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(guò)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(hù)所需長(zhǎng)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(wú)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(guò)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(wèn)題，仍須深入思考和系統(tǒng)研究。

1 鋸鉆機(jī)床應(yīng)用問(wèn)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(guò)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(kāi)，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(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(wú)法完全打開(kāi)，且鋸片及減震也無(wú)法完全打開(kāi)，造成鋸片后撤過(guò)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(guò)長(zhǎng)

鋸鉆機(jī)床因現(xiàn)場(chǎng)工藝條件、設(shè)備狀態(tài)無(wú)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(wú)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(cè)量輪引起的測(cè)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(zhǎng)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(wèn)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(wèn)題。

垂直夾緊高位保持檢測(cè)裝置安裝位置在鋸頂部，日常使用過(guò)程中螺栓式擋塊容易松動(dòng)，影響檢測(cè)，嚴(yán)重時(shí)松動(dòng)的螺栓式擋塊在升降過(guò)程中在滑道中撞擊滑道后整體變形，并損壞接近開(kāi)關(guān)，最終造成整體裝置更換的工作量大，延長(zhǎng)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(guò)大，造成出口夾送輥夾持狀態(tài)不穩(wěn)定等問(wèn)題

鋼軌在定尺運(yùn)行全程100m 過(guò)程中，需要通過(guò)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(guò)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(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(rùn)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(zhǎng)度尺寸的影響［3］。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(chǎng)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(cè)量200 次高壓750bar、低壓50bar、無(wú)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(guò)表1 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，出口夾送輥在無(wú)壓狀態(tài)下鋸切效果最好，基本對(duì)鋸切無(wú)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(guò)長(zhǎng)，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(guò)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(guò)解決以下問(wèn)題來(lái)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(cè)量輪定位、光柵矯正系統(tǒng)，通過(guò)改變測(cè)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(cè)量系統(tǒng)配套使用的累計(jì)誤差，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)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(guò)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(cè)位置，提高生產(chǎn)節(jié)奏

原垂直夾緊高位保持檢測(cè)裝置安裝位置在鋸頂部，現(xiàn)將垂直夾緊的檢測(cè)位置擋鐵改造到底部夾緊塊，增大檢測(cè)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(lái)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(cè)接近開(kāi)關(guān)無(wú)法檢測(cè)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(guò)程中在滑道中撞擊滑道后整體變形并損壞接近開(kāi)關(guān)的可能，避免了大量更換螺栓式擋塊的工作量大的問(wèn)題。同時(shí)，將原來(lái)的垂直夾緊壓塊的長(zhǎng)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(guò)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(wèn)題。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可以實(shí)現(xiàn)垂直夾緊位置的有效檢測(cè)，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(lái)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(cè)，有效降低事故率

通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)儀檢測(cè)全程狀態(tài)下夾送輥振動(dòng)值，并測(cè)量定位出鐘擺式晃動(dòng)的固定點(diǎn)，將夾送輥高位檢測(cè)位置改造至晃動(dòng)的固定點(diǎn)，避免晃動(dòng)對(duì)位置檢測(cè)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(cè)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(guò)上述改造，以上3類(lèi)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(lèi)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(chē)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(rùn)滑效果要處于極佳狀態(tài)［7］。中央潤(rùn)滑使用雙保護(hù)系統(tǒng)測(cè)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(wú)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(guò)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(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)控，且不影響正常潤(rùn)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(chǎng)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(guò)程中產(chǎn)生大量鐵屑，通過(guò)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(guò)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(chǎng)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(méi)有浪費(fèi)物料，也增加了故障點(diǎn)，完全沒(méi)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(wàn)t 降低到2020年的15min/萬(wàn)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(wàn)元，2020年的32.3萬(wàn)t產(chǎn)量比2019年的22.9萬(wàn)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(wàn)t。

提高產(chǎn)量產(chǎn)生的效益719.1 萬(wàn)元；節(jié)約備件費(fèi)用6.267 814 萬(wàn)元/年；綜合效益共725.3678 萬(wàn)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(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼軌鋸鉆機(jī)床在國(guó)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。