一種安全吊運(yùn)百米重軌用起重電磁鐵系統(tǒng)

供稿|史玉林 / SHI Yu-lin

一種安全吊運(yùn)百米重軌用起重電磁鐵系統(tǒng)

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(jìn)先進(jìn)技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)、打造中國品牌“的要求，通過聯(lián)合設(shè)計(jì)、研究性實(shí)驗(yàn)和國產(chǎn)化實(shí)施，經(jīng)過 7 年多的實(shí)踐和探索，我國已掌握了時(shí)速 200 ～ 250 km 動(dòng)車組列車的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證技術(shù)，并自主建立了時(shí)速 350 km 動(dòng)車組的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)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(shí)速 200 km 以上的客運(yùn)專線應(yīng)鋪設(shè)百米鋼軌。百米重軌長度較大，鋼軌軋制成功后的吊運(yùn)過程中容易產(chǎn)生較大的變形，如何不損傷鋼軌還能安全吊運(yùn)是一個(gè)亟待解決的問題。

難 點(diǎn)

電磁吊運(yùn)百米重軌時(shí)主要的技術(shù)難點(diǎn)有：

（1） 電磁吊運(yùn)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(jìn)而使得重軌吊運(yùn)中各個(gè)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(yùn)過程中容易出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(yùn)重軌時(shí)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(shí)際吊運(yùn)時(shí)，很容易使此塊電磁鐵不起作用，大大降低吊運(yùn)重軌的安全系數(shù)。

圖 1 彈簧梁三臺電磁鐵聯(lián)吊

聯(lián) 吊

三臺電磁鐵聯(lián)吊過程：當(dāng)電磁鐵 A 底面高于電磁鐵 B、C 時(shí)，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(tài)；當(dāng) B、C 伸長量超過氣隙 δ 繼續(xù)伸長時(shí)，彈簧裝置 A 開始伸長；當(dāng)彈簧合力等于被吸物重量時(shí)物料被吊起。這時(shí)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(shè)計(jì)的局限性，加上機(jī)械加工過程中存在一定的加工誤差，常導(dǎo)致部分電磁鐵底面不在同一平面上。為了彌補(bǔ)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(yùn)安全。

重軌化學(xué)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(chǎn)。由于材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的存在，當(dāng)磁場強(qiáng)度持續(xù)增大時(shí)，磁性材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)保持不變 （或者稍微上升） 的現(xiàn)象，因此在電磁鐵設(shè)計(jì)中，不能一味地增大磁場強(qiáng)度。重軌截面具有特殊性 （如圖 2 所示），電磁鐵在吊運(yùn)重軌時(shí)，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(shí)重軌表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖 3 所示為沒有極靴時(shí)重軌內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。電磁鐵的鐵芯處磁感應(yīng)強(qiáng)度已經(jīng)高度飽和，漏磁率大大提高，即便繼續(xù)提高電磁鐵的安匝數(shù)，電磁鐵的吸力也不會(huì)提高，但此時(shí)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(yīng)強(qiáng)度 B，吸合面面積 S） 呈正比關(guān)系。在磁感應(yīng)強(qiáng)度不變的情況下 S 越大吸力越大；而接觸面積太大，磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)減小。

如何找到最適合的接觸面面積，理論計(jì)算較為復(fù)雜，采用有限元計(jì)算結(jié)果[2,3]，加入不同尺寸規(guī)格的極靴寬度時(shí)電磁鐵吸力曲線，圖 4 （在電磁鐵的安匝數(shù) NI 一定的情況下）。當(dāng) x ＜ 極靴寬度 ≤ y 時(shí)，電磁鐵的吸力 F 隨著極靴寬度的增大吸力隨之增大。當(dāng) y ＜ 極靴寬度 ＜ z 時(shí)，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(shí)電磁鐵發(fā)揮了其最大的吸力。圖 5 為電磁鐵在實(shí)際工況條件下吊運(yùn)百米重軌的照片。

圖 4 加入不同極靴寬度的電磁鐵吸力曲線

圖 5 電磁鐵吊運(yùn)百米重軌照片

[1] 閆俊慧．一種長鋼軌專用的起重吊具．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009（5）： 163-164

[2] 金建銘．電磁場有限元方法．王建國，譯．西安：西安電子科技大學(xué)出版社1997

[3]付文智，李明哲，崔相吉．準(zhǔn)恒力電磁鐵的吸力特性研究．機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2003,39（7）： 80-83

內(nèi)容導(dǎo)讀

介紹了一種專門吊運(yùn)百米重軌起重電磁鐵系統(tǒng)，主要解決了目前在吊運(yùn)長規(guī)格重軌時(shí)安全系數(shù)不夠高，易脫落等問題。

沈陽隆基電磁科技股份有限公司，沈陽 113122

史玉林（1983—），男，山西臨汾人，碩士，助理工程師，畢業(yè)于沈陽化工大學(xué)，主要從事電磁鐵磁路優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，E-mail：shiyulin20058@sina.com。