超窄间隙钢轨现场维修自动化焊接装置的研制

摘要

随着无缝铁路的大量铺设和长时间服役，钢轨损伤的频率也在增加。受损钢轨根据损伤程度有不同的处理方法，对于一般的表面磨损和变形等，通过打磨进行修正和控制，即可延长50%～100%的使用寿命。对于较严重的断裂、内部核伤等情况，就需要直接更换钢轨或在原位锯切并拉伸后再进行焊接。传统的钢轨焊接方法存在着设备庞大、效率低、接头质量不理想等问题，而超窄间隙焊接由于其线能量低、生产效率高、接头强度好等优点受到关注，但这种方法尚无广泛使用的设备。因此，本文基于焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法，研制了一套钢轨现场原位焊接自动化装置。 钢轨铺设现场恶劣的环境条件，对装置的机械结构设计提出了更高的要求。经过多种方案的论证，本文最终采用悬臂梁式的结构，并将设备安装固定位置选择在轨枕上。这种结构及安装方法的优点是使设备体积较小，便于移动，而且使用后可随即通过旋转机构将机械臂旋转到钢轨外侧，为焊后打磨、清渣等工作预留更多的空间和时间。装置的基本控制思想是：在原模拟焊机的基础上，借助PLC控制器提高参数设置效率和焊枪自主运行程度，进而提高自动化水平及焊接效率。围绕该核心思想，本文对原模拟焊机进行了改造，将预置参数手动连续调节改为自动离散调节，同时将对焊机的特性影响尽量减小。在硬件方面主要完成了按键输入电路设计，输出控制电路设计；软件方面，完成了按键输入、参数切换、焊枪运行轨迹程序设计及整体PLC程序设计。系统初步实现了操作者只需输入坡口宽度值，预置电压、电流及焊接速度参数便会自动“跟随”的目的，大大降低了对操作者的技术水平要求。通过传感器、数据采集卡及计算机软件，还实现了焊接过程数据的实时采集和保存，为后续分析焊接质量以及寻找最佳焊接匹配参数奠定了基础。经过前期试验发现的问题，本文还对钢轨超窄间隙焊接板式焊枪进行了改进设计，改善了其受力、绝缘性能等。 装置加工、组装完成后，进行了调试和焊接试验，结合焊缝形貌和数据分析，找出了适用于本装置的焊接工艺规范，并对焊接数据作了进一步分析，讨论了超窄间隙焊接坡口宽度对焊接电信号的影响，焊接过程熔滴过渡特性，以及对完善装置参数设置的作用。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1课题研究的背景及意义

1.2无缝线路钢轨焊接的现状

1.2.1常用无缝线路的焊接方法及研究现状

1.2.2焊剂片约束电弧钢轨超窄间隙焊接方法

1.2.3钢轨焊接自动化装置的发展现状

1.3主要研究内容与章节安排

第2章 自动化焊接装置机械机构的设计与实现

2.1引言

2.2自动化焊接装置机械结构设计

2.2.1机械臂的设计

2.2.2装置固定底座的设计

2.2.3焊枪的改进

2.2.4旋转自由度的实现

2.2.5悬臂梁结构的实现

2.2.6约束电弧强迫成型块介绍

2.3本章小结

第3章 自动化焊接装置控制系统的设计与实现

3.1引言

3.2.1控制系统总体设计方案

3.2.2控制器的选择

3.2.3控制系统工作流程

3.3控制系统硬件电路设计

3.3.1按键输入模块

3.3.2 PLC输出控制模块

3.3.3焊接数据实时采集模块

3.3.4 PLC输入输出接线图

3.4控制系统软件设计

3.4.1按键输入子程序设计

3.4.2焊枪运行轨迹子程序设计

3.5本章小结

第4章 焊接工艺试验及数据分析

4.1引言

4.2.1装置调试

4.2.2焊接试验实施

4.3焊接数据分析

4.3.1坡口宽度对焊缝成型和电参数的影响

4.3.2超窄间隙焊接过程熔滴过渡分析

4.3.3讨论

4.4本章小结

总结与展望

1. 本文工作总结

2. 后续工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录 B 单道焊接部分 PLC程序