轨枕螺栓快速更换成套装置的研制

中国铁路南昌局集团有限公司 科学技术研究所 黄 杰

引言

目前，固定在混凝土轨枕上的钢轨扣件通常采用锚固螺栓加以固定。锚固螺栓是连接钢轨及枕木的重要组件，其作用是确保钢轨与枕木之间的可靠连接，阻止钢轨相对于枕木的横向及纵向移动，并在列车运行动力作用下充分发挥减震作用，缓解路线残余变形的积累，确保轨距正常[1]。铁制螺栓由于长期经受日晒雨淋及列车运行震动，极易锈蚀、断裂，必须及时更换，否则存在行车安全隐患。锚固螺栓通常都是采用硫磺锚固剂作为介质锚固在轨枕上，该方式锚固附着力强、硬度高、抗拔力及绝缘性均很好但导致了更换螺栓时取出旧螺栓非常困难。因此，锚固螺栓的更换成了困扰工务部门的一道难题。

我局工务部门更换混凝土轨枕锚固螺栓时通常采用空心钻头钻取的方式进行改锚作业，这种作业方式存在钻头容易卡阻断裂、不能立即锚固、损伤轨枕、工人劳动强度大、技术要求高、作业效率低、抗拔力难以达到要求等缺陷。因此，研制出一套满足现场作业要求并且高效的改锚装置是非常有必要的。

1.感应加热系统工作原理

电磁感应加热技术来源于法拉第的电磁感应原理，也就是交变的电流能产生交变的磁场，该交变的磁场使导体中磁通量发生变化从而在其中产生感应电流，使导体产生热量，也即涡流加热原理。电磁感应加热技术在20世纪初首先应用于工业领域，这种加热技术由于加热效率高、节能环保无污染、加热速度快、加热均匀品质好、使用寿命长、安全性好、自动化程度高等优点而得到大力迅速的发展[2]。

感应加热系统一般由整流器（AC-DC）、滤波器（FILTER）、逆变器（DC-AC）、负载谐振回路（RESONANT TANK）、保护控制模块组成[3]。原理图如图1所示：

图1 感应加热系统框图

2.系统设计

2.1 磁感应加热装置整体结构

由于锚固剂在160℃以上即可融化，又与锚固螺栓紧密接触，故可通过加热锚固螺栓的方式来对锚固剂间接加热。我们采用电磁感应加热方式将铁质螺栓快速加热至600℃以上，利用热传导将螺栓根部的锚固剂融化，从而将螺栓取出，其整体结构设计如图2所示：

图2 加热装置整体结构图

加热装置主要由频率转换电路和电磁转换装置（图二右侧部分）组成，频率转换电路产生20KHz～50KHz的高频交流电，电磁转换装置将高频交流电转换为快速变化的磁场，由于导磁材料的作用，导磁材料与放置在⑤处的螺栓组成了一个磁回路，确保绝大部分磁场都能通过螺栓，故保证了加热效率，起到快速加热螺栓的作用。

2.2 频率转换电路设计

2.2.1 供电电路设计

系统稳定工作需要稳定的电源电路，并且兼顾功耗。因此电源部分采用了一级反激拓扑来实现，同时还可以做到输入、输出电压之间的隔离。供电电路的总体功能框图如图3所示。

图3 供电电路的总体功能框图

电源设计的一个重点就是控制环路的设计，控制电路稳定性的好坏直接决定着开关电源启动特性、输入电压跃变响应特性、负载跃变响应特性、高低温稳定性、生产和调试难易度。在设计中对反馈电路进行了合理的补偿，并通过MATLAB仿真，使环路稳定性达到要求。同时对具体的功能模块电路进行了设计和仿真，达到了设计目标。

2.2.2 IGBT驱动电路设计

IGBT为绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），它是利用MOSFET和BJT的优点组合起来的，既利用了MOSFET的栅极电压控制晶体管（高输入阻抗），又利用了BJT的双载流子达到大电流（低导通压降），从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于交流电机、变频器、开关电源等领域，故在本系统中我们采用IGBT作为功率开关管。为使IGBT稳定的工作，必须设计稳定的开关驱动电路，下图4为针对本系统设计的IGBT驱动电路。PWM1和PWM2为单片机输出的3.3VPWM信号，而IGBT的典型驱动电压为15V，故在单片机的输出和IGBT之间应设计电压放大电路、功率放大电路及半桥驱动器。电压放大电路将3.3V的PWM信号转换为同相的15VPWM信号；功率放大电路由两个三极管构成的，将15VPWM信号转为恒压输出，直接作为半桥驱动器的输入；半桥驱动器我们选用落木源电子的TX-KD301，该驱动器是采用自给电源技术的隔离驱动器，输出波形稳定且输出功率为1W/路，可稳定的驱动两路IGBT功率管，满足本设计的要求。

图4 IGBT驱动电路

2.2.3 谐振电路设计

对于1000W功率，输出恒定电流的驱动电源，前面需要独立的电源对整个系统供电，那么后级功率部分可采用半桥谐振拓扑结构的变换器来实现，下面对方案进行分析。

图5 传统的半桥变换器

图5 所示的是传统的半桥变换器[4]，在传统的半桥PWM隔离变换器中开关管都是硬关断，即使使用非对称绕组半桥变换器达到开关管的零电压开启，也不能做到使关断损耗降低，当工作频率提高时，开关损耗也会随之提高，限制了系统的效率和功率密度。为了提高开关变换器的效率和功率密度等性能，我们必须设计一种能兼顾高效率和高频率的拓扑结构来解决这些关键问题。

目前常用的谐振变换电路有串联谐振（SRC）、串并联谐振（SPRC，也叫LCC谐振）以及并联谐振（PRC），这是三种主要的谐振拓扑结构。谐振变换利用了LC谐振网络使能量反复利用，达到软开关的效果，大大降低了开关损耗。由于其开关损耗非常低，因而能够工作在高频状态。在本设计中我们采用LLC谐振变换电路作为系统的主拓扑结构。

图6 LLC谐振变换器图及直流增益特性

图6为LLC谐振变换器原理图及LLC谐振变换的直流增益特性，分为零电压工作区和零电流工作区。这种变换器有两个谐振频率，计算公式如下：

对于输入电压为400V的工作情况，工作频率可以设计放在谐振频率fr1处。其中，fr1为Cr、Lr串联谐振腔的谐振频率。当输入电压下降时，可以降低工作频率来获得较大的增益。通过设计合适的谐振参数，可以让LLC谐振变换器在各种条件下都能工作在零电压工作区。因此采用LLC谐振变换电路作为系统的主拓扑结构具有高效率、高功率密度、系统稳定性好、EMI噪声少等特点。

2.3 电磁转换装置设计

电磁转换装置是将电能转换为磁能的器件，将磁能全部集中在螺栓上是最为理想的。另外，在保证加热效率的同时还应考虑以下问题：

（1）加热时螺栓温度很高，转换装置需耐高温。

（2）操作人员在操作的时候避免接触高温，必须做隔热处理和强化处理。

（3）加工精度和材料选用的问题。

通过反复设计和实验，设计的电磁转换装置如图3的右图所示，主要由导磁体、高温线圈、绝缘隔热外壳及填充层等组成。当线圈内有电流通过时，导磁体可以把高频交流电产生的磁场集中在导磁体内部，并且磁场方向和磁场大小将不停变换，即产生交变磁场。当导体处于该交变磁场即处于图二中的⑤处时，导体将产生感应电流，并在涡电流作用下迅速发热，因此该装置可用于加热任意形状的导体。

为了控制转换装置表面温度在人体能接受的范围，并且确保使用时的人身安全。外壳的材质使用了耐高温及高强度的环氧树脂材料，在线圈和外壳之间采用了橡胶填充层，并且采用灌封方式进行填充，可以有效的防水和保护线圈，确保了使用安全。经过反复测试改进，转换装置表面温度在60度左右，达到了使用要求。

2.4 锚固剂加热装置设计

目前改锚作业时，锚固剂的加热采用现场明火加热的方式。现场明火加热对环境造成破坏的同时也会对线路造成安全隐患，另外明火加热无法控制加热温度（过高的温度会导致锚固剂的性能下降）。针对这些问题，我们设计了一套锚固剂保温加热装置。

加热装置采用耐腐蚀且热传导能力强的材料作为内胆，用特制加热底板对内胆进行加热。内胆与外壳之间填充一层隔热保温材料，起到隔热保温的作用。采用高精度温度传感器控制加热的温度，防止温度过高导致锚固剂性能的改变。该装置提高了现场作业效率，具有高效环保的特点。

3.样机研制及使用情况

3.1 样机研制情况

经过对功能模块的反复实验测试，我们研制出了单加热头和双加热头的磁感应加热装置。单加热头主机可接一个电磁转换装置，对单根螺栓加热，峰值功率为1500W；双加热头主机可接两个电磁转换装置，同时对两根螺栓加热，作业效率相对更高，峰值功率为3000W。电磁转换装置即加热头经过多次测试修改，最终也达到了设计要求。

3.2 现场使用情况

经过现场试用，加热到1分钟左右时，螺栓温度即可达到600℃左右，锚固剂开始熔化并燃烧；持续加热到1分半钟时，采取间歇式加热，保持螺栓温度在600℃左右；加热到6分钟左右，螺栓已完全松动，可用钳子将螺栓取出。经反复测试，单加热头取锚时间在6分钟左右，如果采用双加热头主机，则平均时间在3分钟左右。如果采用多机作业，则取锚时间可进一步降低。

4.结束语

混凝土轨枕螺栓的更换是工务线路部门的一项重要工作，由于螺栓腐蚀问题日趋严重，使用过去传统的改锚设备已经不能满足要求，需要采用新的设备及作业方式来提高维护效率和水平。本设备填补了使用热熔式取锚的空白，对保证行车安全，保护现场操作人员的安全，减轻劳动强度起到很好的作用。经现场专业人员试用，本套装置具有携带方便、操作简单、总更换时间短、工作效率高、操作界面清晰、显示直观、能自动化运行等特点。与现有的机械式取锚机相比有较大的优势，具有推广使用价值。

[1]王佳亮,姜荣超.铁路混凝土轨枕硫磺锚固螺栓拔出用金刚石取芯钻头[J].超硬材料工程,2009,21(3):1-4.

[2]王军元.现代电磁炉的优良性能及技术展望[J].现代家电,2002,(3):59-60.

[3]潘如峰.高频感应加热电源技术的研究[D].杭州:浙江大学,2004:12.

[4]吴红奎.IGBT基础与应用实务[M].北京:科学出版社,2010.

[5]郭成富,程周礼.铁路工务作业指导书[M].北京:中国铁道出版社,2012.