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        中頻加熱溫度閉環(huán)控制技術(shù)在高速鐵路扣件彈條制造中的應(yīng)用

        2018-08-01 06:29:36吳恒志
        鐵道建筑 2018年7期
        關(guān)鍵詞:彈條棒料閉環(huán)控制

        吳恒志,王 玥

        (1.安徽省巢湖鑄造廠有限責(zé)任公司,安徽 巢湖 238004;2.安徽越維機(jī)電科技有限公司,安徽 合肥 230061)

        彈條成型生產(chǎn)過程中使用中頻加熱爐加熱圓鋼棒料至一定溫度,熱壓成型并利用余溫進(jìn)行淬火處理,是成熟的生產(chǎn)工藝。由于彈條生產(chǎn)工藝特點,對彈條成型時加熱溫度的一致性和均勻性有嚴(yán)格的要求,成型溫度過高或過低,以及同一根棒料溫度不均勻不僅影響成型尺寸的一致性、穩(wěn)定性,更將影響彈條的熱處理性能、硬度和韌性,以及內(nèi)部組織的均勻性,用于鐵路工程中將影響其使用性能和壽命[1-2]。由于高速鐵路對彈條的要求更高,棒料加熱溫度若忽高忽低,不但影響彈條的使用壽命,甚至危及行車安全。

        目前彈條生產(chǎn)線是由人工根據(jù)檢測到的出料溫度,手動調(diào)整中頻加熱功率,存在調(diào)整滯后、人為因素干擾等不利影響,造成棒料加熱溫度忽高忽低。尤其是中頻啟動期間,溫度變化更大,有時會出現(xiàn)起始十多根甚至更多的棒料溫度超限不能壓型。

        在分析彈條成型中實際使用的中頻加熱設(shè)備特性和控制原理的基礎(chǔ)上,采集了大量的中頻控制參數(shù)和棒料溫度及其變化數(shù)據(jù)?;跀?shù)據(jù)分析提出實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制的設(shè)想,設(shè)計、制造了閉環(huán)控制裝置模型,進(jìn)行閉環(huán)控制的試驗研究,并嘗試在生產(chǎn)實際中應(yīng)用。

        1 中頻加熱棒料過程與設(shè)備特性

        通過式中頻感應(yīng)加熱爐是將生產(chǎn)彈條用的棒料以均勻的速度通過接通中頻電源的空心管,依靠電磁感應(yīng)在棒料中產(chǎn)生渦流,交變磁力線穿過金屬棒料形成回路,在棒料內(nèi)產(chǎn)生很大感應(yīng)電流,使棒料局部加熱[3](如圖1)。由于集膚效應(yīng),棒料表面的電流密度大而棒料中心軸線上的電流密度很小,由外向內(nèi)以冪函數(shù)規(guī)律逐漸衰減(如圖2),而在每根棒料的兩端外周面的溫度將比中段外周面的溫度高(如圖3)。

        圖1 中頻感應(yīng)加熱棒料原理示意

        圖2 沿棒料截面電流密度分布

        圖3 普通中頻加熱中棒料外表面溫度沿長度分布

        彈條生產(chǎn)過程中的實際情況是:

        1)按照生產(chǎn)的節(jié)奏,約5 s完成一根棒料的加熱,加熱過程中棒料在加熱磁場中勻速移動。

        2)中頻加熱使用可控硅改變導(dǎo)通角,來改變電磁場強(qiáng)度,控制中頻輸出功率,通常在系統(tǒng)運行初期人工進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)就會固定下來,對于穩(wěn)定狀態(tài)時電壓、頻率、送料速度等的較小范圍波動不予干預(yù)。由于可控硅存在初始導(dǎo)通角的限制,所以加熱電磁場必須要有一個低的維持強(qiáng)度,只能在高于維持強(qiáng)度以上一定范圍內(nèi)控制,而且必須是一個漸進(jìn)的過程。

        3)檢測棒料加熱溫度的探頭是安裝在中頻加熱爐的出口。

        以上3點導(dǎo)致彈條生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)下述問題:

        1)若棒料溫度過高或過低就需要人工調(diào)整,降低或升高中頻設(shè)備功率。而這些改變不能立即使從爐口移出的棒料溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值,而是要經(jīng)過十幾根棒料才能逐步恢復(fù)到正常較穩(wěn)定的溫度值。圖4反映的是棒料溫度異常波動時,通過人工調(diào)整中頻功率過程中棒料的溫度變化。

        圖4 普通中頻加熱中人工調(diào)整起始30根棒料溫度變化

        2)因棒料移動的機(jī)械機(jī)構(gòu)的故障易出現(xiàn)卡料或缺料。這時中頻加熱爐膛內(nèi)棒料停止移動,爐膛內(nèi)存棒料將會繼續(xù)加熱,溫度持續(xù)升高,即便操作人員發(fā)現(xiàn)情況著手進(jìn)行調(diào)整,也會使正在加熱的棒料出現(xiàn)溫度大范圍超過規(guī)定上限,甚至過燒、熔融。即使及時排除了故障,也會出現(xiàn)十來根溫度過高的棒料,不能壓型為彈條,而且因為這些棒料有的可能已經(jīng)過燒,造成晶粒粗大,不能再次加熱使用。生產(chǎn)實踐中為了質(zhì)量安全,將這些溫度超過目標(biāo)值的都作廢料處理。而排除故障后,系統(tǒng)將重新啟動,還會出現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定前部分棒料不能正常壓型,造成材料和能源浪費。

        對彈條成型生產(chǎn)中的中頻加熱設(shè)備進(jìn)行閉環(huán)控制是穩(wěn)定和提高彈條產(chǎn)品質(zhì)量,降低質(zhì)量風(fēng)險的有效技術(shù)保證措施。

        針對這項工作開展了一些探索,并嘗試設(shè)計制作了彈條生產(chǎn)中專用的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)[4-5],在中頻設(shè)備上應(yīng)用。

        2 影響加熱溫度的主要因素

        中頻成套設(shè)備出廠時有其完整的設(shè)計,如頻率選擇、功率、節(jié)拍計算等等,因此設(shè)備在正常工作情況下生產(chǎn)的產(chǎn)品會有良好的一致性。但在生產(chǎn)實踐中有5個常見因素會影響棒料加熱溫度的穩(wěn)定性:①儀表精度;②測溫偏差;③設(shè)備調(diào)整;④電網(wǎng)電壓波動;⑤送料機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致的卡料或缺料。其中前4種情況很常見,研究得很多,這里不予考慮。第5項是彈條壓型生產(chǎn)線中常見的問題,而且是影響產(chǎn)品質(zhì)量最嚴(yán)重的因素。

        3 閉環(huán)控制裝置基本結(jié)構(gòu)與數(shù)值算法

        根據(jù)以上情況,提出了棒料加熱溫度閉環(huán)自動控制的思路和系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)[6-8]。

        彈條棒料中頻加熱溫度閉環(huán)控制原理如圖5所示。

        圖5 彈條棒料中頻加熱溫度閉環(huán)控制原理示意

        彈條棒料加熱閉環(huán)控制裝置的特點是在通常使用的彈條棒料中頻加熱設(shè)備上,增加了料端檢測器、間歇檢測器、鏈輪檢測器和一套PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)監(jiān)測棒料送料機(jī)構(gòu)運行,一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致卡料或缺料,控制裝置將自動降低中頻爐加熱功率,避免棒料過燒并發(fā)出報警,提醒操作人員及時處理,從而有效保證彈條的生產(chǎn)質(zhì)量。

        在彈條實際生產(chǎn)中,用PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)完成以下任務(wù):

        1)精確測量加熱走動中每根棒料的起點;

        2)分段讀取棒料溫度值,定點和標(biāo)準(zhǔn)曲線比較,分段采用模糊控制方式進(jìn)行溫度閉環(huán)反饋控制。

        由于棒料加熱后溫度逐段分布是不一致的,最初嘗試使用常規(guī)的PID方式進(jìn)行溫度閉環(huán)控制。試驗發(fā)現(xiàn)這種方式不但保證不了溫度穩(wěn)定,反而會引起溫度震蕩,使得彈條棒料的溫度更加不均勻。

        后來通過測量獲得了不同長度、不同直徑的棒料中頻加熱后溫度分布曲線,根據(jù)其穩(wěn)定性變化規(guī)律改變反饋方式。

        考慮到生產(chǎn)過程中棒料勻速移動的節(jié)拍和中頻反饋功率變化的滯后,溫度采集了平均值、最大值、溫度瞬時變化率等參數(shù)。反饋值的確定采用了定次數(shù)判斷、多次結(jié)果綜合評定等方式,以保證閉環(huán)反饋值的正確性和可靠性,保持系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

        4 閉環(huán)控制裝置應(yīng)用情況

        在高速鐵路彈條成型生產(chǎn)中,用同一臺中頻加熱設(shè)備加裝上閉環(huán)控制系統(tǒng)加熱同樣規(guī)格棒料,通過開啟和關(guān)閉閉環(huán)控制系統(tǒng),實測記錄得到在中頻加熱設(shè)備上增加閉環(huán)控制系統(tǒng)前后的溫度變化數(shù)據(jù),見圖6。

        圖6 閉環(huán)控制前后中頻加熱過程中單根棒料溫度變化

        由圖6可知:

        1)中頻加熱設(shè)備增加閉環(huán)控制系統(tǒng)后,使加熱中的單根彈條表面溫度變化幅度減小約30%。

        2)外界環(huán)境因素影響時,如啟動中頻設(shè)備時功率不穩(wěn)定、電源波動、棒料移動速度波動等,未加閉環(huán)情況下,需要人工隨時調(diào)整中頻設(shè)備功率旋鈕進(jìn)行干預(yù),難免造成工件溫度波動。而增加閉環(huán)控制系統(tǒng)后,系統(tǒng)能自動檢測工件溫度變化,并反饋控制中頻設(shè)備功率和棒料移動速度,消除外界環(huán)境因素的影響,使棒料溫度趨于一致。實施閉環(huán)控制后開機(jī)起始30根棒料溫度變化情況見圖7。比較圖4、圖7可見,實施閉環(huán)控制后起始加熱的30根棒料溫度曲線明顯趨于平緩。

        圖7 實施閉環(huán)控制后開機(jī)起始30根棒料溫度變化

        3)由于高速鐵路彈條品種較多,棒料直徑不同,長度也存在較大差異,所需要的中頻設(shè)備功率和棒料加熱時間各不相同,加之中頻加熱設(shè)備特性也不盡相同,因此本系統(tǒng)設(shè)計了自適應(yīng)調(diào)整程序段。對任一新工件,首次進(jìn)入增加閉環(huán)控制系統(tǒng)的中頻加熱成型生產(chǎn)線時,要進(jìn)行試驗調(diào)整,得出中頻加熱功率、送料電機(jī)分段驅(qū)動誤差、棒料分段根數(shù)等7個參數(shù),編號保存于機(jī)器中。正常生產(chǎn)時,輸入產(chǎn)品編號,機(jī)器自動按編號調(diào)用對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制運行。

        目前已將以上閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用到多臺高速鐵路彈條壓型生產(chǎn)線上,在保證棒料加熱溫度的一致性,防止棒料過燒等方面取得了較好的效果。經(jīng)過一年多的應(yīng)用,從產(chǎn)品的過程控制和出廠檢驗數(shù)據(jù)看,尺寸異常波動更少,變化范圍更小,金相組織評級也更加穩(wěn)定。

        5 結(jié)語

        中頻感應(yīng)加熱爐以其加熱速度快、熱效率高、無污染、易于控制等優(yōu)點,成為許多工業(yè)生產(chǎn)廠家的首選設(shè)備,目前國內(nèi)中頻加熱設(shè)備性能已接近國際先進(jìn)水平。而加熱設(shè)備溫度控制技術(shù),則與國際先進(jìn)水平相距甚遠(yuǎn)??販厮降穆浜?,已成為制約產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸。通過一年多的研究和應(yīng)用探索,積累了有益的經(jīng)驗。

        研究實踐表明,通過式中頻感應(yīng)加熱爐可以實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。由于中頻加熱設(shè)備電器特性存在差異,用于不同型號、規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn),因尺寸、形狀不同,棒料直徑、長度各異,要針對各種具體設(shè)備和產(chǎn)品的特性加以研究,采用不同針對性的控制模式和算法才能取得較好的控制效果。

        閉環(huán)控制系統(tǒng)可以針對不同規(guī)格長度和直徑的棒料通過快速試驗獲得初始數(shù)據(jù)、自動確定初始控制參數(shù),保存到相應(yīng)的程序編號,供生產(chǎn)運行時調(diào)用,方便了不同型號彈條中頻加熱生產(chǎn)中的快速應(yīng)用。目前正在研究引入包含AI技術(shù)的智能學(xué)習(xí)模塊,實現(xiàn)對不同型號彈條產(chǎn)品的自適應(yīng),以進(jìn)一步完善其功能,提高經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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