文/于長?！ずＱb駐天津地區(qū)第三軍事代表室

王宏偉，丁碩·天津市天鍛壓力機有限公司

針對我國高鐵飛速發(fā)展以及“走出去”的戰(zhàn)略要求，分析了目前作為高速鐵路關(guān)鍵基礎(chǔ)組件的跟端鍛造成形鋼軌成套裝備及工藝所存在的技術(shù)問題，通過攻克相關(guān)技術(shù)難題，研制了6000噸高鐵鋼軌跟端智能化鍛造成套裝備樣機，并進行了小批量試生產(chǎn)，結(jié)果表明裝備各項主參數(shù)相比于目前同類裝備均有大幅度提升，顯著提升了高鐵鋼軌跟端鍛造產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了我國高鐵行業(yè)該類裝備的換代升級。

2016年國家修訂版《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(規(guī)劃期為2016-2025年，遠期展望到2030年)的發(fā)展目標為：到2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達到17.5萬公里左右，其中高速鐵路3.8萬公里左右，網(wǎng)絡(luò)覆蓋進一步擴大，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，骨干作用更加顯著，更好發(fā)揮鐵路對經(jīng)濟社會發(fā)展的保障作用。到2030年，基本實現(xiàn)內(nèi)外互聯(lián)互通、區(qū)際多路暢通、省會高鐵連通、地市快速通達、縣域基本覆蓋。

我國高鐵行業(yè)已實現(xiàn)從“彌補”到“趕超”再到“引領(lǐng)”的華麗轉(zhuǎn)身。面對全球掀起的高鐵建設(shè)潮，中國高鐵產(chǎn)業(yè)鏈相較海外巨頭已具有多方面優(yōu)勢，具備整車及系統(tǒng)輸出能力。但作為高速鐵路的關(guān)鍵基礎(chǔ)組件，針對跟端鍛造成形鋼軌，我國現(xiàn)有鋼軌跟端鍛造成形工藝及裝備普遍存在機械精度及控制精度偏低、能耗高、智能化程度低、數(shù)據(jù)融合性差、難以形成工藝及產(chǎn)品大數(shù)據(jù)庫、鋼軌加熱技術(shù)落后等問題，整體水平已不符合“智能工廠-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造”的裝備制造業(yè)發(fā)展方向，已無法適應(yīng)中國高鐵“走出去”的戰(zhàn)略要求。因此，研發(fā)工作精度及智能化程度高、鋼軌加熱技術(shù)換代升級、節(jié)能高效的新一代鋼軌跟端鍛造成套裝備已迫在眉睫，戰(zhàn)略意義重大。

國內(nèi)外同類裝備研究現(xiàn)狀

國外鋼軌跟端鍛造裝備發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，針對鋼軌跟端鍛造產(chǎn)品，世界各國都在廣泛研制開發(fā)其成形裝備及配套工藝。目前，丹麥Hydraulico公司在鍛造工藝及自動化成套鍛造裝備方面技術(shù)最為成熟，圖1為丹麥Hydraulico公司生產(chǎn)的鋼軌跟端鍛造成套裝備。該裝備代表了國際上目前該領(lǐng)域的先進水平，裝備能夠?qū)崿F(xiàn)工件的數(shù)控整線連續(xù)生產(chǎn)，但一方面其仍存在裝備智能化程度不高、裝備共線生產(chǎn)能力及工件長度適應(yīng)能力不足等缺陷，另一方面存在技術(shù)保護且價格高昂，在國內(nèi)市場的應(yīng)用受到了限制。

圖1 丹麥Hydraulico公司生產(chǎn)的鋼軌跟端鍛造成套裝備

國內(nèi)鋼軌跟端鍛造裝備發(fā)展現(xiàn)狀

我國在鋼軌跟端鍛造裝備研究方面起步較晚。但近些年來，我國在該領(lǐng)域研究方面投入了大量的人力物力，取得了一些成就。目前我國已有輥鍛工藝、擠壓+模鍛工藝、復(fù)式活塊尖軌跟端成形工藝以及整體模鍛工藝等多種鋼軌跟端鍛造工藝，生產(chǎn)方式多樣化。

就鋼軌跟端鍛造裝備而言，目前總體分為兩類：一類為傳統(tǒng)鍛壓設(shè)備，較多采用的是水壓機、油壓機等非尖軌跟端鍛造專用液壓機，而且成形過程中，資源(包括材料、能源等)利用效率低，工藝繁瑣，生產(chǎn)效率低，成套性和數(shù)控性差，不能夠滿足AT尖軌跟端生產(chǎn)一體化要求，不能適應(yīng)高速鐵路快速發(fā)展的要求。另一類為成組成套的鋼軌跟端鍛造裝備。

隨著近年來我公司先后為中車北京南口機械有限公司、濟南鐵路局研發(fā)了該類工藝的自動化生產(chǎn)線，國產(chǎn)裝備已能逐步實現(xiàn)鋼軌跟端鍛造的自動化連續(xù)生產(chǎn)，但生產(chǎn)線在工藝和設(shè)備的穩(wěn)定性、高精度控制、節(jié)能化、智能化、生產(chǎn)效率及產(chǎn)能等方面仍然存在諸多不足。

圖2 我公司生產(chǎn)的鋼軌跟端鍛造壓力機

圖3 我公司研發(fā)的5000噸鋼軌跟端鍛造成套裝備

主要研究開發(fā)內(nèi)容

我公司主要研究開發(fā)內(nèi)容包括：⑴6000噸伺服鍛造液壓機；⑵長22米、重25噸五軸高速超大型伺服機械手及控制系統(tǒng)；⑶IGBT數(shù)字智能中頻節(jié)能加熱策略及控制系統(tǒng)；⑷樣機制造及在線監(jiān)控與協(xié)調(diào)控制包括，液壓機及控制系統(tǒng)、機械手及控制系統(tǒng)、鋼軌加熱系統(tǒng)、模具及其溫控系統(tǒng)等；⑸流固熱、非線性、模態(tài)、疲勞壽命、振動等多學科多物理場耦合的液壓機CAE仿真體系建設(shè)，為液壓機數(shù)字孿生做技術(shù)儲備；⑹“裝備智能化-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造”體系建設(shè)。

圖4 高鐵鋼軌智能化鍛造成套裝備效果圖

6000噸高鐵鋼軌跟端鍛造專用智能伺服液壓機

⑴液壓機主體結(jié)構(gòu)研發(fā)及多學科多物理場耦合CAE仿真體系建設(shè)。6000噸高鐵鋼軌跟端鍛造智能化專用液壓機作為典型的多物理多組件復(fù)雜系統(tǒng)，總體包括壓機主體框架、主液壓缸系統(tǒng)、功能液壓缸系統(tǒng)、電機-泵組驅(qū)動系統(tǒng)、集成閥組控制系統(tǒng)、液壓管路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、氣動功能系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、可移動工作臺、模具加熱系統(tǒng)以及噴淋潤滑系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)及功能板塊相互作用，協(xié)同工作。子系統(tǒng)內(nèi)部又由眾多部件組成，各部件及各子系統(tǒng)之間存在著物理過程的強烈耦合作用。

理論計算→虛擬樣機→CAE仿真→物理樣機試驗驗證是智能化液壓機研發(fā)的總體技術(shù)流程。隨著液壓機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性、物理過程的多因素耦合性、多接觸非線性的不斷升級，使得理論計算難度不斷加大。同時，液壓機作為重型裝備，樣機試驗成本與投入較為昂貴，大量試驗存在困難。CAE仿真技術(shù)作為一種能夠近似模擬真實物理環(huán)境的研究手段，是全面認知復(fù)雜系統(tǒng)的重要支撐。圖5、圖6分別為高鐵鋼軌跟端鍛造專用伺服液壓機機身虛擬樣機及CAE仿真體系。

圖5 高鐵鋼軌跟端鍛造專用伺服液壓機機身虛擬樣機

圖6 高鐵鋼軌跟端鍛造專用伺服液壓機CAE仿真體系

⑵基于能源效率改進技術(shù)的液壓機伺服控制系統(tǒng)研發(fā)。伺服電機由于其自身優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特性，其承載特性要優(yōu)于普通異步電機。本項目液壓系統(tǒng)主泵采用伺服電機驅(qū)動，單臺電機功率可以由110kW(傳統(tǒng)普通電機+比例泵驅(qū)動)降到90kW，8臺主電機裝機功率可以降低160kW。伺服電機在設(shè)備待機狀態(tài)下的節(jié)能效果明顯。假設(shè)每個鋼軌工件加熱8min，壓制2min，每小時制作5件。液壓機伺服電機驅(qū)動技術(shù)優(yōu)勢如圖7所示，節(jié)能效果及指標見表1。

表1 本項目應(yīng)用大噸位液壓機伺服控制系統(tǒng)后節(jié)能效果及指標

圖7 液壓機伺服直驅(qū)技術(shù)優(yōu)勢分析

控制系統(tǒng)仿真設(shè)計是依據(jù)滑塊運動虛擬基準量求出的控制量，基于控制分配理論對虛擬輸入量進行線性規(guī)劃，映射出各個液壓缸的期望輸出。智能化液壓機壓制的實際機械和液壓系統(tǒng)機構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)液壓機結(jié)構(gòu)特點、工藝動作，并結(jié)合泵閥控制液壓缸的運行原理，忽略系統(tǒng)中的次要因素，最終得到控制結(jié)構(gòu)原理進行仿真分析。

五軸高速超大型伺服機械手及其伺服控制系統(tǒng)

高鐵鋼軌跟端鍛造專用智能伺服液壓機僅用于高鐵鋼軌跟端鍛造成形，本項目所研發(fā)的五軸(4運動軸+1精度調(diào)整軸)高速超大型伺服機械手可實現(xiàn)鋼軌的頂起、落下、左右平移、前行、后退、翻轉(zhuǎn)、定位等動作，包含X/Y/Z三個方向的直線移動自由度以及繞X旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度， Y軸為精度調(diào)整軸，可實現(xiàn)機械手與液壓機相對定位精度的調(diào)節(jié)。可實現(xiàn)鋼軌上料→對零→鍛前加熱→“一模四腔”鍛造成形→下料的整線高精度控制。

五軸高速超大型伺服機械手全長22米，總重約25噸，包括1套橫向輸送大車、5套縱向輸送小車、5套270°柔性旋轉(zhuǎn)夾鉗、5套旋轉(zhuǎn)夾鉗電液伺服控制系統(tǒng)、西門子simotion高精度閉環(huán)同步運動控制系統(tǒng)(用于22米機械手左右及前后方向的平移)組成。整套高速重載機械手在西門子simotion高精度閉環(huán)同步運動控制系統(tǒng)的控制下其標準運動速度可達到500mm/s，是目前同類裝備運動速度的2倍。圖8、圖9為全數(shù)字化設(shè)計的五軸高速超大型伺服機械手。表2為五軸高速超大型伺服機械手關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

表2 五軸高速超大型伺服機械手關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

圖8 全數(shù)字化設(shè)計的五軸高速超大型伺服機械手

圖9 五軸高速超大型伺服機械手局部放大結(jié)構(gòu)

由于五軸高速超大型伺服機械手全長22米，總重約25噸，在X/Y兩個方向的標準移動速度需要達到500mm/s，具有“超長超重高速”的特點，因此，采用西門子simotion高精度閉環(huán)同步運動控制系統(tǒng)對X/Y兩個方向(橫向輸送大車、縱向輸送小車)進行運動控制，保證機械手在運動過程中平穩(wěn)、快速、到位準確。

simotion運動控制系統(tǒng)滿足工程組態(tài)和運行系統(tǒng)功能方面的極高要求，可實現(xiàn)通過模塊化工藝對象方法、面向?qū)ο蟮木幊?(OOP) 以及包含多個單元的模塊化編程模型。PLC 功能、執(zhí)行系統(tǒng)、工藝和開放架構(gòu)的軟件包以及功能庫的組合提供了獨一無二的功能性。SCOUT /SCOUT TIA工程組態(tài)系統(tǒng)友好可靠。在組態(tài)、編程、測試或調(diào)試方面，所有任務(wù)都具備大量的圖形化支持。

IGBT數(shù)字智能中頻仿形節(jié)能加熱及控制系統(tǒng)

本項目致力于研發(fā)適用于高鐵鋼軌跟端鍛造工藝及成套裝備的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)大功率中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)與相應(yīng)的加熱工藝。表3為IGBT中頻感應(yīng)加熱電源相較于KGPS的先進性對比。

表3 IGBT中頻感應(yīng)加熱電源相較于KGPS的先進性對比

“裝備智能化-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造”體系

搭建適用于智能制造工廠的鋼軌跟端鍛造智能化生產(chǎn)平臺，進行智能數(shù)據(jù)采集、遠程診斷及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造的研究工作。

搭建智能遠程診斷平臺，實時監(jiān)控鋼軌跟端鍛造裝備整線生產(chǎn)過程。搭建智能化網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造生產(chǎn)控制系統(tǒng)，集成制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、企業(yè)資源計劃ERP，使智能化成套裝備整線適用于智能制造工廠，實時管理生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量，實現(xiàn)成套裝備的全生命周期管理。本部分的技術(shù)路線如圖10所示。

圖10 鋼軌跟端鍛造裝備整線遠程診斷及智能控制系統(tǒng)組成

“裝備智能化-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同”體系的搭建，將大幅度提升尖軌跟端鍛造成形多種工藝、多種軌型、多種長度、多種配方生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化管理水平，實現(xiàn)成套裝備的全生命周期管理，滿足成套裝備適用于智能工廠的裝備制造業(yè)發(fā)展方向要求。

樣機試制及物理驗證

在前期理論研究及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)上，進行了樣機試制(圖11)，并進行了小批量高鐵鋼軌跟端鍛造的物理試驗，結(jié)果表明裝備各項主參數(shù)相比于目前同類裝備均有大幅度提升：⑴單支鋼軌跟端鍛造鍛前加熱+4序鍛造節(jié)拍達到11分鐘/件；⑵單支鋼軌跟端4序鍛造節(jié)拍不大于110秒，將目前工藝用時縮短約30%；⑶IGBT數(shù)字智能中頻仿形節(jié)能加熱系統(tǒng)鍛前加熱時間不大于8分鐘，節(jié)能20%；⑷裝備可實現(xiàn)60AT1、60AT2、50AT1、50AT2、60kg/m、50kg/m、模鍛翼軌等7種軌型共線生產(chǎn)；⑸5軸(4運動軸+1精度調(diào)整軸)高速超大型伺服機械手主體峰值運動速度達到500mm/s。

圖11 6000噸高鐵鋼軌跟端智能化鍛造成套裝備樣機試制

結(jié)束語

通過攻克“6000噸伺服鍛造液壓機+5軸高速超大型伺服機械手”的整線伺服技術(shù)、IGBT數(shù)字智能中頻仿形節(jié)能加熱及控制技術(shù)、液壓機多學科多物理場耦合的CAE仿真技術(shù)以及“裝備智能化-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造”技術(shù)，研制了6000噸高鐵鋼軌跟端智能化鍛造成套裝備，為我國高鐵鋼軌跟端鍛造領(lǐng)域提供了所急需的新一代智能化技術(shù)裝備，大幅度提升了高鐵鋼軌跟端鍛造產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了我國高鐵行業(yè)該類裝備的換代升級。