鋼軌正火感應(yīng)器設(shè)計(jì)

李 強(qiáng)，楊 喆，陳 鴻，來躍深

（1.西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710000；2.空軍軍醫(yī)大學(xué)，陜西 西安710000；3.中國長安汽車集團(tuán)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(jìn)行熱處理。

通過電磁感應(yīng)加熱方式對鋼軌焊縫進(jìn)行熱處理是一種普遍使用的方法[1]。軌底角和軌腰因?yàn)槌叽巛^薄，感應(yīng)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(qū)的尺寸較厚，溫度上升較慢。

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

2 感應(yīng)器設(shè)計(jì)及其仿真

按照某焊軌基地正火感應(yīng)器數(shù)據(jù)，繪制焊軌基地正火感應(yīng)器設(shè)計(jì)圖，如圖1 所示。

圖1 焊軌基地正火感應(yīng)器

通過Maxwell 電磁仿真得到感應(yīng)器磁場分布圖，如圖2所示。

圖2 基地感應(yīng)器磁場仿真

感應(yīng)器渦流場分布如圖3 所示。

圖3 基地感應(yīng)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(yīng)器溫度場仿真

通過仿真發(fā)現(xiàn)：焊軌基地感應(yīng)器對鋼軌進(jìn)行加熱，磁場、渦流場分布不均勻，很難保證軌頭、軌底三角區(qū)與兩個軌腳表層之間溫差在100 ℃內(nèi)。主要原因?yàn)楣ぜ螤畈灰?guī)則，鋼軌軌頭和軌腳三角區(qū)較厚，兩軌腳比較薄。感應(yīng)器設(shè)計(jì)有如下缺陷：一根導(dǎo)線繞出的感應(yīng)器，磁場總是存在兩軌腳處不平衡現(xiàn)象，從設(shè)計(jì)上留下了磁場分布缺陷，影響溫度場分布。

針對鋼軌感應(yīng)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(shè)計(jì)了1 套感應(yīng)器，分上下兩部分，配合使用。感應(yīng)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(yīng)頻率低頻1 100 Hz，高頻2 200 Hz 的頻率參數(shù)，使用deform 軟件感應(yīng)加熱模塊，仿真溫度分布。其鋼軌溫度場如圖8 所示。感應(yīng)器溫度斷面分布如圖9 所示。通過Maxwell 仿真發(fā)現(xiàn)，磁場、渦流場分布均勻，上下結(jié)構(gòu)感應(yīng)器設(shè)計(jì)可以工作。當(dāng)感應(yīng)頻率、電流密度一定時，通過deform溫度場仿真發(fā)現(xiàn)，軌頭、軌底三角區(qū)與兩個軌腳之間溫差基本在100 ℃，鋼軌內(nèi)部溫度加熱速度基本一致。本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)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(yīng)器

圖6 感應(yīng)器磁場仿真

圖7 感應(yīng)器渦流場仿真

圖8 感應(yīng)器溫度場仿真

圖9 感應(yīng)器溫度斷面分布

3 結(jié)論

當(dāng)采用低頻1 100 Hz，高頻2 200 Hz，使用本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)器對鋼軌感應(yīng)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(nèi)部溫度不一樣。軌頭內(nèi)部溫度大于800 ℃呈現(xiàn)帽形覆蓋，但是，軌腳三角區(qū)內(nèi)部溫度低于727 ℃。

軌底三角區(qū)內(nèi)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(nèi)，可以添加導(dǎo)磁性材料或者重新設(shè)計(jì)感應(yīng)器，使磁場分布更均勻。