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 科學技術研究所 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部門的一道難題。

我局工務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，這種作業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、技術要求高、作業效率低、抗拔力難以達到要求等缺陷。因此，研制出一套滿足現場作業要求并且高效的改錨裝置是非常有必要的。

1.感應加熱系統工作原理

電磁感應加熱技術來源于法拉第的電磁感應原理，也就是交變的電流能產生交變的磁場，該交變的磁場使導體中磁通量發生變化從而在其中產生感應電流，使導體產生熱量，也即渦流加熱原理。電磁感應加熱技術在20世紀初首先應用于工業領域，這種加熱技術由于加熱效率高、節能環保無污染、加熱速度快、加熱均勻品質好、使用壽命長、安全性好、自動化程度高等優點而得到大力迅速的發展[2]。

感應加熱系統一般由整流器（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 感應加熱系統框圖

2.系統設計

2.1 磁感應加熱裝置整體結構

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。我們采用電磁感應加熱方式將鐵質螺栓快速加熱至600℃以上，利用熱傳導將螺栓根部的錨固劑融化，從而將螺栓取出，其整體結構設計如圖2所示：

圖2 加熱裝置整體結構圖

加熱裝置主要由頻率轉換電路和電磁轉換裝置（圖二右側部分）組成，頻率轉換電路產生20KHz～50KHz的高頻交流電，電磁轉換裝置將高頻交流電轉換為快速變化的磁場，由于導磁材料的作用，導磁材料與放置在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 頻率轉換電路設計

2.2.1 供電電路設計

系統穩定工作需要穩定的電源電路，并且兼顧功耗。因此電源部分采用了一級反激拓撲來實現，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

電源設計的一個重點就是控制環路的設計，控制電路穩定性的好壞直接決定著開關電源啟動特性、輸入電壓躍變響應特性、負載躍變響應特性、高低溫穩定性、生產和調試難易度。在設計中對反饋電路進行了合理的補償，并通過MATLAB仿真，使環路穩定性達到要求。同時對具體的功能模塊電路進行了設計和仿真，達到了設計目標。

2.2.2 IGBT驅動電路設計

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（低導通壓降），從而達到驅動功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應用于交流電機、變頻器、開關電源等領域，故在本系統中我們采用IGBT作為功率開關管。為使IGBT穩定的工作，必須設計穩定的開關驅動電路，下圖4為針對本系統設計的IGBT驅動電路。PWM1和PWM2為單片機輸出的3.3VPWM信號，而IGBT的典型驅動電壓為15V，故在單片機的輸出和IGBT之間應設計電壓放大電路、功率放大電路及半橋驅動器。電壓放大電路將3.3V的PWM信號轉換為同相的15VPWM信號；功率放大電路由兩個三極管構成的，將15VPWM信號轉為恒壓輸出，直接作為半橋驅動器的輸入；半橋驅動器我們選用落木源電子的TX-KD301，該驅動器是采用自給電源技術的隔離驅動器，輸出波形穩定且輸出功率為1W/路，可穩定的驅動兩路IGBT功率管，滿足本設計的要求。

圖4 IGBT驅動電路

2.2.3 諧振電路設計

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

圖5 傳統的半橋變換器

圖5 所示的是傳統的半橋變換器[4]，在傳統的半橋PWM隔離變換器中開關管都是硬關斷，即使使用非對稱繞組半橋變換器達到開關管的零電壓開啟，也不能做到使關斷損耗降低，當工作頻率提高時，開關損耗也會隨之提高，限制了系統的效率和功率密度。為了提高開關變換器的效率和功率密度等性能，我們必須設計一種能兼顧高效率和高頻率的拓撲結構來解決這些關鍵問題。

目前常用的諧振變換電路有串聯諧振（SRC）、串并聯諧振（SPRC，也叫LCC諧振）以及并聯諧振（PRC），這是三種主要的諧振拓撲結構。諧振變換利用了LC諧振網絡使能量反復利用，達到軟開關的效果，大大降低了開關損耗。由于其開關損耗非常低，因而能夠工作在高頻狀態。在本設計中我們采用LLC諧振變換電路作為系統的主拓撲結構。

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，分為零電壓工作區和零電流工作區。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，工作頻率可以設計放在諧振頻率fr1處。其中，fr1為Cr、Lr串聯諧振腔的諧振頻率。當輸入電壓下降時，可以降低工作頻率來獲得較大的增益。通過設計合適的諧振參數，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。因此采用LLC諧振變換電路作為系統的主拓撲結構具有高效率、高功率密度、系統穩定性好、EMI噪聲少等特點。

2.3 電磁轉換裝置設計

電磁轉換裝置是將電能轉換為磁能的器件，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考慮以下問題：

（1）加熱時螺栓溫度很高，轉換裝置需耐高溫。

（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。

通過反復設計和實驗，設計的電磁轉換裝置如圖3的右圖所示，主要由導磁體、高溫線圈、絕緣隔熱外殼及填充層等組成。當線圈內有電流通過時，導磁體可以把高頻交流電產生的磁場集中在導磁體內部，并且磁場方向和磁場大小將不停變換，即產生交變磁場。當導體處于該交變磁場即處于圖二中的⑤處時，導體將產生感應電流，并在渦電流作用下迅速發熱，因此該裝置可用于加熱任意形狀的導體。

為了控制轉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。外殼的材質使用了耐高溫及高強度的環氧樹脂材料，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。經過反復測試改進，轉換裝置表面溫度在60度左右，達到了使用要求。

2.4 錨固劑加熱裝置設計

目前改錨作業時，錨固劑的加熱采用現場明火加熱的方式。現場明火加熱對環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（過高的溫度會導致錨固劑的性能下降）。針對這些問題，我們設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能力強的材料作為內膽，用特制加熱底板對內膽進行加熱。內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，防止溫度過高導致錨固劑性能的改變。該裝置提高了現場作業效率，具有高效環保的特點。

3.樣機研制及使用情況

3.1 樣機研制情況

經過對功能模塊的反復實驗測試，我們研制出了單加熱頭和雙加熱頭的磁感應加熱裝置。單加熱頭主機可接一個電磁轉換裝置，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換裝置，同時對兩根螺栓加熱，作業效率相對更高，峰值功率為3000W。電磁轉換裝置即加熱頭經過多次測試修改，最終也達到了設計要求。

3.2 現場使用情況

經過現場試用，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。經反復測試，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，則取錨時間可進一步降低。

4.結束語

混凝土軌枕螺栓的更換是工務線路部門的一項重要工作，由于螺栓腐蝕問題日趨嚴重，使用過去傳統的改錨設備已經不能滿足要求，需要采用新的設備及作業方式來提高維護效率和水平。本設備填補了使用熱熔式取錨的空白，對保證行車安全，保護現場操作人員的安全，減輕勞動強度起到很好的作用。經現場專業人員試用，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。與現有的機械式取錨機相比有較大的優勢，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.現代電磁爐的優良性能及技術展望[J].現代家電,2002,(3):59-60.

[3]潘如峰.高頻感應加熱電源技術的研究[D].杭州:浙江大學,2004:12.

[4]吳紅奎.IGBT基礎與應用實務[M].北京:科學出版社,2010.

[5]郭成富,程周禮.鐵路工務作業指導書[M].北京:中國鐵道出版社,2012.