误和纠正错误 实际中常用的差 t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 错控制方式主要有3 种 l 自动检错重传 a r q 发送端按编码规则对拟发送的信号码附加冗余码 后 再发送出去 接收端对收到的信号序列进行错误检测 判断有无错码 并通 过反馈信道把判决结果送回发送端 2 前向纠错 f e c 发送端按照一定的编码规则对拟发送的信号码元附加 冗余码 构成纠错码 接收端将附加冗余码元按照一定的译码规则进行变换 检 测信号中有无错码 若有错 自动确定错码位置 并加以纠正 3 混合纠错 h f c 前向纠错与自动