鋼軌跟端熱處理自動化生產(chǎn)線

馬曉磊，謝曉陽，陳林，彭都都

1.中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100

2.湖南智匯科技有限公司 湖南株洲 412000

1 序言

目前，國內(nèi)鐵路道岔制造廠鋼軌根端壓形加熱設(shè)備大多采用的是電阻爐加熱模式，無論是加熱效率還是節(jié)能環(huán)保方面都無法滿足現(xiàn)在的生產(chǎn)需求。鋼軌跟端熱處理自動化生產(chǎn)線利用鍛造根端余熱進行二次感應(yīng)加熱，較之傳統(tǒng)的電阻爐生產(chǎn)效率提高4倍以上[1]，節(jié)能方面比電阻爐提高30%以上，因此使用感應(yīng)加熱爐替代電阻爐實現(xiàn)自動化生產(chǎn)已成為必然趨勢。

另外，還有許多廠上下料完全靠工人吊裝完成，造成人工成本增加，且存在一定的安全隱患，生產(chǎn)效率低。現(xiàn)設(shè)計的熱處理自動化生產(chǎn)線不僅可以取代電阻爐所有工序，實現(xiàn)自動化上下料，且突出的作用在于實現(xiàn)了鋼軌加熱段的長度一致性，避免了出現(xiàn)熱影響區(qū)長度不一而影響產(chǎn)品質(zhì)量的問題[2]。

湖南智匯科技有限公司經(jīng)過多年來行業(yè)制造技術(shù)積累，以及在全國多地鋼軌制造加工商如中鐵山橋集團、中鐵寶橋集團、鐵建重工集團等企業(yè)調(diào)研，根據(jù)新鐵標要求，通過吸收、引進、消化、發(fā)展，對現(xiàn)有的鋼軌正火工藝改進、設(shè)備結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，實現(xiàn)了上下料全部由機械手及運動機構(gòu)完成的自動化生產(chǎn)線，配合自主研發(fā)的IGBT中頻數(shù)字化智能電源，可實現(xiàn)恒溫、曲線升溫、定頻、調(diào)頻、恒功以及溫度曲線可編輯式的強大控制功能，加上根據(jù)用戶產(chǎn)品特點、工藝設(shè)計制造的感應(yīng)加熱爐，保證了鋼軌加熱的均勻性和熱效應(yīng)效果。

目前，常用鋼軌類型有60kg/m-50kg/m、50kg/m-43kg/m、60AT1-60kg/m、60AT1-75kg/m、60AT2-60kg/m、50AT1-50kg/m，特殊鋼軌類型有60E1A1-60E1、UIC54/54E1等。

2 生產(chǎn)線整體組成及工作流程

鋼軌跟端熱處理[3]自動化生產(chǎn)線主要由自動輸送料系統(tǒng)（上料架、橫向推料機構(gòu)、縱向送料機構(gòu)、伺服液壓夾鉗送料機構(gòu)、下料架）、IGBT中頻數(shù)字智能電源、感應(yīng)加熱系統(tǒng)、自動恒壓智能噴風(fēng)系統(tǒng)、RTS機械手及安全防護欄等組成，其自動化生產(chǎn)線布局如圖1所示。

圖1 自動化生產(chǎn)線布局

生產(chǎn)線工作流程：上料架將鋼軌推至橫向送料架，橫向推料機構(gòu)將鋼軌推至加熱預(yù)備工位并定位，伺服液壓夾鉗裝置將到達備料區(qū)鋼軌夾緊送入感應(yīng)加熱爐，然后感應(yīng)加熱爐開始加熱至目標溫度，加熱完成后液壓夾鉗裝置將鋼軌拉出至噴風(fēng)區(qū)開始噴風(fēng)冷卻。冷卻完成后，液壓夾鉗將鋼軌橫向推至下料架，正火結(jié)束，所有動作均自動完成，生產(chǎn)節(jié)拍為12min。

2.1 自動輸送料系統(tǒng)

自動輸送料系統(tǒng)主要由上料架、橫向推料機構(gòu)、縱向送料機構(gòu)、伺服液壓夾鉗送料機構(gòu)、下料架組合而成（見圖2）。整套系統(tǒng)的優(yōu)勢在于取代了人工送料工序，創(chuàng)新設(shè)計在于輸送的每一根鋼軌的平行度都在一個范圍之內(nèi)，減少了因料不整齊導(dǎo)致機械故障。機構(gòu)自動化程度高達70%～80%，為現(xiàn)場操作人員帶來了便捷，減少了事故風(fēng)險。

（1）上料架 由料架、液壓缸、滾輪等組成。主要起存放鋼軌的作用，液壓缸將擺放好的鋼軌從上料架推至橫向推料撥塊撥料區(qū)，拉線開關(guān)檢測距離并定位，實現(xiàn)了自動推料功能。

圖2 自動輸送料系統(tǒng)

（2）橫向送料機構(gòu) 由料架、液壓缸、滾輪組成。特點在于使用了交錯分布的滾輪與軌底多點接觸，避免了鋼軌軌底劃傷的問題，采用液壓缸的形式將撥塊推動，撥塊將鋼軌推至液壓夾鉗夾持區(qū)。

（3）縱向送料機構(gòu) 由輥輪、骨架、液壓缸等組成。機構(gòu)帶有光電傳感器，用于檢測鋼軌的有無，縱向送料機構(gòu)配合夾鉗送料機構(gòu)將鋼軌送入感應(yīng)加熱爐中。

（4）伺服液壓夾鉗送料機構(gòu) 由液壓缸、伺服變頻電動機、齒輪齒條、夾鉗及導(dǎo)向滑軌等組成。液壓缸對夾鉗提供動力，使其對鋼軌進行有力夾持，其運動靠電動機驅(qū)動夾鉗底座的齒輪齒條將鋼軌送入感應(yīng)加熱爐中，通過拉線開關(guān)信號確定位置，實現(xiàn)精準定位。

（5）下料架 由滾輪、骨架與緩沖墊塊等組成。鋼軌移動時通過與輥輪接觸，避免軌底劃傷，下料位帶有2°斜角，利于鋼軌從橫向推料滑出，后面安裝的緩沖墊塊可以減少軌頭與料架的碰撞，避免了軌頭損傷。

2.2 IGBT中頻數(shù)字智能電源

IGBT中頻數(shù)字智能電源如圖3所示。

圖3 IGBT中頻數(shù)字智能電源

（1）電源架構(gòu)與創(chuàng)新

1）采用IGBT作為開關(guān)器件，響應(yīng)時間快，開通與關(guān)斷可自由控制，做到精確控制每一次的輸出能量，開關(guān)與通態(tài)損耗小，節(jié)約能耗，綠色環(huán)保。

2）精準的衡溫控制，采用目標溫度閉環(huán)控制技術(shù)，通過操作界面可自由設(shè)定目標溫度、時間及溫度曲線，從而可使產(chǎn)品質(zhì)量達到理想效果。

3）采用感應(yīng)加熱電路拓撲里最為先進的IGBT串聯(lián)諧振技術(shù)，比IGBT并聯(lián)節(jié)能15%～20%，是目前世界上最為理想的諧振技術(shù)，效率可達到98%以上。

（2）技術(shù)特點 單路輸出、多路輸出；單機并網(wǎng)、多機并網(wǎng)。

（3）控制負載 透熱爐、熔煉爐、淬火機床、單/多晶硅爐、光纖爐、真空釬焊爐等。

（4）控制方式 PWM移相式，可開環(huán)、閉環(huán)、恒溫、變溫和曲線控溫等。電源標配電網(wǎng)諧波濾波裝置，有效控制電源對電網(wǎng)的諧波污染。

（5）應(yīng)用系統(tǒng)模塊化集成的特殊設(shè)計 整個系統(tǒng)模塊構(gòu)成：整流模塊、逆變模塊、諧振模塊、主控制單元等，全部采用集成模塊化，并且底部均裝有滑塊，維護時只需松開固定螺栓與連接線，就能通過拉手迅速從柜體滑出，快速更換新的模塊，無需現(xiàn)場維修，可大大提高維護效率。

（6）電源工作原理 該系統(tǒng)為雙重AC-DC-AC的拓撲結(jié)構(gòu)，滿足500kW的輸出功率，AC-DC采用二極管不可控整流，中間采用干膜式電容結(jié)構(gòu)作為支撐電容，DC-AC采用IGBT器件作為開關(guān)器件進行逆變橋輸出，逆變部分為單相逆變橋，諧振方式采用串聯(lián)諧振，相對于并聯(lián)諧振方式節(jié)能20%～30%。電源工作原理如圖4所示。

圖4 電源工作原理

2.3 仿形中頻感應(yīng)加熱爐

仿形中頻感應(yīng)加熱爐是根據(jù)用戶鋼軌外形而設(shè)計的，這樣的設(shè)計理念在于可以很好地改善加熱均勻性能。中頻感應(yīng)加熱爐外加導(dǎo)磁體，由于感應(yīng)加熱爐本身沒有導(dǎo)磁體，感應(yīng)加熱磁場磁束不集中損失30%以上，因此采取增加導(dǎo)磁體的方式來約束磁場，以提高加熱效率及熱傳遞的均勻性。目前，市面上現(xiàn)有設(shè)備加熱不均及效率低的問題，主要是透熱爐結(jié)構(gòu)的原因。爐體本身是由加熱線圈繞制而成，而加熱是通過磁場感應(yīng)對工件加熱，磁場在開放的環(huán)境下是沒有約束的，因此加熱時能耗過大。本方案提出的解決方案是從爐體結(jié)構(gòu)上進行重新設(shè)計，在加熱線圈外圍加裝導(dǎo)磁體，對磁場進行約束從而達到降低能耗的目的。經(jīng)過試驗，工件的溫差控制在±10℃，既達到了提高熱效率的目的，也解決了加熱不均勻性的問題[4-6]。爐膛外部裝有導(dǎo)向裝置，保證鋼軌始終在爐膛預(yù)設(shè)的最佳位置，防止鋼軌進入感應(yīng)加熱爐時撞擊爐膛，起到了保護爐膛的作用。

帶導(dǎo)向功能的感應(yīng)加熱爐如圖5所示 ，其與電阻爐加熱性能對比見表1。

圖5 帶導(dǎo)向功能的感應(yīng)加熱爐

表1 感應(yīng)加熱與電阻爐加熱性能對比

生產(chǎn)應(yīng)用證明，利用鋼軌鍛造跟端余熱二次感應(yīng)加熱，生產(chǎn)效率比電阻爐提高約4倍，設(shè)備占地面積只有電阻爐的16%。另外，感應(yīng)加熱比電阻爐使用方便、靈活、生產(chǎn)效率高，環(huán)境溫度比電阻爐低10℃，感應(yīng)加熱爐更容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，目前生產(chǎn)線自動化程度高達70%～80%。

2.4 自動恒壓智能噴風(fēng)設(shè)備

自動恒壓智能噴風(fēng)設(shè)備（見圖6），主要由自動恒壓裝置、噴風(fēng)盒降噪和均流、噴風(fēng)盒自動升降、防噪裝置自動升降、熱量排出裝置等結(jié)構(gòu)組成，其功能主要有以下幾個方面。

圖6 自動恒壓智能噴風(fēng)設(shè)備

（1）自動恒壓功能 根據(jù)工藝設(shè)定所需壓力，控制其壓力精度。特點在于提高了噴風(fēng)盒的流速、使用合理的分壓、擴大噴風(fēng)嘴及孔徑，最終達到冷卻速度快、冷卻均勻的目的。

（2）噴風(fēng)盒降噪和均流功能 傳統(tǒng)的噴風(fēng)冷卻裝置都存在著噴風(fēng)時噪聲大的問題。為解決這一問題，從風(fēng)源流向出發(fā)，研究出用填充特殊材料將氣流打亂，在保證每個噴風(fēng)孔都能均勻噴風(fēng)的情況下使噪聲降低。

（3）噴風(fēng)盒自動升降功能 由減速比為1∶24蝸輪蝸桿升降機和減速電動機等組成，機構(gòu)優(yōu)勢在于可以根據(jù)鋼軌的型號設(shè)定噴風(fēng)盒底部噴嘴到鋼軌表面的最佳距離，以達到冷卻時獲得良好的晶粒組織的作用。

（4）防噪裝置自動升降功能 由升降擋板和氣缸等組成。由于噴風(fēng)盒在給鋼軌冷卻時噴風(fēng)的噪聲非常大，針對這一問題，設(shè)計了帶有防噪聲及隔熱功能的擋板，其優(yōu)點在于內(nèi)置隔聲棉材料，可以有效地隔離噪聲和噴風(fēng)時產(chǎn)生的熱量，避免噪聲和熱量肆意流動給現(xiàn)場作業(yè)和環(huán)境帶來影響。升降功能可有效解決工件移動對裝置損壞的風(fēng)險。

恒壓智能噴風(fēng)設(shè)備性能見表2。

表2 恒壓智能噴風(fēng)設(shè)備性能

3 結(jié)束語

1）按照工藝要求制定各種軌型工作流程，整個工藝操作過程由計算機控制系統(tǒng)控制，所有工藝動作自動完成，將生產(chǎn)效率提高至原來的4倍以上，比原來的電阻爐節(jié)能30%以上；節(jié)約了人工并減輕了操作工的勞動強度，基本上實現(xiàn)了設(shè)備自動化，推進了我國智能制造的步伐。

2）設(shè)備對鋼軌推入爐膛的長度精準定位控制在±5mm，一是在很大程度上控制了感應(yīng)加熱時鋼軌熱影響區(qū)的長度，解決了以前鋼軌定位控制精度低、加熱不均勻的難題；二是可使工件在極短時間內(nèi)達到所需的溫度，從而使工件表面氧化和脫碳等加熱缺陷降到很低程度。

3）生產(chǎn)線上下料時間減少至原來的1/3，提高了生產(chǎn)效率，杜絕了安全隱患，解決了鋼軌加熱時長度不一、加熱溫度不足而導(dǎo)致晶體組織不均勻等一系列問題。