AT钢轨跟端锻压段热处理质量监控系统研究_詹新伟.pdf

第 2 卷 第 1 期2 0 2 3 年 2 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.1February 2 0 2 3AT钢轨跟端锻压段热处理质量监控系统研究詹新伟，王树青，杜吉康（中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081）摘要：过程监控是保证热处理质量的关键因素之一，目前AT钢轨跟端锻压段热处理质量控制方式中的热处理工艺参数的设置、热处理过程的人工干预以及热处理数据均由操作者手写记录，难以稳定热处理的质量，无法满足热处理过程追溯以及产品质量一致性的要求。针对目前AT钢轨跟端热处理过程的监控及管理现状，提出了新型热处理质量监控系统设计方案，包括：热处理过程的自动化、热处理工艺参数的设置和调用、热处理数据的自动记录和存储等。并通过硬件的数控操作平台、PLC采集系统、电动调压阀以及软件的监控系统软件，实现了热处理过程中调用存储在质量监控系统中的工艺参数实现自动热处理过程，并自动采集热处理过程中的各项数据形成数据包，以及数据记录的查询等功能，保证了热处理过程的重复性和稳定性，实现了热处理过程的可追溯性和质量可监督性。AT钢轨跟端锻压段热处理的现场应用证明了质量监控系统切实有效，目前已在多个道岔制造企业获得了应用。关键词：道岔；AT钢轨；尖轨；跟端锻压；热处理工艺；热处理装备；质量监控系统中图分类号：U213.6+3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.01.010由AT钢轨制造的尖轨是道岔的重要组成部分，是实现列车转向的关键部件，也是影响道岔使用寿命的薄弱环节。近几年随着尖轨尖端的性能逐步提高，尖轨的使用寿命逐渐延长，AT尖轨跟端锻压段的问题逐渐暴露出来，因而AT轨跟端锻压段的热处理质量也越来越受到重视1-4。鉴于过程监控对保证热处理质量稳定性的重要性，在分析目前AT钢轨跟端热处理过程控制中存在的问题基础上，提出并设计了新型的热处理过程监控系统，通过带PLC的数控操作台实现了热处理过程的自动化、热处理工艺参数的设置和调用、热处理数据的自动记录和存储等功能，从而使热处理过程得到监控和追溯，保证了热处理后产品的一致性和质量稳定性。配备热处理过程监控系统的AT钢轨跟端热处理设备已在多个道岔生产企业获得了成功应用5。1 AT钢轨跟端锻压段热处理 1.1AT钢轨跟端热锻压由于AT钢轨为非对称断面钢轨，而且轨高与钢轨不同，因而用AT钢轨制造的AT尖轨跟端为了与钢轨连接，必须通过热锻压的方法在AT钢轨跟端形成钢轨的断面，从而实现与钢轨的连接6。1.2AT钢轨跟端锻压段热处理AT钢轨热锻压过程中的高温加热导致锻压以后其硬度降低，尤其在目前在线热处理AT钢轨大量使用的情况下，AT钢轨跟端锻压后强度和硬度与在线热处理钢轨母材极度不匹配，在使用中容易导致该部位的低塌，必须通过对跟端锻压段进行热处理以恢复硬度。同时AT钢轨跟端锻压段的热处理还起到对锻压段细化晶粒、提高韧性的作用7-8。2 当前AT钢轨跟端锻压段热处理的质量控制方式和存在问题目前道岔生产企业的AT钢轨跟端热处理中，热处理过程的自动化程度较低，初始参数是操作人员根据图1AT轨跟端锻压段的感应热处理9文章编号：2097-0846（2023）01004905收稿日期：20221028；修回日期：20230103基金项目：中国铁道科学研究院科研开发基金项目（2015YJ073）第一作者：詹新伟（1971），男，研究员，硕士。E-mail：高速铁路新材料第 2 卷AT钢轨型号和材质进行人工设置，热处理过程中的数据是由操作人员采用手写的方式进行记录，不能有效地进行热处理过程的追溯和监督，不能保证热处理质量的一致性和稳定性。2.1目前的质量控制方式2.1.1 热处理工艺参数由操作人员手动设定热处理工艺参数由操作人员根据工艺卡片手动设定。感应加热的电参数由操作人员每次热处理时调到工艺卡片要求的数值，到温度后手动停止中频电源的加热。采用喷风冷却时，通过调整和设定调压阀到工艺卡片要求的风压数值，操作人员通过压力表观察风压的变化。2.1.2 热处理过程人工干预和控制热处理过程中的钢轨走行、进入感应炉的长度、感应加热的启动和停止、喷风冷却的启动和停止以及工艺参数的设置和调整都是由操作人员人工干预，自动化程度较低，导致热处理质量的一致性和稳定性容易受人为因素影响。2.1.3 热处理过程数据由操作人员手写记录操作员手工记录热处理过程，记录锻压AT钢轨的信息，如：编号、型号、材质、长度等；热处理过程的数据，包括中频电压、电流、功率、冷却压力；操作人员姓名等信息。热处理数据的真实性受人为因素影响较大。2.2存在的主要问题目前AT钢轨跟端热处理中质量控制方式存在的主要问题8，有以下4个方面。2.2.1 热处理过程中人为影响因素过多热处理过程自动化程度较低，人工干预较多。如初始工艺参数的设置、钢轨的走行、感应加热和喷风冷却的启动和停止等，不利于质量的稳定性。2.2.2 热处理数据记录的不全面跟端热处理数据中手写的记录无法涵盖热处理过程中的所有数据，感应加热应该包括中频电压、中频电流、中频功率、加热时间、温度变化情况等。冷却参数包括喷风风压、喷风时间、最终温度等。由于感应加热过程中的中频电参数是随着时间变化的，无法简单记录，温度变化的过程也如此，因而手写记录的热处理数据不全面。2.2.3 不能保证热处理数据的真实性、无法实现追溯和监督作用由于热处理的数据是操作员手写记录，无法保证热处理数据的真实性。实际检查热处理数据时会发现记录几乎一模一样，没有差别，因此无法对热处理过程进行追溯。技术员无法通过热处理数据的偏离情况发现可能导致的质量问题，从而失去了监督的作用。2.2.4 影响道岔钢轨件的全过程、全寿命管理道岔钢轨件的生产和使用提倡采用全寿命管理的模式，从原材料、生产过程以及安装使用的各个环节都可以根据唯一的钢轨件编号进行追溯。而追溯到生产过程中的热处理环节时，由于数据记录的不全面且无法再现真实的热处理过程，使全寿命管理的热处理部分追溯功能失去了意义。3 AT钢轨跟端热处理质量监控系统的设计 3.1在质量监控系统中实现热处理工艺参数的设置和调用3.1.1 预存热处理工艺参数数控操作的电脑质量监控系统中预存不同型号、材质的道岔AT钢轨锻压段热处理工艺参数（包括轨头表面加热温度、喷风冷却风压、喷风冷却停止温度或时间设定、加热距离设置、冷却距离设置等），以备热处理过程中的调用。3.1.2 通过登录系统的权限管理工艺参数通过技术员和操作员的权限划分来管理工艺参数。技术员的权限可以修改工艺参数，操作员的权限为可以调用工艺参数进行热处理，但是不能修改参数。3.2热处理过程的自动化根据AT钢轨跟端锻压段的型号和材质，通过调用系统中预存的工艺参数，自动完成热处理工艺各参数的设置。利用调用系统里的热处理工艺参数完成自动化的热处理过程：包括钢轨走行到加热线圈特定的位置停止，自动根据设定的电参数启动和到温度后停止中频电源，走行到喷风器特定的位置停止钢轨，喷风器的动作和自动按设定的喷风压力、时间进行冷却热处理，以及最后的钢轨退出等。3.3热处理数据的自动记录、存储和查询3.3.1 热处理过程数据的即时记录和存储热处理过程中的数据即时采样记录和存储，包括进线电压、中频电源直流电压、直流电流、中频电压、中频频率、冷却喷风压力、水泵水压，均即时显示并储存。3.3.2 热处理数据的编号管理和查询每个跟端锻压段的热处理过程都输入唯一的编号，即时记录的数据存入以该编号为文件名的文件中。热处理过程中的数据可以实现文件名和时间的查询，以便技术人员对热处理过程的监控和监督，并实现热处理过程的追溯。50第 1 期詹新伟等：AT钢轨跟端锻压段热处理质量监控系统研究4 AT钢轨跟端热处理质量监控系统的实现 4.1质量监控系统的硬件配置图2为质量监控系统的控制系统示意图，质量监控系统的功能都集成到操作台上（见图3、图4），硬件配置包括旋转解码器、光电开关、电动调压阀、压力传感器、测温仪、PLC、带液晶屏的电脑、控制柜等。通过旋转编码器和光电开关，操作台可以精准控制钢轨的走行位置；通过测温仪可以控制中频加热和喷风冷却的时间；通过电动调压阀和压力传感器操作台可以调用工艺参数中的数值设置喷风压力；通过PLC实现数据的采集和存储10。4.2质量监控系统的软件开发和实现4.2.1 监控系统软件主界面AT钢轨锻压段热处理监控系统主界面，如图5所示。左上部分为即时显示加热、冷却温度-时间曲线，左下部分为即时显示热处理工艺参数，包括进线电压、中频电源直流电压、直流电流、中频电压、中频频率、中频功率、线圈水压及钢轨走行速度、道岔钢轨件配方名称。右侧部分为AT钢轨件编号、加热温度、加热时间、冷却温度、冷却时间及喷风压力等。4.2.2热处理工艺参数设置及自动热处理点击菜单按钮，选择参数设置,进入参数设置页面,如图6所示。本组参数设置中,可设置AT钢轨锻压段名称及各热处理参数。对不同类型和材质的AT钢轨锻压段可分别设定不同的热处理工艺参数进行储存，也可以调入已存的热处理工艺参数，进行AT轨跟端的自动热处理。4.2.3 热处理过程的数据采集、存储及查询点击菜单按钮,选择数据查询，进入数据查询页面，如图7所示。输入查询道岔钢轨编号，点击查询按钮就能查询该AT钢轨编号的数据，包括热处理的所有动态即时数据。也可以点击全部数据，查询AT钢轨锻压段热处理所有生产即时动态数据。在监控系统里的数据输入AT钢轨编号，点击数据导出，就能把数据导出到移动存储中，供其他电脑分析图5热处理监控系统软件主界面 加热装置 喷风冷却装置 送轨机构 操作台 压力传感器 测温仪1光电开关 旋转解码器 测温仪2 图2锻压段热处理自动控制系统示意图图3控制柜和数控操作台图4电动调压阀和压力传感器图6工艺参数选择与设置界面51高速铁路新材料第 2 卷使用。如果要打印曲线，可以在历史曲线页面中点击保存按钮，系统会自动打印PDF格式曲线并保存。5 利用质量监控系统进行 AT 钢轨的跟端热处理 利用质量监控系统软件后对AT钢轨跟端进行热处理，与以往的热处理方式相比有了很大的改进，主要体现在以下几个方面。5.1实现了根据调用存储在监控系统中的参数进行热处理的功能解决了以往的热处理参数由操作人员根据工艺卡片人工调节问题。通过质量监控系统进行热处理时，实现了把各种型号和材质的AT钢轨跟端热处理工艺参数事先存储在数控操作台的质量监控系统中，操作人员只要在热处理前调出相应的参数就能进行热处理，简化了过程同时避免了出错。5.2实现了用户名登录的系统管理功能解决了以往热处理质量和风险的划分存在操作人员之间、操作人员和技术人员之间责任不易分清的问题。利用质量监控系统后实现了根据用户名和密码登录的功能，技术人员有修改工艺参数的权限，操作人员只有调用工艺参数进行热处理的权限。通过监控系统可以容易地查询到任意一根钢轨的热处理操作人员和工艺参数，有利于质量责任的划分。5.3实现了热处理过程的自动化解决了以往热处理过程都是人为调节为主的问题。通过质量监控系统实现了AT钢轨跟端锻压段热处理的自动化。调用工艺参数，自动设定了热处理工艺参数，启动热处理后，钢轨自动走行到感应加热线圈的合适位置停止，自动启动中频电源按工艺参数进行感应加热，到温度后自动停止并走行钢轨到喷风冷却器，自动启动器合上并按设定的参数喷风冷却，冷却结束后分开冷却器并退出钢轨。5.4实现了热处理过程数据的自动采集和存储解决了以往热处理过程数据都是操作者手写记录，真实性和可追溯性差的问题。通过质量监控系统，PLC通过传感器每秒采集一遍热处理各个参数数据，最后形成一个与钢轨编号对应的数据包，可以还原热处理的全过程。5.5实现了热处理过程的追溯和质量监督热处理是一个特殊过程，在不破坏产品的情况下无法由后续的检测发现热处理的质量问题。通过质量监控系统的数据自动采集和存储，较好地还原出了热处理的过程，实现了热处理过程的追溯，保证了热处理的产品质量。6 结论