槽型钢轨焊接接头焊后热处理作业系统

宋宏图，丁 韦，李 力，高振坤，张 琪

（1. 中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081；2. 中国铁道科学研究院，北京100081）

槽型钢轨焊接接头焊后热处理作业系统

宋宏图1，丁 韦1，李 力1，高振坤1，张 琪2

（1. 中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081；2. 中国铁道科学研究院，北京100081）

目前我国现代有轨电车的建设正处于快速发展阶段，在无缝线路槽型钢轨焊接过程中创新地采用了移动闪光焊接，并发展出了多种成套的新装备。文章重点介绍了有轨电车用槽型钢轨焊接接头焊后热处理作业系统的工作原理、性能指标和主要结构，说明了其主要功能及应用情况。

有轨电车；槽型钢轨；闪光焊；热处理

0 引言

《2014年中国城市轨道交通市场发展报告》预测2015年中国现代有轨电车新增运营线路里程达133.43 km，新增开工线路里程241.39 km。实际上截止2015年末，上海、天津、广州、南京、沈阳、长春、大连、苏州、淮安等城市建设的现代有轨电车相继开通，总里程161 km，占城轨线路总长的4.5%，开通里程超过了预测量，说明有轨电车的建设热潮正在到来。中国城市轨道交通协会调查表明，各地规划现代有轨电车将在2020年达到2000多km，远景规划8000多km，在此巨大的建设规模下，需要配套高效率、高质量的建设方式，进而提升我国现代有轨电车的整体水平。

1 槽型钢轨焊接现状

钢轨焊接的主要方法有闪光焊、铝热焊、气压焊和电弧焊，而对于有轨电车用槽型钢轨这种具有独特断面的钢轨来讲，其焊接方式主要有闪光焊和铝热焊。这2种焊接方式焊接后的焊接接头作为整个轨道结构的重要组成部分，一起随钢轨埋设于地面之下，使得槽型轨轨面基本与地面平齐，发挥了有轨电车轨道结构的优势。然而焊接接头历来是整个结构的薄弱环节，因此近年来我国创新性地采用了移动闪光焊作为有轨电车线路焊接的主要方式。目前在开通现代有轨电车的城市中，苏州、广州、武汉、北京、淮安、青岛、南京均采用移动闪光焊作为线路的主要焊接手段，其线路质量和接头服役状态明显优于采用铝热焊的几条线路。

使用移动闪光焊进行轨道焊接，主要分为3个过程，焊前准备、焊接和焊后处理。对于焊接过程，通过采用YHG-1200TH 型槽型轨闪光焊机，已基本保证了钢轨焊接接头的焊接质量，但由于槽型钢轨独特的断面特点，其焊后处理方面尚存一定的难度。该难度集中体现在焊后热处理作业方面，槽型轨断面截面分散，传统火焰热处理无法在避免局部过热的情况下达到全断面均匀加热的要求，易造成正火未正透的情况，从而对接头性能产生不利的影响。为克服上述困难研发的YHR-250型有轨电车用槽型轨焊接接头焊后热处理作业系统，已成功用于青岛、汉阳、苏州等多条有轨电车线路焊接过程中。

2 功能特点和工作原理

2.1 功能特点

（1）具有正火热处理功能，通过感应加热和喷风冷却实现接头热处理。

（2）自动控制加热和冷却过程及记录轨头部位温升曲线。

（3）具有钢轨夹持及保压功能。

（4）采用开合式仿形感应加热线圈，便于施工现场装载和拆卸，线圈可针对加热区域进行6向调节。

（5）采用负载自适应电源，具有无级调功、调频功能。

（6）可对线上、线下焊接接头进行热处理作业。

2.2 工作原理

热处理作业系统整车采用工作舱式结构，作业时由轨道车等具有行走机构的铁路工程用车牵引。采用电磁感应加热及喷风冷却方式对钢轨焊接接头进行热处理，其工作原理如图1所示。在正火管理系统中设置工艺参数后，下传到电气控制系统中；电气控制系统根据工艺参数生成控制信号，控制中频电源产生对应频率和功率的电流并传送到正火主机；正火主机对中频电流进行降压和放大，生成强大的电磁场，作用在钢轨焊接接头处，从而实现加热功能；加热完成后电气控制系统根据工艺参数控制风冷系统对高温接头进行喷风冷却，最终实现对钢轨焊接接头的热处理。

图1 工作原理示意图

3 主要技术参数

YHR-250型有轨电车用槽型轨焊接接头焊后热处理作业系统主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

4 主要结构和系统组成

整车由动力舱、操作舱和平车组成。动力舱内装载发电机组，为操作舱内设备提供电力源。操作舱内集成了工作装置、电气系统和液压系统，用于完成热处理作业过程中对位、加热及冷却等过程。YHR-250型有轨电车用槽型轨焊接接头焊后热处理作业系统主要结构如图2所示。系统主要由工作装置、电气系统、液压系统、舱体和平车组成，核心是工作装置和电气系统。

图2 主要结构图

4.1 工作装置

工作装置主要由热处理系统设备和起重机组成。热处理系统设备为该车工作的核心设备，包括正火主机（含保压装置）、中频电源、正火管理系统、水冷装置和风冷装置共5部分。

（1）正火主机包括开合式加热线圈及线圈驱动机构、负载电容、负载变压器、保压及钢轨夹持机构、测温装置和操作面板。在工作过程中，通过正火主机使强大的电磁场作用在钢轨焊接接头处，实现加热处理，同时采集和显示轨头部位的温度信号，并通过保压和夹持机构保护被处理的接头。

（2）中频电源主要包括整流电路、滤波电路和逆变电路3个部分，为正火主机提供所需频率的中频交流电流，其特点是根据负载和设置功率因数的变化，自动调整输出电流和频率的大小，可实现负载自适应及调节频率，有利于提高接头温度的均匀性。

（3）正火管理系统包括硬件和软件2部分，是热处理系统设备运行的控制中心，也是操作人员与设备交流的通道。硬件部分包括工控机、可编程控制器、信号隔离模块和各种传感器，用于采集热处理系统设备中的温度、时间、功率、频率等物理信号，输出设备运行的控制信号，并进行滤波、转换和计算。软件部分包括数据输入/输出、数据处理/存储和管理、数据显示3个方面，用于完成工艺参数的设置和管理、过程数据的实时显示、钢轨焊接接头基本信息的录入和管理、数据曲线的生成和查看、用户权限的管理等功能。

（4）水冷装置包括内循环和外循环2部分。内循环系统通过制冷剂在压缩机、热交换器、冷凝器等部件间循环，降低水箱中的冷却液温度；外循环系统通过冷却液在水箱、水泵、管路和加热器线圈之间循环，对工作过程中的感应加热器进行冷却。内循环系统中设有制冷剂的高低压传感器，在其压力过高或过低时切断压缩机的控制电路，保障水冷装置的安全。外循环系统设有压力开关，在冷水装置不工作的状态下，正火主机和中频电源不会启动并报警。

（5）风冷装置包括空气压缩机、储气罐、过滤器、电磁截止阀、调压阀和风冷喷头，通过对高温接头进行喷风，加快冷却速度，达到细化晶粒、提高接头硬度的目的。

4.2 电气系统

电气控制系统包括弱电和强电2部分，用以实现对该设备中各子系统的控制和电源分配。弱电部分包括操作指令接收及状态显示回路（控制面板）、中频加热控制电路、液压系统主电路和阀门线圈控制电路、水冷装置控制电路、喷风装置控制电路、信号采集电路等，用于控制和监视设备的运行状态。强电部分包括中频感应加热电路和各功能设备运行所需的动力电源的分配回路。中频感应加热电路包括中频电源和正火主机电路，用于完成对钢轨焊接接头的加热过程。功能设备中需动力电源的设备包括主机油泵电机、起重机油泵电机、循环油泵电机、冷却风扇电机、冷水机和空气压缩机。

5 结束语

YHR-250型有轨电车用槽型轨焊接接头焊后热处理作业系统的研制针对有轨电车施工中的迫切需要，解决现场接头的热处理问题，经过现场使用（现场使用方式见图3），完全达到了质量要求，其作业效率和故障率均符合现场需要。

图3 现场使用图

[1] 中国城市轨道交通协会.2015年我国城轨交通线路概况[J]. 现代城市轨道交通，2016（1）：82.

[2] 宋宏图，丁韦，高振坤，等. 钢轨焊接接头焊后热处理、矫直及外形精整综合系统研究[J]. 中国铁路，2012（10）：51-53.

[3] 宋宏图，丁韦，李力，等. 用于线上钢轨焊接接头的焊后处理设备：中国，ZL201120039314.4[P].2011-02-15.

[4] 宋宏图，丁韦，李力，等. 用于线上钢轨焊接接头的焊后处理系统和方法：中国，ZL201110038339.7[P].2012-07-04.

[5] 丁韦，李力，高振坤，等. 一种移动式槽型钢轨闪光焊机：中国，201310199232.X[P].2013-08-08.

责任编辑 孙锐娇

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

中国铁路总公司科技研究开发计划课题项目：铁路施工及维修机具研究——钢轨闪光焊接和感应热处理一体机的研制及焊轨车装用方案的研究（2016G004-G）

宋宏图（1979—），男，副研究员