辊道辊距和辊轮间距选定与安全保障

（1）结构布局的确定

图5-12　输送钢轨的力学模型图

焊轨基地焊接定尺短轨的范围定位于100m（兼容25m轨）。根据辊道运输的钢轨（60kg/m）长度，辊道输送线的结构布局采用动力分散式均匀布置。辊道辊距可按运输长短轨两种情况考虑确定。在运输短钢轨时，为了保证钢轨至少放在两个辊轮上，辊道辊距不能大于最短钢轨长度的一半，否则，钢轨在运输时要撞击辊轮，加速辊轮的磨损和轴承的损坏。在运输长钢轨时，最大辊距要考虑钢轨由于自重引起弯曲这一条件。当钢轨从一个辊轮向另一个辊轮移动，但还未到达另一个辊轮上时，如图5-12所示，根据弹性变形的极限条件，辊轮的最大允许辊距t为：

式中：ρ——钢轨的密度；

s——钢轨横断面积；

g——重力加速度；

σ——相应温度下钢轨的屈服极限；

W——钢轨截面模量（断面系数）。

钢轨移动时，辊道辊轮顶面理论上应位于同一标高，在考虑辊距时，钢轨轨端产生的弯曲挠度不能过量地低于辊道主动辊轮顶面，否则，钢轨在运输时要撞击辊轮，加速辊轮的磨损和轴承的损坏以及辊道基础的牢固性。

辊轮的间距L为：

式中：L——辊距；

E——钢轨端弹性下弯的挠度；

q——钢轨自重荷载；

I——钢轨惯性力矩；

E——钢轨钢的弹性模量。

假设钢轨移动中由于自重引起的轨端弹性下弯挠度允许为1mm，则经计算辊距为3.08m。

综合分析，辊道辊距选定为＜2.5 m，主动辊轮间距为10m。由于辊轮的安装底座在施工过中不可能使得主从动辊顶面保持在同一标高平面内，所以，考虑施工误差和辊道输送线上主动辊轮更好地均匀承载传动，设计过程中主、从动辊轮的安装底座位于同一标高，而从动辊轮的工作顶面比主动辊轮顶面略低。主从动辊轮安装过程中，通过在从动辊轮底座加装刚性垫板来调整从动辊轮的均匀承载。

（2）输送钢轨速度的要求

国内既有焊轨生产线的速度约为28m/min，辊道主动辊轮减速系统选取的是行星摆线针轮减速机，一般采用摆线针齿啮合，靠滚动摩擦传动扭矩，效率基本为90%，技术较落后。针对新建焊轨厂辊道输送钢轨速度60m/min的要求，综合考虑减速系统的故障率、寿命、效率等各种因素，辊道主动辊轮减速系统选取斜齿轮减速机和斜齿轮-变频减速机（用于焊轨工一位之前100m距离的辊道），斜齿轮减速机采用带筋的高刚性铸铁箱体，齿轮采用优质高强度合金钢，表面渗碳硬化处理。该减速系统具有结构紧凑、体积小、承受过载能力强、能耗低、效率高、使用维护方便、维护成本低、可在有腐蚀与潮湿等恶劣环境中连续工作的特点。

考虑到电机转速的波动和辊轮的耐冲击强度，初步取主动辊轮直径为Φ180mm，则辊道的理论速度（电机额定转速情况下）63.3m/min；基本满足原铁道部关于辊道输送钢轨速度60m/min的技术要求。

（3）辊道驱动力矩的设计分析

为了计算驱动辊道所需的单个电动机功率，必须先求出辊道的驱动力矩。电动机运转方式和辊道工作条件的不同，决定计算驱动力矩方法有所不同。由于辊道输送线在焊接等工位需要精确定位的启动工作制操作，而在成品钢轨输送时又需要长期工作制操作，因此根据辊道的电动机运转方式，计算分析采用长期工作制和启动工作制两种。

长期工作制辊道驱动力矩。对于长期工作制的辊道，其电动机的发热是根据辊道稳定运转时的静力矩M1来计算的，而电动机的过载则根据辊道在运转时可能出现的最大静力矩Mmax计算。辊道稳定运转时，钢轨作等速运动。转动辊道所需要的静力矩是根据辊轮（本计算只考虑主动辊轮）轴承中的摩擦损耗，以及钢轨在辊轮上移动所产生的摩擦损耗来计算，即

式中：M1——辊道稳定运转时的静力矩；

Q——在该组辊道上作用的钢轨重量；

对于单独驱动辊道，则为作用在一个辊轮上的重量，根据轧钢辊道的经验数据，初步认为一个主动辊轮上承受的钢轨重量为2个主动辊轮间距长度的钢轨重量；

G1——一个辊轮的重量；

C——由一台电动机所驱动的辊轮数目；

u——辊轮轴承摩擦系数；

d——辊轮轴颈的直径；

Qf——钢轨在辊轮上的滚动摩擦系数，对于冷轧件为0.001 m。

当在辊道上移动的钢轨遇到阻碍物而突然停止时，驱动辊道的静力矩达到最大值。此最大静力矩Mmax也称为打滑力矩。

式中：u1——辊轮在钢轨打滑时的摩擦系数，对于冷扎件为0.15～0.18；

D——辊轮直径。

根据式（3）和式（4），考虑辊道传动比和效率后，电动机的额定力矩Me和最大力矩Mmax应分别满足以下条件

式中：i——辊道的传动比；

η——辊道传动系统的效率。

（4）启动工作制辊道驱动力矩

启动工作制辊道是在加速情况下运送钢轨的，除了静力矩M1外，还要考虑辊轮和钢轨所产生的动力矩M2，启动工作制辊道在启动时所需的力矩M为：

M=M1+M2　（7）

动力距M2的初步计算，可根据辊道和钢轨在加速时的动力矩来计算，即

式中：G1D21——一个辊轮的飞轮力矩，初步取D1=D；

GD2Q——直线移动的钢轨换算到辊轮轴上的飞轮力矩，假设钢轨质量作用在辊

Q——该组辊轮（单个主动辊轮）上作用的钢轨重量（重力）；

由式（3）和式（9），可求得辊道的起动力矩M为：

在辊道启动时，为了保证钢轨能在辊道上移动，所选择的电动机启动力矩Mq应满足以下条件：

经分析计算，在长期工作制和启动工作制两种工作状态下，额定转矩Me、最大转矩Memax和启动转矩Mq均满足辊道使用要求。在额定工况下，电机减速系统的安全使用系数为1.20（减速机的许用转矩为300N·m）。考虑到辊道线土建基础施工时的不平顺程度，若按照一个主动辊轮上承受的钢轨重量为15m的钢轨重量，如果选取电机型号为Y90L-4（IP55级），额定功率P=1.5k，则满足使用要求。且在考虑供电网电压波动情况下，安全储备系数达到1.1。

（5）曲线辊道输送系统（图5-13）

1）整体布局。在大曲线半径圆弧上设有多组间隔布置的传送辊道，且所述每组传送辊道的两端端点均落在此同心半径圆弧上；为保证钢轨（100m、25m短轨）至少放在两组直线传送辊道上，每组直线传送辊道的长度不能大于最短钢轨长度的一半，否则钢轨在运输时容易撞击辊轮，加速辊轮的磨损，缩短使用寿命。

图5-13　曲线辊道输送系统

2）传送辊道组成。传送辊道包括辊道基础，辊道基础上间隔设有多个主动辊轮，主动辊轮与驱动装置的输出端连接；主动辊轮的前方设有一组带喇叭口的轨底导向装置（钢轨轨底进入端大、出口端小）。这样，钢轨在进入主动辊轮前就已完成导向，并在主动辊轮的带动下继续向前移动（图5-14）。

图5-14　传送辊道布置图

1.直线传送辊道；2.辊道基础；3.主动辊轮；4.从动辊轮；5.轨底导向装置；6.轨腰导向装置

3）辊轮设计。主动辊轮之间设有从动辊轮，并按照一“主”三“从”的结构布局；这样既可适应钢轨运输要求，又可避免过多的主动辊轮导致成本的增加。同时，在从动辊轮的前方设置一组轨腰导向装置（包括导向支架，导向支架顶端导向轮），既加强钢轨的导向，又可以使钢轨在轨腰导向装置的作用下发生弯曲，弯曲的程度由实际设计的直线传送辊道所在的圆弧直径决定，从而实现钢轨的曲线传送（图5-15）。

图5-15　主动辊轮结构示意图

4）曲线导向装置。所述钢轨导向装置（含轨底导向装置和轨腰导向装置）固定设置在所述辊道基础上。这样，共用同一基础，使得受力更加均衡、布置更加紧凑（图5-16）。

图5-16　曲线导向装置示意图(www.xing528.com)

（6）控制系统

图5-17　控制系统图

长轨焊接输送系统分别由1号热线、2号热线、1号冷线、2号冷线4条输送组成。每条生产线分别由10个100m长的工位组成，每条生产线都有2个互锁的现场操作台一个是在焊接工位的焊接操作台，一个是在精调工位精调工作台；每个工位由13个电动滚筒组成，电动滚筒的电机功率为：0.75kW，每个工位的13个电机由1台15kW变频器驱动，从而使得整个工位电动滚筒同时启动，同时停止，同步运行。每个工位的都有一个独立从PLC单独控制该工位的变频器，但每个工位的从PLC受总操作台主PLC控制，主PLC控制从PLC通过工业Etherner TCP/IP（以太网）来实现时时控制的，中央控制台的上位机同时通过各个生产线Etherner TCP/IP（以太网）接口采集每条输送线的数据和各个工位的状况（图5-17）。

（1）系统功能介绍

节能功能：钢轨到了该工位时自动延时启动，从而达到节能功效。

精确定位功能：在焊接工位能通过检测信号实现精确定位功能，定位精度为-20mm/+20mm。

终端保护报警功能：当钢轨运行到钢轨终端时系统停机并声光报警。

操作台功能：每条传输线设两个操作台，并且操作台之间具备互锁功能。操作台分别设在焊接工位和精调工位。在焊接工位钢轨输送停止是在工位的头部停止。在正火工位设有钢轨尾部的识别功能传感器和手动确认按钮，当钢轨尾部识别功能传感的信号和手动确认信号来了焊接工位操作台的控制手柄就失效，精调工位操作台有效。通常焊接工位操作台有效时精调工位操作台的操作按钮失效。在焊接工位操作台分别设有两个操作手柄，一个为长轨控制手柄，一个为短轨控制手柄，短轨控制手柄具备正反向点动功能和正反向输送功能。长轨控制手柄是控制2号工位到9号工位的电动滚筒，并且具备正反向点动功能和正反向输送功能。在焊接操作台上具备手动/自动功能，自动状态时钢轨输送受定位信号限制，当运行到位信号时必须自动停止不能再向前输送；手动状态时钢轨输送不受定位信号限制，由长轨控制手柄控制输送。在正火工位的操作台有控制手柄，该控制手柄具备正反向点动功能和正反向输送功能。

监控系统接口功能：当监控系统的控制发出运行信号时，控制系统才能运行。

急停功能：中央控制上分别有4条生产线的急停按钮，每条线的急停按钮是控制各自生产线的电源断路器。

系统保护功能。

主回路低电压保护功能。

上位机功能（总操作台）。

速度显示和速度设置功能。

整个生产线的工作状态动态显示画面（图形画面显示）功能。

故障报警显示记录查询功能。

（2）焊接输送线工作过程

工位间距为50m。准备工位群吊将选配合格的100m标准钢轨从辅助生产线（1号生产线）吊至主生产线（2号生产线），由焊接工位手柄1控制输送线送轨，使后一根钢轨前端与前一根钢轨的尾端在焊轨机内进行对位和焊接。焊接完成后，由焊接工位手柄2控制输送线将已焊接好的接头同步送往粗打磨、中频正火、强制冷却、四向调直、细磨、精磨和探伤工位，进行相应的处理。

焊接输送线和长钢轨存储区输送线之间的逻辑关系。四向调直工位设置转换开关，对焊接输送线和长钢轨存储区输送线之间进行联锁及解锁操作。

整条输送线只有一根钢轨时，焊轨输送线和长钢轨存储区输送线之间处于解锁状态，操作人员可通过焊接工位手柄2控制焊接输送线长钢轨移动，长钢轨存储区操作人员也可对长钢轨存储区长钢轨单独控制。

焊接完成一根500m的长钢轨的焊接，整条输送线存在2根长钢轨时，由于焊接时间比其他工艺时间长，前500m长钢轨末端通过四向调直工位，焊轨输送线和存储区输送线之间转换为联锁状态，焊接输送线和长钢轨存储区输送线一起联动，由长钢轨存储区输送线控制柜（探伤工位）控制，移送到长钢轨存放区存放。

（3）输送线控制柜

输送线控制系统提供3台控制柜，即除锈调直工位前后（430m）控制柜、焊接工位前后（355m）控制柜和510m长钢轨存储区控制柜。

1）除锈调直机前后（辅助生产线）控制柜

控制除锈调直机前105m，包括12个主动轮；除锈调直机后315m，为3个标准钢轨存放台位，包括35个主动轮电机，分16个回路，每4个回路控制1个台位，可单动，也可联动，采用继电器-接触器形式控制。

2）焊接工位控制柜。控制焊轨机前155m到探伤工位350m，总计56个主动轮，分13回路。其中：焊轨机前155m的17个主动轮和焊轨机后350m的39个主动轮，主生产线的控制信号接入焊轨机控制系统，可在焊接工位输送线控制柜和焊轨机操作面板两处控制，控制系统采用PLC装置。

3）510m长钢轨存储区控制柜。控制长钢轨存储区57个主动轮，分19回路，采用继电器-接触器形式控制。

（4）设备与生产线控制之间的联络及信号

1）焊接工位控制柜和焊轨机操作面板可分别控制输送线控制焊轨机进轨和出轨。

2）所有后续设备工作完成后，提供信号到焊接工位控制柜，焊接工位控制柜接到所有完工信号后，才能启动主动轮走轨。

3）3个控制柜均设急停按钮，警示按钮。辊轮运行前发音响警示，警示器为电铃，控制柜面板上同时有指示灯显示。

4）存储区始端（探伤工位）设光电接近开关，预示长钢轨在存储区的位置，信号反馈到510m输送线控制柜为声光警示；同时在输送线末端设立牢固的机械限位。

5）辊轮控制设群动进退。每个控制回路（3台主动轮）设空开保护，在控制柜设运行信号灯，供检修所用。

（6）电气元件

PLC装置为西门子产品，主模块型号为6ES7216-2BD23-OXB0，扩展模块型号为6ES7223-IPL22-DXAD；电源开关、接触器、热继电器等电气元件均选用施耐德或者西门子产品，辅助按钮、指示灯选用TCL产品。

（7）输送线的绝缘处理

在焊轨机前后105m长度范围内，主动轮和从动轮全部采用特殊的绝缘方式，实现电气部分对钢轨绝缘和钢轨对地绝缘。