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钢轨除锈机的研制

作者:亚美体育 发布时间:2015-05-27点击:
摘要:针对某焊轨厂加工处理钢轨的落后现状,提出并设计了一个自动化程度、生产效率、可靠性、可操作性都非常高的除锈机床,介绍了该机床主要结构、液压系统和电气控制系统。机床的电气控制采用了三菱公司的FX 2N系列PLC,使得控制稳定可靠,操作简单方便,功能强大。

TheresearchforrailderustingmachineHUANG Que-qun, GONG Bang-ming, WANG Fei-fei, ZHANG Xi-gang(InstituteofAdvancedDesign&Manufacturing, SouthwestJiaotongUniversity, Chengdu 610031, China)Abstract: Aimingatlaggardcomplexionofmachiningrailinoneweldrailfactory,thispaperpresentsade-rustingmachinewhichoffershighautomation,highproductionefficiency,dependabilityandmanipulation.Thepaperalsointroducesthedesign,includingthemechanicalstructure,hydraulicsystem andelectricpart.Con-cerningtheelectricalpart,MitsubishiFX 2N seriesPLCischosenasthecoreofthesystem,whichmakesthesystem morereliableanddependable,theoperationmoreconvenientandeasiertoaccomplishandthefunctionmorepowerful.Besides,thepaperalsodescribesapracticaldetectingmethodwhichcouldbeusedonsite.Keywords: ProgrammableLogicController; controlsystem; steelrailderusting; hydrauliccontrol; currentdetection; machinetools

1、引言:
   钢轨除锈是钢轨焊接前的一个重要工序。由于闪光焊接的特点是用大电流快速给钢轨端部加热,使钢轨端部呈热熔状态以使两根钢轨对接,这就要求钢轨与电极之间有良好的导电性,而钢轨大多存放在室外,在焊接之前已经生锈,为了使钢轨与电极之间有很好的导电性,就必须给钢轨除锈。然而,目前我国绝大多数焊轨厂钢轨除锈工序都存在如下的缺陷:

(1)采用原始的手工砂轮除锈方法。按照原始的手工砂轮除锈方法,通常一个熟练工人给一根钢轨的一端除锈大概要花上5~ 10min的时间,劳动效率低,且劳动强度大;工作环境条件差,工作现场通常是粉尘弥漫,且钢轨中Mn含量较高,造成周边环境污染;除锈质量差,由于手持砂轮机进给速度和进给力不均匀,且不稳定;
(2)自动控制水平低,设备存在不稳定性,工作台进给速度难以准确控制;
(3)由于采用继电器逻辑控制,因此继电器数量多,且继电器控制装置为硬逻辑运行方式,控制线路复杂,经常出现故障,修复时间较长,严重影响了钢轨的正常生产。
   针对上述钢轨厂的实际情况,采取的解决方案是:以PLC作为控制系统的核心,整个系统的的动作在一台PLC的控制下完成;用砂带磨削代替砂轮磨削。砂带磨削的加工效率是砂轮磨削的5~ 20倍,加工质量可与一般常规的磨削方法相媲美,加工精度已达到与砂轮磨削相同的水平,而机床功率的利用率比任何金属切削机床都高;用电液比例调速阀控制砂带磨头的进给速度,使其进给速度均匀;在钢轨除锈机上配有吸尘装置,由吸尘装置吸收粉尘。

2、机床主要结构及功能:

(1)轨顶砂带磨头。轨顶砂带磨头结构主要有接触轮(或称工作轮、切削轮)、主动轮、张紧轮、接触轮支架、张紧油缸(或张紧装置)等几个主要部件组成。
   轨顶砂带磨头的升降机构主要由转轴铰、油缸和平衡装置等几个主要部件组成。磨头的升降是通过油缸带动转轴转动实现,升降的行程为0~ 300mm。为使升降运动均匀,转头上设有平衡装置。
(2)轨底砂带磨头。轨底砂带磨头结构主要由接触轮(或称工作轮、切削轮)、主动轮、张紧轮、接触轮支架、张紧油缸(或张紧装置)、振荡油缸等几个主要件组成。由于钢轨下底面是平面,接触轮为标准圆柱形。主动轮形式与上砂带磨头的主动轮形式相同。采用光电管控制振荡油缸,由活塞杆带动张紧支架偏摆,使砂带产生振荡运动。
   轨底砂带磨头的升降机构与上砂带磨头升降机构类似,但其行程较小,行程为0~ 200mm。其具体的机构设计和轨底相类似。
(3)垂直端面刷光头。垂直刷光头主要是由升降滑杆、刷光头、跟踪定位装置和支承装置组成。刷光头由垂直立柱及导轨支承,电动机直接驱动刷光轮,对夹固在机床上的钢轨两端的垂直端面刷光。进给运动由油缸推动刷光头上下移动完成。刷光头上装有防尘罩。防止锈尘飞扬和确保机器安全运行。
(4)机架、地车及机床保护。机架固定在地车上,机架上安装砂带磨头、刷光头及钢轨跟踪装置,完成每根钢轨轨顶、轨底及端面的刷光除锈;进给机构用液压油缸使地车沿钢轨末端移动,可进行高速和低速自动切换,轨顶轨底磨头同时进给,行程为0~ 1 900mm,完成轨顶轨底的除锈。地车上装有机床安全防护罩,将轨顶、轨底砂带磨头及端面刷光头全部罩住,并装有钢化玻璃门,以便机床维护及观察。门上装有与机床运转的互锁装置,门关闭时,机床才能运转,确保操作人员安全和机床安全运转,并进一步防止锈尘污染环境。
(5)钢轨夹紧、限位装置。用两个夹具装置夹紧钢轨,用夹具上面的油缸向下夹牢除锈钢轨。钢轨的限位采用支承滚轮上的限位块实现,限位块位置可调,可适应不同型号的钢轨。机床设置三个支承滚轮轮架,固定在机床的机架上。
(6)吸尘系统。在砂带磨削头处设置粉尘吸收系统,采用大功率(5.5kW)高效旋风除尘设备将绝大部分粉尘吸收,吸尘器与机床用软管联接。未吸收部分由机床防护罩全部封闭在罩内,定期用吸尘器清理;由于有防护罩,吸尘系统将全部吸收刷光头处的粉尘。这样有效的避免了环境污染,保护了操作者及工作人员的健康。

3、液压系统:
机床的液压系统应该满足下列条件:
(1)几个执行元件必须能实现各自的工作循环。其工作速度和进给力应该达到表1的要求。且整个目标的实现必须在机械系统的辅助及电气控制系统的操作下来完成。
表1 液压控制要求参数表
表1 液压控制要求参数表

(2)执行部件动作控制。执行部件能在工作时实现动作的同步或者异步,基本上达到自动化,有完善的循环过程。在钢轨加工完成后,应该能保证各部件和动力头自动复位,并保证运行平稳可靠。
(3)执行部件的润滑。保证执行部件和运动部件的自润滑,并且在外界环境温度高于或者低于液压油的工作温度下能自动加温或冷却液压泵油源。
   本液压系统主要由油源供给部分、控制调节部分、辅助部分和执行部分组成。每一部分的形式和相互关系都通过各自回路及整个系统的协调回路的动作来实现而完成的。由于本机床各个运动部件的运动形式是以直线往复运动为主,所以,液压元件的执行形式均采用了活塞式液压缸。各执行元件运动控制回路包括:轨顶(底)砂带磨头运动控制、机器水平运动控制、夹具夹紧的控制、刷光轮垂直运动控制。该液压系统的特点是各个回路采用统一同步供油,保证了系统的压力一致性;各个回路换向都采用了三位四通电磁阀(中位机能为O型),液压油的进、退支路采用外控单向阀进行互锁,保证了执行元件动作的可靠性;速度转换采用了二位二通换向电磁阀和节流阀的并联,通过其通、断来实现流量的改变;对控制阀、液压缸和油泵的安装进行统一集成布局,便于安装、操作和修改;系统配装有压力表,用来实时显示液压系统的工作压力,增加了系统的安全性。

4、控制系统的设计:
4.1、钢轨除锈机功能:
(1)钢轨两端的定位。钢轨的端部固定在机架的右端,每个钢轨端部必须定位在2个光电传感器限位的区域,其中一个用于检测钢轨进入定位区域,并且控制盘上的指示灯亮;另一个用于检测钢轨离开这个区域的情况,当钢轨离开时控制盘上的指示灯也会点亮。指示灯在循环前后接通,即在夹持循环之间。
(2)自动循环起始条件。钢轨处于夹持状态,刷轮装置在原位,两个砂磨装置收回,机架在最右端,钢轨两端固定,液压装置接通,吸尘装置接通,砂磨电机正常,刷轮电机正常防护罩关闭,输送机停止,手动、自动开关置于自动位置,循环选择(单循环或不带刷轮的单循环),过程循环已设定。
(3)自动循环:
①带刷轮的单循环:钢轨已夹紧,砂带转动,砂带对正钢轨运行,机架以低速移动到钢轨右端的监视器位置,砂带收回;机架以高速移动到钢轨左端的监视器位置,砂带运行;机架以低速移动到最左端,砂带收回,砂带停止转动,刷轮转动;机架右移至两钢轨之间刷轮位置的监视器位置,刷轮装置移动到中间位置;机架以低速左移检测刷轮与钢轨接触,刷轮装置下移至下部位置,刷轮装置向上移至上部位置,刷轮移至中间位置,并且以高速右移到监视器位置,控制两钢轨之间刷轮位置。机架以低速右移检测刷轮与钢轨接触,刷轮移至下部位置,刷轮移至上部位置。机架以高速移动到最右端,钢轨夹具松开,刷轮停止转动。
②不带刷轮的单循环:砂带转动,砂带对正钢轨运行,机架低速左移到钢轨右端的监视器位置,砂带收回;机架以高速移动到钢轨左端的监视器位置,砂带运行,机架以低速移动到最左端,砂带收回,砂带停止,转动钢轨夹具松开,机架以高速移至最右端。
(4)手动操作。选择手动操作后,机器的各项功能可由控制元件来实施(开关、按钮),机架以高速移动运行。由于中间涉及到许多控制量,所以该系统选用PLC控制系统控制。
(5)一个循环周期的故障。当刷轮停止转动,同时也停止运动,并从钢轨收回;当砂带停止转动,机架移动也停止了,砂带收回;在砂磨过程中若钢轨夹紧信号小时,机架停止移动,砂带收回,并停止运动;若钢轨夹紧信号在刷光过程中消失,刷轮支架停止移动,刷轮将被置于两钢轨之间,并且停止运动;当“停止循环”按钮按下时,正在进行的运动都将停止,正在砂磨的砂带收回,正在刷光的刷轮被固定在两钢轨之间。
  画出PLC控制系统顺序控制功能图(SFC)有助于设计出自动化程度较高的复杂的控制系统,而要画出PLC控制系统的顺序控制功能图就必须先了解系统的工作流程即加工工艺流程。该系统的工作流程图如图1所示。
图1 除锈机控制系统工艺流程图
图1 除锈机控制系统工艺流程图

4.2、PLC控制系统的构成:
(1)PLC控制系统的硬件配置。经过对系统控制量的研究,根据系统控制要求,需要36个信号输入, 25个信号输出控制点,选用三菱公司的FX 2N- 128MT型PLC。
(2)硬件连接。图2为PLC端子接线图,由于PLC为晶体管输出类型,所以输出端电源只能接直流电源;为了保护PLC输出端子,采用低压24V DC电源,中间通过中间继电器过渡;PLC与外接感性负载连接时,为了防止其误动作或瞬间干扰,对感性负载要加抗干扰措施。对于直流接口电路要在直流感性负载两端并联二极管。
  (3)软件设计。钢轨除锈机控制系统的软件主要包括四个部分:开始程序模块、手动程序模块、自动运行程序模块、复位程序模块。其中开始程序模块主要控制系统启动、停止,对钢轨是否到位进行判定,循环方式的选择(带刷光轮单循环和不带刷光轮单循环)以及系统三种运行方式(手动方式、复位方式、自动运行方式)之间的切换,进行外部流量参数的设定和刷轮电动机电流参数的读取,开始程序模块还将对比例调速阀流量参数进行设定。手动程序模块主要用来实现系统的手动操作。自动程序模块主要用来控制砂带对轨顶、轨底磨削和刷光轮对钢轨断面磨削。工件的安装分为三种情况:两根钢轨、只有右钢轨、只有左钢轨,并且工件的磨削有分为带刷光轮单循环和不带刷光轮单循环两种情况,这六种情况磨削动作既是相互独立的又是相关联的,因此,在自动程序模块设计时要尽量用比较少的指令完成动作要求。复位程序模块主要用于手动复位以及砂带或刷光轮发生故障时复位。
图2 PLC输入/输出接线图
图2 PLC输入/输出接线图
   这样将一个复杂系统划分成几个模块,分别对每个模块进行设计,使程序结构更清晰,而且便于每个模块单独调试和程序模块的整合。

5、结束语:
   和传统的除锈工序相比,钢轨除锈机自动化程度大大提高,除锈效率高,完成钢轨一端0~1 000mm顶面、底面及垂直端面除锈所需时间2min;除锈质量稳定性好,质量由机器保证;工人劳动强度较低,打磨除锈工序均由机床完成;工作环境较好,自动打磨除锈机可充分吸收灰尘。因此,使用自动除锈机是提高劳动效率,提高钢轨焊接质量,为铁路运输安全提供有利条件,减轻工人劳动强度,改善工人工作环境以及减少对周边环境的污染的有效方法。由于PLC可靠性好、维修方便,在很大程度上提高了控制系统的可靠性,减少了设备维护时间以及维护停机的时间;使企业的生产能力大大提高,有助于降低产品的制造成本,增强企业的竞争实力。
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