GPW-1200型氣壓焊軌機(jī)控制系統(tǒng)研制

周世恒，羅玉林，汪鵬舉，江俊志

（1.西南交通大學(xué)焊接研究所，四川 成都 610031；2.成都瑞威交通科技有限公司，四川成都 610031）

0 前言

采用氣壓焊方法進(jìn)行鋼軌焊接，清潔鋼軌待焊端面并開始焊接后，端面不會(huì)受到污染，也不會(huì)再次產(chǎn)生夾雜等缺陷，焊接加熱后的頂鍛使焊接接頭成為鍛造組織，具有優(yōu)良的焊接質(zhì)量。但是早期的小型氣壓焊機(jī)其機(jī)具的鋼性太差[1]，夾持鋼軌由手動(dòng)敲擊楔鐵完成，燃?xì)饬髁靠刂撇粶?zhǔn)確，焊接過程中依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的焊工來完成看火和控制焊接質(zhì)量，人為因素影響非常大，焊后外觀質(zhì)量較差，焊接質(zhì)量波動(dòng)很大。中期的數(shù)控式小型氣壓焊機(jī)采用數(shù)控方式克服了一部分人為因素的影響，但依舊存在燃?xì)饬髁靠刂撇粶?zhǔn)確、夾持靠手動(dòng)楔鐵夾緊、機(jī)具鋼性差等問題，故焊接接頭的外觀質(zhì)量仍然較差[3]。

2006年8月，中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司和西南交通大學(xué)共同開展了鐵總項(xiàng)目“數(shù)控式氣壓焊軌作業(yè)車”研制工作，GPW-1200型氣壓焊軌機(jī)配置在YHGQ-1200移動(dòng)式氣壓焊軌車上，經(jīng)過5年試用并不斷改進(jìn)，最終在2014年形成正式產(chǎn)品并開始推廣。

氣壓焊軌機(jī)的控制系統(tǒng)要求具有自動(dòng)夾軌，自動(dòng)作用邊對(duì)中、保壓焊接、保壓推凸、保壓正火和保壓風(fēng)冷過程等功能。作業(yè)要求自動(dòng)化程度高，能排除人為因素影響，采用預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制[4]，最終達(dá)到焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良、穩(wěn)定的要求。其焊機(jī)控制系統(tǒng)需采用PLC及相應(yīng)模塊為控制核心，以液壓系統(tǒng)配合相應(yīng)的機(jī)械裝置為動(dòng)作機(jī)構(gòu)，使用各種傳感器檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，使用工業(yè)觸摸屏為操作人機(jī)界面，具有故障報(bào)警功能，能在工業(yè)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)正常作業(yè)。高原型焊機(jī)還應(yīng)在海拔5 500 m以下的高海拔地區(qū)正常工作。

1 控制系統(tǒng)

GPW-1200型氣壓焊軌機(jī)是由焊前準(zhǔn)備、燃?xì)馊嵝钥刂?、加熱器柔性擺動(dòng)、油壓控制、焊接過程控制、冷卻過程控制、正火過程控制、故障判斷報(bào)警等模塊構(gòu)成的整機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)焊機(jī)適應(yīng)焊軌現(xiàn)場(chǎng)各種工況起到關(guān)鍵作用。GPW-1200型氣壓焊軌機(jī)控制系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 GPW-1200型氣壓焊軌機(jī)控制系統(tǒng)功能

1.1 焊前準(zhǔn)備模塊

GPW-1200型氣壓焊機(jī)焊前準(zhǔn)備非常重要。鋼軌焊接接頭的焊前準(zhǔn)備直接影響焊接質(zhì)量，將鋸軌、端磨（銑）、端磨清潔、墊軌等焊前質(zhì)量控制和試火控制模塊集中到焊機(jī)控制系統(tǒng)模塊中。焊前質(zhì)量控制模塊由一系列焊機(jī)是否正常的判斷條件和模擬焊接功能組成，保證焊機(jī)在焊前處于正常狀態(tài)。試火控制包括氧氣、乙炔清洗功能，氧氣、乙炔焊前通氣、點(diǎn)火、升流量及擺動(dòng)功能，在正式焊軌前據(jù)此判斷燃?xì)庀到y(tǒng)是否正常。

1.2 燃?xì)馊嵝钥刂颇K

GPW-1200型氣壓焊機(jī)采用燃?xì)猓ㄑ鯕夂鸵胰不旌希┤紵M(jìn)行焊接接頭加熱完成焊接，故燃?xì)獾馁|(zhì)量流量和配比直接影響焊接質(zhì)量。如何精確地進(jìn)行燃?xì)赓|(zhì)量流量控制非常關(guān)鍵。氣壓焊軌機(jī)早期采用國(guó)產(chǎn)某品牌的質(zhì)量流量控制器進(jìn)行控制，但是在應(yīng)用過程中存在開通關(guān)斷時(shí)間過長(zhǎng)、流量漂移過大、控制不準(zhǔn)確等現(xiàn)象，于是改用目前國(guó)際最先進(jìn)的質(zhì)量流量控制器來進(jìn)行控制[5]，達(dá)到高精準(zhǔn)燃?xì)赓|(zhì)量流量控制的要求。

燃?xì)馊嵝钥刂颇K采用PLC為控制中樞，由程序控制D/A模塊轉(zhuǎn)換，輸出4～20 mA信號(hào)給質(zhì)量流量控制器作為標(biāo)準(zhǔn)給定值，質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)部閉環(huán)控制燃?xì)赓|(zhì)量流量的大小，質(zhì)量流量計(jì)同步檢測(cè)出實(shí)際燃?xì)赓|(zhì)量流量作比較，隨之輸出4～20 mA信號(hào)給PLC的A/D模塊轉(zhuǎn)換，使PLC獲得燃?xì)獾膶?shí)際質(zhì)量流量控制值。

燃?xì)馊嵝钥刂葡到y(tǒng)還設(shè)計(jì)了小流量點(diǎn)火程序，氧氣、乙炔點(diǎn)燃后升流量柔性控制程序、燃?xì)夂笃谧詣?dòng)調(diào)整程序、關(guān)火柔性控制程序等。小流量點(diǎn)火程序使氣壓焊軌機(jī)在點(diǎn)火時(shí)聲音較小，點(diǎn)火穩(wěn)定，不易回火，即使回火造成的影響也較小，較易恢復(fù)正常[6]。氧氣、乙炔點(diǎn)燃后升流量柔性控制程序使點(diǎn)火成功后的氧氣、乙炔按照預(yù)設(shè)曲線進(jìn)行升流量，并且使其過程更加穩(wěn)定，有效減少回火幾率。燃?xì)夂笃谧詣?dòng)調(diào)整程序可以使焊接后期的氧氣乙炔流量按程序自動(dòng)調(diào)整，使之達(dá)到燃?xì)饧訜岬匿撥壉砻婊鸹w濺減少，鋼軌表面達(dá)到接近液化的穩(wěn)定高溫，保證加熱的熱量向鋼軌內(nèi)部持續(xù)快速傳遞，從而保證焊軌加熱效果。關(guān)火柔性控制程序可以根據(jù)需要控制流量，減少關(guān)火的爆鳴聲或者減少關(guān)火對(duì)加熱器及管道的污染[7]。采用文獻(xiàn)[7]專利技術(shù)之后，徹底改變了以前小型氣壓焊需要看火的人為因素影響，保證了焊軌加熱的穩(wěn)定性。

1.3 加熱器柔性擺動(dòng)模塊

GPW-1200型氣壓焊機(jī)的加熱器是復(fù)合加熱器，其內(nèi)部具有燃?xì)饣芈?、水冷卻回路和風(fēng)冷回路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的焊接加熱、風(fēng)冷及正火作業(yè)。加熱擺動(dòng)時(shí)要求擺幅 10～12 mm、擺速 20～40次/min；風(fēng)冷及正火采用的初始擺幅和擺速較低，隨著過程的進(jìn)行，擺幅和擺速線性增加直至達(dá)到最大擺幅和擺速。這3個(gè)過程對(duì)加熱器的擺動(dòng)要求不一樣，故需要柔性擺動(dòng)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制。

加熱器柔性擺動(dòng)模塊由PLC、D/A模塊、高頻響控制閥及控制器、加熱器位移傳感器、A/D模塊構(gòu)成。不同階段的擺動(dòng)參數(shù)可以程序設(shè)定，PLC和D/A模塊輸出±10 V模擬信號(hào)給高頻響控制閥控制器，高頻響閥帶動(dòng)油缸及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行擺動(dòng)，加熱器擺動(dòng)的具體位置由加熱器位移傳感器通過A/D模塊送入PLC。

1.4 油壓控制模塊

GPW-1200型氣壓焊機(jī)的所有動(dòng)作均采用液壓驅(qū)動(dòng)，每個(gè)油缸工作油壓需求不同，比如夾緊油缸的工作壓力為31.5MPa，擺火油缸的工作壓力為5MPa。焊軌作業(yè)按照程序設(shè)定順序自動(dòng)執(zhí)行，當(dāng)需要不同油缸工作時(shí)，壓力會(huì)隨之變化，需要油壓控制模塊實(shí)時(shí)控制油泵流量。

當(dāng)焊機(jī)為兩種工作同時(shí)進(jìn)行時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況決定輸出油壓的大小，一般情況是以高油壓輸出為準(zhǔn)，同時(shí)在低油壓回路加裝減壓閥以保護(hù)低油壓回路，特殊情況或有保護(hù)要求時(shí)輸出低油壓[8]。

為了保證油壓輸出的線性度較高，采用分段控制方式，0～13.8 MPa油壓范圍內(nèi)采用一個(gè)比例溢流閥控制，13.9～35 MPa采用另外一個(gè)比例溢流閥進(jìn)行控制，高低油壓轉(zhuǎn)換采用一個(gè)電磁換向閥來切換。

油壓控制柔性模塊由PLC、D/A模塊、電磁換向閥和2個(gè)比例溢流閥組成。PLC通過D/A模塊輸出0～10 V控制電壓信號(hào)分別對(duì)應(yīng)0～13.8 MPa油壓或0～35 MPa油壓，并輸出5～7.5 V電壓信號(hào)來控制油泵流量大小，同時(shí)輸出一個(gè)開關(guān)量信號(hào)通過繼電器進(jìn)行高低壓切換。

1.5 焊接過程控制模塊

GPW-1200氣壓焊軌機(jī)在焊接及正火過程中均采用恒位移質(zhì)量控制方法[9]，這是目前最新研究成功的一種氣壓焊焊接控制工藝，其主要特點(diǎn)是在焊接加熱過程中，通過頂鍛油缸及相關(guān)部件，預(yù)先在鋼軌待焊端面施加一定的初始保壓壓力，同時(shí)通過焊機(jī)的控制系統(tǒng)保證鋼軌焊接過程在頂鍛前動(dòng)靜端之間位移不變。在頂鍛前，鋼軌焊接接頭的熱應(yīng)力隨溫度的變化而自由變化，當(dāng)待焊鋼軌接頭軌頂面溫度達(dá)到頂鍛溫度時(shí)，即迅速施以設(shè)置好的頂鍛壓力，頂鍛結(jié)束后即完成焊接加熱過程。

采用焊接過程控制模塊，實(shí)現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)精確控制整個(gè)過程。首先焊機(jī)動(dòng)靜端低壓夾緊并對(duì)中，高壓夾緊，然后拉軌保壓進(jìn)行恒位移控制，通氣、點(diǎn)火、升燃?xì)?、焊接擺動(dòng)直至焊接加熱結(jié)束；接著進(jìn)行頂鍛控制，頂鍛缸開通，焊機(jī)動(dòng)靜端夾持著鋼軌焊接接頭的兩端往中間進(jìn)行頂鍛，系統(tǒng)壓力升至頂鍛壓力，當(dāng)頂鍛位移達(dá)到設(shè)定值后，停止頂鍛并保持頂鍛缸保壓狀態(tài)直至焊接結(jié)束。在頂鍛過程中，頂鍛量控制是正常結(jié)束狀態(tài)，如果是頂鍛量達(dá)不到非正常狀態(tài)時(shí)，則在頂鍛壓力達(dá)到設(shè)定值后持續(xù)設(shè)定時(shí)間強(qiáng)制結(jié)束，以保護(hù)焊機(jī)系統(tǒng)能繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的推凸和退刀過程。頂鍛結(jié)束后，進(jìn)行推凸過程，推凸刀合攏并伸出進(jìn)行推凸作業(yè)，當(dāng)推凸位移達(dá)到設(shè)定值后，推凸結(jié)束。在退刀過程中，首先分開推凸刀，然后推凸刀后退至初始位置結(jié)束退刀過程。

1.6 保壓冷卻過程控制模塊

保壓冷卻過程包括焊后冷卻和正火后冷卻過程，兩個(gè)冷卻過程均在動(dòng)靜端高壓夾緊狀態(tài)和頂鍛缸保壓狀態(tài)下進(jìn)行，同樣采用恒位移質(zhì)量控制方法進(jìn)行控制。焊后冷卻的主要作用是將焊接推凸完成的焊接接頭盡快冷卻到500℃以下，以便開始后續(xù)的正火過程；正火后冷卻的作用是保證正火后的鋼軌焊接接頭以一定的冷卻速度進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，確保焊接接頭硬度達(dá)到TB/T 1632的標(biāo)準(zhǔn)要求。冷卻過程中，擺動(dòng)中心應(yīng)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)焊縫中心，同時(shí)為了保證冷卻效果，冷卻前期的擺幅和擺速較小，隨著過程的進(jìn)行，按照預(yù)定程序逐步增加擺幅和擺速直至達(dá)到過程末期要求值。

1.7 保壓正火過程控制模塊

保壓正火過程是在動(dòng)靜端高壓夾緊狀態(tài)和頂鍛缸保壓狀態(tài)下進(jìn)行，故稱保壓正火，包括控制燃?xì)獾耐?、點(diǎn)火和擺動(dòng)過程。正火過程中，擺動(dòng)中心應(yīng)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)焊縫中心，同時(shí)為了保證正火效果，正火前期的擺幅和擺速較小，隨著正火的進(jìn)行，按照預(yù)定程序逐步增加擺幅和擺速直至達(dá)到過程末期要求值[10]。正火時(shí)采用燃?xì)饬髁康陀诤附恿髁康奶蓟孢M(jìn)行正火加熱，正火結(jié)束后進(jìn)行關(guān)火控制。

1.8 故障報(bào)警模塊

故障報(bào)警模塊包括冷卻故障報(bào)警、作業(yè)過程異常處理、焊接條件異常報(bào)警3個(gè)部分。

冷卻故障報(bào)警是指在通氣點(diǎn)火前，由電子水壓開關(guān)判斷有無水壓信號(hào)并輸出給PLC，如果無水壓則禁止通氣，避免冷卻水系統(tǒng)故障導(dǎo)致無水時(shí)造成焊接過程中出現(xiàn)回火及損壞加熱器的現(xiàn)象。作業(yè)過程異常處理是指作業(yè)過程中出現(xiàn)異常情況的處理措施。例如，焊接過程已經(jīng)進(jìn)行到后期只剩30 s之內(nèi)就頂鍛了，但是此時(shí)出現(xiàn)回火現(xiàn)象，該焊接接頭的加熱過程已經(jīng)滿足焊接質(zhì)量要求，則可以按“提前頂鍛”按鈕進(jìn)入頂鍛程序，提前進(jìn)入后續(xù)的焊接作業(yè)過程，該接頭如果探傷合格則不用浪費(fèi)人力物力鋸斷鋼軌重新焊接。同理如果推凸出現(xiàn)異常，則可以按提前“退刀”按鈕執(zhí)行退刀操作。焊接條件異常報(bào)警是指焊接條件異常時(shí)，跳出相應(yīng)的提示界面進(jìn)行報(bào)警。如動(dòng)靜端低壓夾緊鋼軌的角度不對(duì)時(shí)（通常是未正確夾持到軌腰正確部位），跳出提示界面，限制高壓夾緊的執(zhí)行，避免鋼軌夾緊系統(tǒng)的進(jìn)一步破壞；如鋼軌夾緊時(shí)，軌縫超過規(guī)定大小時(shí)，跳出提示界面并禁止進(jìn)一步的焊軌操作，避免焊接過程中出現(xiàn)加熱擺火距離不夠或推凸行程不夠造成不能推凸的情況。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

YHGQ-1200氣壓焊軌車配置的GPW-1200型氣壓焊軌機(jī)從2009年成都局完成型式檢驗(yàn)后，在成都外繞線進(jìn)行了新線線上焊施工試用，在達(dá)成線進(jìn)行了天窗點(diǎn)換軌線下焊試用。2010年青藏鐵路公司在青藏線格拉段進(jìn)行了線下焊施工，同時(shí)進(jìn)行了線上焊施工試驗(yàn)。2014年在長(zhǎng)吉高鐵進(jìn)行了鐵軌傷損高品質(zhì)永久焊接修復(fù)（焊復(fù)）試驗(yàn)并取得了成功[11]，進(jìn)一步驗(yàn)證了YHGQ-1200氣壓焊軌車適合用于線上焊和焊復(fù)的可行性[12-13]。

由于使用了燃?xì)馊嵝钥刂颇K功能，焊接小流量點(diǎn)火的聲音能低于50 dB，升流量過程中燃?xì)鉅顟B(tài)平穩(wěn)，火焰明顯呈現(xiàn)均勻地由弱到強(qiáng)的狀態(tài)。在現(xiàn)場(chǎng)焊軌過程中，焊接火焰燃燒穩(wěn)定，在焊軌后期，程序自動(dòng)降低一定的氧氣流量，回火幾率大大降低。

在焊軌過程中采用了數(shù)控化作業(yè)，精準(zhǔn)控制焊軌參數(shù)及焊接過程[14]，在高原地區(qū)和平原地區(qū)，由工控機(jī)采集的焊接過程曲線相似性高，反映出所有焊接接頭的一致性好，焊接接頭質(zhì)量高。在平原地區(qū)，通過型式檢驗(yàn)的參數(shù)均一致，各個(gè)平原地區(qū)的鐵路局在熟悉焊機(jī)之后均很容易通過型式檢驗(yàn)。在海拔3 000 m以上的高原，適當(dāng)調(diào)整參數(shù)后，即可順利通過型式檢驗(yàn)，在一定的海拔高度內(nèi)，參數(shù)的一致性也較高。

2015年起，全國(guó)18個(gè)鐵路局陸續(xù)分別配置了1～6臺(tái)氣壓焊軌車進(jìn)行推廣應(yīng)用，各鐵路局結(jié)合自身特點(diǎn)陸續(xù)開發(fā)了氣壓焊軌車的施工工藝，并成功應(yīng)用于線下焊、線上焊和焊復(fù)作業(yè)，充分表明本控制系統(tǒng)具有柔性化適應(yīng)各種工況的能力。

換軌現(xiàn)場(chǎng)鋼軌焊接的型檢試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果表明，GPW-1200型氣壓焊軌機(jī)控制系統(tǒng)能避免人為因素的影響，滿足現(xiàn)場(chǎng)換軌鋼軌焊接的應(yīng)用要求，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良、穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）GPW-1200型氣壓焊軌機(jī)的燃?xì)馊嵝钥刂颇K能很好地控制小流量點(diǎn)火、平穩(wěn)升流量及關(guān)火控制，有效降低回火現(xiàn)象產(chǎn)生。

（2）油壓控制模塊能很好地協(xié)調(diào)焊機(jī)各動(dòng)作所需油壓及流量，正常完成焊軌動(dòng)作。

（3）焊接、正火、冷卻控制模塊能正常完成焊接、正火和冷卻過程。在焊接、正火和冷卻過程中均采用保壓方式進(jìn)行恒位移控制方法。

（4）故障報(bào)警模塊保證了整個(gè)控制系統(tǒng)具有一定的自檢能力，在出現(xiàn)特定故障時(shí)有相應(yīng)提示并給出解決辦法，焊接過程中出現(xiàn)的異常也有相應(yīng)的處理措施。

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