一種安全吊運百米重軌用起重電磁鐵系統

2012-12-21 03:44:56供稿史玉林SHIYulin

金屬世界 2012年5期

供稿|史玉林 / SHI Yu-lin

一種安全吊運百米重軌用起重電磁鐵系統

A Specialized Designed Lifting Magnet for System Safty Handling of Hundred Meters Long Track

供稿|史玉林 / SHI Yu-lin

2004 年以來，按照 “引進先進技術、聯合設計生產、打造中國品牌“的要求，通過聯合設計、研究性實驗和國產化實施，經過 7 年多的實踐和探索，我國已掌握了時速 200 ～ 250 km 動車組列車的設計、制造和驗證技術，并自主建立了時速 350 km 動車組的設計、制造和驗證體系。然而，單根鋼軌的長度直接影響著鐵路的提速，因此鐵道部要求新建時速 200 km 以上的客運專線應鋪設百米鋼軌。百米重軌長度較大，鋼軌軋制成功后的吊運過程中容易產生較大的變形，如何不損傷鋼軌還能安全吊運是一個亟待解決的問題。

難點

電磁吊運百米重軌時主要的技術難點有：

（1）電磁吊運使用的吊梁長度較大，撓度大[1]，很容易使掛在吊梁下的電磁鐵底面不在同一平面上，進而使得重軌吊運中各個電磁鐵的吸力不均。

（2）由于重軌本身的與電磁鐵的接觸面積較小，所以在吊運過程中容易出現吸力不足，引起重軌脫落等問題。

吊梁

圖 1 所示為彈簧吊梁結構示意圖。電磁鐵克服氣隙的能力很差，一般在 15 mm 以下。如果電磁鐵在吊運重軌時部分電磁鐵底面不在同一平面上，某塊電磁鐵底面高度相差較大——大于此種電磁鐵克服氣隙的能力，那么在實際吊運時，很容易使此塊電磁鐵不起作用，大大降低吊運重軌的安全系數。

圖 1 彈簧梁三臺電磁鐵聯吊

聯吊

三臺電磁鐵聯吊過程：當電磁鐵 A 底面高于電磁鐵 B、C 時，由于彈簧裝置有一定的收縮范圍，所以在起吊過程中：彈簧裝置 B、C 在被吸物重力的作用下伸長，而彈簧裝置 A 保持自然狀態；當 B、C 伸長量超過氣隙 δ 繼續伸長時，彈簧裝置 A 開始伸長；當彈簧合力等于被吸物重量時物料被吊起。這時彈簧裝置 A、B、C 雖然受力情況不同，但是在一定程度上緩解了部分電磁鐵底面不在同一平面上所帶來的缺陷。

電磁鐵

由于目前吊梁設計的局限性，加上機械加工過程中存在一定的加工誤差，常導致部分電磁鐵底面不在同一平面上。為了彌補這一不足情況，必須依靠增大電磁鐵的吸力和透磁深度（電磁鐵克服氣隙的能力）來保證百米重軌的吊運安全。

重軌化學成分一般為：ω [C] =0.65 % ～ 0.75 % ～ ω [Mn] = 0.8 % ～ 1.0 %，ω [Si] = 0.20 % ～ 0.25 %，通常用連鑄大方坯或模鑄來生產。由于材料的飽和磁感應強度的存在，當磁場強度持續增大時，磁性材料內部的磁感應強度會出現保持不變（或者稍微上升）的現象，因此在電磁鐵設計中，不能一味地增大磁場強度。重軌截面具有特殊性（如圖 2 所示），電磁鐵在吊運重軌時，重軌與電磁鐵的接觸面極易飽和。

圖 2 重軌截面圖

圖 3 無極靴時重軌表面磁感應強度分布圖

圖 3 所示為沒有極靴時重軌內部磁感應強度分布圖。電磁鐵的鐵芯處磁感應強度已經高度飽和，漏磁率大大提高，即便繼續提高電磁鐵的安匝數，電磁鐵的吸力也不會提高，但此時如果提高鐵芯與重軌接觸面的面積，就能大大提高電磁鐵的吸力。吸力與 B2S （磁感應強度 B，吸合面面積 S）呈正比關系。在磁感應強度不變的情況下 S 越大吸力越大；而接觸面積太大，磁感應強度就會減小。

如何找到最適合的接觸面面積，理論計算較為復雜，采用有限元計算結果[2,3]，加入不同尺寸規格的極靴寬度時電磁鐵吸力曲線，圖 4 （在電磁鐵的安匝數 NI 一定的情況下）。當 x ＜極靴寬度 ≤ y 時，電磁鐵的吸力 F 隨著極靴寬度的增大吸力隨之增大。當 y ＜極靴寬度＜ z 時，電磁鐵的吸力F隨著極靴寬度的增大吸力隨之減小。因此在極靴的寬度為 y 時電磁鐵發揮了其最大的吸力。圖 5 為電磁鐵在實際工況條件下吊運百米重軌的照片。