高鐵鋼軌跟端智能化鍛造成套裝備研發(fā)

文/于長(zhǎng)?！ずＱb駐天津地區(qū)第三軍事代表室

王宏偉，丁碩·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

針對(duì)我國(guó)高鐵飛速發(fā)展以及“走出去”的戰(zhàn)略要求，分析了目前作為高速鐵路關(guān)鍵基礎(chǔ)組件的跟端鍛造成形鋼軌成套裝備及工藝所存在的技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)攻克相關(guān)技術(shù)難題，研制了6000噸高鐵鋼軌跟端智能化鍛造成套裝備樣機(jī)，并進(jìn)行了小批量試生產(chǎn)，結(jié)果表明裝備各項(xiàng)主參數(shù)相比于目前同類裝備均有大幅度提升，顯著提升了高鐵鋼軌跟端鍛造產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高鐵行業(yè)該類裝備的換代升級(jí)。

2016年國(guó)家修訂版《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(規(guī)劃期為2016-2025年，遠(yuǎn)期展望到2030年)的發(fā)展目標(biāo)為：到2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到17.5萬(wàn)公里左右，其中高速鐵路3.8萬(wàn)公里左右，網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)一步擴(kuò)大，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，骨干作用更加顯著，更好發(fā)揮鐵路對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的保障作用。到2030年，基本實(shí)現(xiàn)內(nèi)外互聯(lián)互通、區(qū)際多路暢通、省會(huì)高鐵連通、地市快速通達(dá)、縣域基本覆蓋。

我國(guó)高鐵行業(yè)已實(shí)現(xiàn)從“彌補(bǔ)”到“趕超”再到“引領(lǐng)”的華麗轉(zhuǎn)身。面對(duì)全球掀起的高鐵建設(shè)潮，中國(guó)高鐵產(chǎn)業(yè)鏈相較海外巨頭已具有多方面優(yōu)勢(shì)，具備整車及系統(tǒng)輸出能力。但作為高速鐵路的關(guān)鍵基礎(chǔ)組件，針對(duì)跟端鍛造成形鋼軌，我國(guó)現(xiàn)有鋼軌跟端鍛造成形工藝及裝備普遍存在機(jī)械精度及控制精度偏低、能耗高、智能化程度低、數(shù)據(jù)融合性差、難以形成工藝及產(chǎn)品大數(shù)據(jù)庫(kù)、鋼軌加熱技術(shù)落后等問(wèn)題，整體水平已不符合“智能工廠-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造”的裝備制造業(yè)發(fā)展方向，已無(wú)法適應(yīng)中國(guó)高鐵“走出去”的戰(zhàn)略要求。因此，研發(fā)工作精度及智能化程度高、鋼軌加熱技術(shù)換代升級(jí)、節(jié)能高效的新一代鋼軌跟端鍛造成套裝備已迫在眉睫，戰(zhàn)略意義重大。

國(guó)內(nèi)外同類裝備研究現(xiàn)狀

國(guó)外鋼軌跟端鍛造裝備發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，針對(duì)鋼軌跟端鍛造產(chǎn)品，世界各國(guó)都在廣泛研制開(kāi)發(fā)其成形裝備及配套工藝。目前，丹麥Hydraulico公司在鍛造工藝及自動(dòng)化成套鍛造裝備方面技術(shù)最為成熟，圖1為丹麥Hydraulico公司生產(chǎn)的鋼軌跟端鍛造成套裝備。該裝備代表了國(guó)際上目前該領(lǐng)域的先進(jìn)水平，裝備能夠?qū)崿F(xiàn)工件的數(shù)控整線連續(xù)生產(chǎn)，但一方面其仍存在裝備智能化程度不高、裝備共線生產(chǎn)能力及工件長(zhǎng)度適應(yīng)能力不足等缺陷，另一方面存在技術(shù)保護(hù)且價(jià)格高昂，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的應(yīng)用受到了限制。

圖1 丹麥Hydraulico公司生產(chǎn)的鋼軌跟端鍛造成套裝備

國(guó)內(nèi)鋼軌跟端鍛造裝備發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在鋼軌跟端鍛造裝備研究方面起步較晚。但近些年來(lái)，我國(guó)在該領(lǐng)域研究方面投入了大量的人力物力，取得了一些成就。目前我國(guó)已有輥鍛工藝、擠壓+模鍛工藝、復(fù)式活塊尖軌跟端成形工藝以及整體模鍛工藝等多種鋼軌跟端鍛造工藝，生產(chǎn)方式多樣化。

就鋼軌跟端鍛造裝備而言，目前總體分為兩類：一類為傳統(tǒng)鍛壓設(shè)備，較多采用的是水壓機(jī)、油壓機(jī)等非尖軌跟端鍛造專用液壓機(jī)，而且成形過(guò)程中，資源(包括材料、能源等)利用效率低，工藝繁瑣，生產(chǎn)效率低，成套性和數(shù)控性差，不能夠滿足AT尖軌跟端生產(chǎn)一體化要求，不能適應(yīng)高速鐵路快速發(fā)展的要求。另一類為成組成套的鋼軌跟端鍛造裝備。

隨著近年來(lái)我公司先后為中車北京南口機(jī)械有限公司、濟(jì)南鐵路局研發(fā)了該類工藝的自動(dòng)化生產(chǎn)線，國(guó)產(chǎn)裝備已能逐步實(shí)現(xiàn)鋼軌跟端鍛造的自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，但生產(chǎn)線在工藝和設(shè)備的穩(wěn)定性、高精度控制、節(jié)能化、智能化、生產(chǎn)效率及產(chǎn)能等方面仍然存在諸多不足。

圖2 我公司生產(chǎn)的鋼軌跟端鍛造壓力機(jī)

圖3 我公司研發(fā)的5000噸鋼軌跟端鍛造成套裝備

主要研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容

我公司主要研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容包括：⑴6000噸伺服鍛造液壓機(jī)；⑵長(zhǎng)22米、重25噸五軸高速超大型伺服機(jī)械手及控制系統(tǒng)；⑶IGBT數(shù)字智能中頻節(jié)能加熱策略及控制系統(tǒng)；⑷樣機(jī)制造及在線監(jiān)控與協(xié)調(diào)控制包括，液壓機(jī)及控制系統(tǒng)、機(jī)械手及控制系統(tǒng)、鋼軌加熱系統(tǒng)、模具及其溫控系統(tǒng)等；⑸流固熱、非線性、模態(tài)、疲勞壽命、振動(dòng)等多學(xué)科多物理場(chǎng)耦合的液壓機(jī)CAE仿真體系建設(shè)，為液壓機(jī)數(shù)字孿生做技術(shù)儲(chǔ)備；⑹“裝備智能化-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造”體系建設(shè)。

圖4 高鐵鋼軌智能化鍛造成套裝備效果圖

6000噸高鐵鋼軌跟端鍛造專用智能伺服液壓機(jī)

⑴液壓機(jī)主體結(jié)構(gòu)研發(fā)及多學(xué)科多物理場(chǎng)耦合CAE仿真體系建設(shè)。6000噸高鐵鋼軌跟端鍛造智能化專用液壓機(jī)作為典型的多物理多組件復(fù)雜系統(tǒng)，總體包括壓機(jī)主體框架、主液壓缸系統(tǒng)、功能液壓缸系統(tǒng)、電機(jī)-泵組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、集成閥組控制系統(tǒng)、液壓管路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、氣動(dòng)功能系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、可移動(dòng)工作臺(tái)、模具加熱系統(tǒng)以及噴淋潤(rùn)滑系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)及功能板塊相互作用，協(xié)同工作。子系統(tǒng)內(nèi)部又由眾多部件組成，各部件及各子系統(tǒng)之間存在著物理過(guò)程的強(qiáng)烈耦合作用。

理論計(jì)算→虛擬樣機(jī)→CAE仿真→物理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證是智能化液壓機(jī)研發(fā)的總體技術(shù)流程。隨著液壓機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性、物理過(guò)程的多因素耦合性、多接觸非線性的不斷升級(jí)，使得理論計(jì)算難度不斷加大。同時(shí)，液壓機(jī)作為重型裝備，樣機(jī)試驗(yàn)成本與投入較為昂貴，大量試驗(yàn)存在困難。CAE仿真技術(shù)作為一種能夠近似模擬真實(shí)物理環(huán)境的研究手段，是全面認(rèn)知復(fù)雜系統(tǒng)的重要支撐。圖5、圖6分別為高鐵鋼軌跟端鍛造專用伺服液壓機(jī)機(jī)身虛擬樣機(jī)及CAE仿真體系。

圖5 高鐵鋼軌跟端鍛造專用伺服液壓機(jī)機(jī)身虛擬樣機(jī)

圖6 高鐵鋼軌跟端鍛造專用伺服液壓機(jī)CAE仿真體系

⑵基于能源效率改進(jìn)技術(shù)的液壓機(jī)伺服控制系統(tǒng)研發(fā)。伺服電機(jī)由于其自身優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特性，其承載特性要優(yōu)于普通異步電機(jī)。本項(xiàng)目液壓系統(tǒng)主泵采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單臺(tái)電機(jī)功率可以由110kW(傳統(tǒng)普通電機(jī)+比例泵驅(qū)動(dòng))降到90kW，8臺(tái)主電機(jī)裝機(jī)功率可以降低160kW。伺服電機(jī)在設(shè)備待機(jī)狀態(tài)下的節(jié)能效果明顯。假設(shè)每個(gè)鋼軌工件加熱8min，壓制2min，每小時(shí)制作5件。液壓機(jī)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)如圖7所示，節(jié)能效果及指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 本項(xiàng)目應(yīng)用大噸位液壓機(jī)伺服控制系統(tǒng)后節(jié)能效果及指標(biāo)

圖7 液壓機(jī)伺服直驅(qū)技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)是依據(jù)滑塊運(yùn)動(dòng)虛擬基準(zhǔn)量求出的控制量，基于控制分配理論對(duì)虛擬輸入量進(jìn)行線性規(guī)劃，映射出各個(gè)液壓缸的期望輸出。智能化液壓機(jī)壓制的實(shí)際機(jī)械和液壓系統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)液壓機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝動(dòng)作，并結(jié)合泵閥控制液壓缸的運(yùn)行原理，忽略系統(tǒng)中的次要因素，最終得到控制結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行仿真分析。

五軸高速超大型伺服機(jī)械手及其伺服控制系統(tǒng)

高鐵鋼軌跟端鍛造專用智能伺服液壓機(jī)僅用于高鐵鋼軌跟端鍛造成形，本項(xiàng)目所研發(fā)的五軸(4運(yùn)動(dòng)軸+1精度調(diào)整軸)高速超大型伺服機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)鋼軌的頂起、落下、左右平移、前行、后退、翻轉(zhuǎn)、定位等動(dòng)作，包含X/Y/Z三個(gè)方向的直線移動(dòng)自由度以及繞X旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度， Y軸為精度調(diào)整軸，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與液壓機(jī)相對(duì)定位精度的調(diào)節(jié)?？蓪?shí)現(xiàn)鋼軌上料→對(duì)零→鍛前加熱→“一模四腔”鍛造成形→下料的整線高精度控制。

五軸高速超大型伺服機(jī)械手全長(zhǎng)22米，總重約25噸，包括1套橫向輸送大車、5套縱向輸送小車、5套270°柔性旋轉(zhuǎn)夾鉗、5套旋轉(zhuǎn)夾鉗電液伺服控制系統(tǒng)、西門(mén)子simotion高精度閉環(huán)同步運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(用于22米機(jī)械手左右及前后方向的平移)組成。整套高速重載機(jī)械手在西門(mén)子simotion高精度閉環(huán)同步運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下其標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到500mm/s，是目前同類裝備運(yùn)動(dòng)速度的2倍。圖8、圖9為全數(shù)字化設(shè)計(jì)的五軸高速超大型伺服機(jī)械手。表2為五軸高速超大型伺服機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

表2 五軸高速超大型伺服機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

圖8 全數(shù)字化設(shè)計(jì)的五軸高速超大型伺服機(jī)械手

圖9 五軸高速超大型伺服機(jī)械手局部放大結(jié)構(gòu)

由于五軸高速超大型伺服機(jī)械手全長(zhǎng)22米，總重約25噸，在X/Y兩個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)速度需要達(dá)到500mm/s，具有“超長(zhǎng)超重高速”的特點(diǎn)，因此，采用西門(mén)子simotion高精度閉環(huán)同步運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)X/Y兩個(gè)方向(橫向輸送大車、縱向輸送小車)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，保證機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)、快速、到位準(zhǔn)確。

simotion運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)滿足工程組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)功能方面的極高要求，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)模塊化工藝對(duì)象方法、面向?qū)ο蟮木幊?(OOP) 以及包含多個(gè)單元的模塊化編程模型。PLC 功能、執(zhí)行系統(tǒng)、工藝和開(kāi)放架構(gòu)的軟件包以及功能庫(kù)的組合提供了獨(dú)一無(wú)二的功能性。SCOUT /SCOUT TIA工程組態(tài)系統(tǒng)友好可靠。在組態(tài)、編程、測(cè)試或調(diào)試方面，所有任務(wù)都具備大量的圖形化支持。

IGBT數(shù)字智能中頻仿形節(jié)能加熱及控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目致力于研發(fā)適用于高鐵鋼軌跟端鍛造工藝及成套裝備的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)大功率中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)與相應(yīng)的加熱工藝。表3為IGBT中頻感應(yīng)加熱電源相較于KGPS的先進(jìn)性對(duì)比。

表3 IGBT中頻感應(yīng)加熱電源相較于KGPS的先進(jìn)性對(duì)比

“裝備智能化-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造”體系

搭建適用于智能制造工廠的鋼軌跟端鍛造智能化生產(chǎn)平臺(tái)，進(jìn)行智能數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程診斷及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造的研究工作。

搭建智能遠(yuǎn)程診斷平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控鋼軌跟端鍛造裝備整線生產(chǎn)過(guò)程。搭建智能化網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造生產(chǎn)控制系統(tǒng)，集成制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、企業(yè)資源計(jì)劃ERP，使智能化成套裝備整線適用于智能制造工廠，實(shí)時(shí)管理生產(chǎn)過(guò)程，提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)成套裝備的全生命周期管理。本部分的技術(shù)路線如圖10所示。

圖10 鋼軌跟端鍛造裝備整線遠(yuǎn)程診斷及智能控制系統(tǒng)組成

“裝備智能化-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同”體系的搭建，將大幅度提升尖軌跟端鍛造成形多種工藝、多種軌型、多種長(zhǎng)度、多種配方生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化管理水平，實(shí)現(xiàn)成套裝備的全生命周期管理，滿足成套裝備適用于智能工廠的裝備制造業(yè)發(fā)展方向要求。

樣機(jī)試制及物理驗(yàn)證

在前期理論研究及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了樣機(jī)試制(圖11)，并進(jìn)行了小批量高鐵鋼軌跟端鍛造的物理試驗(yàn)，結(jié)果表明裝備各項(xiàng)主參數(shù)相比于目前同類裝備均有大幅度提升：⑴單支鋼軌跟端鍛造鍛前加熱+4序鍛造節(jié)拍達(dá)到11分鐘/件；⑵單支鋼軌跟端4序鍛造節(jié)拍不大于110秒，將目前工藝用時(shí)縮短約30%；⑶IGBT數(shù)字智能中頻仿形節(jié)能加熱系統(tǒng)鍛前加熱時(shí)間不大于8分鐘，節(jié)能20%；⑷裝備可實(shí)現(xiàn)60AT1、60AT2、50AT1、50AT2、60kg/m、50kg/m、模鍛翼軌等7種軌型共線生產(chǎn)；⑸5軸(4運(yùn)動(dòng)軸+1精度調(diào)整軸)高速超大型伺服機(jī)械手主體峰值運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到500mm/s。

圖11 6000噸高鐵鋼軌跟端智能化鍛造成套裝備樣機(jī)試制

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)攻克“6000噸伺服鍛造液壓機(jī)+5軸高速超大型伺服機(jī)械手”的整線伺服技術(shù)、IGBT數(shù)字智能中頻仿形節(jié)能加熱及控制技術(shù)、液壓機(jī)多學(xué)科多物理場(chǎng)耦合的CAE仿真技術(shù)以及“裝備智能化-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造”技術(shù)，研制了6000噸高鐵鋼軌跟端智能化鍛造成套裝備，為我國(guó)高鐵鋼軌跟端鍛造領(lǐng)域提供了所急需的新一代智能化技術(shù)裝備，大幅度提升了高鐵鋼軌跟端鍛造產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高鐵行業(yè)該類裝備的換代升級(jí)。