鋼軌自動化淬火機床總體設計及控制思路探究

吉順林　陳　軍

（中傳重型機床有限公司，南京 210000）

鋼軌自動化淬火機床總體設計及控制思路探究

吉順林陳軍

（中傳重型機床有限公司，南京 210000）

本文以鋼軌自動化淬火機床為主題，探討與其相關的機床總體設計及控制思路問題。首先結合這個課題的相關背景對其進行簡要概述，主要對鋼軌自動化淬火機床總體設計進行具體說明，探討液壓隨動系統的部分設計、進給系統機械部分設計、淬火機床電氣系統設計以及與這些設計相關的控制問題，并對其未來的發展前景進行初步展望，希望通過本文論述可以為該方面的理論研究工作、設計與控制實踐工作，提供一些有價值的參考。

鋼軌自動化 淬火機床 總體設計 控制思路

伴隨時代、社會進步，科學技術領域有了很大發展，尤其是在現代的工業領域發揮了前所未有的作用。例如，在現代工業中，工業電氣自動化是其基本的發展趨勢。經過信息技術與相關設備的聯合，工業電氣自動化已經得到實現。比如，在德國，工業4.0的出現，3D打印技術的出現等，都是具體的體現。同時，工業電氣自動化對各種影響其發展的因素做了最大優化與調整，大大提高了其靈活性，在質量方面、生產效率方面都有了卓越的進步與提升。從這些情況來看，應用現代化以計算機為基礎的相關數控編程與數控加工，非常有利于現代制造業向著更為輝煌的前景邁進[1]。本文主要從這些方面的認識中提取相關元素，對鋼軌自動化淬火機床的設計、控制問題展開具體說明。

1　概述

淬火工序的應用可以有效改善材料性能，如對鋼軌表面硬度的提升。由于我國經濟快速發展，交通運輸業發展也如火如荼，加上物流業務在網絡購物推動下的急速增長，有利推動了著鐵路運輸向著更經濟、安全、快速、有效的方向轉移。現在通用的鐵軌都采用鋼質材料，這種鋼軌以細長桿件為主，隨著摩擦與溫度的升高，必然會出現形變，通常以弧形形變最為明顯。為了解決這方面的問題，需要使其受熱保持均勻，并進行相關空間位置的調整，以距離間隔來保障列車的安全運用與鋼軌的可靠使用[2]。以下就以此為目的展開具體的設計、控制思路探討。

2　鋼軌淬火機床的現狀分析

大多鐵路局所采用的淬火工序以人工調整線圈位置、移動工件為主。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；在相關的工藝要求方面，感應線圈、工件淬火面之間的距離穩定性很差，加上工件的加溫均勻程度低，所以淬火層方面的硬度、深度很難達到所需要的標準。這不但影響鋼軌質量，還會給人工操作、人工控制帶來極大的勞動量。此外，它的自動化控制程度非常低，可以說未采用自動化系統控制。生產率低、勞動量大、操作難度大、產品質量較差，給鐵路系統的安全運行帶來了諸多障礙。

3　鋼軌自動化淬火機床總體設計及控制思路探究

3.1自動淬火機床的總體設計說明

第一，從機床總體方案設計方面來看，一般需要對普通鋼軌、尖軌兩種工件進行處理。其中，尖軌結構與普通鋼軌差異大，而且在連接兩段軌道時，會削除側面，所以表現出傾斜狀[3]。為了解決這方面的問題，可以在設計中將上端隨動部分的感應線圈包絡，然后以完全淬火，達到整體尺寸的一次性完成。在總體設計方面，可以以龍門銑床、刨床作為參考，并對其結構中的相關優勢進行一些提煉與應用，通過借鑒與經驗總結，設計出新型的自動化鋼軌淬火機床，總體結構設計如圖1所示。

圖1　自動化鋼軌淬火機床總結構示意圖

第二，從結構設計方面來看，總體結構包括感應圈機架、工件進給系統。本次設計中，以機床的機械結構、液壓隨動系統、無級調速驅動裝置、工件傳送裝置、電氣控制系統的部分設計共同構成。控制方面則以PLC技術為主，如在電氣控制系統中，通過主電路圖、控制電路、PLC接線圖、程序代碼等共同完成[4]。

第三，從工作原理方面來看，主要是將鋼軌輸送至進給系統，以電力拖動傳送至另一邊，方便加工，然后以液壓系統中的液壓缸活塞桿支撐鋼軌，再以無級調速驅動控制電機轉速，控制住淬火時間，保證熱處理的均勻度；最后以液壓隨動系統完成淬火質量的保障。

操作方法如圖2所示。

3.2液壓隨動系統部分設計

第一，從該系統的組成與特征方面分析，液壓傳動、液壓伺服控制技術以液體為介質、封閉環境下操作、利用液體靜壓能、參數涉及壓力、流量等；它主要由執行部分、控制部分、能源部分、輔助裝置、傳動介質共同構成；它的優勢表現在動作迅速、換向快、同等功率下的傳動裝置體積小、重量輕、尺寸小、工作運動平穩、反應快、沖擊小、制動高速以及控制調節方面的簡單易行[5]。另一方面，它在過載保護方面、標準化、通用化、系列化的設計方面，易于實現和推廣應用。此外，靈活性大也是其最大特征之一，尤其是在系統局部位置過熱現象方面，甚至可以做到有效避免。

圖2　機床整體操作流程圖

第二，液壓傳動系統也并非完美。它在介質的泄露方面、機械摩擦損失方面、油液污染方面、精度價格方面、原因追溯方面等都存在一些不足。但是，這些缺點與優勢相比，屬于小問題，且能夠逐漸采取一些方法加以克服，而且在未來的應用前景廣闊。

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。設計中，工作順序為動作1——動作2——動作3；主要是從液壓缸活塞桿將工件支撐到預定高度，然后進行液壓系統處理，根據活塞桿動作適應鋼軌變形。當活塞桿退回原處，系統卸載負荷。通常，工序中包括工進、快進或快退、卸荷。從原理方面看，根據隨動性、安全性、可靠性、可行性進行對應性系統設計，要四個條件分別滿足，才能高效為安全操作提供保證；從組成上看，有驅動系統、工作執行系統。

3.3進給系統機械動力部分設計

進給驅動系統設計方面，需要拖動方案的設置，一般要考慮生產機械的速度、調整要求。尤其是在加熱溫度的控制方面，以無級調速為宜，通常是根據車輪的轉速、系統負荷來進行具體設計。按照一般的切削機床資料分析，消耗于進給傳方面的有效功率可以通過公式

進行計算。其中，Q表示進給牽引力（N），進給速度則以Vs表示，單位為m/s。由于存在摩擦、進給方向、反作有力、質量與動動加速度，所以在具體的計算過程中，還需要參考相關的系數，進行精確計算。在電機技術特性方面，需要考慮到額定功率、額定電流、額定轉矩、恒扭矩輸出范圍、恒功率輸出范圍、振動、噪音、轉動慣量、冷卻風機電源等相關因素。而在進給傳動部分，則應該根據所選擇的機型型號中的相關參數進行運算。通常，在傳動方式方面要優化選擇，如電動機、主軸間的聯接，以直接連接最為有效；注意對減速傳動機構的設置，這樣可以更好地減少相關影響因素造成的干擾。

3.4淬火機床電氣控制系統設計

首先，在淬火機床電氣控制系統設計方面，包括感應線圈、機床兩大模塊。可編程控制器，也就是PLC，集合了微電子、計算機、通訊、自動控制技術等一系列技術，構成了一個新的控制裝置。它以柔性的程控系統為主，克服了繼電器中的諸多問題，而且具備更為縝密的執行邏輯，在記時、計數、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字運算控制電子系統，主要應用于工業設計。它具有通用性、便捷性、適應性、安全性等都有獨特之處。同時，從目前的工業控制領域的發展情況來看，它的應用前景廣闊。它的控制思路在于總線式開放型結構設計，其中的I/O能力可以根據客戶的需求進行一些組合與擴展。具體來看，它的基本結構是：接受現場信號——輸入接口部件——中央處理單元CPU（通過電源部件進行CPU、接入與接出的聯結或提供動力源）——輸出接口部分——驅動受控元件。

其次，從工作原理方面來看，以循環掃描為主，具體就是鍵盤掃描或者進行I/O掃描，再通過按鍵動作或I/O動作進行程序轉入，就會進行繼續工作。這方面由于操作任務多，通常以按分時操作原理為主。也就

是說，在每一時刻進行一個對應的具體操作，也叫做CPU對程序的掃描。在編程語言方面，有梯形圖、助記符號語言；它具有靈活擴展的特性，在硬件、軟件的設計方面標準化程度高、通有性強、監視全面、診斷功能強大、可閉環回路控制、按順序控制，數據處理能力較高，對于簡單的生產事務的管理也可以很快完成。雖然運行速度慢，但是在工業應用環境中的適用性非常強。由于它在體積、重量、性能、價格、節省電力方面都有優勢，所以深受市場追捧與用戶青睞。

4　結束語

總而言之，在新的時代就要以可持續發展的理念為指導原則，真正將與時俱進、因時制宜的方法貫徹其間；在設計新型的淬火機床方面，全面實現其自動化要求考慮到相關的產品質量、生產效率、操作流程等，而利用PLC自動化控制，可以有效使鋼軌在空間位置的變化過程中進行自動調節，適應其位置變化。通過將其應用于進給系統的控制、液壓隨動系統的控制等，發現其運行中的穩定性、優良性非常明顯，為機床的安全提供了重要保障。另一方面，應該認識到其中還存在一些不足之處，還應該增加一些與溫度相關的反饋系統，從而使總體設計與控制更為全面、更加完善。希望通過這種完善與改進，更好地推動我國工業領域的進一步變革，從而將我國的工業技術與生產環境帶入更大的競爭領域。

[1]趙玉劍.基于C8051F020的鋼軌淬火機控制系統[J].西南交通大學學報，2015，（9）：103-104.

[2]王云先.Φ1m×6m大型淬火機床的設計、制造[J].西安建筑科技大學學報，2014，（3）：346-347.

[3]楊東曉，雷敬文，方振歡，等.鋼軌小型自動探傷車及其拓展平臺[J].科協論壇，2013，（6）：56-57.

[4]馬清，顧鳴.一個用于線路鋼軌自動化超聲波探傷的數據采集單元的研制[J].中國機械工程學會會刊，2014，（2）：42-43.

[5]楊雪.基于現場總線的PLC控制網絡在攀鋼軌梁廠自動化生產線的應用[J].重慶大學學報，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