钢轨自动化淬火机床总体设计及控制思路探究

吉顺林　陈　军

（中传重型机床有限公司，南京 210000）

钢轨自动化淬火机床总体设计及控制思路探究

吉顺林陈军

（中传重型机床有限公司，南京 210000）

本文以钢轨自动化淬火机床为主题，探讨与其相关的机床总体设计及控制思路问题。首先结合这个课题的相关背景对其进行简要概述，主要对钢轨自动化淬火机床总体设计进行具体说明，探讨液压随动系统的部分设计、进给系统机械部分设计、淬火机床电气系统设计以及与这些设计相关的控制问题，并对其未来的发展前景进行初步展望，希望通过本文论述可以为该方面的理论研究工作、设计与控制实践工作，提供一些有价值的参考。

钢轨自动化 淬火机床 总体设计 控制思路

伴随时代、社会进步，科学技术领域有了很大发展，尤其是在现代的工业领域发挥了前所未有的作用。例如，在现代工业中，工业电气自动化是其基本的发展趋势。经过信息技术与相关设备的联合，工业电气自动化已经得到实现。比如，在德国，工业4.0的出现，3D打印技术的出现等，都是具体的体现。同时，工业电气自动化对各种影响其发展的因素做了最大优化与调整，大大提高了其灵活性，在质量方面、生产效率方面都有了卓越的进步与提升。从这些情况来看，应用现代化以计算机为基础的相关数控编程与数控加工，非常有利于现代制造业向着更为辉煌的前景迈进[1]。本文主要从这些方面的认识中提取相关元素，对钢轨自动化淬火机床的设计、控制问题展开具体说明。

1　概述

淬火工序的应用可以有效改善材料性能，如对钢轨表面硬度的提升。由于我国经济快速发展，交通运输业发展也如火如荼，加上物流业务在网络购物推动下的急速增长，有利推动了着铁路运输向着更经济、安全、快速、有效的方向转移。现在通用的铁轨都采用钢质材料，这种钢轨以细长杆件为主，随着摩擦与温度的升高，必然会出现形变，通常以弧形形变最为明显。为了解决这方面的问题，需要使其受热保持均匀，并进行相关空间位置的调整，以距离间隔来保障列车的安全运用与钢轨的可靠使用[2]。以下就以此为目的展开具体的设计、控制思路探讨。

2　钢轨淬火机床的现状分析

大多铁路局所采用的淬火工序以人工调整线圈位置、移动工件为主。这种处理方法以肉眼观察为主，在判断变形量、速度方面，误差较大；在相关的工艺要求方面，感应线圈、工件淬火面之间的距离稳定性很差，加上工件的加温均匀程度低，所以淬火层方面的硬度、深度很难达到所需要的标准。这不但影响钢轨质量，还会给人工操作、人工控制带来极大的劳动量。此外，它的自动化控制程度非常低，可以说未采用自动化系统控制。生产率低、劳动量大、操作难度大、产品质量较差，给铁路系统的安全运行带来了诸多障碍。

3　钢轨自动化淬火机床总体设计及控制思路探究

3.1自动淬火机床的总体设计说明

第一，从机床总体方案设计方面来看，一般需要对普通钢轨、尖轨两种工件进行处理。其中，尖轨结构与普通钢轨差异大，而且在连接两段轨道时，会削除侧面，所以表现出倾斜状[3]。为了解决这方面的问题，可以在设计中将上端随动部分的感应线圈包络，然后以完全淬火，达到整体尺寸的一次性完成。在总体设计方面，可以以龙门铣床、刨床作为参考，并对其结构中的相关优势进行一些提炼与应用，通过借鉴与经验总结，设计出新型的自动化钢轨淬火机床，总体结构设计如图1所示。

图1　自动化钢轨淬火机床总结构示意图

第二，从结构设计方面来看，总体结构包括感应圈机架、工件进给系统。本次设计中，以机床的机械结构、液压随动系统、无级调速驱动装置、工件传送装置、电气控制系统的部分设计共同构成。控制方面则以PLC技术为主，如在电气控制系统中，通过主电路图、控制电路、PLC接线图、程序代码等共同完成[4]。

第三，从工作原理方面来看，主要是将钢轨输送至进给系统，以电力拖动传送至另一边，方便加工，然后以液压系统中的液压缸活塞杆支撑钢轨，再以无级调速驱动控制电机转速，控制住淬火时间，保证热处理的均匀度；最后以液压随动系统完成淬火质量的保障。

操作方法如图2所示。

3.2液压随动系统部分设计

第一，从该系统的组成与特征方面分析，液压传动、液压伺服控制技术以液体为介质、封闭环境下操作、利用液体静压能、参数涉及压力、流量等；它主要由执行部分、控制部分、能源部分、辅助装置、传动介质共同构成；它的优势表现在动作迅速、换向快、同等功率下的传动装置体积小、重量轻、尺寸小、工作运动平稳、反应快、冲击小、制动高速以及控制调节方面的简单易行[5]。另一方面，它在过载保护方面、标准化、通用化、系列化的设计方面，易于实现和推广应用。此外，灵活性大也是其最大特征之一，尤其是在系统局部位置过热现象方面，甚至可以做到有效避免。

图2　机床整体操作流程图

第二，液压传动系统也并非完美。它在介质的泄露方面、机械摩擦损失方面、油液污染方面、精度价格方面、原因追溯方面等都存在一些不足。但是，这些缺点与优势相比，属于小问题，且能够逐渐采取一些方法加以克服，而且在未来的应用前景广阔。

第三，液压元件液压缸、换向阀、溢流阀、液控单向阀、滤油器、油箱、密封装置、管系元件等共同组成液压系统。设计中，工作顺序为动作1——动作2——动作3；主要是从液压缸活塞杆将工件支撑到预定高度，然后进行液压系统处理，根据活塞杆动作适应钢轨变形。当活塞杆退回原处，系统卸载负荷。通常，工序中包括工进、快进或快退、卸荷。从原理方面看，根据随动性、安全性、可靠性、可行性进行对应性系统设计，要四个条件分别满足，才能高效为安全操作提供保证；从组成上看，有驱动系统、工作执行系统。

3.3进给系统机械动力部分设计

进给驱动系统设计方面，需要拖动方案的设置，一般要考虑生产机械的速度、调整要求。尤其是在加热温度的控制方面，以无级调速为宜，通常是根据车轮的转速、系统负荷来进行具体设计。按照一般的切削机床资料分析，消耗于进给传方面的有效功率可以通过公式

进行计算。其中，Q表示进给牵引力（N），进给速度则以Vs表示，单位为m/s。由于存在摩擦、进给方向、反作有力、质量与动动加速度，所以在具体的计算过程中，还需要参考相关的系数，进行精确计算。在电机技术特性方面，需要考虑到额定功率、额定电流、额定转矩、恒扭矩输出范围、恒功率输出范围、振动、噪音、转动惯量、冷却风机电源等相关因素。而在进给传动部分，则应该根据所选择的机型型号中的相关参数进行运算。通常，在传动方式方面要优化选择，如电动机、主轴间的联接，以直接连接最为有效；注意对减速传动机构的设置，这样可以更好地减少相关影响因素造成的干扰。

3.4淬火机床电气控制系统设计

首先，在淬火机床电气控制系统设计方面，包括感应线圈、机床两大模块。可编程控制器，也就是PLC，集合了微电子、计算机、通讯、自动控制技术等一系列技术，构成了一个新的控制装置。它以柔性的程控系统为主，克服了继电器中的诸多问题，而且具备更为缜密的执行逻辑，在记时、计数、顺序控制方面功能显著。从概念上看，可以将其理解为一种数字运算控制电子系统，主要应用于工业设计。它具有通用性、便捷性、适应性、安全性等都有独特之处。同时，从目前的工业控制领域的发展情况来看，它的应用前景广阔。它的控制思路在于总线式开放型结构设计，其中的I/O能力可以根据客户的需求进行一些组合与扩展。具体来看，它的基本结构是：接受现场信号——输入接口部件——中央处理单元CPU（通过电源部件进行CPU、接入与接出的联结或提供动力源）——输出接口部分——驱动受控元件。

其次，从工作原理方面来看，以循环扫描为主，具体就是键盘扫描或者进行I/O扫描，再通过按键动作或I/O动作进行程序转入，就会进行继续工作。这方面由于操作任务多，通常以按分时操作原理为主。也就

是说，在每一时刻进行一个对应的具体操作，也叫做CPU对程序的扫描。在编程语言方面，有梯形图、助记符号语言；它具有灵活扩展的特性，在硬件、软件的设计方面标准化程度高、通有性强、监视全面、诊断功能强大、可闭环回路控制、按顺序控制，数据处理能力较高，对于简单的生产事务的管理也可以很快完成。虽然运行速度慢，但是在工业应用环境中的适用性非常强。由于它在体积、重量、性能、价格、节省电力方面都有优势，所以深受市场追捧与用户青睐。

4　结束语

总而言之，在新的时代就要以可持续发展的理念为指导原则，真正将与时俱进、因时制宜的方法贯彻其间；在设计新型的淬火机床方面，全面实现其自动化要求考虑到相关的产品质量、生产效率、操作流程等，而利用PLC自动化控制，可以有效使钢轨在空间位置的变化过程中进行自动调节，适应其位置变化。通过将其应用于进给系统的控制、液压随动系统的控制等，发现其运行中的稳定性、优良性非常明显，为机床的安全提供了重要保障。另一方面，应该认识到其中还存在一些不足之处，还应该增加一些与温度相关的反馈系统，从而使总体设计与控制更为全面、更加完善。希望通过这种完善与改进，更好地推动我国工业领域的进一步变革，从而将我国的工业技术与生产环境带入更大的竞争领域。

[1]赵玉剑.基于C8051F020的钢轨淬火机控制系统[J].西南交通大学学报，2015，（9）：103-104.

[2]王云先.Φ1m×6m大型淬火机床的设计、制造[J].西安建筑科技大学学报，2014，（3）：346-347.

[3]杨东晓，雷敬文，方振欢，等.钢轨小型自动探伤车及其拓展平台[J].科协论坛，2013，（6）：56-57.

[4]马清，顾鸣.一个用于线路钢轨自动化超声波探伤的数据采集单元的研制[J].中国机械工程学会会刊，2014，（2）：42-43.

[5]杨雪.基于现场总线的PLC控制网络在攀钢轨梁厂自动化生产线的应用[J].重庆大学学报，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