軌枕螺栓快速更換成套裝置的研制

中國鐵路南昌局集團有限公司 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，阻止鋼軌相對于枕木的橫向及縱向移動，并在列車運行動力作用下充分發(fā)揮減震作用，緩解路線殘余變形的積累，確保軌距正常[1]。鐵制螺栓由于長期經(jīng)受日曬雨淋及列車運行震動，極易銹蝕、斷裂，必須及時更換，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、硬度高、抗拔力及絕緣性均很好但導(dǎo)致了更換螺栓時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通常采用空心鉆頭鉆取的方式進行改錨作業(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、工人勞動強度大、技術(shù)要求高、作業(yè)效率低、抗拔力難以達到要求等缺陷。因此，研制出一套滿足現(xiàn)場作業(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，該交變的磁場使導(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)保無污染、加熱速度快、加熱均勻品質(zhì)好、使用壽命長、安全性好、自動化程度高等優(yōu)點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）、負載諧振回路（RESONANT TANK）、保護控制模塊組成[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

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，故可通過加熱錨固螺栓的方式來對錨固劑間接加熱。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，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磁回路，確保絕大部分磁場都能通過螺栓，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

2.2.1 供電電路設(shè)計

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反激拓撲來實現(xiàn)，同時還可以做到輸入、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)計的一個重點就是控制環(huán)路的設(shè)計，控制電路穩(wěn)定性的好壞直接決定著開關(guān)電源啟動特性、輸入電壓躍變響應(yīng)特性、負載躍變響應(yīng)特性、高低溫穩(wěn)定性、生產(chǎn)和調(diào)試難易度。在設(shè)計中對反饋電路進行了合理的補償，并通過MATLAB仿真，使環(huán)路穩(wěn)定性達到要求。同時對具體的功能模塊電路進行了設(shè)計和仿真，達到了設(shè)計目標。

2.2.2 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

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)點組合起來的，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的雙載流子達到大電流（低導(dǎo)通壓降），從而達到驅(qū)動功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應(yīng)用于交流電機、變頻器、開關(guān)電源等領(lǐng)域，故在本系統(tǒng)中我們采用IGBT作為功率開關(guān)管。為使IGBT穩(wěn)定的工作，必須設(shè)計穩(wěn)定的開關(guān)驅(qū)動電路，下圖4為針對本系統(tǒng)設(shè)計的IGBT驅(qū)動電路。PWM1和PWM2為單片機輸出的3.3VPWM信號，而IGBT的典型驅(qū)動電壓為15V，故在單片機的輸出和IGBT之間應(yīng)設(shè)計電壓放大電路、功率放大電路及半橋驅(qū)動器。電壓放大電路將3.3V的PWM信號轉(zhuǎn)換為同相的15VPWM信號；功率放大電路由兩個三極管構(gòu)成的，將15VPWM信號轉(zhuǎn)為恒壓輸出，直接作為半橋驅(qū)動器的輸入；半橋驅(qū)動器我們選用落木源電子的TX-KD301，該驅(qū)動器是采用自給電源技術(shù)的隔離驅(qū)動器，輸出波形穩(wěn)定且輸出功率為1W/路，可穩(wěn)定的驅(qū)動兩路IGBT功率管，滿足本設(shè)計的要求。

圖4 IGBT驅(qū)動電路

2.2.3 諧振電路設(shè)計

對于1000W功率，輸出恒定電流的驅(qū)動電源，前面需要獨立的電源對整個系統(tǒng)供電，那么后級功率部分可采用半橋諧振拓撲結(jié)構(gòu)的變換器來實現(xiàn)，下面對方案進行分析。

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隔離變換器中開關(guān)管都是硬關(guān)斷，即使使用非對稱繞組半橋變換器達到開關(guān)管的零電壓開啟，也不能做到使關(guān)斷損耗降低，當工作頻率提高時，開關(guān)損耗也會隨之提高，限制了系統(tǒng)的效率和功率密度。為了提高開關(guān)變換器的效率和功率密度等性能，我們必須設(shè)計一種能兼顧高效率和高頻率的拓撲結(jié)構(gòu)來解決這些關(guān)鍵問題。

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撲結(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，達到軟開關(guān)的效果，大大降低了開關(guān)損耗。由于其開關(guān)損耗非常低，因而能夠工作在高頻狀態(tài)。在本設(shè)計中我們采用LLC諧振變換電路作為系統(tǒng)的主拓撲結(jié)構(gòu)。

圖6 LLC諧振變換器圖及直流增益特性

圖6為LLC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)。這種變換器有兩個諧振頻率，計算公式如下：

對于輸入電壓為400V的工作情況，工作頻率可以設(shè)計放在諧振頻率fr1處。其中，fr1為Cr、Lr串聯(lián)諧振腔的諧振頻率。當輸入電壓下降時，可以降低工作頻率來獲得較大的增益。通過設(shè)計合適的諧振參數(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)的主拓撲結(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。

2.3 電磁轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計

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還應(yīng)考慮以下問題：

（1）加熱時螺栓溫度很高，轉(zhuǎn)換裝置需耐高溫。

（2）操作人員在操作的時候避免接觸高溫，必須做隔熱處理和強化處理。

（3）加工精度和材料選用的問題。

通過反復(fù)設(shè)計和實驗，設(shè)計的電磁轉(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。當線圈內(nèi)有電流通過時，導(dǎo)磁體可以把高頻交流電產(chǎn)生的磁場集中在導(dǎo)磁體內(nèi)部，并且磁場方向和磁場大小將不停變換，即產(chǎn)生交變磁場。當導(dǎo)體處于該交變磁場即處于圖二中的⑤處時，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，并且確保使用時的人身安全。外殼的材質(zhì)使用了耐高溫及高強度的環(huán)氧樹脂材料，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行填充，可以有效的防水和保護線圈，確保了使用安全。經(jīng)過反復(fù)測試改進，轉(zhuǎn)換裝置表面溫度在60度左右，達到了使用要求。

2.4 錨固劑加熱裝置設(shè)計

目前改錨作業(yè)時，錨固劑的加熱采用現(xiàn)場明火加熱的方式。現(xiàn)場明火加熱對環(huán)境造成破壞的同時也會對線路造成安全隱患，另外明火加熱無法控制加熱溫度（過高的溫度會導(dǎo)致錨固劑的性能下降）。針對這些問題，我們設(shè)計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)能力強的材料作為內(nèi)膽，用特制加熱底板對內(nèi)膽進行加熱。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，防止溫度過高導(dǎo)致錨固劑性能的改變。該裝置提高了現(xiàn)場作業(yè)效率，具有高效環(huán)保的特點。

3.樣機研制及使用情況

3.1 樣機研制情況

經(jīng)過對功能模塊的反復(fù)實驗測試，我們研制出了單加熱頭和雙加熱頭的磁感應(yīng)加熱裝置。單加熱頭主機可接一個電磁轉(zhuǎn)換裝置，對單根螺栓加熱，峰值功率為1500W；雙加熱頭主機可接兩個電磁轉(zhuǎn)換裝置，同時對兩根螺栓加熱，作業(yè)效率相對更高，峰值功率為3000W。電磁轉(zhuǎn)換裝置即加熱頭經(jīng)過多次測試修改，最終也達到了設(shè)計要求。

3.2 現(xiàn)場使用情況

經(jīng)過現(xiàn)場試用，加熱到1分鐘左右時，螺栓溫度即可達到600℃左右，錨固劑開始熔化并燃燒；持續(xù)加熱到1分半鐘時，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，可用鉗子將螺栓取出。經(jīng)反復(fù)測試，單加熱頭取錨時間在6分鐘左右，如果采用雙加熱頭主機，則平均時間在3分鐘左右。如果采用多機作業(yè)，則取錨時間可進一步降低。

4.結(jié)束語

混凝土軌枕螺栓的更換是工務(wù)線路部門的一項重要工作，由于螺栓腐蝕問題日趨嚴重，使用過去傳統(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)方式來提高維護效率和水平。本設(shè)備填補了使用熱熔式取錨的空白，對保證行車安全，保護現(xiàn)場操作人員的安全，減輕勞動強度起到很好的作用。經(jīng)現(xiàn)場專業(yè)人員試用，本套裝置具有攜帶方便、操作簡單、總更換時間短、工作效率高、操作界面清晰、顯示直觀、能自動化運行等特點。與現(xiàn)有的機械式取錨機相比有較大的優(yōu)勢，具有推廣使用價值。

[1]王佳亮,姜榮超.鐵路混凝土軌枕硫磺錨固螺栓拔出用金剛石取芯鉆頭[J].超硬材料工程,2009,21(3):1-4.

[2]王軍元.現(xiàn)代電磁爐的優(yōu)良性能及技術(shù)展望[J].現(xiàn)代家電,2002,(3):59-60.

[3]潘如峰.高頻感應(yīng)加熱電源技術(shù)的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2004:12.

[4]吳紅奎.IGBT基礎(chǔ)與應(yīng)用實務(wù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[5]郭成富,程周禮.鐵路工務(wù)作業(yè)指導(dǎo)書[M].北京:中國鐵道出版社,2012.