小型移动式钢轨气压焊机自动控制系统研究
摘要
目前在中国铁路行业应用广泛的现场移动式钢轨气压焊机存在自动化水平低、人为影响因素多等问题，使得钢轨焊接质量波动大，影响到了行车安全。因此，进行钢轨气压焊的自动化研究具有深远的意义。
本论文根据现场移动式钢轨气压焊的工艺特点，针对原有的控制系统存在的问题，对气压焊自动控制系统的软、硬件进行了研究与设计，为实现现场移动式钢轨气压焊法的自动化迈出了坚实的一步。文章以PLC为控制核心，对控制系统的三段顺序加压系统、气体流量控制系统、加热器摆动控制系统等三个子系统进行了优化设计与改进，使这三个子系统能够更加可靠地工作；同时为了控制顶锻位移量而增加了顶锻位移量控制子系统；并采用单片机智能仪表与PLC通讯的方式，重新设计了焊接参数的设置、修改、实时调整等功能的软、硬件。从而成功地实现了对气压焊的焊接压力、气体流量、顶锻位移量等焊接过程参数的控制，并使控制系统具有较快的动态响应速度和较高的控制精度。
通过工艺试验证明，采用这套控制系统进行的钢轨气压焊焊接，可去除人为因素的影响，保证焊接参数的复现性，稳定和提高气压焊焊接质量，简化操作，降低工人劳动强度，使焊接过程稳定快捷，从而可提高气压焊生产效率。同时试验过程也证明，这套控制系统体积小，重量轻，可靠性高，搬运、维护、使用方便，且性能价格比比较高，适应于现场移动式钢轨焊接作业。
There are some problems such as low automatic level, too much man-made influences in the wide application of mobile gas pressure welding of rails in China. Those problems result in unstable rail welding quality and insecure rail transport. So it is significant to research the automatic control system of gas pressure welding.
According to the process of the gas pressure welding, some research and design aiming at the hardware and software of the control system is carried out based on the old one. PLC is the control core of the gas pressure welding system. The pressure system, gas flux control system and heating system are optimized, as a result, three systems can work steadier. In order to control upsetting length, a new system about upsetting length control is added. Furthermore, the software and hardware for the setting, modification and adjusting of welding parameter are redesigned by the communication mode between the SCM and PLC. So the control of the welding parameter such as welding pressure, gas flux, upsetting length is realized, and the system has a high dynamic response rapid and a high control precision.
Many welding procedure tests shows, by using this control system, man-made influence can be eliminated, welding quality can get steadier, welding operation can be simplified, labor's intensity can be reduced, welding speed can be increased, so the welding efficiency will be improved. What's more, this equipment has a compact structure, a light in weight, and a good reliability, and it is easy to carry, repair and operate, so it is fit for outdoor rail welding work.
本论文根据现场移动式钢轨气压焊的工艺特点，针对原有的控制系统存在的问题，对气压焊自动控制系统的软、硬件进行了研究与设计，为实现现场移动式钢轨气压焊法的自动化迈出了坚实的一步。文章以PLC为控制核心，对控制系统的三段顺序加压系统、气体流量控制系统、加热器摆动控制系统等三个子系统进行了优化设计与改进，使这三个子系统能够更加可靠地工作；同时为了控制顶锻位移量而增加了顶锻位移量控制子系统；并采用单片机智能仪表与PLC通讯的方式，重新设计了焊接参数的设置、修改、实时调整等功能的软、硬件。从而成功地实现了对气压焊的焊接压力、气体流量、顶锻位移量等焊接过程参数的控制，并使控制系统具有较快的动态响应速度和较高的控制精度。
通过工艺试验证明，采用这套控制系统进行的钢轨气压焊焊接，可去除人为因素的影响，保证焊接参数的复现性，稳定和提高气压焊焊接质量，简化操作，降低工人劳动强度，使焊接过程稳定快捷，从而可提高气压焊生产效率。同时试验过程也证明，这套控制系统体积小，重量轻，可靠性高，搬运、维护、使用方便，且性能价格比比较高，适应于现场移动式钢轨焊接作业。
There are some problems such as low automatic level, too much man-made influences in the wide application of mobile gas pressure welding of rails in China. Those problems result in unstable rail welding quality and insecure rail transport. So it is significant to research the automatic control system of gas pressure welding.
According to the process of the gas pressure welding, some research and design aiming at the hardware and software of the control system is carried out based on the old one. PLC is the control core of the gas pressure welding system. The pressure system, gas flux control system and heating system are optimized, as a result, three systems can work steadier. In order to control upsetting length, a new system about upsetting length control is added. Furthermore, the software and hardware for the setting, modification and adjusting of welding parameter are redesigned by the communication mode between the SCM and PLC. So the control of the welding parameter such as welding pressure, gas flux, upsetting length is realized, and the system has a high dynamic response rapid and a high control precision.
Many welding procedure tests shows, by using this control system, man-made influence can be eliminated, welding quality can get steadier, welding operation can be simplified, labor's intensity can be reduced, welding speed can be increased, so the welding efficiency will be improved. What's more, this equipment has a compact structure, a light in weight, and a good reliability, and it is easy to carry, repair and operate, so it is fit for outdoor rail welding work.
引文
[1] 广钟岩，高慧安．铁路无缝线路．第三版．中国铁道出版社，2001
[2] 张末，张步云．铁路跨区间无缝线路．中国铁道出版社，2000
[3] (日)伊地知坚一．无缝线路作业．陈岳源等译．中国铁道出版社，1982
[4] 张泽圭．无缝线路．人民铁道出版社，1963
[5] (日)山本隆一．钢轨焊接技术的现状．新线路，2000
[6] 王志中．钢轨焊接工．中国铁道出版社，1995
[7] 锦州气压焊设备厂．移动式钢轨气压焊技术与应用，1996
[8] 叶文博．移动式钢轨气压焊．中国铁道出版社．1987
[9] 邓必孟．超长钢轨气压焊机自动控制系统研究．西南交通大学硕士学位论文，2002
[10] 王辉．移动式钢轨气压焊智能控制系统研究．西南交通大学硕士论文，2000
[11] 吕其兵，戴虹等．钢轨小型气压焊机控制系统研究．哈尔滨工业大学学报．2000，NO．9：60—62
[12] 文峰，戴虹等．钢轨小型气压焊机气流智能控制系统研究．电焊机．2001，NO．2：31—33
[13] 邓必孟，戴虹等．钢轨气压焊气流控制新技术．焊接技术．2002，NO．1：26—27
[14] 何少平等．钢轨气压焊接头断裂的组织研究．金属热处理．2003，NO．1：19—20
[15] 范清玉．小型移动式钢轨气压焊接技术与应用．上海铁道科技．1994．NO．3：31—32
[16] 陈英辉等．ZJY半自动钢筋气压焊机．建筑机械化．1997，NO．2
[17] 刘杰等．机电一体化技术基础与产品设计．冶金工业出版社，
2003
[18] 季维发等．机电一体化技术．电子工业出版社，1995
[19] 机电一体化技术手册编委会．机电一体化技术手册．第二版．机械工业出版社，1995
[20] 陈秀宁．机械设计基础．第二版．浙江大学出版社，1999
[21] 张宇河等．计算机控制系统．北京理工大学出版社，1996
[22] 吴石增．机电一体化系统的计算机控制技术．中国电力出版社，1998
[23] 丁丽娟．数值计算方法．北京理工大学出版社，1997
[24] 蒋大明，戴胜华．自动控制原理．清华大学出版社，2003
[25] 徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计．北京航空航天大学出版社，1995
[26] 丁元杰．单片微机原理及应用．第二版．机械工业出版社，1999
[27] 王英剑．新型开关电源实用技术．电子工业出版社，1999
[28] 刘贤新．新型智能开关电源技术．机械工业出版社，2003
[29] 黄贤武，郑筱霞．传感器原理与应用．电子科技大学出版社，1999
[30] 曲波等．工业常用传感器选型指南．清华大学出版社，2002
[31] 李道华．传感器电路分析与设计．武汉大学出版社，2000
[32] 孙以材．压力传感器的设计、制造与应用．冶金工业出版社，2000
[33] 严普强，黄长艺．机械工程测试技术基础．机械工业出版社，1985
[34] 韩云台．测试技术基础．国防工业出版社，1989
[35] 王占林．近代液压控制．机械工业出版社，1997
[36] 盛东初，冯淑华．液压传动技术教程．北京理工大学出版社，1995
[37] 贾铭新，曹诚明．液压传动与控制．哈尔滨船舶工程学院出版社，1991
[38] 谭荛娃，金如鳞．大功率电子学和电机控制．上海交通大学出版社，1999
[39] 周希章，周全．电动机的启动、制动和调速．机械工业出版社，
2001
[40] 李忠文，安生辉．实用电机控制电路．化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心，2003
[41] 周振丰等．焊接冶金与金属焊接性．第二版．机械工业出版社，1987
[42] 中国机械工程学会焊接学会．焊接手册．第工卷焊接方法及设备．机械工业出版社，1992
[43] 田瑞庭．可编程序控制器应用技术．机械工业出版社，1994
[44] 钟肇新，彭侃．可编程控制器原理及应用．第二版．华南理工大学出版社，1991
[45] 周恩涛．可编程控制器原理及其在液压系统中的应用．机械工业出版社，2003
[46] 陈宇可．编程控制器基础及编程技巧．华南理工大学出版社，2001
[47] 三菱电机有限公司．FX系列编程手册，2000
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[49] Terashita, Yoshihiro; Tatsumi, Mitsumasa Analysis of damaged rail weld. Quarterly Report of R TRI.(Railway Technical Research Institute) (Japan), v 44, n 2, May, 2003, p59-64
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[52] Shitara,Hideki;Terashita,Yoshihiro; Tatsumi,Mitsumasa; Fukada, Yasuto
Nondestructive testing and evaluation methods for rail welds in Japan Quarterly Report of RTRI (Railway Technical Research Institute) (Japan), v 44, n 2, May, 2003, p53-58
[53] Fukada, Yasuto (Railway Technical Research Institute); Yamamoto, Ryu-Ichi; Harasawa,Hkteaki Experience in maintaining railtrack in Japan Welding in the World Le Soudage Dans Le Monde, v 47, n SPEC., July, 2003, p123-137
[54] Anon. Gas-pressure welding: Is it feasible for North American railroads? RT and S: Railway Track and Structures, v 99, n 2, February, 2003, p12-15
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