數(shù)控鋸鉆機(jī)床在鋼軌生產(chǎn)中的應(yīng)用與優(yōu)化研究

朱紅霞 謝罡

（1.邯鄲學(xué)院 河北邯鄲 056005；2.河鋼集團(tuán)邯鋼公司 河北邯鄲 056005）

鋸鉆機(jī)床進(jìn)行鋼軌的定尺鋸切、鉆孔倒棱，通過數(shù)控系統(tǒng)將機(jī)床的執(zhí)行動(dòng)作、生產(chǎn)鋼軌的尺寸、擬加工定尺鉆孔規(guī)格及機(jī)床的其他輔助功能進(jìn)行控制［1］，控制鋸鉆機(jī)床的鋸及鉆與工件相對(duì)動(dòng)作，生產(chǎn)出客戶所需長度及標(biāo)準(zhǔn)鋼軌。實(shí)際生產(chǎn)中，數(shù)控鋸鉆機(jī)床對(duì)鋼軌加工的精確定位控制極不穩(wěn)定，無法保證較高的產(chǎn)品質(zhì)量和較低的故障率，影響鋼軌生產(chǎn)效率。為充分應(yīng)用鋼軌鋸鉆機(jī)床設(shè)備，通過參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備改造，從根本上實(shí)現(xiàn)設(shè)備與工況的匹配，而要解決設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行中的問題，仍須深入思考和系統(tǒng)研究。

1 鋸鉆機(jī)床應(yīng)用問題分析

1.1 鋸鉆機(jī)鋸片鋸齒撞擊百米鋼軌造成打角，導(dǎo)致判廢，影響成材率及產(chǎn)品質(zhì)量

鋸鉆機(jī)床進(jìn)行定尺鋸切工序時(shí)，為保證鋼軌被鋸斷瞬間內(nèi)應(yīng)力形變不對(duì)鋸片造成夾持，在鋸切時(shí)，通過4組水平夾緊、3組垂直夾緊、2組壓下輥保持鋼軌鋸切區(qū)域平直；鋸切完成后，鋸片后撤前，垂直夾緊打開，壓下輥高壓夾持，鋼軌在水平夾緊夾持下水平橫向移動(dòng)8mm，鋸片主軸橫向推移2mm，保證兩段鋼軌與鋸片閃出空隙后，鋸片后退，等待下次鋸切循環(huán)。

現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)過程中，時(shí)常出現(xiàn)因鋼軌重量太大，壓下輥高壓轉(zhuǎn)低壓后，鋼軌水平橫移時(shí)無法完全打開，且鋸片及減震也無法完全打開，造成鋸片后撤過程中鋸齒撞擊鋼軌造成左下端打角，或磨損鋼軌斷面出現(xiàn)棱邊，或鋸片固定液壓螺母松動(dòng)，鋸片切斜，鋼軌斷面不合。

1.2 鋸鉆機(jī)床機(jī)械部件磨損，各工序用時(shí)過長

鋸鉆機(jī)床因現(xiàn)場工藝條件、設(shè)備狀態(tài)無法達(dá)到全速2m/s狀態(tài)運(yùn)行，目前，采用75%進(jìn)給率運(yùn)行，影響生產(chǎn)節(jié)奏，無法保證高效生產(chǎn)。另外，鋸鉆機(jī)床機(jī)械部件磨損，如夾送輥和測量輪引起的測量故障、定位補(bǔ)充光柵的故障等均已成為制約生產(chǎn)的主要因素，且對(duì)鋼軌長度定尺精度有著直接影響［2］。

1.3 鋸切時(shí)出現(xiàn)鋼軌跳動(dòng)、跑偏、夾持鋸片等問題

鋸鉆機(jī)床在鋸切時(shí)，采用垂直夾緊對(duì)鋼軌進(jìn)行垂直方向夾持，保證鋼軌在鋸鉆機(jī)床內(nèi)部鋸切區(qū)域平直、穩(wěn)定，不會(huì)因頭尾彎曲及鋼軌應(yīng)力造成鋸切時(shí)出現(xiàn)鋼軌跳動(dòng)、跑偏、夾持鋸片等問題。

垂直夾緊高位保持檢測裝置安裝位置在鋸頂部，日常使用過程中螺栓式擋塊容易松動(dòng)，影響檢測，嚴(yán)重時(shí)松動(dòng)的螺栓式擋塊在升降過程中在滑道中撞擊滑道后整體變形，并損壞接近開關(guān)，最終造成整體裝置更換的工作量大，延長維修時(shí)間，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏，造成設(shè)備事故，降低生產(chǎn)效率。

1.4 鋼軌振動(dòng)擺動(dòng)過大，造成出口夾送輥夾持狀態(tài)不穩(wěn)定等問題

鋼軌在定尺運(yùn)行全程100m 過程中，需要通過入口、出口夾送輥及壓下輥配合夾持下，運(yùn)輸定位并保持高穩(wěn)定性、高精度，全程需保證夾送輥在高位。但在運(yùn)行過程中，因鋼軌在輥道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)頭部會(huì)撞擊67個(gè)輥道面出現(xiàn)規(guī)律性上線振動(dòng)，且鋼軌運(yùn)輸?shù)戒徍箝L度越長，左右擺動(dòng)也會(huì)越大，造成出口夾送輥夾持狀態(tài)越不穩(wěn)定，行程鐘擺式晃動(dòng)，越靠近夾送輥上部晃動(dòng)量越大，極易出現(xiàn)高位信號(hào)丟失，使定尺運(yùn)行中斷。

1.5 鋸鉆機(jī)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)、中央潤滑系統(tǒng)、料斗檢查功能使用較少，造成物料浪費(fèi)

鋸鉆機(jī)設(shè)置溫度補(bǔ)償功能，用于彌補(bǔ)外界環(huán)境溫度對(duì)鋼軌長度尺寸的影響［3］。通過現(xiàn)場測試，統(tǒng)計(jì)2019年、2020年的2年時(shí)間各種外界溫度下生產(chǎn)狀態(tài)，冬季極端氣溫，室外溫度未低于-10℃時(shí)，溫度對(duì)鋼軌定位補(bǔ)償效應(yīng)不大，而現(xiàn)場溫度反饋系統(tǒng)不僅容易造成系統(tǒng)錯(cuò)誤，感溫器還因安裝位置不當(dāng)容易損壞，造成物料費(fèi)用浪費(fèi)。

2 鋸鉆機(jī)床處理優(yōu)化方法

2.1 修改出口夾送輥及壓下輥夾持狀態(tài)，改造夾緊移位裝置

使用廢軌進(jìn)行模擬試驗(yàn)，各測量200 次高壓750bar、低壓50bar、無壓狀態(tài)下壓下輥對(duì)鋼軌橫移影響下的打角、切斜、端面棱邊概率，如表1所示。

表1 不同壓力夾持下鋸切影響表

通過表1 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，出口夾送輥在無壓狀態(tài)下鋸切效果最好，基本對(duì)鋸切無影響。修改出口夾送輥及壓下輥夾持狀持鋸片或動(dòng)作態(tài)，改造制作鋸鉆機(jī)床種防卡阻及劃傷的水平夾緊移位裝置，鋸片擺動(dòng)、出口夾送輥夾送等動(dòng)作時(shí)序，優(yōu)化數(shù)控程序，保證鋼軌不因內(nèi)應(yīng)力夾不到位引起故障停機(jī)及鋼軌損壞。修改后鋸切流程如圖1所示。

圖1 修改后鋸切流程圖

2.2 鋸鉆機(jī)定尺，進(jìn)給實(shí)現(xiàn)100%，優(yōu)化切頭、尾工序，節(jié)省定位鋸切全程用時(shí)

采用75%進(jìn)給率運(yùn)行，各工序用時(shí)過長，影響生產(chǎn)節(jié)奏，如表2所示。鋸切全循環(huán)現(xiàn)使用進(jìn)給、全速設(shè)計(jì)狀態(tài)。

表2 75%進(jìn)給、全速理論狀態(tài)各工序時(shí)間

由表2 可以看出，鋸鉆機(jī)在定尺時(shí)，進(jìn)給實(shí)現(xiàn)100%，可節(jié)省定位鋸切全程用時(shí)。通過修改全程運(yùn)輸數(shù)控程序、進(jìn)給電機(jī)數(shù)據(jù)優(yōu)化，各伺服軸內(nèi)部參數(shù)進(jìn)匹配實(shí)現(xiàn)多種工況的調(diào)節(jié)，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，提高鋼軌加工速度和精度［4］。優(yōu)化后使用進(jìn)給運(yùn)行100%，比現(xiàn)使用75%進(jìn)給，鋸鉆機(jī)切頭、百米定尺、切尾全程由原3min42s 降低至2min32s，每根鋼軌可提升1min10s，提高生產(chǎn)效率31.5%。

鋸鉆機(jī)床機(jī)械部件磨損，需要通過解決以下問題來最終保證鋸鉆機(jī)床的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低事故率：輥道速度與夾送輥速度的匹配、夾送輥磨損后輪廓公差補(bǔ)償、定位補(bǔ)償光柵位置及響應(yīng)精度。

定尺系統(tǒng)中光柵定位補(bǔ)償系統(tǒng)保證鋼軌尺寸精度：測量輪定位、光柵矯正系統(tǒng)，通過改變測量輪動(dòng)作時(shí)序，優(yōu)化光柵矯正系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)光柵定位補(bǔ)償，鋸切定位系統(tǒng)定位補(bǔ)償數(shù)據(jù)如表3 所示，減少測量系統(tǒng)配套使用的累計(jì)誤差，實(shí)現(xiàn)精確測量，鋼軌定尺誤差在正負(fù)1～1.5mm，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

表3 鋸切定位系統(tǒng)定位補(bǔ)償數(shù)據(jù)表

同時(shí)，通過改造傾翻輥道內(nèi)部結(jié)構(gòu)、輥道面找平、鏈條松緊度調(diào)整、磨損輥道面修復(fù)，提高傾翻輥道穩(wěn)定性，避免鋼軌運(yùn)行時(shí)速度不匹配報(bào)警。

2.3 改造垂直夾緊檢測位置，提高生產(chǎn)節(jié)奏

原垂直夾緊高位保持檢測裝置安裝位置在鋸頂部，現(xiàn)將垂直夾緊的檢測位置擋鐵改造到底部夾緊塊，增大檢測范圍［5］。同時(shí)，封堵改造殘留孔洞，避免鐵屑掉落堆積在下降位保護(hù)盒內(nèi)，引起次生的下降保護(hù)限制。

提供一種減少維修和夾持牢固的垂直夾緊裝置。這種垂直夾緊裝置將垂直夾緊感應(yīng)桿由原來的圓柱形桿體加螺栓式擋塊改為整體桿體，不會(huì)再出現(xiàn)因震動(dòng)造成螺栓式擋塊松動(dòng)、檢測接近開關(guān)無法檢測到信號(hào)的情況，避免不能對(duì)位引起的設(shè)備停機(jī)檢修，也消除了松動(dòng)螺栓在升降過程中在滑道中撞擊滑道后整體變形并損壞接近開關(guān)的可能，避免了大量更換螺栓式擋塊的工作量大的問題。同時(shí)，將原來的垂直夾緊壓塊的長方體改造成具有軌槽形凹槽的垂直夾緊壓塊，可以對(duì)鋼軌進(jìn)行卡緊連接，確保實(shí)現(xiàn)原有的工藝功能，避免了鋸切過程中翹頭鋼軌、應(yīng)力釋放不完全鋼軌，因鋼軌滑動(dòng)及輕微變形位移造成的鋸切出現(xiàn)波浪紋理、切斜、打角等產(chǎn)品質(zhì)量問題。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以實(shí)現(xiàn)垂直夾緊位置的有效檢測，節(jié)省了大量的緊固及更換時(shí)間，降低了維修人員的工作強(qiáng)度，減少了勞動(dòng)時(shí)間［6］，原來更換緊固每個(gè)螺栓式擋塊需要15～20min/人，這種減少維修和夾持牢固的垂直夾緊裝置不需要緊固螺栓，18 個(gè)螺栓式擋塊共減少勞動(dòng)時(shí)間約6h/人，提高了生產(chǎn)效率和維修工作效率。

2.4 改造夾送輥、入口導(dǎo)向輥位置檢測，有效降低事故率

通過振動(dòng)檢測儀檢測全程狀態(tài)下夾送輥振動(dòng)值，并測量定位出鐘擺式晃動(dòng)的固定點(diǎn)，將夾送輥高位檢測位置改造至晃動(dòng)的固定點(diǎn)，避免晃動(dòng)對(duì)位置檢測影響。另外，鋼軌進(jìn)入機(jī)床，定位導(dǎo)向裝置是鋼軌鋸切的第一道工序，鋼軌進(jìn)入之前，導(dǎo)向輥伸出到位，避免鋼軌與側(cè)橫檔摩擦，造成劃傷。改造導(dǎo)向輥安裝及貼靠方式，使鋼軌在進(jìn)入設(shè)備前平直，避免傾斜，使鋼軌鋸切斷面符合工藝要求，傾斜<0.5mm。

垂直夾緊、夾送輥、入口導(dǎo)向輥位置檢測是鋸鉆機(jī)床最易發(fā)的故障點(diǎn)，占設(shè)備總故障的55.56%。通過上述改造，以上3類事故次數(shù)及時(shí)間大幅下降，事故時(shí)間占比由2019年的55.56%下降至2020年的14.04%，事故時(shí)間由2019年的250min下降至2020年的30min，下降88%，如表4、表5所示。

表4 2019年3 類事故次數(shù)、時(shí)間及占總事故時(shí)間對(duì)比

表5 2020年事故統(tǒng)計(jì)分析

2.5 優(yōu)化鋸鉆機(jī)輔助功能，節(jié)省備件費(fèi)用

鋸鉆機(jī)數(shù)控車床對(duì)精度要求極高，這就必須保證機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作時(shí)其潤滑效果要處于極佳狀態(tài)［7］。中央潤滑使用雙保護(hù)系統(tǒng)測量實(shí)時(shí)使用情況（液位報(bào)警和壓力報(bào)警）。其中，液位報(bào)警系統(tǒng)采取液位裝置內(nèi)嵌外插式接頭，因甘油腐蝕造成插頭底座腐蝕斷裂而無法使用，造成設(shè)備故障停機(jī)［8］，只能更換備件，設(shè)備使用周期只能達(dá)到設(shè)計(jì)壽命5年的60%左右。

經(jīng)過設(shè)備功能驗(yàn)證，采取單壓力報(bào)警也可實(shí)現(xiàn)中央潤滑狀態(tài)監(jiān)控，且不影響正常潤滑功能［9］。修改線路，修改控制反饋實(shí)現(xiàn)功能，一套8673.02元，現(xiàn)場使用6套，共計(jì)52 038.12元，此項(xiàng)節(jié)約費(fèi)用6938.14元/年。

鋸鉆機(jī)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量鐵屑，通過廢料移除裝置將鐵屑帶入料斗，當(dāng)料斗堆積到一定程度，料斗上方感應(yīng)裝置會(huì)通過報(bào)警提示料斗已滿，停機(jī)待更換料斗后復(fù)位故障才能生產(chǎn)。但現(xiàn)場實(shí)際料斗內(nèi)部鐵屑堆積成錐形，還有很大空間，料斗半滿情況下報(bào)警更換浪費(fèi)時(shí)間，降低效率。甚至有時(shí)因吊料斗將感應(yīng)裝置撞壞，造成設(shè)備短路故障，完全沒有浪費(fèi)物料，也增加了故障點(diǎn)，完全沒有必要使用此功能。優(yōu)化此工序，剔除不符合生產(chǎn)的感應(yīng)裝置，感應(yīng)裝置3548 元/個(gè)，此項(xiàng)節(jié)約備件費(fèi)用17 740元/年。

3 實(shí)施效果

鋸鉆機(jī)床設(shè)備經(jīng)優(yōu)化改造后，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，提高了機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)的使用壽命，提高生產(chǎn)效率27%（按6臺(tái)鋸計(jì)算），總事故率降低15%，鋸鉆機(jī)床設(shè)備事故時(shí)間由2019年的30min/萬t 降低到2020年的15min/萬t，實(shí)現(xiàn)了鋼軌定位控制，保證鋼軌定尺誤差，提高了處理事故的效率。

鋸鉆機(jī)事故占全部生產(chǎn)設(shè)備事故由2019年的80次事故（27.78%）降低為2020年的20次事故（6.74%）。

經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算：生產(chǎn)提效產(chǎn)值719.1 萬元，2020年的32.3萬t產(chǎn)量比2019年的22.9萬t產(chǎn)量翻倍提產(chǎn)。

因鋸鉆機(jī)事故降低提高的作業(yè)率及生產(chǎn)節(jié)奏的提高，2020年生產(chǎn)效率較2019年提高了4.5%以上，預(yù)計(jì)提高生產(chǎn)年產(chǎn)量0.423萬t。

提高產(chǎn)量產(chǎn)生的效益719.1 萬元；節(jié)約備件費(fèi)用6.267 814 萬元/年；綜合效益共725.3678 萬元/年。其中，3300 元/t 為鋼原料價(jià)格。上述改造優(yōu)化后創(chuàng)造的總效益共計(jì)725.3678萬元。

4 結(jié)語

鋼軌鋸鉆機(jī)床在國內(nèi)鋼軌生產(chǎn)企業(yè)常規(guī)定尺使用的設(shè)備，設(shè)備優(yōu)化改造可推廣，有通用性。同時(shí)，它不僅可應(yīng)用在鋸鉆聯(lián)合機(jī)床上，還可應(yīng)用于機(jī)械加工設(shè)備及各行各業(yè)的設(shè)備控制系統(tǒng)中。