現(xiàn)場鋼軌閃光焊動夾動態(tài)響應(yīng)仿真分析

于潤洋，張 曦，呂其兵

（西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路已經(jīng)進(jìn)入了全面推廣無縫線路的新時代，無論是高速鐵路還是重載鐵路，其鋼軌結(jié)構(gòu)均不優(yōu)先選用無縫線路。目前世界各國鐵路鋼軌焊接的方法主要有閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊和電弧焊4種[1]。鋁熱焊組織為鑄造組織，強(qiáng)度低、質(zhì)量不穩(wěn)定、斷頭率高；氣壓焊焊頭焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，受人為因素影響較大；電弧焊焊成的長鋼軌鋪后效果較差，焊縫折斷率高。以上3種方法都不能很好地滿足高速鐵路無縫線路的焊接要求[2-3]。閃光焊相對其他焊接方法來說總體性能最優(yōu)，具有焊接速度快、焊縫強(qiáng)度高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，并且隨著焊軌列車的研究和發(fā)展，以及鋼軌生產(chǎn)廠家定尺長鋼軌甚至更長鋼軌生產(chǎn)和運輸問題的解決，越來越多的鋼軌現(xiàn)場焊選擇閃光焊方法。目前鋼軌現(xiàn)場閃光焊工藝調(diào)試時采用短軌進(jìn)行焊接工藝試驗，以短軌通過型式試驗的焊接工藝進(jìn)行現(xiàn)場鋼軌的焊接，但現(xiàn)場鋼軌的焊接工況千差萬別，如現(xiàn)場鋼軌動端質(zhì)量與工藝試驗鋼軌差異很大，現(xiàn)場鋼軌存在坡道和彎道，現(xiàn)場施工時墊的滾筒不一樣施工阻力也不一樣，這些不同工況均會影響鋼軌現(xiàn)場閃光焊機(jī)動夾的動態(tài)響應(yīng)速度，從而影響鋼軌的加熱和鋼軌焊接接頭的焊接質(zhì)量，然而這些條件對焊接質(zhì)量有多大影響、如何影響，目前還未見報道。為此，本研究利用SimHydraulics軟件平臺建立閃光焊機(jī)頂鍛系統(tǒng)的液壓仿真模型，并在驗證模型有效性的基礎(chǔ)上，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同現(xiàn)場條件下的閃光焊動夾動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析。

1 鋼軌閃光焊動夾控制

整個閃光焊機(jī)機(jī)頭液壓系統(tǒng)主要由夾緊系統(tǒng)、頂鍛系統(tǒng)和推瘤系統(tǒng)3部分組成。其中頂鍛系統(tǒng)中頂鍛油缸帶動動夾運動，實現(xiàn)動端鋼軌的送進(jìn)和后退，動端鋼軌由前進(jìn)變后退或由后退變前進(jìn)的動態(tài)響應(yīng)速度直接影響著閃光焊液橋形成和存在的時間，也影響著液橋爆破程度，最終影響鋼軌的加熱和鋼軌端面液橋爆破后的狀態(tài)，進(jìn)而影響鋼軌焊接接頭質(zhì)量。

頂鍛系統(tǒng)采用伺服比例閥放大卡和伺服比例閥通過焊接電流實現(xiàn)對動夾速度的雙閉環(huán)電液控制，動夾速度的控制與焊接電流之間的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。PLC根據(jù)采集電流值計算出鋼軌送進(jìn)或回拉的速度，當(dāng)采集電流I小于電流基值I1時，PLC給定最大送進(jìn)速度v1，內(nèi)閉環(huán)自動調(diào)整伺服比例閥的進(jìn)油流量達(dá)到穩(wěn)定值，從而保證鋼軌以最大速度v1送進(jìn)；當(dāng)采集電流I處于電流基值I1和I2之間時，內(nèi)閉環(huán)根據(jù)PLC計算出的送進(jìn)速度值對進(jìn)油流量進(jìn)行調(diào)整，從而保證鋼軌以相應(yīng)的速度v送進(jìn)；當(dāng)采集電流I處于電流基值I2和I3之間時，鋼軌既不送進(jìn)也不回拉；當(dāng)采集電流I大于電流基值I3時，PLC給定最大回拉速度v2，內(nèi)閉環(huán)通過自動調(diào)整伺服比例閥的進(jìn)油方向和流量使鋼軌以最大速度v2回拉。

圖1 動夾速度的控制與焊接電流之間的對應(yīng)關(guān)系曲線

2 建立頂鍛系統(tǒng)SimHydraulics模型

SimHydraulics工具箱是一個專門針對液壓傳動和控制系統(tǒng)的建模和仿真工具，采用物理網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行建模：每個模塊對應(yīng)真實的液壓元器件，元器件模塊之間以代表動力傳輸管線的線條連接[4-7]。因此，采用SimHydraulics建立的液壓系統(tǒng)模型就像一個真實的物理系統(tǒng)，可以通過改變各元器件的參數(shù)設(shè)置來模擬不同條件對液壓系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性的影響。

為了研究油路的系統(tǒng)參數(shù)和負(fù)載變化對閃光焊動夾動態(tài)響應(yīng)特性的影響，針對國內(nèi)現(xiàn)場鋼軌閃光焊用量最大的UN5-150系列焊機(jī)液壓系統(tǒng)建立閃光焊頂鍛系統(tǒng)的SimHydraulics仿真模型，如圖2所示。

3 閃光焊動夾動態(tài)響應(yīng)特性仿真結(jié)果及分析

為了通過優(yōu)化設(shè)計鋼軌閃光焊機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)來減小液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對閃光焊動夾動態(tài)響應(yīng)速度的影響，分別對不同液壓油管長度和不同液壓油管直徑下閃光焊的動夾動態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行仿真分析。此外，為了減小現(xiàn)場條件變化對閃光焊動夾動態(tài)響應(yīng)速度的影響，還對不同負(fù)載下閃光焊的動夾動態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行仿真分析。

3.1 液壓管長度

在研究液壓管長度對閃光焊動夾動態(tài)響應(yīng)特性的影響時，主要是研究電磁換向閥以及伺服電磁閥與頂鍛油缸之間的油管長度，即油管1、油管2、油管3和油管4四段液壓油管的總長度。仿真時將4段液壓油管的直徑均設(shè)置為10mm，其總長度分別設(shè)置為4m、8m、12m，仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)油壓和控制信號一定時，隨著液壓管長度的增加，雖然動夾端的速度在經(jīng)過一段時間的響應(yīng)之后，最終都能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)并且穩(wěn)定在給定速度±2%誤差范圍內(nèi)，但它們首次達(dá)到給定速度的時間或到達(dá)峰值速度的時間隨著管長的增加而越來越長，說明隨著油管長度的增加，系統(tǒng)的響應(yīng)速度會有所降低。這是因為當(dāng)油壓和流量一定時，油管長度的增加會使得液壓力傳遞到液壓缸所用時間以及管路的沿程壓力損失增加，進(jìn)而延長液壓缸的響應(yīng)時間。因此，在閃光焊機(jī)液壓系統(tǒng)的搭建過程中，應(yīng)盡可能減少液壓管的長度來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖2 閃光焊頂鍛系統(tǒng)仿真模型

圖3 不同油管長度的動夾動態(tài)響應(yīng)曲線

3.2 液壓管直徑

在研究液壓管直徑對閃光焊動夾動態(tài)響應(yīng)特性的影響時，保持其他油路參數(shù)不變，將油管1、油管2、油管3和油管4的管徑分別設(shè)置為4mm、6mm、8mm、10mm、12mm和14mm，而將它們的總長度設(shè)置為4m，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)頂鍛系統(tǒng)其他油路參數(shù)不變時，隨著油管直徑的減小，經(jīng)過一段時間的響應(yīng)之后，動夾端的速度都能穩(wěn)定在某一個值，除了油管直徑為4mm時，其穩(wěn)定速度略低于給定速度外，其余管徑下的穩(wěn)定速度均能穩(wěn)定在給定速度±2%誤差范圍內(nèi)。這是因為當(dāng)油管直徑小到一定程度時會發(fā)生堵塞，造成實際流入液壓缸缸體的流量小于從伺服電磁閥流出的流量。此外，隨著油管直徑的減小，動夾端速度首次達(dá)到給定速度或峰值速度的時間越來越短，即隨著油管直徑的減小，動夾端速度的階躍響應(yīng)速度越來越快。這是因為隨著油管直徑的減小，油管的截面積也會相應(yīng)減小，當(dāng)流量一定時，油管截面積越小，流過該截面積的流速越大，單位時間內(nèi)在油管中傳遞的距離越長，液壓力所需的傳遞時間就越短。因此，在閃光焊機(jī)液壓系統(tǒng)的搭建過程中，可以通過適當(dāng)減小油管直徑來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但油管的直徑不宜過小，否則會產(chǎn)生較嚴(yán)重的堵塞作用。

圖4 不同油管直徑的動夾動態(tài)響應(yīng)曲線

圖5 不同負(fù)載和壓力下的動夾動態(tài)響應(yīng)曲線

3.3 負(fù)載及機(jī)頭油壓壓力

在研究部分頂鍛系統(tǒng)內(nèi)部油路結(jié)構(gòu)參數(shù)對動夾動態(tài)響應(yīng)的影響后，針對外部負(fù)載變化對動夾動態(tài)響應(yīng)的影響進(jìn)行研究。由于在鋼軌現(xiàn)場閃光焊的實際焊接過程中，是以短軌焊接試驗通過的工藝對現(xiàn)場鋼軌進(jìn)行焊接，而采用短軌進(jìn)行焊接工藝試驗時機(jī)頭壓力設(shè)置為10.5MPa。因此首先對閃光焊機(jī)機(jī)頭液壓系統(tǒng)壓力為10.5MPa、鋼軌長度分別為25m和500m時動夾端速度的動態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行仿真；然后又對鋼軌長度為500m、閃光焊機(jī)機(jī)頭液壓系統(tǒng)壓力分別為15MPa和20MPa時動夾端速度的動態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)閃光焊機(jī)機(jī)頭液壓系統(tǒng)壓力不變時，軌長由25m變?yōu)?00m，動夾端速度首次達(dá)到給定速度和峰值的時間分別滯后了3.6 ms和4.37ms，并且其最終的穩(wěn)定速度也有所下降。這是因為隨著負(fù)載質(zhì)量的增加，其所受到的阻力也會相應(yīng)增加，使得比例閥上的壓降降低，而比例閥在控制信號一定時，其流量會隨著自身壓降的降低而有所下降，造成負(fù)載增加時動夾端的穩(wěn)定速度會有所下降；同時隨著負(fù)載阻力的增加，動夾端輸出的液壓力需要隨之增大才能使負(fù)載從靜止?fàn)顟B(tài)開始移動并達(dá)到給定速度，動夾端響應(yīng)時間也就會延長。由圖5還可知，當(dāng)軌長為500m時，通過增加機(jī)頭液壓系統(tǒng)的壓力，動夾端的響應(yīng)速度和最終的穩(wěn)定速度都會有所增加。當(dāng)機(jī)頭壓力由10.5MPa分別增加到15MPa和20MPa時，與軌長25m的鋼軌相比，動夾端的速度首次達(dá)到給定速度的滯后時間分別減小到2.9ms和2.45ms，達(dá)到峰值的滯后時間也分別減小到3.795ms和3.435ms。這是因為機(jī)頭壓力增加之后，由于負(fù)載所需壓差不變，使得比例閥上的壓降增加，比例閥在相同控制信號下輸出的流量會相應(yīng)增加，從而使得動夾端的響應(yīng)速度和動夾端速度的穩(wěn)定值都會相應(yīng)提高。因此，當(dāng)現(xiàn)場鋼軌閃光焊的負(fù)載增加時，可以通過在速度變化的同時增大機(jī)頭壓力，并在動夾端速度達(dá)到給定值后再將機(jī)頭壓力恢復(fù)為設(shè)定值的方式來保證動夾的響應(yīng)速度。

4 結(jié)論

采用SimHydraulics建立UN5-150系列閃光焊機(jī)頂鍛系統(tǒng)的液壓仿真模型，并對不同的油管直徑、油管長度以及負(fù)載和機(jī)頭油壓壓力等情況下閃光焊動夾動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真計算。

（1）適當(dāng)減小油管直徑和油管長度能夠有效提高焊機(jī)動夾的動態(tài)響應(yīng)速度，為鋼軌現(xiàn)場閃光焊機(jī)機(jī)頭液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計指出方向。

（2）增大機(jī)頭液壓系統(tǒng)壓力能夠提高焊機(jī)動夾的動態(tài)響應(yīng)速度，因此在進(jìn)行現(xiàn)場鋼軌焊接時，隨著鋼軌動夾端質(zhì)量及阻力的增加，采用合理的控制算法可減少現(xiàn)場焊接工況變化對焊接質(zhì)量的影響。

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