泮建華(huá)

（上海鐵路局杭州(zhōu)北車輛段）

數控機床是輪對镟修加工的重要設備，設備性能的穩定和加工精度的準确，對貨車輪對質量和安全起着重要作用(yòng)。主軸是機床(chuáng)的核心部件，主軸(zhóu)電機的控制對機床的精度和穩(wěn)定(dìng)性也起着決定性(xìng)作用。要使被加工的輪對尺寸符合規定，精度(dù)合格，同(tóng)時确保在運行中的穩定，車床主軸的穩定可靠顯得尤為重要。通過對數控車床主(zhǔ)軸電(diàn)機(jī)的(de)變頻技術改進，達到(dào)提高加工穩定性、加工精(jīng)度，平滑加減速、節能(néng)等目的。

一、現狀(zhuàng)及(jí)存在問題

1、數(shù)控車輪車床現(xiàn)狀

杭州北(běi)車輛段修車大庫經過擴能改造後(hòu)，日出車量由原(yuán)來的30輛提高到現在的70輛（含廠修車輛），以車輛段目(mù)前輪對60%左右的镟修率計(jì)算，日均镟修(xiū)輪對達到170餘對。目(mù)前用于輪對镟(xuàn)修加工的(de)數(shù)控車輪車(chē)床增加到8台，車床操作工采(cǎi)取早、中兩班工作制，每個班次5人，因此每台車床的日均輪對加工數達34對左右。車(chē)床數控系統(tǒng)均采用西門子公(gōng)司的802D系統，主軸采(cǎi)用Y-△-YY，3速電機帶動，平(píng)均功率40kW。因數控加工要求精确、可靠，對主軸電機啟動、變速、運行的(de)穩定(dìng)性要(yào)求很高，加上車輛段目前輪對(duì)镟修加工量大的特點，如(rú)何改(gǎi)善數(shù)控車床主軸控制方式，提(tí)高輪對镟(xuàn)修效率和精度成(chéng)為了設備維修人員的重要課題。

2、運行(háng)中存在的主要問題和原(yuán)因

（1）主軸電機功率大，電(diàn)機采用(yòng)的硬啟(qǐ)動方式，啟動瞬間電流急劇增(zēng)大，不僅對電網電(diàn)壓造成很大沖擊(jī)，而且還會對電網容量要求過高(gāo)，車輛段車輪車床與輪對探傷(shāng)設備處于同一網路中，車床頻繁啟動産生的大電流對電(diàn)網的沖擊已影響到探傷設備的正常使用。此外啟動産生的大電流和震動對相關零部件（各種閥類）的損害(hài)極大，對(duì)設備、管路的使用壽命(mìng)極為不利。由此造成的油路(lù)和各種(zhǒng)閥類問題，占維修量的很(hěn)大比例(lì)，影響設備使用(yòng)效率，增加設備維(wéi)修人員的工作強度(dù)。

（2）車床主軸在運行(háng)時，由于加工刀具、被加(jiā)工材(cái)料以及對工件(jiàn)加工的不同要(yào)求，為保證在(zài)任何情況下都能(néng)得到最佳切削條件，這就要求傳動系統有足夠寬的調速範圍。同時在不同轉速下又有具體的要求：高速下，要求速度穩定，盡可能提供(gòng)主軸電機的最大功率，即恒功(gōng)率範圍要(yào)寬；低速下，要求提供(gòng)大轉(zhuǎn)矩輸出，以滿足重切(qiē)削的(de)要求。采用(yòng)現行的齒輪傳動變檔，主軸在變檔調速時由于轉(zhuǎn)速不是一個平滑的曲線，在加(jiā)速或減速運行(háng)時，由于絲杠的進給速度在系統設定下是恒定的，由此造成的進(jìn)給速度不(bú)匹配，易造成刀(dāo)頭的磨損甚至崩(bēng)斷刀頭，造成刀頭使用費用居高不(bú)下。

（3）系統對過電流保護的設計不夠合理。在車削過程中容易出現吃刀量(liàng)過大現象，此(cǐ)時絲杠承受較大的切削力，但由于未設置高靈敏度的過(guò)電流保護裝置，使刀架扔按照(zhào)程序運行，長時間工作必(bì)定會(huì)造成絲杠磨損，緻使系統出現報警(jǐng)，設備無法正常工作。通常(cháng)情況下要處理絲杠問題需要将刀架整體拆除，不僅需要耗(hào)費大量時間且購買新絲杠(gàng)費用較高(gāo)，期間造(zào)成設備長(zhǎng)時間停台也嚴重影響生産(chǎn)進度(dù)。

（4）主軸制動效果差(chà)，目前主軸采用能耗制動，在(zài)高速下(xià)主軸從制(zhì)動開始到(dào)完(wán)全停止需要(yào)5～10s，制動(dòng)效果不明(míng)顯，由于制動時間長，若發生(shēng)突發情況主軸無法立即制動，存在安全隐患。

（5）該設備月(yuè)均運行時間長，消(xiāo)耗的電能大，怎樣(yàng)通過改進節約設備耗能也是設備維修人員(yuán)面臨的一個課題。圖1為數控系(xì)統與主軸控(kòng)制結(jié)構示意圖(tú)。

3、數(shù)控機床(chuáng)主軸要求

主軸是車床(chuáng)構成中一個重要部分(fèn)，功率消耗占機床總功率的70%～80%，性能直接影響到(dào)機床的加(jiā)工效率、加工材料範圍、加工質量等。數控機床将高效、高精度(dù)和高柔性集為一體(tǐ)。為滿(mǎn)足數控車床對(duì)主軸驅動的要求，主軸必須具(jù)備幾個(gè)性能：

（1）要有較寬調速範圍且(qiě)速度穩定性能要高；

（2）在斷續負載情況下，電機的轉速(sù)波動範(fàn)圍要小；

（3）電機加(jiā)減(jiǎn)速時間要短；

（4）抗過(guò)載能力強；

（5）噪聲低、振動小、壽命長。

二、主軸電機變頻改進方案

利用段已(yǐ)拆除原空壓機上使用的艾默生EV2000-4T0750G型(xíng)變頻器，改造主軸，實現主軸運行頻率可控。

1、選擇合理(lǐ)位(wèi)置安裝變(biàn)頻器，按要求布置線路。變頻器主電路接(jiē)線見圖2。

2、根據工件加工要求設置變頻器各參數：①設置電機參數，額定功(gōng)率FH.01在0.4～999.9 kW，額定電流(liú)FH.02 在(zài)0.1～999.9 A；設置功能參數，頻率給(gěi)定通道F0.00為VCI 模拟給定（VCIGND），運行命令通道F0.03為端(duān)子運行(háng)命令通道，運轉(zhuǎn)方式F0.04 為正轉，最大輸出頻率MAX（50.00，上限頻率(lǜ)F0.12）～650 Hz，設定為50 Hz，基本運行頻率為50 Hz，為防止主軸反轉，設置防反轉F3.00為(wéi)禁止反轉，設置點動運行頻率為F3.13 為5Hz，點動加速時間F3.15為10s；②設置過程閉(bì)環控制參數，F5.02反饋(kuì)通道選擇(zé)由VCI 模拟電壓輸入0～10V，最大給(gěi)定量(liàng)F5.10為100%；③設置(zhì)相關保護參(cān)數，FL.04過載預報警檢出(chū)，檢出水平相當于電機額定電流（告警時故障代碼(mǎ)E014），自動限流(liú)水平FL.07 限流水平120%，保護(hù)動作FL.12，告警并自動(dòng)減速運行。

三、改進後效果

1、主軸點(diǎn)動、啟動及運行平穩，即實現了主(zhǔ)軸的軟啟動。采用軟啟動的優點：①平滑加減速，有效避免了硬啟動對設備各部件的損傷，增(zēng)強設備運行的穩定性，提高設備使用(yòng)壽命。②避免了頻繁啟動與停止對電網電壓的沖擊，有利于電(diàn)網長(zhǎng)期穩定運(yùn)行。③變頻器采用(yòng)二極管整(zhěng)流，相對軟啟動器安(ān)全的高次(cì)諧波少(shǎo)，網側的高次諧波減少，功率因數提(tí)高。④提高運行的穩(wěn)定性，減少刀片損耗，實現主軸加減速的平滑，提高(gāo)工件加工質量。⑤提高(gāo)安(ān)全(quán)性。降低機械配件損毀、電網劇(jù)烈波動、電機燒毀、停車失靈、操作人(rén)員誤傷等安全隐患(huàn)。

2、減少電能消耗。通過實際測試得出，正常切(qiē)削時的(de)電流是方案實施之(zhī)前的70%，每年僅電費就可節省30多萬元。

3、自動電壓調節（AVR）。當電網電壓變化時自動保持輸出(chū)電壓恒定；自動限流，對運(yùn)行期間電(diàn)流自動限(xiàn)制，防止頻繁過(guò)電流故障。運用此項功能設計過電流自動報警，提醒操作人(rén)員合理選擇進給吃刀量。由(yóu)此可有效解決絲杠磨損嚴重等(děng)問題。

4、去除了不必要的(de)接(jiē)觸器(qì)、變速齒輪等，在提高(gāo)設備運行穩定(dìng)性的同時，節(jiē)省大量維修經費。

5、實現主軸快速制動，利(lì)用變頻器的減(jiǎn)速(sù)停車功能，實現主軸快速停(tíng)車(chē)，提高(gāo)設備使用效率且有效保護操作人員的安全。

6、變頻控制的實現，使主軸(zhóu)運行穩定，切削過程中調速平滑，有(yǒu)效防止刀(dāo)架損壞，減輕了刀頭(tóu)的磨損，刀頭使(shǐ)用費(fèi)用降低。

來源： 設備管理與維修

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