UN5150钢轨交流闪光焊机研制.doc

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1、西南交通大学 硕士学位论文UN5-150钢轨交流闪光焊机研制 姓名：王会启 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：骆德阳 20060601 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页型大口径管道闪光对焊机也采用了脉动闪光焊的技术“。钢轨闪光焊机国内外现状钢轨闪光焊机的种类 按馈电到焊机钳口的电压方式，可以分为直流和交流钢轨焊机。 交流闪光焊机是将电源电压，经焊机内的焊接变压器降压后，直接将二次电压送到焊机导电钳口上。钳口电压较低，一般是。焊接变压器原边从电网的二相获取电压（相或、相），焊机功率一般在。交流焊机的焊接变压器靠近钢轨、二次回路所包围的面积小，具有很小的回路阻抗，从而增大了焊接

2、时的有效输出功率。属于这类的典型焊机是乌克兰巴顿焊接研究所生产的、和美国霍兰德（）公司制造的型钢轨闪光焊机。 直流焊机从电网取三相电源。经焊接变压器降压，二次电压经过整流器整流为直流电压，馈电到导电钳口。属于这类焊机的有英国公司制造的、瑞典公司制造的、瑞士制造的从一焊机。 目前，国内外的钢轨闪光焊机主要有次级整流闪光焊机和交流闪光焊机两种，次级整流闪光焊机的焊接质量比交流闪光焊机的要高，而交流闪光焊机比次级整流闪光焊机更节能、更有效率“。型焊机在焊机设计方面都有许多发展。首先，为提高焊机刚度，减少焊机变形，采用了龙门式或框架式机体。其次，为了保证钢轨焊接接头的几何尺寸，将夹紧与导电钳口分开，并

3、由单向单点夹钳发展到多向多点夹钳，夹紧以后仍可调整、自动对中等。近年来，焊机均带有自动去毛刺机构。为保证质量，一些焊机附有参数自动记录装置或质量监控装置等“。表卜、卜是几种典型焊机种类与性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 表卜 系列钢轨接触焊机型号及主要参数” 型 号 主要参数 固定式 移动式 一 丰 斗 功率（） 重量（） 最大可焊截面（四） 焊轨生产率（头 一 时） 最大顶锻力（） 最大夹紧力（） 烧化速度（） 项锻速度（） 可动机架最大行程（棚） 注：和于年推出。各类钢轨闪光焊机的特点 典型交流闪光焊机有乌克兰巴顿焊接研究所生产的、和美国霍兰德（）公司制造的型钢轨闪光焊机，主要

4、参数见表卜，其特点如下。： 电功率小，焊接断面积大，体积小，重量轻，机械结构紧凑灵活。 在设计上采用了并联的两台十分靠近且对称给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），约为般接触焊机的。设计的额定功率约为直流焊轨机的。 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给 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页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，还使加热区缩小一，提高了钢轨接头的质量。 典型直流闪光焊机有瑞士制造的型和型焊机，其特点为“： 采用三相的交流电源，通过两个焊接变压器（共）及六只大功率二极管，在次级

5、进行整流，得到秒内的过载量可达到的电流，供焊接钢轨用。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。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，晶粒细小均匀，可获得优良的焊轨质量。 焊机为框架结构，保证了钢轨的焊接精度。 焊机还附有焊轨过程压力（）、电流（）、位移（）的曲线记录仪和质量监测仪，监控每个焊头的焊接过程，可制止不良焊接接头的重复出现。课题意义 世纪的交通工程建设发展方向是客运高速化、货运重载化“。高速铁路、地铁、轻轨等现代交通高速轨道结构都具有综合弹性好、平顺、轨条与道岔均

6、为无缝结构的特点“，这种无缝线路最适合于客运高速化、货运重载化的要求。与普通有缝线路相比较，焊接长钢轨的无缝线路还有降低列车运行阻力，延长钢轨使用期限，节省养路维修费用和联接钢轨用的零部件等一系列优点，具有普通线路所无法比拟的优越性。“。 上世纪初，无缝线路开始在欧洲铺设，最早采用的是铝热焊方法。随着科学技术的发展，相继出现了气压焊、接触焊等钢轨焊接方法。以上三种方法，根据各种不同的原理，又派生出许多钢轨焊接方法。在技术上及经济上由于闪光焊方法较其他的焊轨方法目前均占据优势的缘故，当今世界上均以闪光焊为主要方法，该方法焊接在年的钢轨焊接接头中占总接头的”。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页

7、 目前，发达国家轨道连接技术与成套装备的机械化、自动化和智能化水平较高，我国现有的接触焊接机几乎从国外引进，如型钢轨闪光对焊机、型焊轨机、型钢轨闪光对焊机、型钢轨闪光对焊机、一型焊机等，具有完全自主知识产权的国产钢轨闪光焊机目前尚属空白。 随着铁路建设的快速发展，无缝线路的铺设越来越多。结合国外的先进技术自行研制国产的闪光对焊机，以逐步形成我国的设备，不仅能满足无缝钢轨焊接生产的需要，而且还节省了投入购买国外焊机的大量资金。 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口，。我国焊接工作者也对引进钢轨焊机进行了技术消化，并根据我国国情，对焊机控

8、制系统开展了大量研究工作，取得了可喜成果“，已在济南焊轨厂、成都铁路局直属焊轨厂、铁一局的焊轨工程中成功推广应用。因此，在消化吸收国外现代焊轨技术装备基础上，综合利用我国现有研究成果，研制具有完全自主知识产权的国产钢轨闪光焊机。对于提高我国钢轨焊接技术基础研究水平和轨道装备现代化水平，实现钢轨焊接装备国产化，节约大量外汇具有重要意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章焊机总体设计 方案选择 钢轨焊接是高速无缝线路建设中的重要组成部分，由厂内焊接和现场焊接两部分构成。在国内，厂内焊接全部采用闪光焊，现场焊接则主要采用小型气压焊。在十一五期间，我国将大力发展高速铁路和客运专线，这对钢轨焊

9、接接头的外形尺寸提出了更高的要求。现阶段，铁道部对钢轨现场焊接的指导方针是采用接触焊的方法。由于十一五期间我国铁路建设工程量巨大，造成现场接触焊机缺口非常大，目前国内所拥有的焊机远远不能满足要求，因此开发能满足现场使用要求的钢轨接触焊机具有积极的意义。 考虑到现场应用的特点，要求焊机必须具有重量轻、移动方便、性价比高、焊接效率高和质量可靠的特点，为此本设计的方案选择了研制悬挂式交流闪光焊机的方案。焊机设计的总体思路 焊机总体设计框图如图一所示，焊机由焊机机械部分、电气控制柜，液压系统和冷却水系统等四大部分组成。其中焊机机械部分又由动架和静架组成，动架上有位移传感器和焊接变压器，静架上 西南交通

10、大学硕士研究生学位论文 第页按钮。 图 钢轨闪光焊机总体设计框图 根据钢轨闪光对焊的工况条件，本设计采用上位机为工控机，下位机为的双电气控制系统，主回路采用双组晶闸管分别控制高压阶段和低压阶段的焊接电压的方案。 为满足钢轨焊接质量的要求，一焊机必须达到以下主要技术要求： 一、焊接机头上工件对中性好，误差姗；最大夹紧力；顶锻力；利用顶锻缸进行推瘤操作；静动夹具之间电绝缘。 二、建立工控机测控系统，具有良好操作界面和显示界面。可实时检测、显示、存储、统计焊接参数；自动判断焊接质量；并建立串行通信，工艺参数修改容易，实现柔性控制，能实现不同焊接材料和焊接工艺。 三、为保证焊接质量，对电压和电流的进行

11、闭环控制。 四、整个硬件系统根据工况，采用集成度高和抗干扰性强的电子部件，使硬件系统功能强，集成度高，有强的抗干扰措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章焊机机械设计与液压系统设计焊机机头设计焊机机头的特点与设计 闪光对焊机可分为悬挂式闪光对焊机和固定式闪光对焊机。悬挂式焊机主要用于现场焊接；固定式焊机主要用于工厂焊接。 悬挂式焊机机头主要包括机架、静动夹具、推瘤机构、顶锻机构。大功率闪光对焊机一般是采用液压传动机构，通过液压伺服系统控制闪光和顶锻时动夹具的运动。本设计要实现（的顶锻力，所以选择比例伺服阀液压传动机构作为顶锻（送进）驱动机构。 考虑到在焊接阶段，需要夹具对准中心线、阻

12、止工件打滑、支承工件，钢轨焊接要求工况最大夹紧力达（，所以选择钳形夹紧机构。 本设计的悬挂式焊机机头在参考国内外成熟焊机的基础上设计的。 焊机采用液压缸形式的蟹型夹具夹持钢轨轨腰，左右两副夹钳同步夹紧钢轨，夹紧钳口也是导电钳口。左右两副钳口同时绕中心轴转动，如图所示。连杠的夹角一。时能够得到足够的夹紧力。烧化过程的送进是沿轴向移动，由每个左钳口上的油缸活塞来推动的。钢轨对中是以钳口的外形和轨顶部对中块调整的，焊接不同轨型的钢轨时，需要更换与之匹配的钳口和对中块。 本焊机机头是在参考国内外焊机先进经验的基础上设计的，其有如下特点： 焊机具有液压杠杆形式的箱式蟹形夹紧装置，对开的两副夹紧装置可以绕

13、中心轴同步转动，通过相互联接的油缸，两付央紧机构可以相互合拢和张开 （参见图）。焊机结构紧凑，钢轨允许最大伸出长度总和不大于咖。 焊机一侧的蟹形箱体内安装两台焊接变压器，对称分布在焊接钢轨轨头斜上方。两个顶锻油缸对称分布在轨腰?讲啵透椎亩透艘彩欠谴嫉缌鞯牡继濉?西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 夹紧钳口分别夹持焊接钢轨的轨腰，夹紧钳口也是向钢轨馈电的电极。当油压压力时，对钢轨轨腰的夹紧力，顶锻油缸的顶锻力。两副蟹形箱式夹紧装置相互靠近、分离的最大行程是。 焊机能够实现自动对中。钢轨的对中是通过两付导电钳口及四块轨顶对中压块在央紧过程中完成的。当钢轨轨头宽度允许偏差在以内、轨头顶部断面允许偏

14、差在哪和一哪之内、轨端向下小于时，能够保证焊后接头范围内嗍的平直度要求。当钢轨外形尺寸偏差超过允许值，造成钢轨焊接端面错位时，就不能实现以工作面为基准的水平和垂直对中，也就不能保证焊后接头姗以内的平直度要求。 由图一我们可以看出。悬挂焊接机头的左右两部分夹紧机构都采用钳式夹持方式，且由顶锻液压传动装置及中心轴将其联结在一起。左夹紧机构为固定头，右夹紧机构为可移动头。在右夹紧机构内部安装有两台焊接变压器，并用螺栓将它们沿中心轴对称固定在右夹紧机构的颚板上。两台变压器采用并联连接。两台变压器的一同极性端分别连接到右夹紧机构的夹紧头上，另一同极性端通过两顶锻缸推动杆与左夹紧机构夹头连接。顶锻缸推杆穿

15、过颚板上的孔，推杆本身也是导电线路的一部分。为了减少因金属涡流的能量损失，颚板壁采用奥氏体不锈钢制造。一、对中机构设计 在焊接开始之前，必须使待焊工件保持良好的对中性。本焊机的夹持机构采用夹钳式。左右夹紧机构通过中心轴连接并可绕此中心轴转动。在设计时，保证了中心轴的刚度，这确保了在夹紧和送进过程中，不会发生扭弯的现象。 悬挂焊接机头的左右两夹紧机构相互绝缘，因而在夹紧钳口置入颚板槽口处即无需加绝缘垫板。在夹紧大压力的情况下，整个焊机变形很小，这有助于增加待焊工件的对中精度以及焊接机头的整体刚性，以确保焊接接头外观尺寸满足厂要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 器 焊机正视图 静立柱 央

16、紧液压缸 动立柱 项锻演压缸 焊眷俯视幽 图焊机整体结构示意图二、夹紧机构设计 本焊机的最大夹紧力设计为，所以我们在左右夹紧机构上均采用钳形夹紧机构原理，通过杠杆增压的方式，利用较小的液压缸获得较大的夹紧力，这一方式的应用，大大减小了机头的外形尺寸，满足大顶锻力的需要。夹紧缸缸体和活塞杆分别铰链在钳形夹紧机构的加力端，中心轴就是钳形夹紧机构的铰接转轴。增加加力端与钳口端的臂长比就可放大液压缸对钳口处的夹紧 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页力。三、送进机构设计 在左夹紧机构的两块颚板上分别安装有一个顶锻缸，其活塞杆的法兰固定于右夹紧机构的右侧壁的座孔中，在顶锻缸的作用下，右夹紧机构可沿活塞杆

17、相对于左夹紧机构移动。所以，只需控制顶锻缸的液压油流量，就可以控制焊接时的送进速度。四、推凸机构设计 悬挂焊接机头内配备有推凸机构，该机构在焊接保压完成后立即从周边推掉焊瘤。推凸机构采用钳形结构，当推动液压缸伞形连杆机构时，钳形口可张开或合拢。推凸刀按工件的截面形状分成左右两个部分，安装在推凸机构的钳口上，可以更换和调整。推凸机构安装在左夹紧机构的颚板上，可随顶锻缸运动。机构不采用独立的推瘤缸，而是连接在项锻缸上，当保压顶锻完后，动架夹具稍稍松开（相应液压阀处于型接法的中问位），静架保持夹紧，顶锻缸动作，分开左、右机构；然后动架夹具夹紧，静架夹具稍稍松开（相应液压阀处于型接法的中间位），之后顶

18、锻缸送进完成推瘤。这样可以可靠保证焊口热挤压变形的交互结晶，在高温下去除焊瘤，达到焊头质量好、焊接效率高、推瘤刀寿命长的效果。焊机机头的技术参数： （一）供电电压（柴油机发电机组供电电压）； （二）电源频率； （三）额定次级电流； （四）额定初级电流； （五）最大短路电流； （六）暂载率时额定容量； （七）最大焊接截面积姗； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 （八）最大夹紧钢轨力； （九）顶锻力（油压为时）：（油压为时）； （十）最大顶锻量姗； （十一） 顶锻初速度不小于砌； （十二） 烧化速度一唧； （十三） 焊机动架的最大行程帅。 （十四） 推瘤行程姗 （十五） 焊机机头外型尺寸： 长

19、 哪 宽 唧 高 啪 焊机有个油缸，分为两组，分别从事顶锻、夹紧工作，每组一对。均为缸内径中咖，活塞杆中衄。焊机机头与控制系统的接口 如图所示，焊机上有一个位移传感器，它负责向控制柜提供动架的移动量，控制系统以此来分析焊接位移参数，由此计算焊接的烧化量，并且为焊接顶锻保压阶段的参数调整提供依据。焊接保压阶段的参数依据也可以是顶锻缸的两侧压力，但是此方案在实际应用中比以位移为参数依据要复杂的多。目前，本焊机采用位移传感器位移量作为顶锻控制参量，结果表明，该方案在实际应用中能完全保证钢轨焊接接头的焊接质量。 如图所示，焊机机头上有一个手工操作面板。手工操作面板是为了方便焊接工人进行焊接工作，在控制

20、柜启动后，软件程序将进入焊接界面，焊接工艺参数对不同的钢轨有所不同。手工操作面板的操作键连接至控制系统中的输入端，“焊接”和“故障”指示灯连接至输出端，在操作面板设置有一个主回路的“急停”按钮。手工操作面板实物如图所示。 焊机机头的实物如图所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页通液压阀和一个三位四通液压比例阀。两个由日本油研生产的三位四通液压阀 （型号为一一）中位采用型接法，分别对两个夹紧液压缸进行换向控制，进而实现焊机对钢轨的夹紧和松开功能：另外两个为日本油研生产的型号为一的三位四通液压阀与系列型号为（）的三位四通比例阀，它们的中位都采型接法，同时对两个并联的顶锻液压缸进行换向控制，进

21、而实现焊机焊接时对钢轨的送进和退后操作，比例阀进行精确控制，液压换向阀则是进行顶锻与推瘤控制。集油块上面还有两个液体压力传感器，分别接至顶锻缸的有杆腔和无杆腔，用于检测顶锻缸的油压，以便控制系统在焊接时对液压阀进行调节和工控机进行焊接质量评定。 图集油块实物图液压系统设计液压系统的设计思路 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 液压泵站的设计是在参考国内外先进经验的基础上进行设计。如图所示的集油块是在选择进口液压阀的基础上设计。液压系统设计必须使顶锻缸满足下列技术参数：油压为时顶锻力，油压为时顶锻力。 在液压控制系统中，电液控制的关键是送进速度的控制，送进速度的快慢直接影响电流的大小、焊接闪光

22、烧化速度以及烧化稳定性。 图双闭环电液控制原理图 本系统采用比例伺服阀实现电流和速度双闭环电液控制。其控制原理图如图所示，系统由系统、比例伺服阀放大板、比例伺服阀、顶锻缸和焊接主回路组成。双闭环控制分内闭环和外闭环。内闭环控制由比例伺服阀放大板与比例伺服阀构成，当给定速度固定时，内闭环自动调节流量达到稳定值（相应的焊接送进与后退速度固定）。外闭环控制通过采集焊接电流，输入进行程序运算，给出比例伺服阀控制信号，控制动夹具的送进速度，以使得送进与后退速度与焊接电流匹配。液压系统原理设计 由图一可知，本焊机采用了钳形夹紧机构，夹紧油缸的缸体和活塞杆分别位于钳形臂的加力端，根据工况要求，左右夹紧共有两个夹紧缸，所以我们采用两个形电磁阀，实现左右夹紧、松开和张开操作。.