槽型鋼軌焊接接頭焊后熱處理作業(yè)系統(tǒng)

宋宏圖，丁 韋，李 力，高振坤，張 琪

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081）

槽型鋼軌焊接接頭焊后熱處理作業(yè)系統(tǒng)

宋宏圖1，丁 韋1，李 力1，高振坤1，張 琪2

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081）

目前我國現(xiàn)代有軌電車的建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，在無縫線路槽型鋼軌焊接過程中創(chuàng)新地采用了移動閃光焊接，并發(fā)展出了多種成套的新裝備。文章重點介紹了有軌電車用槽型鋼軌焊接接頭焊后熱處理作業(yè)系統(tǒng)的工作原理、性能指標和主要結(jié)構(gòu)，說明了其主要功能及應(yīng)用情況。

有軌電車；槽型鋼軌；閃光焊；熱處理

0 引言

《2014年中國城市軌道交通市場發(fā)展報告》預(yù)測2015年中國現(xiàn)代有軌電車新增運營線路里程達133.43 km，新增開工線路里程241.39 km。實際上截止2015年末，上海、天津、廣州、南京、沈陽、長春、大連、蘇州、淮安等城市建設(shè)的現(xiàn)代有軌電車相繼開通，總里程161 km，占城軌線路總長的4.5%，開通里程超過了預(yù)測量，說明有軌電車的建設(shè)熱潮正在到來。中國城市軌道交通協(xié)會調(diào)查表明，各地規(guī)劃現(xiàn)代有軌電車將在2020年達到2000多km，遠景規(guī)劃8000多km，在此巨大的建設(shè)規(guī)模下，需要配套高效率、高質(zhì)量的建設(shè)方式，進而提升我國現(xiàn)代有軌電車的整體水平。

1 槽型鋼軌焊接現(xiàn)狀

鋼軌焊接的主要方法有閃光焊、鋁熱焊、氣壓焊和電弧焊，而對于有軌電車用槽型鋼軌這種具有獨特斷面的鋼軌來講，其焊接方式主要有閃光焊和鋁熱焊。這2種焊接方式焊接后的焊接接頭作為整個軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，一起隨鋼軌埋設(shè)于地面之下，使得槽型軌軌面基本與地面平齊，發(fā)揮了有軌電車軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。然而焊接接頭歷來是整個結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，因此近年來我國創(chuàng)新性地采用了移動閃光焊作為有軌電車線路焊接的主要方式。目前在開通現(xiàn)代有軌電車的城市中，蘇州、廣州、武漢、北京、淮安、青島、南京均采用移動閃光焊作為線路的主要焊接手段，其線路質(zhì)量和接頭服役狀態(tài)明顯優(yōu)于采用鋁熱焊的幾條線路。

使用移動閃光焊進行軌道焊接，主要分為3個過程，焊前準備、焊接和焊后處理。對于焊接過程，通過采用YHG-1200TH 型槽型軌閃光焊機，已基本保證了鋼軌焊接接頭的焊接質(zhì)量，但由于槽型鋼軌獨特的斷面特點，其焊后處理方面尚存一定的難度。該難度集中體現(xiàn)在焊后熱處理作業(yè)方面，槽型軌斷面截面分散，傳統(tǒng)火焰熱處理無法在避免局部過熱的情況下達到全斷面均勻加熱的要求，易造成正火未正透的情況，從而對接頭性能產(chǎn)生不利的影響。為克服上述困難研發(fā)的YHR-250型有軌電車用槽型軌焊接接頭焊后熱處理作業(yè)系統(tǒng)，已成功用于青島、漢陽、蘇州等多條有軌電車線路焊接過程中。

2 功能特點和工作原理

2.1 功能特點

（1）具有正火熱處理功能，通過感應(yīng)加熱和噴風(fēng)冷卻實現(xiàn)接頭熱處理。

（2）自動控制加熱和冷卻過程及記錄軌頭部位溫升曲線。

（3）具有鋼軌夾持及保壓功能。

（4）采用開合式仿形感應(yīng)加熱線圈，便于施工現(xiàn)場裝載和拆卸，線圈可針對加熱區(qū)域進行6向調(diào)節(jié)。

（5）采用負載自適應(yīng)電源，具有無級調(diào)功、調(diào)頻功能。

（6）可對線上、線下焊接接頭進行熱處理作業(yè)。

2.2 工作原理

熱處理作業(yè)系統(tǒng)整車采用工作艙式結(jié)構(gòu)，作業(yè)時由軌道車等具有行走機構(gòu)的鐵路工程用車牽引。采用電磁感應(yīng)加熱及噴風(fēng)冷卻方式對鋼軌焊接接頭進行熱處理，其工作原理如圖1所示。在正火管理系統(tǒng)中設(shè)置工藝參數(shù)后，下傳到電氣控制系統(tǒng)中；電氣控制系統(tǒng)根據(jù)工藝參數(shù)生成控制信號，控制中頻電源產(chǎn)生對應(yīng)頻率和功率的電流并傳送到正火主機；正火主機對中頻電流進行降壓和放大，生成強大的電磁場，作用在鋼軌焊接接頭處，從而實現(xiàn)加熱功能；加熱完成后電氣控制系統(tǒng)根據(jù)工藝參數(shù)控制風(fēng)冷系統(tǒng)對高溫接頭進行噴風(fēng)冷卻，最終實現(xiàn)對鋼軌焊接接頭的熱處理。

圖1 工作原理示意圖

3 主要技術(shù)參數(shù)

YHR-250型有軌電車用槽型軌焊接接頭焊后熱處理作業(yè)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

4 主要結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成

整車由動力艙、操作艙和平車組成。動力艙內(nèi)裝載發(fā)電機組，為操作艙內(nèi)設(shè)備提供電力源。操作艙內(nèi)集成了工作裝置、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，用于完成熱處理作業(yè)過程中對位、加熱及冷卻等過程。YHR-250型有軌電車用槽型軌焊接接頭焊后熱處理作業(yè)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由工作裝置、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、艙體和平車組成，核心是工作裝置和電氣系統(tǒng)。

圖2 主要結(jié)構(gòu)圖

4.1 工作裝置

工作裝置主要由熱處理系統(tǒng)設(shè)備和起重機組成。熱處理系統(tǒng)設(shè)備為該車工作的核心設(shè)備，包括正火主機（含保壓裝置）、中頻電源、正火管理系統(tǒng)、水冷裝置和風(fēng)冷裝置共5部分。

（1）正火主機包括開合式加熱線圈及線圈驅(qū)動機構(gòu)、負載電容、負載變壓器、保壓及鋼軌夾持機構(gòu)、測溫裝置和操作面板。在工作過程中，通過正火主機使強大的電磁場作用在鋼軌焊接接頭處，實現(xiàn)加熱處理，同時采集和顯示軌頭部位的溫度信號，并通過保壓和夾持機構(gòu)保護被處理的接頭。

（2）中頻電源主要包括整流電路、濾波電路和逆變電路3個部分，為正火主機提供所需頻率的中頻交流電流，其特點是根據(jù)負載和設(shè)置功率因數(shù)的變化，自動調(diào)整輸出電流和頻率的大小，可實現(xiàn)負載自適應(yīng)及調(diào)節(jié)頻率，有利于提高接頭溫度的均勻性。

（3）正火管理系統(tǒng)包括硬件和軟件2部分，是熱處理系統(tǒng)設(shè)備運行的控制中心，也是操作人員與設(shè)備交流的通道。硬件部分包括工控機、可編程控制器、信號隔離模塊和各種傳感器，用于采集熱處理系統(tǒng)設(shè)備中的溫度、時間、功率、頻率等物理信號，輸出設(shè)備運行的控制信號，并進行濾波、轉(zhuǎn)換和計算。軟件部分包括數(shù)據(jù)輸入/輸出、數(shù)據(jù)處理/存儲和管理、數(shù)據(jù)顯示3個方面，用于完成工藝參數(shù)的設(shè)置和管理、過程數(shù)據(jù)的實時顯示、鋼軌焊接接頭基本信息的錄入和管理、數(shù)據(jù)曲線的生成和查看、用戶權(quán)限的管理等功能。

（4）水冷裝置包括內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)2部分。內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)通過制冷劑在壓縮機、熱交換器、冷凝器等部件間循環(huán)，降低水箱中的冷卻液溫度；外循環(huán)系統(tǒng)通過冷卻液在水箱、水泵、管路和加熱器線圈之間循環(huán)，對工作過程中的感應(yīng)加熱器進行冷卻。內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)有制冷劑的高低壓傳感器，在其壓力過高或過低時切斷壓縮機的控制電路，保障水冷裝置的安全。外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)有壓力開關(guān)，在冷水裝置不工作的狀態(tài)下，正火主機和中頻電源不會啟動并報警。

（5）風(fēng)冷裝置包括空氣壓縮機、儲氣罐、過濾器、電磁截止閥、調(diào)壓閥和風(fēng)冷噴頭，通過對高溫接頭進行噴風(fēng)，加快冷卻速度，達到細化晶粒、提高接頭硬度的目的。

4.2 電氣系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括弱電和強電2部分，用以實現(xiàn)對該設(shè)備中各子系統(tǒng)的控制和電源分配。弱電部分包括操作指令接收及狀態(tài)顯示回路（控制面板）、中頻加熱控制電路、液壓系統(tǒng)主電路和閥門線圈控制電路、水冷裝置控制電路、噴風(fēng)裝置控制電路、信號采集電路等，用于控制和監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)。強電部分包括中頻感應(yīng)加熱電路和各功能設(shè)備運行所需的動力電源的分配回路。中頻感應(yīng)加熱電路包括中頻電源和正火主機電路，用于完成對鋼軌焊接接頭的加熱過程。功能設(shè)備中需動力電源的設(shè)備包括主機油泵電機、起重機油泵電機、循環(huán)油泵電機、冷卻風(fēng)扇電機、冷水機和空氣壓縮機。

5 結(jié)束語

YHR-250型有軌電車用槽型軌焊接接頭焊后熱處理作業(yè)系統(tǒng)的研制針對有軌電車施工中的迫切需要，解決現(xiàn)場接頭的熱處理問題，經(jīng)過現(xiàn)場使用（現(xiàn)場使用方式見圖3），完全達到了質(zhì)量要求，其作業(yè)效率和故障率均符合現(xiàn)場需要。

圖3 現(xiàn)場使用圖

[1] 中國城市軌道交通協(xié)會.2015年我國城軌交通線路概況[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2016（1）：82.

[2] 宋宏圖，丁韋，高振坤，等. 鋼軌焊接接頭焊后熱處理、矯直及外形精整綜合系統(tǒng)研究[J]. 中國鐵路，2012（10）：51-53.

[3] 宋宏圖，丁韋，李力，等. 用于線上鋼軌焊接接頭的焊后處理設(shè)備：中國，ZL201120039314.4[P].2011-02-15.

[4] 宋宏圖，丁韋，李力，等. 用于線上鋼軌焊接接頭的焊后處理系統(tǒng)和方法：中國，ZL201110038339.7[P].2012-07-04.

[5] 丁韋，李力，高振坤，等. 一種移動式槽型鋼軌閃光焊機：中國，201310199232.X[P].2013-08-08.

責(zé)任編輯 孫銳嬌

Heat Treatment Operating System after Welding of Groove Rail Joints

Song Hongtu, Ding Wei, Li Li, et al.

Presently, modern tram in China is in a rapid development. An innovation of the continuously welded grooved rail track construction work uses mobile fl ash butt welding. Variety of new equipment is developed. The paper focuses on the description of the heat treatment operating system for grooved rail welding joints, working principle of operation and performance specifi cations and the main structure as well as the main functions and applications.

tram, grooved rail, flash butt welding, heat treatment

TG156

2016-05-20

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題項目：鐵路施工及維修機具研究——鋼軌閃光焊接和感應(yīng)熱處理一體機的研制及焊軌車裝用方案的研究（2016G004-G）

宋宏圖（1979—），男，副研究員