現(xiàn)場(chǎng)鋼軌閃光焊動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析

于潤(rùn)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(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路已經(jīng)進(jìn)入了全面推廣無(wú)縫線路的新時(shí)代，無(wú)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(wú)縫線路。目前世界各國(guó)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(zhǎng)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(wú)縫線路的焊接要求[2-3]。閃光焊相對(duì)其他焊接方法來(lái)說(shuō)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(diǎn)，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(zhǎng)鋼軌甚至更長(zhǎng)鋼軌生產(chǎn)和運(yùn)輸問題的解決，越來(lái)越多的鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊選擇閃光焊方法。目前鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊工藝調(diào)試時(shí)采用短軌進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，以短軌通過(guò)型式試驗(yàn)的焊接工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鋼軌的焊接，但現(xiàn)場(chǎng)鋼軌的焊接工況千差萬(wàn)別，如現(xiàn)場(chǎng)鋼軌動(dòng)端質(zhì)量與工藝試驗(yàn)鋼軌差異很大，現(xiàn)場(chǎng)鋼軌存在坡道和彎道，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)墊的滾筒不一樣施工阻力也不一樣，這些不同工況均會(huì)影響鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊機(jī)動(dòng)夾的動(dòng)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(duì)焊接質(zhì)量有多大影響、如何影響，目前還未見報(bào)道。為此，本研究利用SimHydraulics軟件平臺(tái)建立閃光焊機(jī)頂鍛系統(tǒng)的液壓仿真模型，并在驗(yàn)證模型有效性的基礎(chǔ)上，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同現(xiàn)場(chǎng)條件下的閃光焊動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析。

1 鋼軌閃光焊動(dòng)夾控制

整個(gè)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(dòng)動(dòng)夾運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)端鋼軌的送進(jìn)和后退，動(dòng)端鋼軌由前進(jìn)變后退或由后退變前進(jìn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度直接影響著閃光焊液橋形成和存在的時(shí)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(guò)焊接電流實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)夾速度的雙閉環(huán)電液控制，動(dòng)夾速度的控制與焊接電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。PLC根據(jù)采集電流值計(jì)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(shí)，PLC給定最大送進(jìn)速度v1，內(nèi)閉環(huán)自動(dòng)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(shí)，內(nèi)閉環(huán)根據(jù)PLC計(jì)算出的送進(jìn)速度值對(duì)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(shí)，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(shí)，PLC給定最大回拉速度v2，內(nèi)閉環(huán)通過(guò)自動(dòng)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(dòng)夾速度的控制與焊接電流之間的對(duì)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(gè)專門針對(duì)液壓傳動(dòng)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(gè)模塊對(duì)應(yīng)真實(shí)的液壓元器件，元器件模塊之間以代表動(dòng)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(gè)真實(shí)的物理系統(tǒng)，可以通過(guò)改變各元器件的參數(shù)設(shè)置來(lái)模擬不同條件對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)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(duì)閃光焊動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響，針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真結(jié)果及分析

為了通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼軌閃光焊機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)減小液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)閃光焊動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的影響，分別對(duì)不同液壓油管長(zhǎng)度和不同液壓油管直徑下閃光焊的動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行仿真分析。此外，為了減小現(xiàn)場(chǎng)條件變化對(duì)閃光焊動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的影響，還對(duì)不同負(fù)載下閃光焊的動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行仿真分析。

3.1 液壓管長(zhǎng)度

在研究液壓管長(zhǎng)度對(duì)閃光焊動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響時(shí)，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(zhǎng)度，即油管1、油管2、油管3和油管4四段液壓油管的總長(zhǎng)度。仿真時(shí)將4段液壓油管的直徑均設(shè)置為10mm，其總長(zhǎng)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(hào)一定時(shí)，隨著液壓管長(zhǎng)度的增加，雖然動(dòng)夾端的速度在經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(shí)間或到達(dá)峰值速度的時(shí)間隨著管長(zhǎng)的增加而越來(lái)越長(zhǎng)，說(shuō)明隨著油管長(zhǎng)度的增加，系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)有所降低。這是因?yàn)楫?dāng)油壓和流量一定時(shí)，油管長(zhǎng)度的增加會(huì)使得液壓力傳遞到液壓缸所用時(shí)間以及管路的沿程壓力損失增加，進(jìn)而延長(zhǎng)液壓缸的響應(yīng)時(shí)間。因此，在閃光焊機(jī)液壓系統(tǒng)的搭建過(guò)程中，應(yīng)盡可能減少液壓管的長(zhǎng)度來(lái)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(zhǎng)度的動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

3.2 液壓管直徑

在研究液壓管直徑對(duì)閃光焊動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響時(shí)，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(zhǎng)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(shí)，隨著油管直徑的減小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的響應(yīng)之后，動(dòng)夾端的速度都能穩(wěn)定在某一個(gè)值，除了油管直徑為4mm時(shí)，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?yàn)楫?dāng)油管直徑小到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生堵塞，造成實(shí)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(dòng)夾端速度首次達(dá)到給定速度或峰值速度的時(shí)間越來(lái)越短，即隨著油管直徑的減小，動(dòng)夾端速度的階躍響應(yīng)速度越來(lái)越快。這是因?yàn)殡S著油管直徑的減小，油管的截面積也會(huì)相應(yīng)減小，當(dāng)流量一定時(shí)，油管截面積越小，流過(guò)該截面積的流速越大，單位時(shí)間內(nèi)在油管中傳遞的距離越長(zhǎng)，液壓力所需的傳遞時(shí)間就越短。因此，在閃光焊機(jī)液壓系統(tǒng)的搭建過(guò)程中，可以通過(guò)適當(dāng)減小油管直徑來(lái)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但油管的直徑不宜過(guò)小，否則會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的堵塞作用。

圖4 不同油管直徑的動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

圖5 不同負(fù)載和壓力下的動(dòng)夾動(dòng)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(duì)動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響后，針對(duì)外部負(fù)載變化對(duì)動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響進(jìn)行研究。由于在鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊的實(shí)際焊接過(guò)程中，是以短軌焊接試驗(yàn)通過(guò)的工藝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌進(jìn)行焊接，而采用短軌進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)時(shí)機(jī)頭壓力設(shè)置為10.5MPa。因此首先對(duì)閃光焊機(jī)機(jī)頭液壓系統(tǒng)壓力為10.5MPa、鋼軌長(zhǎng)度分別為25m和500m時(shí)動(dòng)夾端速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行仿真；然后又對(duì)鋼軌長(zhǎng)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(shí)動(dòng)夾端速度的動(dòng)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(shí)，軌長(zhǎng)由25m變?yōu)?00m，動(dòng)夾端速度首次達(dá)到給定速度和峰值的時(shí)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?yàn)殡S著負(fù)載質(zhì)量的增加，其所受到的阻力也會(huì)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(hào)一定時(shí)，其流量會(huì)隨著自身壓降的降低而有所下降，造成負(fù)載增加時(shí)動(dòng)夾端的穩(wěn)定速度會(huì)有所下降；同時(shí)隨著負(fù)載阻力的增加，動(dòng)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(dòng)并達(dá)到給定速度，動(dòng)夾端響應(yīng)時(shí)間也就會(huì)延長(zhǎng)。由圖5還可知，當(dāng)軌長(zhǎng)為500m時(shí)，通過(guò)增加機(jī)頭液壓系統(tǒng)的壓力，動(dòng)夾端的響應(yīng)速度和最終的穩(wěn)定速度都會(huì)有所增加。當(dāng)機(jī)頭壓力由10.5MPa分別增加到15MPa和20MPa時(shí)，與軌長(zhǎng)25m的鋼軌相比，動(dòng)夾端的速度首次達(dá)到給定速度的滯后時(shí)間分別減小到2.9ms和2.45ms，達(dá)到峰值的滯后時(shí)間也分別減小到3.795ms和3.435ms。這是因?yàn)闄C(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(hào)下輸出的流量會(huì)相應(yīng)增加，從而使得動(dòng)夾端的響應(yīng)速度和動(dòng)夾端速度的穩(wěn)定值都會(huì)相應(yīng)提高。因此，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌閃光焊的負(fù)載增加時(shí)，可以通過(guò)在速度變化的同時(shí)增大機(jī)頭壓力，并在動(dòng)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(lái)保證動(dòng)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(duì)不同的油管直徑、油管長(zhǎng)度以及負(fù)載和機(jī)頭油壓壓力等情況下閃光焊動(dòng)夾動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

（1）適當(dāng)減小油管直徑和油管長(zhǎng)度能夠有效提高焊機(jī)動(dòng)夾的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，為鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊機(jī)機(jī)頭液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)夾的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，因此在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鋼軌焊接時(shí)，隨著鋼軌動(dòng)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(chǎng)焊接工況變化對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

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