中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所 黃 杰

引言

目前，固定在混凝土軌枕上的鋼軌扣件通常采用錨固螺栓加以固定。錨固螺栓是連接鋼軌及枕木的重要組件，其作用是確保鋼軌與枕木之間的可靠連接，阻止鋼軌相對(duì)于枕木的橫向及縱向移動(dòng)，并在列車運(yùn)行動(dòng)力作用下充分發(fā)揮減震作用，緩解路線殘余變形的積累，確保軌距正常[1]。鐵制螺栓由于長(zhǎng)期經(jīng)受日曬雨淋及列車運(yùn)行震動(dòng)，極易銹蝕、斷裂，必須及時(shí)更換，否則存在行車安全隱患。錨固螺栓通常都是采用硫磺錨固劑作為介質(zhì)錨固在軌枕上，該方式錨固附著力強(qiáng)、硬度高、抗拔力及絕緣性均很好但導(dǎo)致了更換螺栓時(shí)取出舊螺栓非常困難。因此，錨固螺栓的更換成了困擾工務(wù)部門的一道難題。

我局工務(wù)部門更換混凝土軌枕錨固螺栓時(shí)通常采用空心鉆頭鉆取的方式進(jìn)行改錨作業(yè)，這種作業(yè)方式存在鉆頭容易卡阻斷裂、不能立即錨固、損傷軌枕、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、技術(shù)要求高、作業(yè)效率低、抗拔力難以達(dá)到要求等缺陷。因此，研制出一套滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求并且高效的改錨裝置是非常有必要的。

1.感應(yīng)加熱系統(tǒng)工作原理

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)來(lái)源于法拉第的電磁感應(yīng)原理，也就是交變的電流能產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，該交變的磁場(chǎng)使導(dǎo)體中磁通量發(fā)生變化從而在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流，使導(dǎo)體產(chǎn)生熱量，也即渦流加熱原理。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在20世紀(jì)初首先應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，這種加熱技術(shù)由于加熱效率高、節(jié)能環(huán)保無(wú)污染、加熱速度快、加熱均勻品質(zhì)好、使用壽命長(zhǎng)、安全性好、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)而得到大力迅速的發(fā)展[2]。

感應(yīng)加熱系統(tǒng)一般由整流器（AC-DC）、濾波器（FILTER）、逆變器（DC-AC）、負(fù)載諧振回路（RESONANT TANK）、保護(hù)控制模塊組成[3]。原理圖如圖1所示：

圖1 感應(yīng)加熱系統(tǒng)框圖

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 磁感應(yīng)加熱裝置整體結(jié)構(gòu)

由于錨固劑在160℃以上即可融化，又與錨固螺栓緊密接觸，故可通過(guò)加熱錨固螺栓的方式來(lái)對(duì)錨固劑間接加熱。我們采用電磁感應(yīng)加熱方式將鐵質(zhì)螺栓快速加熱至600℃以上，利用熱傳導(dǎo)將螺栓根部的錨固劑融化，從而將螺栓取出，其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 加熱裝置整體結(jié)構(gòu)圖

加熱裝置主要由頻率轉(zhuǎn)換電路和電磁轉(zhuǎn)換裝置（圖二右側(cè)部分）組成，頻率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生20KHz～50KHz的高頻交流電，電磁轉(zhuǎn)換裝置將高頻交流電轉(zhuǎn)換為快速變化的磁場(chǎng)，由于導(dǎo)磁材料的作用，導(dǎo)磁材料與放置在⑤處的螺栓組成了一個(gè)磁回路，確保絕大部分磁場(chǎng)都能通過(guò)螺栓，故保證了加熱效率，起到快速加熱螺栓的作用。

2.2 頻率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2.2.1 供電電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)穩(wěn)定工作需要穩(wěn)定的電源電路，并且兼顧功耗。因此電源部分采用了一級(jí)反激拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還可以做到輸入、輸出電壓之間的隔離。供電電路的總體功能框圖如圖3所示。

圖3 供電電路的總體功能框圖

電源設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)就是控制環(huán)路的設(shè)計(jì)，控制電路穩(wěn)定性的好壞直接決定著開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)特性、輸入電壓躍變響應(yīng)特性、負(fù)載躍變響應(yīng)特性、高低溫穩(wěn)定性、生產(chǎn)和調(diào)試難易度。在設(shè)計(jì)中對(duì)反饋電路進(jìn)行了合理的補(bǔ)償，并通過(guò)MATLAB仿真，使環(huán)路穩(wěn)定性達(dá)到要求。同時(shí)對(duì)具體的功能模塊電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT為絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor），它是利用MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)組合起來(lái)的，既利用了MOSFET的柵極電壓控制晶體管（高輸入阻抗），又利用了BJT的雙載流子達(dá)到大電流（低導(dǎo)通壓降），從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域，故在本系統(tǒng)中我們采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)管。為使IGBT穩(wěn)定的工作，必須設(shè)計(jì)穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，下圖4為針對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。PWM1和PWM2為單片機(jī)輸出的3.3VPWM信號(hào)，而IGBT的典型驅(qū)動(dòng)電壓為15V，故在單片機(jī)的輸出和IGBT之間應(yīng)設(shè)計(jì)電壓放大電路、功率放大電路及半橋驅(qū)動(dòng)器。電壓放大電路將3.3V的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為同相的15VPWM信號(hào)；功率放大電路由兩個(gè)三極管構(gòu)成的，將15VPWM信號(hào)轉(zhuǎn)為恒壓輸出，直接作為半橋驅(qū)動(dòng)器的輸入；半橋驅(qū)動(dòng)器我們選用落木源電子的TX-KD301，該驅(qū)動(dòng)器是采用自給電源技術(shù)的隔離驅(qū)動(dòng)器，輸出波形穩(wěn)定且輸出功率為1W/路，可穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)兩路IGBT功率管，滿足本設(shè)計(jì)的要求。

圖4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

2.2.3 諧振電路設(shè)計(jì)

對(duì)于1000W功率，輸出恒定電流的驅(qū)動(dòng)電源，前面需要獨(dú)立的電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電，那么后級(jí)功率部分可采用半橋諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面對(duì)方案進(jìn)行分析。

圖5 傳統(tǒng)的半橋變換器

圖5 所示的是傳統(tǒng)的半橋變換器[4]，在傳統(tǒng)的半橋PWM隔離變換器中開(kāi)關(guān)管都是硬關(guān)斷，即使使用非對(duì)稱繞組半橋變換器達(dá)到開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)啟，也不能做到使關(guān)斷損耗降低，當(dāng)工作頻率提高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)隨之提高，限制了系統(tǒng)的效率和功率密度。為了提高開(kāi)關(guān)變換器的效率和功率密度等性能，我們必須設(shè)計(jì)一種能兼顧高效率和高頻率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)解決這些關(guān)鍵問(wèn)題。

目前常用的諧振變換電路有串聯(lián)諧振（SRC）、串并聯(lián)諧振（SPRC，也叫LCC諧振）以及并聯(lián)諧振（PRC），這是三種主要的諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。諧振變換利用了LC諧振網(wǎng)絡(luò)使能量反復(fù)利用，達(dá)到軟開(kāi)關(guān)的效果，大大降低了開(kāi)關(guān)損耗。由于其開(kāi)關(guān)損耗非常低，因而能夠工作在高頻狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中我們采用LLC諧振變換電路作為系統(tǒng)的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖6 LLC諧振變換器圖及直流增益特性

圖6為L(zhǎng)LC諧振變換器原理圖及LLC諧振變換的直流增益特性，分為零電壓工作區(qū)和零電流工作區(qū)。這種變換器有兩個(gè)諧振頻率，計(jì)算公式如下：

對(duì)于輸入電壓為400V的工作情況，工作頻率可以設(shè)計(jì)放在諧振頻率fr1處。其中，fr1為Cr、Lr串聯(lián)諧振腔的諧振頻率。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，可以降低工作頻率來(lái)獲得較大的增益。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的諧振參數(shù)，可以讓LLC諧振變換器在各種條件下都能工作在零電壓工作區(qū)。因此采用LLC諧振變換電路作為系統(tǒng)的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高效率、高功率密度、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、EMI噪聲少等特點(diǎn)。

2.3 電磁轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)

電磁轉(zhuǎn)換裝置是將電能轉(zhuǎn)換為磁能的器件，將磁能全部集中在螺栓上是最為理想的。另外，在保證加熱效率的同時(shí)還應(yīng)考慮以下問(wèn)題：

（1）加熱時(shí)螺栓溫度很高，轉(zhuǎn)換裝置需耐高溫。

（2）操作人員在操作的時(shí)候避免接觸高溫，必須做隔熱處理和強(qiáng)化處理。

（3）加工精度和材料選用的問(wèn)題。

通過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的電磁轉(zhuǎn)換裝置如圖3的右圖所示，主要由導(dǎo)磁體、高溫線圈、絕緣隔熱外殼及填充層等組成。當(dāng)線圈內(nèi)有電流通過(guò)時(shí)，導(dǎo)磁體可以把高頻交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)集中在導(dǎo)磁體內(nèi)部，并且磁場(chǎng)方向和磁場(chǎng)大小將不停變換，即產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)體處于該交變磁場(chǎng)即處于圖二中的⑤處時(shí)，導(dǎo)體將產(chǎn)生感應(yīng)電流，并在渦電流作用下迅速發(fā)熱，因此該裝置可用于加熱任意形狀的導(dǎo)體。

為了控制轉(zhuǎn)換裝置表面溫度在人體能接受的范圍，并且確保使用時(shí)的人身安全。外殼的材質(zhì)使用了耐高溫及高強(qiáng)度的環(huán)氧樹(shù)脂材料，在線圈和外殼之間采用了橡膠填充層，并且采用灌封方式進(jìn)行填充，可以有效的防水和保護(hù)線圈，確保了使用安全。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試改進(jìn)，轉(zhuǎn)換裝置表面溫度在60度左右，達(dá)到了使用要求。

2.4 錨固劑加熱裝置設(shè)計(jì)

目前改錨作業(yè)時(shí)，錨固劑的加熱采用現(xiàn)場(chǎng)明火加熱的方式?，F(xiàn)場(chǎng)明火加熱對(duì)環(huán)境造成破壞的同時(shí)也會(huì)對(duì)線路造成安全隱患，另外明火加熱無(wú)法控制加熱溫度（過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致錨固劑的性能下降）。針對(duì)這些問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套錨固劑保溫加熱裝置。

加熱裝置采用耐腐蝕且熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)的材料作為內(nèi)膽，用特制加熱底板對(duì)內(nèi)膽進(jìn)行加熱。內(nèi)膽與外殼之間填充一層隔熱保溫材料，起到隔熱保溫的作用。采用高精度溫度傳感器控制加熱的溫度，防止溫度過(guò)高導(dǎo)致錨固劑性能的改變。該裝置提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，具有高效環(huán)保的特點(diǎn)。

3.樣機(jī)研制及使用情況

3.1 樣機(jī)研制情況

經(jīng)過(guò)對(duì)功能模塊的反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我們研制出了單加熱頭和雙加熱頭的磁感應(yīng)加熱裝置。單加熱頭主機(jī)可接一個(gè)電磁轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)單根螺栓加熱，峰值功率為1500W；雙加熱頭主機(jī)可接兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)換裝置，同時(shí)對(duì)兩根螺栓加熱，作業(yè)效率相對(duì)更高，峰值功率為3000W。電磁轉(zhuǎn)換裝置即加熱頭經(jīng)過(guò)多次測(cè)試修改，最終也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)使用情況

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試用，加熱到1分鐘左右時(shí)，螺栓溫度即可達(dá)到600℃左右，錨固劑開(kāi)始熔化并燃燒；持續(xù)加熱到1分半鐘時(shí)，采取間歇式加熱，保持螺栓溫度在600℃左右；加熱到6分鐘左右，螺栓已完全松動(dòng)，可用鉗子將螺栓取出。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，單加熱頭取錨時(shí)間在6分鐘左右，如果采用雙加熱頭主機(jī)，則平均時(shí)間在3分鐘左右。如果采用多機(jī)作業(yè)，則取錨時(shí)間可進(jìn)一步降低。

4.結(jié)束語(yǔ)

混凝土軌枕螺栓的更換是工務(wù)線路部門的一項(xiàng)重要工作，由于螺栓腐蝕問(wèn)題日趨嚴(yán)重，使用過(guò)去傳統(tǒng)的改錨設(shè)備已經(jīng)不能滿足要求，需要采用新的設(shè)備及作業(yè)方式來(lái)提高維護(hù)效率和水平。本設(shè)備填補(bǔ)了使用熱熔式取錨的空白，對(duì)保證行車安全，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的安全，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度起到很好的作用。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)人員試用，本套裝置具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、總更換時(shí)間短、工作效率高、操作界面清晰、顯示直觀、能自動(dòng)化運(yùn)行等特點(diǎn)。與現(xiàn)有的機(jī)械式取錨機(jī)相比有較大的優(yōu)勢(shì)，具有推廣使用價(jià)值。

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