鋼軌跟端熱處理自動化生產線

馬曉磊，謝曉陽，陳林，彭都都

1.中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100

2.湖南智匯科技有限公司 湖南株洲 412000

1 序言

目前，國內鐵路道岔制造廠鋼軌根端壓形加熱設備大多采用的是電阻爐加熱模式，無論是加熱效率還是節能環保方面都無法滿足現在的生產需求。鋼軌跟端熱處理自動化生產線利用鍛造根端余熱進行二次感應加熱，較之傳統的電阻爐生產效率提高4倍以上[1]，節能方面比電阻爐提高30%以上，因此使用感應加熱爐替代電阻爐實現自動化生產已成為必然趨勢。

另外，還有許多廠上下料完全靠工人吊裝完成，造成人工成本增加，且存在一定的安全隱患，生產效率低。現設計的熱處理自動化生產線不僅可以取代電阻爐所有工序，實現自動化上下料，且突出的作用在于實現了鋼軌加熱段的長度一致性，避免了出現熱影響區長度不一而影響產品質量的問題[2]。

湖南智匯科技有限公司經過多年來行業制造技術積累，以及在全國多地鋼軌制造加工商如中鐵山橋集團、中鐵寶橋集團、鐵建重工集團等企業調研，根據新鐵標要求，通過吸收、引進、消化、發展，對現有的鋼軌正火工藝改進、設備結構重新設計，實現了上下料全部由機械手及運動機構完成的自動化生產線，配合自主研發的IGBT中頻數字化智能電源，可實現恒溫、曲線升溫、定頻、調頻、恒功以及溫度曲線可編輯式的強大控制功能，加上根據用戶產品特點、工藝設計制造的感應加熱爐，保證了鋼軌加熱的均勻性和熱效應效果。

目前，常用鋼軌類型有60kg/m-50kg/m、50kg/m-43kg/m、60AT1-60kg/m、60AT1-75kg/m、60AT2-60kg/m、50AT1-50kg/m，特殊鋼軌類型有60E1A1-60E1、UIC54/54E1等。

2 生產線整體組成及工作流程

鋼軌跟端熱處理[3]自動化生產線主要由自動輸送料系統（上料架、橫向推料機構、縱向送料機構、伺服液壓夾鉗送料機構、下料架）、IGBT中頻數字智能電源、感應加熱系統、自動恒壓智能噴風系統、RTS機械手及安全防護欄等組成，其自動化生產線布局如圖1所示。

圖1 自動化生產線布局

生產線工作流程：上料架將鋼軌推至橫向送料架，橫向推料機構將鋼軌推至加熱預備工位并定位，伺服液壓夾鉗裝置將到達備料區鋼軌夾緊送入感應加熱爐，然后感應加熱爐開始加熱至目標溫度，加熱完成后液壓夾鉗裝置將鋼軌拉出至噴風區開始噴風冷卻。冷卻完成后，液壓夾鉗將鋼軌橫向推至下料架，正火結束，所有動作均自動完成，生產節拍為12min。

2.1 自動輸送料系統

自動輸送料系統主要由上料架、橫向推料機構、縱向送料機構、伺服液壓夾鉗送料機構、下料架組合而成（見圖2）。整套系統的優勢在于取代了人工送料工序，創新設計在于輸送的每一根鋼軌的平行度都在一個范圍之內，減少了因料不整齊導致機械故障。機構自動化程度高達70%～80%，為現場操作人員帶來了便捷，減少了事故風險。

（1）上料架 由料架、液壓缸、滾輪等組成。主要起存放鋼軌的作用，液壓缸將擺放好的鋼軌從上料架推至橫向推料撥塊撥料區，拉線開關檢測距離并定位，實現了自動推料功能。

圖2 自動輸送料系統

（2）橫向送料機構 由料架、液壓缸、滾輪組成。特點在于使用了交錯分布的滾輪與軌底多點接觸，避免了鋼軌軌底劃傷的問題，采用液壓缸的形式將撥塊推動，撥塊將鋼軌推至液壓夾鉗夾持區。

（3）縱向送料機構 由輥輪、骨架、液壓缸等組成。機構帶有光電傳感器，用于檢測鋼軌的有無，縱向送料機構配合夾鉗送料機構將鋼軌送入感應加熱爐中。

（4）伺服液壓夾鉗送料機構 由液壓缸、伺服變頻電動機、齒輪齒條、夾鉗及導向滑軌等組成。液壓缸對夾鉗提供動力，使其對鋼軌進行有力夾持，其運動靠電動機驅動夾鉗底座的齒輪齒條將鋼軌送入感應加熱爐中，通過拉線開關信號確定位置，實現精準定位。

（5）下料架 由滾輪、骨架與緩沖墊塊等組成。鋼軌移動時通過與輥輪接觸，避免軌底劃傷，下料位帶有2°斜角，利于鋼軌從橫向推料滑出，后面安裝的緩沖墊塊可以減少軌頭與料架的碰撞，避免了軌頭損傷。

2.2 IGBT中頻數字智能電源

IGBT中頻數字智能電源如圖3所示。

圖3 IGBT中頻數字智能電源

（1）電源架構與創新

1）采用IGBT作為開關器件，響應時間快，開通與關斷可自由控制，做到精確控制每一次的輸出能量，開關與通態損耗小，節約能耗，綠色環保。

2）精準的衡溫控制，采用目標溫度閉環控制技術，通過操作界面可自由設定目標溫度、時間及溫度曲線，從而可使產品質量達到理想效果。

3）采用感應加熱電路拓撲里最為先進的IGBT串聯諧振技術，比IGBT并聯節能15%～20%，是目前世界上最為理想的諧振技術，效率可達到98%以上。

（2）技術特點 單路輸出、多路輸出；單機并網、多機并網。

（3）控制負載 透熱爐、熔煉爐、淬火機床、單/多晶硅爐、光纖爐、真空釬焊爐等。

（4）控制方式 PWM移相式，可開環、閉環、恒溫、變溫和曲線控溫等。電源標配電網諧波濾波裝置，有效控制電源對電網的諧波污染。

（5）應用系統模塊化集成的特殊設計 整個系統模塊構成：整流模塊、逆變模塊、諧振模塊、主控制單元等，全部采用集成模塊化，并且底部均裝有滑塊，維護時只需松開固定螺栓與連接線，就能通過拉手迅速從柜體滑出，快速更換新的模塊，無需現場維修，可大大提高維護效率。

（6）電源工作原理 該系統為雙重AC-DC-AC的拓撲結構，滿足500kW的輸出功率，AC-DC采用二極管不可控整流，中間采用干膜式電容結構作為支撐電容，DC-AC采用IGBT器件作為開關器件進行逆變橋輸出，逆變部分為單相逆變橋，諧振方式采用串聯諧振，相對于并聯諧振方式節能20%～30%。電源工作原理如圖4所示。

圖4 電源工作原理

2.3 仿形中頻感應加熱爐

仿形中頻感應加熱爐是根據用戶鋼軌外形而設計的，這樣的設計理念在于可以很好地改善加熱均勻性能。中頻感應加熱爐外加導磁體，由于感應加熱爐本身沒有導磁體，感應加熱磁場磁束不集中損失30%以上，因此采取增加導磁體的方式來約束磁場，以提高加熱效率及熱傳遞的均勻性。目前，市面上現有設備加熱不均及效率低的問題，主要是透熱爐結構的原因。爐體本身是由加熱線圈繞制而成，而加熱是通過磁場感應對工件加熱，磁場在開放的環境下是沒有約束的，因此加熱時能耗過大。本方案提出的解決方案是從爐體結構上進行重新設計，在加熱線圈外圍加裝導磁體，對磁場進行約束從而達到降低能耗的目的。經過試驗，工件的溫差控制在±10℃，既達到了提高熱效率的目的，也解決了加熱不均勻性的問題[4-6]。爐膛外部裝有導向裝置，保證鋼軌始終在爐膛預設的最佳位置，防止鋼軌進入感應加熱爐時撞擊爐膛，起到了保護爐膛的作用。

帶導向功能的感應加熱爐如圖5所示 ，其與電阻爐加熱性能對比見表1。

圖5 帶導向功能的感應加熱爐

表1 感應加熱與電阻爐加熱性能對比

生產應用證明，利用鋼軌鍛造跟端余熱二次感應加熱，生產效率比電阻爐提高約4倍，設備占地面積只有電阻爐的16%。另外，感應加熱比電阻爐使用方便、靈活、生產效率高，環境溫度比電阻爐低10℃，感應加熱爐更容易實現自動化生產，目前生產線自動化程度高達70%～80%。

2.4 自動恒壓智能噴風設備

自動恒壓智能噴風設備（見圖6），主要由自動恒壓裝置、噴風盒降噪和均流、噴風盒自動升降、防噪裝置自動升降、熱量排出裝置等結構組成，其功能主要有以下幾個方面。

圖6 自動恒壓智能噴風設備

（1）自動恒壓功能 根據工藝設定所需壓力，控制其壓力精度。特點在于提高了噴風盒的流速、使用合理的分壓、擴大噴風嘴及孔徑，最終達到冷卻速度快、冷卻均勻的目的。

（2）噴風盒降噪和均流功能 傳統的噴風冷卻裝置都存在著噴風時噪聲大的問題。為解決這一問題，從風源流向出發，研究出用填充特殊材料將氣流打亂，在保證每個噴風孔都能均勻噴風的情況下使噪聲降低。

（3）噴風盒自動升降功能 由減速比為1∶24蝸輪蝸桿升降機和減速電動機等組成，機構優勢在于可以根據鋼軌的型號設定噴風盒底部噴嘴到鋼軌表面的最佳距離，以達到冷卻時獲得良好的晶粒組織的作用。

（4）防噪裝置自動升降功能 由升降擋板和氣缸等組成。由于噴風盒在給鋼軌冷卻時噴風的噪聲非常大，針對這一問題，設計了帶有防噪聲及隔熱功能的擋板，其優點在于內置隔聲棉材料，可以有效地隔離噪聲和噴風時產生的熱量，避免噪聲和熱量肆意流動給現場作業和環境帶來影響。升降功能可有效解決工件移動對裝置損壞的風險。

恒壓智能噴風設備性能見表2。

表2 恒壓智能噴風設備性能

3 結束語

1）按照工藝要求制定各種軌型工作流程，整個工藝操作過程由計算機控制系統控制，所有工藝動作自動完成，將生產效率提高至原來的4倍以上，比原來的電阻爐節能30%以上；節約了人工并減輕了操作工的勞動強度，基本上實現了設備自動化，推進了我國智能制造的步伐。

2）設備對鋼軌推入爐膛的長度精準定位控制在±5mm，一是在很大程度上控制了感應加熱時鋼軌熱影響區的長度，解決了以前鋼軌定位控制精度低、加熱不均勻的難題；二是可使工件在極短時間內達到所需的溫度，從而使工件表面氧化和脫碳等加熱缺陷降到很低程度。

3）生產線上下料時間減少至原來的1/3，提高了生產效率，杜絕了安全隱患，解決了鋼軌加熱時長度不一、加熱溫度不足而導致晶體組織不均勻等一系列問題。