李 強,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.中國長安汽車集團有限公司重慶青山變速器分公司,重慶402776)
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,就要對焊縫進行熱處理。
通過電磁感應(yīng)加熱方式對鋼軌焊縫進行熱處理是一種普遍使用的方法[1]。軌底角和軌腰因為尺寸較薄,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]。
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)。主要原因為工件形狀不規(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
當(dāng)采用低頻1 100 Hz,高頻2 200 Hz,使用本文設(shè)計的感應(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)計感應(yīng)器,使磁場分布更均勻。