接触焊轨参数逐次正交优化及其CAD

侯启孝
(铁道部科学研究院　北京)
侯松明
(*科　北京)

提　要　针对国内外用屡试法调试钢轨接触焊参数十分费时耗材，首次应用逐次正交试验法并辅以CAD，其优化焊轨参数的科学性已为简便和高效所证明。
关键词　钢轨　接触焊　正交　CAD
中图分类号　TG407

Round-for-Round Orthogonal Optimization Method with Its
CAD for Readjusting Rail Resistance Welding Parameters

Hou Qixiao
(Metals & Chemitry Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)
Hou Songming
(China Academy of Sciences,Beijing 100080,China)

Abstract　To counter the fact that for readjusting the rail resistance welding parameters,the again and again method which is in common used at home and abroad expended much time and much material, the round-for-round orthogonal test method with its CAD is used for the first time .The scientificness of this method to optimize welding technical parameters has been proved by its simplicity and efficiency.
Keywords　rail; resistance welding; orthogonal; CAD

1　引言
　　“提速、高速、重载”焊接无缝线路是国民经济大动脉铁路的战略发展重点。目前我国每年铺设焊接无缝线路在3 300 km以上，其中85%采用接触焊。由于焊接接头的质量事关行车安全大计，故对其检验的技术条件十分严格。每一型号的焊接轨在投产前必须通过铁道行业标准TB/T1632-91规定的型式试验，其中最有代表性、通常也最难通过的是连续焊25个接头的落锤与断口灰斑检验。国内外在型式试验前调试参数时都是在参考过去的和别人的经验后，采用屡试的方法逐步分析与调整，然而钢轨接触焊在闪平、预热、烧化、顶锻、保压等诸阶段都有各自的电压、电流、压力、速度、持续时间(或位移)等参数，总数达数十个之多。我国铁路厂、校、院在型式试验前调试参数时施焊的轨头数少者一二百个，多者五六百个，最多的达868个(有的厂终于将落锤调试过关，但灰斑仍不合格，只好免强投产)。这么多的工艺参数与施焊结果间的函数关系又是极其复杂的，无法进行接近实际情况的理论推导以预置参数，迫切需要一种简便而高效的解决办法。

2　试验
　　针对屡试法调试钢轨接触焊的众多参数十分费时耗材，且调出的参数组合不一定优佳，作者应用了逐次正交试验法。
　　正交试验是一种多参数选优法，可通过试验直接求出应置参数的优佳解。安排的试验方案均衡地分散在配合完全的位级组合的方案之中，因而具有代表性。在比较某一参数的几个位级、选取优秀位级时，能*限度地排除其他参数的干扰。此法兼备完全试验法和参数轮换法的优点，可通过较少的试验次数迅速找到各参数的优佳匹配。逐次正交试验就是逐轮进行正交试验，将前轮正交试验的结果作为安排后轮正交试验的依据，通常采用比前轮小的正交表。
　　根据对历史资料和外厂焊轨资料的分析，按参数比较其共性与个性，确定要考察的焊轨参数及其诸位级值。首轮安排13参数3位级的大正交表L₂₇(3¹³)(同时固定对试验结果相对不敏感的其他参数)，据此列出焊每一接头各参数的取值，进行27个焊头的正交焊接试验。焊毕正火后用落锤逐一将焊头砸断(落锤试验支距1 m，锤重1 t，检验60 kg/m轨焊头时锤高3.1 m，经住2锤者为合格，若砸了5锤仍未断，则在轨底角锯口再砸断以观测断口灰斑)。就经住的锤数和断口的灰斑面积分别计算出各参数按位级对应的试验结果值之和以及它们的极差(极差是衡量被考察参数对试验结果影响大小的重要标志，极差序靠前者通常该参数的取值对试验结果有重要影响)，并将各参数的极差由大至小排序，同时找出各参数直观*平均值、落锤*位级组合、灰斑*位级组合，然后作出各参数的落锤趋势图和灰斑趋势图。根据对各趋势图的分析，分别确定各参数的落锤可能更优位级值和灰斑可能更优位级值。把13个参数中极差序靠后的(即对试验结果相对不敏感的)5个参数固定下来(其值由相应参数的直观*平均值、落锤、灰斑*位级值和可能更优位级值判定)，安排极差序靠前的8个参数进行第二轮L₁₈(2¹×3⁷)的18个焊头的正交焊接试验。以*轮相应参数的直观*平均值、*位级值和可能更优位级值作为第二轮正交试验该参数的3个位级值。焊毕正火后逐一用落锤将焊头砸断。就经住的锤数和断口灰斑面积分别计算出各参数按位级对应的试验结果之和以及它们的极差，并将各参数的极差由大至小排序，同时找出各参数的直观*平均值、落锤*位级组合、灰斑*位级组合，同样作出各参数的落锤趋势图和灰斑趋势图。根据对各趋势图的分析，分别确定各参数的落锤可能更优位级值和灰斑可能更优位级值。把8个参数中极差序靠后的4个参数固定下来，安排极差序靠前的4个参数进行第三轮L₉(3⁴)的9个焊头的正交焊接试验。步骤同上。之后，将4个参数中极差序靠后的1个参数固定下来，安排极差序靠前的3个参数进行第四轮L₄(2³)的4个焊头的正交焊接试验(由于只有2个位级，此轮不再作趋势图)。由参数直观*平均值和*位级值判定该3个参数的取值。这四轮正交焊接试验不一定要都做。例如若经前二轮优化后发现效果已经非常好，就可免做第三轮；又如若对各参数的取值已有一定程度的底而试验时间或条件受到限制时，也可免做焊头数最多的*轮正交试验。

3　应用
　　我们与锦州铁路分局合作用L₂₇(3¹³)、L₁₈(2¹×3⁷)

图1　第×轮正交焊轨试验流程图

和L₄(2³)正交试验优化U74　60 kg/m轨焊接参数，在此基础上又用L₉(3⁴)正交试验优化U71Mn　60 kg/m轨焊接参数，它们均全面通过型式试验。两年来施焊并在京哈、沈大等线铺设焊接无缝轨480　km。据重点观察段锦州工务段和大虎山工务段报告，在*时速140 km、牵引定数4 000 t、年通过总重96.7 Mt*km/km的情况下，每月探伤一次，至今焊缝未发现任何伤损，经住了提速和重载的考验。沈阳焊轨厂用L₂₇(3¹³)、L₁₈(2¹×3⁷)和L₉(3⁴)进行正交焊轨试验(正交试验焊头54个)，试验时间历经一个多星期就成功地投产。向塘工务修制厂用L₁₈(2¹×3⁷)和L₉(3⁴)进行正交焊轨试验(正交试验焊头27个)，也优质地通过型式试验并投产。武汉线路段还将正交试验法用于优化钢轨气压焊参数。

4　CAD
　　配合逐次正交焊轨试验进行了计算机辅助设计。应用此相应软件的工厂，免去了在试验安排、统计运算和绘制曲线过程中大量繁琐的手工劳动，并确保了运算和作图的准确性。我们已向6个焊轨工厂提供了此软件。CAD促进了逐次正交焊轨试验法的推广。
　　第×轮正交焊轨试验的流程图见图1。

5　结论
　　( 1 ) 逐次正交试验法已首次应用于优化钢轨接触焊参数，实践证明了它的科学性。
　　( 2 ) CAD为逐次正交焊轨试验优化带来了便利。

6　参考文献
1　侯启孝，许广德，王春孝，陈大中，杨克.控制钢轨接触焊灰斑的正交优化研究.铁道学报，1997,19(1)：122～128
2　Hou Qixiao, Xu Guangde, Wang Chunxiao, Chen Dazhong ，Yang ke.Orthogonal optimization research on controlling grey spots in rail resistance welding.China Welding,1997,Vol.6 No.2
3　姜同川编著.正交试验设计.济南：山东科学技术出版社，1985

*本文依据1994年铁道部科学发展计划项目《接触焊控制灰斑工艺参数》项目研究，由侯启孝、陈大中、许广德、杨克、王春孝完成，CAD由侯松明进行。(No.94G13)
　　收稿日期：1998-05-13　侯启孝　男　1938年出生　副研究员　铁道部科学研究院金化所　邮编：100081

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