鋼軌正火感應器設計

李 強，楊 喆，陳 鴻，來躍深

（1.西安工業大學，陜西 西安710000；2.空軍軍醫大學，陜西 西安710000；3.中國長安汽車集團有限公司重慶青山變速器分公司，重慶402776）

1 背景

鋼軌接頭焊接后焊縫為一個斷面。由于焊接受熱，接頭硬度與母材硬度存在很大差別，為了確保接頭硬度與母材硬度相匹配，就要對焊縫進行熱處理。

通過電磁感應加熱方式對鋼軌焊縫進行熱處理是一種普遍使用的方法[1]。軌底角和軌腰因為尺寸較薄，感應加熱過程中，這兩個位置很容易被加熱透，而軌頭中和軌底三角區的尺寸較厚，溫度上升較慢。

要求達到溫差在100 ℃范圍內[2]，所以只能通過感應線圈形狀的優化設計以降低該溫度差，以此保證軌頭、軌底角、軌底三角區的溫度都控制在一定范圍內，使鋼軌表層與心部加熱溫度速度趨于一致[3-4]。

2 感應器設計及其仿真

按照某焊軌基地正火感應器數據，繪制焊軌基地正火感應器設計圖，如圖1 所示。

圖1 焊軌基地正火感應器

通過Maxwell 電磁仿真得到感應器磁場分布圖，如圖2所示。

圖2 基地感應器磁場仿真

感應器渦流場分布如圖3 所示。

圖3 基地感應器渦流場仿真

通過ANSYS 溫度場仿真云圖，如圖4 所示。

圖4 基地感應器溫度場仿真

通過仿真發現：焊軌基地感應器對鋼軌進行加熱，磁場、渦流場分布不均勻，很難保證軌頭、軌底三角區與兩個軌腳表層之間溫差在100 ℃內。主要原因為工件形狀不規則，鋼軌軌頭和軌腳三角區較厚，兩軌腳比較薄。感應器設計有如下缺陷：一根導線繞出的感應器，磁場總是存在兩軌腳處不平衡現象，從設計上留下了磁場分布缺陷，影響溫度場分布。

針對鋼軌感應加熱時，磁場分布不平衡、溫差大問題，同時考慮到鋼軌截面特殊形狀，本文設計了1 套感應器，分上下兩部分，配合使用。感應器如圖5 所示。通過Maxwell仿真，其磁場分布、渦流場分布，分別如圖6、圖7 所示。采用感應頻率低頻1 100 Hz，高頻2 200 Hz 的頻率參數，使用deform 軟件感應加熱模塊，仿真溫度分布。其鋼軌溫度場如圖8 所示。感應器溫度斷面分布如圖9 所示。通過Maxwell 仿真發現，磁場、渦流場分布均勻，上下結構感應器設計可以工作。當感應頻率、電流密度一定時，通過deform溫度場仿真發現，軌頭、軌底三角區與兩個軌腳之間溫差基本在100 ℃，鋼軌內部溫度加熱速度基本一致。本文設計的感應器可以對鋼軌加熱，基本滿足加熱溫度場要求。

圖5 鋼軌正火感應器

圖6 感應器磁場仿真

圖7 感應器渦流場仿真

圖8 感應器溫度場仿真

圖9 感應器溫度斷面分布

3 結論

當采用低頻1 100 Hz，高頻2 200 Hz，使用本文設計的感應器對鋼軌感應加熱時，表面溫差控制在100 ℃左右。軌頭、軌腰、軌腳薄厚不一樣，表面溫度與內部溫度不一樣。軌頭內部溫度大于800 ℃呈現帽形覆蓋，但是，軌腳三角區內部溫度低于727 ℃。

軌底三角區內部溫度低于727 ℃，可以通過延長加熱時間，減小電流密度的方法來解決。如果溫度控制在100 ℃以內，可以添加導磁性材料或者重新設計感應器，使磁場分布更均勻。