使用红外辐射电灯加热铁路钢轨的移动设备及其相关加热方法与流程

1.本发明涉及加热铁路轨道钢轨，其目的在于将钢轨在固定到铁路枕木上之前中和或预中和钢轨。本发明涉及一种沿轨道移动的移动加热设备，以及一种包括加热钢轨的铺设方法。


背景技术：

2.基于季节和气象条件，铁路轨道钢轨承受显著的温度变化。钢轨在温度升高的作用下倾向于伸展，反之，在温度下降的作用下倾向于收缩。
3.在过去，伸缩缝设置在一段铁路钢轨的连续钢轨之间。而现今，钢轨在非常显著的长度上进行端至端焊接，从而固定在轨道枕木上。在高于年平均温度的环境温度的作用下，无法扩展的钢轨受到压缩力的作用，而枕木则受到倾向于使其彼此分离的力的作用。反之，在低于年平均温度的环境温度的影响下，无法收缩的钢轨受到牵引力，而枕木则受到倾向于使其朝彼此移动的力的作用。
4.如果在铺设过程中没有控制钢轨的温度，则必须在铺设之后进行称为机械“中和”的操作，并且只要这些操作没有完成，就必须限制行驶速度。机械中和包括：切割一段钢轨，其厚度取决于干预时的温度与该位置的“中性”温度之间的差异；拆除该钢轨；在重新紧固螺栓和重新焊接(如果适用)该钢轨之前，使用钢轨拉伸器拉伸该钢轨，以填充切割截面留下的空间。只要没有进行这种中和操作，轨道上的行驶速度就必须受到限制，通常为50公里/小时。应当理解，在中和操作期间以及在铺设钢轨和中和之间的前一阶段，这种工程组织对交通造成了重大中断。
5.直接固定连续加热到接近或等于“中性”温度的钢轨可以在使交通中断最小化方面取得更好的结果。这种操作称为热中和。
6.截至目前为止，实现钢轨连续加热的解决方案需要感应技术。所述方法有可能实现足够精确的加热，以确保钢轨铺设在“中性”温度所需的耐受性范围内。因此，有可能指的是直接精细热中和。然而，该操作所需的材料相对复杂，因为它需要发电机以及冷却电源电路、发电机和电感器。
7.对于需要后续的道碴稳定化的位点，建议采用热“预中和”工艺，该工艺在将钢轨固定到枕木之前，使其达到足够接近该位点的“中性”温度，但不保证达到“中性”温度。这种“预中和”令人感兴趣的是，直接允许在等待上文所述的机械中和操作完成时以80公里/小时而不是50公里/小时的速度行驶。一种用于执行所述热预中和的方法包括用热水喷射钢轨：一种简单的解决方案，但在使用中有缺点，特别是在水的输出、输送和排放方面，这使得它不那么受关注。
8.此外，us6308635建议使用包括碳化硅电加热元件的电辐射加热模块来加热已经铺设在地面上的钢轨，每个碳化硅电加热元件均与专用抛物面反射器相关联。然而，这种设备的性能还未能有据可查。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，并提出一种在铺设速度变化或环境温度变化的过渡时期内功能强大、传输热量精确、反应性强的加热方式。
10.为了实现这一点，根据本发明的第一方面，提出了一种用于加热铁路轨道钢轨的移动设备，其包括：至少一个加热模块，该加热模块包括至少一个加热区和至少一个朝向加热区的辐射热源；以及运输车辆，其用于运输加热模块，该运输车辆能够沿铺设方向沿着铁路轨道行驶，使得在每个时刻，铁路轨道钢轨的未固定在铁路轨道的枕木上的部分沿前进方向通过加热区。以一种独特的方式，加热模块包括至少一个加热单元，该加热单元包括多个红外线辐射电灯以及至少一个主反射器，红外线辐射电灯分布在加热区的周边并朝向加热区，红外辐射电灯中的每一个均包括至少一个辐射源，该辐射源能够发射对于小于2μm，优选地小于1.4μm，非常优选地小于1.2μm，的波长具有最大功率谱密度的红外辐射，主反射器被定向为将由辐射源发射的红外辐射反射到加热区，辐射源被设置在主反射器和加热区之间，直接与加热区相对，加热单元还包括副反射器，该副反射器具有围绕加热区的凹反射表面，并且能够将通过红外辐射电灯之间的反射光返回到加热区。
11.钢轨的吸收率随着波长的减小而增加，至少对于大于0.5μm的波长是如此。选择其辐射峰位于近红外范围(特别是i r
‑
a或ni r)的红外灯比发射中红外或远红外的灯获得更好的吸收。
12.单独主反射器和共用副反射器的存在有可能明显增加输出，从而将由此反射的所述辐射返回到钢轨上。
13.事实上，入射到钢轨上的一部分辐射被反射。这尤其适用于钢轨下方，钢轨下方明亮，其反射率可达到65％。集成在每个红外线灯中的主反射器主要用于将灯发射的辐射导向钢轨，但它也用作副反射器，用于将钢轨先前反射的辐射重新导向钢轨。共用副反射器完成了主反射器的作用以将未被吸收的辐射重新导向钢轨。这一规定使得使用没有连接的灯实现非常好的输出成为可能。
14.所述近红外辐射电灯与铁路铺设工程的推进速度相比具有极快的响应时间，这不仅可以设想预中和操作，而且可以设想精细中和操作。
15.根据一个实施例，加热区的至少一点位于距离红外辐射电灯中的每一个的所述辐射源小于160毫米，优选地小于120毫米，处。
16.根据一个实施例，加热区的至少一个点位于距离副反射器的反射表面的任何一点小于160毫米，优选地小于120毫米，处。
17.根据一个实施例，在加热区的周边上，灯中的至少一些以彼此间隔开的方式分布。根据一个实施例，红外辐射电灯中的至少一些成对连接。
18.为了限制损失，副反射器必须优选地最大限度地包围位于加热区中心的钢轨。因此，优选地可以提供，在通过垂直于前进方向的平面的横截面中，副反射器的反射表面具有角度大于180
°
，优选地大于240
°
，的圆弧形状的横截面或圆形横截面。在通过垂直于前进方向的平面的横截面中，副反射器的反射表面优选地具有小于160毫米，优选地小于120毫米且大于70毫米，优选地大于100毫米的曲率半径。
19.副反射器的反射表面必须优选地在所考虑的光谱区域中表现出显著的反射率。在实践中，优选地选择在0.5μm至2μm的光谱范围内具有大于80％的反射率的反射表面，这可
以以合理的成本实现，特别是在由抛光铝制成的表面的案例下，或者如果适用，在银或金表面的案例下。
20.以类似的方式，希望在0.5μm至2μm的光谱范围内，主反射器的反射率非常高，优选地大于90％。红外辐射电灯中的每一个的主反射器，优选地，均由银或金制成。
21.为了实现每个辐射源向加热区发射的通量的最佳重定向，红外辐射电灯中的每一个的主反射器在与前进方向垂直的截面平面的横截面上呈抛物线形或呈椭圆形或圆弧形。辐射源优选地位于抛物线或椭圆或所述圆弧中心的焦点区域中。
22.在实践中，当波长大于0.7μm时，观测到最大功率谱密度。特别有可能选择近红外线发光的白炽灯作为辐射源。
23.红外辐射电灯的数量优选地大于2，优选地大于4。
24.根据特别容易实现的实施例，副反射器围绕红外辐射电灯。因此，副反射器可以由单件形成，而没有切口。
25.或者，可以提供在红外辐射电灯之间延伸的副反射器。在这种情况下，有必要在副偏转器上提供切口或冲压件，以容纳红外辐射电灯。
26.加热模块的运输车辆优选地包括用于相对于铁路轨道抬高位于加热区中的钢轨部分的装置，以及用于在热输入之后将钢轨部分定位在铁路轨道的枕木上并将该钢轨部分固定在述枕木上的装置。
27.加热模块的运输车辆优选地包括用于相对于轨道抬高位于加热区中的钢轨部分的装置，以及用于在热输入之后、在将该钢轨部分固定在枕木上之前、将该钢轨部分定位在枕木上的装置。如上所述，加热区中的钢轨部分的抬高使得不仅从上面，而且从侧面以及如果适用从下面加热钢轨时能够更好地包围钢轨，以便使在该钢轨部分的周边上的热输入均匀，并使损失最小化。事实上，加热区远离轨道，特别是枕木，这使得使用增加的加热功率(如果适用)，而对轨道没有任何风险成为可能。
28.根据一个实施例，加热模块包括至少两个加热单元，加热单元在前进方向上对齐以限定加热区。加热模块优选地设置有引导装置，用于确保在被引导的加热模块的加热区中的引导钢轨部分，该引导装置优选地包括在钢轨部分上滚动的辊。
29.当然，加热功率必须根据外部条件进行调制，以实现钢轨所需的设定温度。
30.根据一个实施例，多个红外辐射电灯包括至少两个红外辐射电灯，优选地至少四个红外辐射电灯，特别优选地更多个红外辐射电灯。
31.如果适用，可以根据一个或多个控制参数来调整激活的红外辐射电灯的数量。
32.一个或多个控制参数优选地包括以下测量或估计参数中的一个或多个：加热前钢轨部分的温度，加热后钢轨部分的温度，加热过程中钢轨部分的温度，外部环境温度、加热模块的运输车辆的移动速度、钢轨相对于加热设备的移动速度、加热持续时间、加热前钢轨部分的设定温度和测量温度之间的偏差、加热后钢轨部分的设定温度和测量温度之间的偏差、热输入期间钢轨部分的设定温度和测量温度之间的偏差、环境湿度或风速。尤其可以提供以下一个或多个程序：
33.‑
在热输入之后，借助于设置在加热区出口区的区域中或在铺设方向上设置在加热区后面的温度传感器测量钢轨部分的至少一个温度；
34.‑
在热输入之前，借助于设置在加热区入口区的区域中或在铺设方向上设置在加
热区前面的温度传感器测量钢轨部分的至少一个温度；
35.‑
在热输入过程中，借助于设置在加热区内部的温度传感器测量钢轨部分的至少一个温度。
36.为了实现穿过加热区待固定的钢轨部分的可重复定位，尤其可以提供以下一个或多个程序：
37.‑
钢轨部分相对于加热模块的运输车辆的底盘框架被引导，使得钢轨部分在加热模块的运输车辆移动期间穿过加热区。
38.‑
加热模块相对于加热模块的运输车辆的底盘框架被引导，使得钢轨部分在加热模块的运输车辆移动期间穿过加热区。
39.‑
加热模块相对于钢轨部分被引导，优选地使得加热模块在钢轨部分上滚动，使得钢轨部分在加热模块的运输车辆移动期间穿过加热区。
40.根据一个实施例，加热模块的运输车辆在铺设方向上的运动不停止地进行。
41.本发明尤其可用于新轨道的首次铺设，或用于更新或翻新。特别地，并根据本发明的优选方面。
附图说明
42.本发明的其它特征和优点将从下面参照附图给出的描述中变得清楚，其中：
43.图1是使用根据本发明的加热设备、用于铺设铁路轨道钢轨的位点的示意图；
44.图2是图1所示位点的示意性详细视图，其示出了使用本发明的加热设备对待固定钢轨进行加热；
45.图3是根据本发明的加热设备的加热模块的从下面看的示意图；
46.图4是图3所示加热模块的示意性前视图；
47.图5是示出控制图3和图4所示加热模块的示意图；
48.图6是根据第一变型的加热模块的红外辐射灯的示意性前视图；
49.图7是根据第二变型的加热模块的示意性前视图；以及
50.图8是根据第三变型的加热模块的示意性前视图。
51.为了更清楚起见，相同或相似的元件在所有图中用相同的附图标记表示。
具体实施方式
52.图1是更换铁路轨道2场地的全局视图，其中，通过工作列车4(部分示出)，旧钢轨6(前扇区)和旧枕木8被存放，并被新枕木10和新钢轨12取代，所有这些都是随着列车沿着工作方向100前进而持续进行的。工作列车4包括静置在转向架18、20上的货车16，转向架18、20分在工作列车4前部的旧钢轨6和工作列车4后部的新钢轨12上滚动。而工作列车4的中间部分静置在履带22上，在场地的这一部分的轨道2上没有钢轨的情况下，履带22直接在枕木8被存放之前于其上滚动。
53.在该场地的前部，工具使从枕木8中分离旧钢轨6成为可能。渐渐地，在拆卸过程中，旧钢轨6被抬高并放在轨道两侧的镇流器24上。在该位点的前部，旧枕木8暴露出来，这使得可以通过一组堆积工具继续进行堆积，并且可以通过一组铺设工具使用新枕木10来替换。在工作列车4通过之前，设置在轨道2两侧的地面上的新钢轨12被抬高和定位，在铺设到
新枕木10上之前，与轨道2所需几何形状保持一致。在工作列车4通过后，使用拉杆对新钢轨12进行最后的固定。
54.为了防止或限制在更恶劣的气候或气象条件的影响下可能由钢轨12的尺寸变化引起轨道恶化的风险，为新的或已修复的钢轨12提供了通过使所述金属型材达到铺设位置的平均温度，称为“预中和”或“中和”，最终固定在枕木上。
55.出于此目的，铺设新的或已修复的钢轨12的一部分在热调节区28达到设定温度，该热调节区位于一个或多个枕木10上的钢轨的该部分的固定区30上游及附近。当对位点的干预发生在环境温度低于被称为“预中和”或“中和”的设定温度的时刻时，此调节包括钢轨的加热，热调节区28因而成为一个加热区。
56.出于此目的，根据本发明，建议使用如图2至4示意性地所示的加热设备32，该加热设备主要通过近红外热辐射发挥作用。加热设备32包括至少一个加热模块34，该加热模块由工作列车4的货车16中的其中一辆承载。每个加热模块均包括至少一个，并且优选地，如图3所示，至少两个加热单元36，该加热单元定义了一个细长加热区28，该加热区位于距轨道一段距离处并在前进方向200上定向，优选地，与工作列车4的铺设方向100平行。加热区28在前端38处和在后端40处打开，以便允许钢轨12的部分穿过一端38并通过另一端40重新出现。两个加热单元36沿着加热区一个接一个地设置，并且每个均围绕该加热区28(至少部分)。
57.每个加热单元36均包括多个红外辐射电灯42，该些红外辐射电灯分布在加热区28的周边并且朝向加热区28。每盏电灯42均包括灯管44，该灯管与前进方向200平行进行定向，并且包住至少一根灯丝46。灯丝46构成能够发射近红外辐射的辐射源，其对于小于2μm，优选地小于1.4μm，非常优选地小于1.2μm的波长具有最大功率谱密度。该灯管的内凹面上覆盖有高反射性材料，形成第一反射器48，该第一反射器被定向为反射由辐射源46发出的朝向加热区28的辐射，一根或多根灯丝46设置在主反射器48和加热区28之间，该灯丝设置在加热区28的正对面。在通过垂直于前进方向的平面的横截面中，主反射器可以具有恒定的曲率半径。然而，根据不同的实施例，可以使用在通过垂直于前进方向200的平面的横截面中具有抛物面、椭圆形或多焦点轮廓的反射器。灯丝46因此，优选地，通过抛物线或椭圆的焦点。
58.红外辐射电灯42彼此相距一定距离连接或设置，并且每个均平行于前进方向200延伸。每个加热单元36还均包括副反射器50，该副反射器具有由抛光铝制成的凹圆柱形反射表面，该表面包围加热区28和红外辐射电灯42。副反射器50可以是一个完整的圆柱体，其完全围绕加热区28。或者，如果希望保持接近钢轨以引导该钢轨，所述反射器可以是覆盖在垂直于前进方向200的截面上一个大于180
°
，优选地大于240
°
的角度φ的圆柱部分。副反射器50在垂直于前进方向的截面上的曲率半径，优选地，在70毫米至160毫米之间。与前进方向200平行测量的红外辐射电灯42和副反射器50的长度，优选地大于80厘米。
59.引导装置52设置在加热设备的加热区28的入口38处和出口40处，以保证对加热区28中的钢轨12的引导。在该优选实施例中，通过加热区28的钢轨12部分被抬起，即在铺设过程结束时垂直地位于其最终位置上方一段距离处。加热模块34本身能够设置一个或多个致动器54或者被动定位机构，以确保其相对于钢轨12的正确定位，并补偿加热单元36的运输车辆16相对于轨道的期望轨迹的定位变化。引导装置52优选地包括在钢轨12上滚动的辊，
并且，如果适用，该辊支撑加热模块34。
60.温度传感器56位于加热区28的入口38处、加热区28内部、以及加热区28的出口40处，并且如果适用，直接位于固定区30附近。如图5所示，所述温度传感器56连接到控制单元58，该控制单元接收其它传感器60的信号，例如：加热单元36的运输车辆16的速度传感器、待固定钢轨的速度传感器、环境温度传感器、大气压力传感器、和/或环境湿度传感器。控制单元58因此能够测量、估计或计算以下一个或多个参数：加热前待固定钢轨部分的温度、加热后待固定钢轨部分的温度、加热期间待固定钢轨部分的温度、外部环境温度、加热单元16的运输车辆的移动速度、钢轨相对于加热设备的移动速度、由加热设备传递到钢轨部分的热量。
61.此外，控制单元58在存储器中包含设定温度，该设定温度可能已被获取或编程，并代表在固定区30中寻找的“中和”温度的“预中和”，如果适用，则可以确定加热前待固定钢轨部分的设定温度与测量温度之间的偏差、加热后待固定钢轨部分的设定温度与测量温度之间的偏差、或加热期间待固定钢轨部分的设定温度与测量温度之间的偏差。
62.最后，控制单元58连接到电源(电压源或交流或连续电流源)62，该电源与调制设备64相关联以用于调制红外辐射电灯42的电源功率。
63.因此，可以相对连续的方式在标称值附近的范围内调制每个红外辐射电灯42的电功率，例如，在最大值的10％和100％之间，从而改变调制设备58区域中的电流和/或电源电压的振幅和/或频率。在此调制范围之外，通过完全熄灭一些灯42或者甚至一个完整的加热设备36能够获得更大的变化。
64.当加热单元36的运输车辆16沿铺设方向100前进时，待固定钢轨12相对于加热设备28沿相反方向移动，并被引导以使待固定钢轨12的抬起部分每时每刻都通过加热区28。如果适用，加热模块34的定位通过致动器54或定位机构进行调节。确保红外辐射电灯42靠近待固定钢轨12部分，优选地距离小于20厘米，优选地小于10厘米，但不接触。
65.因此，确保在每一时刻并根据加热单元36的运输车辆16的前进，待固定钢轨12部分通过加热区28，在此处，在重新出现在加热区28之前，该待固定钢轨部分由加热单元36加热并被传送到固定区30，该待固定钢轨部分在固定区处铺设到铁路轨道的枕木10上。
66.控制单元54根据上面讨论的全部或一些参数，通过计算算法确定红外线辐射电灯42的数量和/或加热待固定钢轨12所需的电力。
67.通过将红外辐射集中在近红外，以便位于钢轨对辐射的高吸收区域，并设置副反射器，以便将至少50％的未吸收辐射反射到加热区域，该设备的输出显著增加。通过将红外线辐射灯设置在离加热区中轴线较近的地方，并围绕加热区设置红外线辐射灯，限制了对流换热。
68.加热单元的运输车辆在铺设方向上的移动优选地在不停止的情况下进行，其速度实际上大于30mm/s，优选地大于100mm/s。
69.当然，附图中所示和上面讨论的示例仅仅是作为示例而给出，并且是非限制性的。
70.每个电灯均可以包括一个以上的灯丝。如图6所示，特别是可以使用称为孪生的红外辐射电灯，包括两个相邻的灯管和一个共用的主反射器。
71.副反射器可以与灯位于与加热区的中心轴相同的距离处，并在灯之间延伸，以便与主偏转器一起形成准连续的反射表面，辐射不能从该反射表面逸出。出于此目的，如图7
所示，可以设置副反射器50，其壁具有切口150以供红外线辐射电灯42安装用。或者，如图8所示，可以设置副偏转器50，其壁设有凹槽250，例如，通过冲压形成并用于容纳红外辐射电灯42。
72.红外线辐射电灯42的数量及其在各加热单元36中的定位可能会有所不同。如图7和8所示，特别是可以利用钢轨12部分的凸起通过加热区28，以便使至少一部分热辐射定向以到达钢轨的下表面。在这方面，规定。为了允许在多个阶段中进行加热，或者为了实现更大的加热功率，具有在车辆的纵向前进方向上排成一排的多个加热单元36(如图3所示)，或者甚至，具有多个加热模块34(如图2所示)，这也是有利的。排成一排的加热模块34可直接邻近或由等温隔离部分隔开。这些加热模块也可以由在露天中的部分隔开。
73.加热模块的运输车辆可以由工作列车4的货车16形成。该运输车辆也可能是一辆在轮子上的自动车辆或在轨道上前进的履带。
74.如果适用，仅有部分红外线辐射电灯42可能配备有调制设备64。
75.还可提供调制设备64，该调制设备64不是按比例设置，而是在“全有或全无”操作中发挥作用，以关闭或打开与要求相对应的数量的红外线辐射电灯42。还可提供脉冲操作模式，其中一些红外辐射电灯42断断续续照亮。还可提供铰接的加热单元36，以便当需要减少传递到待铺设钢轨12的热量时，能够迅速将这些加热单元移离加热区28。
76.由于红外辐射电灯42非常快速的响应时间，根据本发明的方法不仅可以用于热预中和，而且可以用于直接精细热中和。
77.加热区28钢轨12的前进方向200可相对于铺设方向100略微倾斜，同时与垂直的纵向平面保持大致平行。
78.在一种变体中，在待固定钢轨12已铺设到枕木的同时，可能发生用于待固定钢轨12的加热操作。
79.上述用于铁路轨道翻新、更换钢轨的钢轨加热模式也适用于更换旧钢轨的轨道翻新或首次铺设。