鋼軌自動(dòng)化淬火機(jī)床總體設(shè)計(jì)及控制思路探究

吉順林　陳　軍

（中傳重型機(jī)床有限公司，南京 210000）

鋼軌自動(dòng)化淬火機(jī)床總體設(shè)計(jì)及控制思路探究

吉順林陳軍

（中傳重型機(jī)床有限公司，南京 210000）

本文以鋼軌自動(dòng)化淬火機(jī)床為主題，探討與其相關(guān)的機(jī)床總體設(shè)計(jì)及控制思路問(wèn)題。首先結(jié)合這個(gè)課題的相關(guān)背景對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，主要對(duì)鋼軌自動(dòng)化淬火機(jī)床總體設(shè)計(jì)進(jìn)行具體說(shuō)明，探討液壓隨動(dòng)系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)、進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)、淬火機(jī)床電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及與這些設(shè)計(jì)相關(guān)的控制問(wèn)題，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行初步展望，希望通過(guò)本文論述可以為該方面的理論研究工作、設(shè)計(jì)與控制實(shí)踐工作，提供一些有價(jià)值的參考。

鋼軌自動(dòng)化 淬火機(jī)床 總體設(shè)計(jì) 控制思路

伴隨時(shí)代、社會(huì)進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有了很大發(fā)展，尤其是在現(xiàn)代的工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了前所未有的作用。例如，在現(xiàn)代工業(yè)中，工業(yè)電氣自動(dòng)化是其基本的發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)信息技術(shù)與相關(guān)設(shè)備的聯(lián)合，工業(yè)電氣自動(dòng)化已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)。比如，在德國(guó)，工業(yè)4.0的出現(xiàn)，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)等，都是具體的體現(xiàn)。同時(shí)，工業(yè)電氣自動(dòng)化對(duì)各種影響其發(fā)展的因素做了最大優(yōu)化與調(diào)整，大大提高了其靈活性，在質(zhì)量方面、生產(chǎn)效率方面都有了卓越的進(jìn)步與提升。從這些情況來(lái)看，應(yīng)用現(xiàn)代化以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的相關(guān)數(shù)控編程與數(shù)控加工，非常有利于現(xiàn)代制造業(yè)向著更為輝煌的前景邁進(jìn)[1]。本文主要從這些方面的認(rèn)識(shí)中提取相關(guān)元素，對(duì)鋼軌自動(dòng)化淬火機(jī)床的設(shè)計(jì)、控制問(wèn)題展開(kāi)具體說(shuō)明。

1　概述

淬火工序的應(yīng)用可以有效改善材料性能，如對(duì)鋼軌表面硬度的提升。由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展也如火如荼，加上物流業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物推動(dòng)下的急速增長(zhǎng)，有利推動(dòng)了著鐵路運(yùn)輸向著更經(jīng)濟(jì)、安全、快速、有效的方向轉(zhuǎn)移?，F(xiàn)在通用的鐵軌都采用鋼質(zhì)材料，這種鋼軌以細(xì)長(zhǎng)桿件為主，隨著摩擦與溫度的升高，必然會(huì)出現(xiàn)形變，通常以弧形形變最為明顯。為了解決這方面的問(wèn)題，需要使其受熱保持均勻，并進(jìn)行相關(guān)空間位置的調(diào)整，以距離間隔來(lái)保障列車(chē)的安全運(yùn)用與鋼軌的可靠使用[2]。以下就以此為目的展開(kāi)具體的設(shè)計(jì)、控制思路探討。

2　鋼軌淬火機(jī)床的現(xiàn)狀分析

大多鐵路局所采用的淬火工序以人工調(diào)整線圈位置、移動(dòng)工件為主。這種處理方法以肉眼觀察為主，在判斷變形量、速度方面，誤差較大；在相關(guān)的工藝要求方面，感應(yīng)線圈、工件淬火面之間的距離穩(wěn)定性很差，加上工件的加溫均勻程度低，所以淬火層方面的硬度、深度很難達(dá)到所需要的標(biāo)準(zhǔn)。這不但影響鋼軌質(zhì)量，還會(huì)給人工操作、人工控制帶來(lái)極大的勞動(dòng)量。此外，它的自動(dòng)化控制程度非常低，可以說(shuō)未采用自動(dòng)化系統(tǒng)控制。生產(chǎn)率低、勞動(dòng)量大、操作難度大、產(chǎn)品質(zhì)量較差，給鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了諸多障礙。

3　鋼軌自動(dòng)化淬火機(jī)床總體設(shè)計(jì)及控制思路探究

3.1自動(dòng)淬火機(jī)床的總體設(shè)計(jì)說(shuō)明

第一，從機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)方面來(lái)看，一般需要對(duì)普通鋼軌、尖軌兩種工件進(jìn)行處理。其中，尖軌結(jié)構(gòu)與普通鋼軌差異大，而且在連接兩段軌道時(shí)，會(huì)削除側(cè)面，所以表現(xiàn)出傾斜狀[3]。為了解決這方面的問(wèn)題，可以在設(shè)計(jì)中將上端隨動(dòng)部分的感應(yīng)線圈包絡(luò)，然后以完全淬火，達(dá)到整體尺寸的一次性完成。在總體設(shè)計(jì)方面，可以以龍門(mén)銑床、刨床作為參考，并對(duì)其結(jié)構(gòu)中的相關(guān)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行一些提煉與應(yīng)用，通過(guò)借鑒與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，設(shè)計(jì)出新型的自動(dòng)化鋼軌淬火機(jī)床，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　自動(dòng)化鋼軌淬火機(jī)床總結(jié)構(gòu)示意圖

第二，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面來(lái)看，總體結(jié)構(gòu)包括感應(yīng)圈機(jī)架、工件進(jìn)給系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)中，以機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓隨動(dòng)系統(tǒng)、無(wú)級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置、工件傳送裝置、電氣控制系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)共同構(gòu)成?？刂品矫鎰t以PLC技術(shù)為主，如在電氣控制系統(tǒng)中，通過(guò)主電路圖、控制電路、PLC接線圖、程序代碼等共同完成[4]。

第三，從工作原理方面來(lái)看，主要是將鋼軌輸送至進(jìn)給系統(tǒng)，以電力拖動(dòng)傳送至另一邊，方便加工，然后以液壓系統(tǒng)中的液壓缸活塞桿支撐鋼軌，再以無(wú)級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制住淬火時(shí)間，保證熱處理的均勻度；最后以液壓隨動(dòng)系統(tǒng)完成淬火質(zhì)量的保障。

操作方法如圖2所示。

3.2液壓隨動(dòng)系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)

第一，從該系統(tǒng)的組成與特征方面分析，液壓傳動(dòng)、液壓伺服控制技術(shù)以液體為介質(zhì)、封閉環(huán)境下操作、利用液體靜壓能、參數(shù)涉及壓力、流量等；它主要由執(zhí)行部分、控制部分、能源部分、輔助裝置、傳動(dòng)介質(zhì)共同構(gòu)成；它的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在動(dòng)作迅速、換向快、同等功率下的傳動(dòng)裝置體積小、重量輕、尺寸小、工作運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)快、沖擊小、制動(dòng)高速以及控制調(diào)節(jié)方面的簡(jiǎn)單易行[5]。另一方面，它在過(guò)載保護(hù)方面、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的設(shè)計(jì)方面，易于實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng)用。此外，靈活性大也是其最大特征之一，尤其是在系統(tǒng)局部位置過(guò)熱現(xiàn)象方面，甚至可以做到有效避免。

圖2　機(jī)床整體操作流程圖

第二，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)也并非完美。它在介質(zhì)的泄露方面、機(jī)械摩擦損失方面、油液污染方面、精度價(jià)格方面、原因追溯方面等都存在一些不足。但是，這些缺點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)相比，屬于小問(wèn)題，且能夠逐漸采取一些方法加以克服，而且在未來(lái)的應(yīng)用前景廣闊。

第三，液壓元件液壓缸、換向閥、溢流閥、液控單向閥、濾油器、油箱、密封裝置、管系元件等共同組成液壓系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中，工作順序?yàn)閯?dòng)作1——?jiǎng)幼?——?jiǎng)幼?；主要是從液壓缸活塞桿將工件支撐到預(yù)定高度，然后進(jìn)行液壓系統(tǒng)處理，根據(jù)活塞桿動(dòng)作適應(yīng)鋼軌變形。當(dāng)活塞桿退回原處，系統(tǒng)卸載負(fù)荷。通常，工序中包括工進(jìn)、快進(jìn)或快退、卸荷。從原理方面看，根據(jù)隨動(dòng)性、安全性、可靠性、可行性進(jìn)行對(duì)應(yīng)性系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要四個(gè)條件分別滿足，才能高效為安全操作提供保證；從組成上看，有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、工作執(zhí)行系統(tǒng)。

3.3進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械動(dòng)力部分設(shè)計(jì)

進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，需要拖動(dòng)方案的設(shè)置，一般要考慮生產(chǎn)機(jī)械的速度、調(diào)整要求。尤其是在加熱溫度的控制方面，以無(wú)級(jí)調(diào)速為宜，通常是根據(jù)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)負(fù)荷來(lái)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。按照一般的切削機(jī)床資料分析，消耗于進(jìn)給傳方面的有效功率可以通過(guò)公式

進(jìn)行計(jì)算。其中，Q表示進(jìn)給牽引力（N），進(jìn)給速度則以Vs表示，單位為m/s。由于存在摩擦、進(jìn)給方向、反作有力、質(zhì)量與動(dòng)動(dòng)加速度，所以在具體的計(jì)算過(guò)程中，還需要參考相關(guān)的系數(shù)，進(jìn)行精確計(jì)算。在電機(jī)技術(shù)特性方面，需要考慮到額定功率、額定電流、額定轉(zhuǎn)矩、恒扭矩輸出范圍、恒功率輸出范圍、振動(dòng)、噪音、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、冷卻風(fēng)機(jī)電源等相關(guān)因素。而在進(jìn)給傳動(dòng)部分，則應(yīng)該根據(jù)所選擇的機(jī)型型號(hào)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。通常，在傳動(dòng)方式方面要優(yōu)化選擇，如電動(dòng)機(jī)、主軸間的聯(lián)接，以直接連接最為有效；注意對(duì)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置，這樣可以更好地減少相關(guān)影響因素造成的干擾。

3.4淬火機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，在淬火機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，包括感應(yīng)線圈、機(jī)床兩大模塊?？删幊炭刂破鳎簿褪荘LC，集合了微電子、計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)控制技術(shù)等一系列技術(shù)，構(gòu)成了一個(gè)新的控制裝置。它以柔性的程控系統(tǒng)為主，克服了繼電器中的諸多問(wèn)題，而且具備更為縝密的執(zhí)行邏輯，在記時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制方面功能顯著。從概念上看，可以將其理解為一種數(shù)字運(yùn)算控制電子系統(tǒng)，主要應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)。它具有通用性、便捷性、適應(yīng)性、安全性等都有獨(dú)特之處。同時(shí)，從目前的工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展情況來(lái)看，它的應(yīng)用前景廣闊。它的控制思路在于總線式開(kāi)放型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中的I/O能力可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行一些組合與擴(kuò)展。具體來(lái)看，它的基本結(jié)構(gòu)是：接受現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)——輸入接口部件——中央處理單元CPU（通過(guò)電源部件進(jìn)行CPU、接入與接出的聯(lián)結(jié)或提供動(dòng)力源）——輸出接口部分——驅(qū)動(dòng)受控元件。

其次，從工作原理方面來(lái)看，以循環(huán)掃描為主，具體就是鍵盤(pán)掃描或者進(jìn)行I/O掃描，再通過(guò)按鍵動(dòng)作或I/O動(dòng)作進(jìn)行程序轉(zhuǎn)入，就會(huì)進(jìn)行繼續(xù)工作。這方面由于操作任務(wù)多，通常以按分時(shí)操作原理為主。也就

是說(shuō)，在每一時(shí)刻進(jìn)行一個(gè)對(duì)應(yīng)的具體操作，也叫做CPU對(duì)程序的掃描。在編程語(yǔ)言方面，有梯形圖、助記符號(hào)語(yǔ)言；它具有靈活擴(kuò)展的特性，在硬件、軟件的設(shè)計(jì)方面標(biāo)準(zhǔn)化程度高、通有性強(qiáng)、監(jiān)視全面、診斷功能強(qiáng)大、可閉環(huán)回路控制、按順序控制，數(shù)據(jù)處理能力較高，對(duì)于簡(jiǎn)單的生產(chǎn)事務(wù)的管理也可以很快完成。雖然運(yùn)行速度慢，但是在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中的適用性非常強(qiáng)。由于它在體積、重量、性能、價(jià)格、節(jié)省電力方面都有優(yōu)勢(shì)，所以深受市場(chǎng)追捧與用戶青睞。

4　結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在新的時(shí)代就要以可持續(xù)發(fā)展的理念為指導(dǎo)原則，真正將與時(shí)俱進(jìn)、因時(shí)制宜的方法貫徹其間；在設(shè)計(jì)新型的淬火機(jī)床方面，全面實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化要求考慮到相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、操作流程等，而利用PLC自動(dòng)化控制，可以有效使鋼軌在空間位置的變化過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，適應(yīng)其位置變化。通過(guò)將其應(yīng)用于進(jìn)給系統(tǒng)的控制、液壓隨動(dòng)系統(tǒng)的控制等，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行中的穩(wěn)定性、優(yōu)良性非常明顯，為機(jī)床的安全提供了重要保障。另一方面，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到其中還存在一些不足之處，還應(yīng)該增加一些與溫度相關(guān)的反饋系統(tǒng)，從而使總體設(shè)計(jì)與控制更為全面、更加完善。希望通過(guò)這種完善與改進(jìn)，更好地推動(dòng)我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步變革，從而將我國(guó)的工業(yè)技術(shù)與生產(chǎn)環(huán)境帶入更大的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。

[1]趙玉劍.基于C8051F020的鋼軌淬火機(jī)控制系統(tǒng)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（9）：103-104.

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[5]楊雪.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC控制網(wǎng)絡(luò)在攀鋼軌梁廠自動(dòng)化生產(chǎn)線的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，（8）：11-12.

Research on the Overall Design and Control of the Rail Automatic Quenching Machine Tool

JI Shunlin, CHEN Jun
(China Heavy Duty Machine Tool Co., Ltd., Nanjing 210000, China)

This paper discusses the design and control of the machine tool, which is based on the rail automatic quenching machine tool. F irst of all, com bined with the background of the subject has carried on the brief overview; mainly the overall design of the automatic quenching machine tool rail were s pecific instructions, hydraulic with the dynamic part of the system design, feed system of mechanical parts design, quenching machine tool electrical s ystem design and the des ign of related control problem was di scussed, and some preliminary outlook on the future development prospects; hope that through this paper ca n provide some valuable information for the theoretical research, design and control of practical work, for reference.

Rail autom ation, quenching machine tool, the overall design, control ideas