一种钢轨加热方法及系统与流程

1.本发明属于钢轨加热装置技术领域，具体涉及一种钢轨加热方法及系统。


背景技术：

2.在自然环境下，温度的变化会导致钢轨内部产生温度应力，温度应力过大，钢轨容易产生胀轨裂轨，进而影响轨道的使用寿命以及行车安全。因此工务人员在换轨作业时，一般使钢轨温度保持在年平均气温左右。在我国东北、西藏以及新疆北部等冬季寒冷的地区，一年内环境温度有较长时间达不到换轨作业对于轨温的要求，因此在换轨作业前需要对钢轨进行加热。目前，钢轨加热方法有以下几种：国外通常利用混合气体火焰加热法，通过使用火焰枪直接向钢轨表面喷射火焰使钢轨升温，该方法工序简单、易于操作，但是这种方法对钢轨表面伤害较大，容易导致钢轨内部应力不均等缺点。国内常用拉伸机拉伸法和加热贴热传导法，拉伸机开动液压油泵站，驱动拉伸杆拉伸钢轨，改变钢轨温度应力，该方法具有轨温控制准确、受施工环境条件影响较小等特点，但存在操作工序相对复杂、施工时间较长、钢轨内部应力分布不均匀等缺点。而加热贴热传导法是在钢轨表面贴附热阻丝，通过热传导对钢轨进行加热，这种方法具有热传导效率低，温度分布不均等缺点。近几年出现了电磁感应加热方法，该方法是利用电磁装置产生交变磁通，在钢轨内产生感应电动势，从而产生涡流使钢轨发热。该方法的热转化效率高，但其存在成本高、电磁头易损坏、加热距离有限、操作不便等缺点，因此未被大量实际应用。


技术实现要素：

3.基于上述技术问题，本发明提出一种钢轨加热方法及系统，利用低电压大电流方式加热钢轨，使整个钢轨加热部分受热均匀，解决现有加热方式钢轨整体受热不均匀或是操作过程繁琐等问题。
4.本发明采用如下技术方案：一种钢轨加热方法，包括如下步骤：步骤一：计算将钢轨温度从升至所需吸收的总能量所需吸收的总能量式中：为钢轨的比热容，为每米钢轨的重量，为钢轨长度，为钢轨初始温度，为钢轨目标温度，步骤二：设定钢轨加热时间为；步骤三：计算钢轨等效总电阻zg式中：z
gr
为钢轨等效交流电阻；z
gl
为钢轨等效内感抗；步骤四：计算串联回路中电流：
；步骤五：确定铜导线半径：铜导线横截面积：式中：为到铜导线载流容量；铜导线半径：步骤六：计算铜导线总电阻铜导线集肤深度：式中：为交流电频率；为铜导线相对磁导率；为真空磁导率；为铜导线的电导率；为圆周率；铜导线交流电阻：式中：为铜导线长度；为铜导线半径；铜导线感抗：铜导线总电阻：；步骤七：计算隔离变压器参数隔离变压器总功率：隔离变压器输出电压：步骤八：确定供电电源额定功率确定供电电源额定功率，步骤九：按照计算出的供电电源额定功率为钢轨加热。
5.进一步地，所述步骤三中钢轨两端施加正弦交流电，通电后钢轨产生内感抗，钢轨集肤深度：
式中：为交流电频率；为钢轨相对磁导率；为真空磁导率；为钢轨的电导率；为圆周率；钢轨直流电阻：式中：为钢轨等效半径；钢轨等效交流电阻：钢轨等效内感抗：。
6.一种钢轨加热系统，所述系统包括发电机、温控单元、隔离变压器、铜导线、钢轨夹具、温度传感器，所述发电机与隔离变压器经温控单元相连，铜导线的一端与隔离变压器相连，铜导线另一端与钢轨两端经钢轨夹具相连，钢轨上设有温度传感器，所述温度传感器与温控单元相连。
7.进一步地，所述系统还包括保温壳体，所述保温壳体覆盖于钢轨上，用于为钢轨保温。
8.进一步地，所述温控单元包括主控模块、存储模块、电源模块、采集模块、人机交互模块、控制模块，存储模块、电源模块、按键模块，人机交互模块与主控模块相连，按键模块与人机交互模块及主控模块相连，主控模块的输入与采集模块相连，主控模块的输出与控制模块相连，控制模块与发电机相连，温度传感器与采集模块相连；温控单元接收到温度传感器的温度信息，在人机交互界面上显示当前温度信息，温控单元接收到按键模块输入的钢轨加热的目标温度，温控单元判断目标温度是否大于当前温度，如果目标温度大于当前温度，则启动控制模块控制发电机为钢轨加热，否则继续等待用户设置目标温度。
9.本发明的优点与效果是：本发明的钢轨加热方法及系统，利用低电压大电流方式加热钢轨，使整个钢轨加热部分受热均匀，解决现有加热方式钢轨整体受热不均匀或是操作过程繁琐等问题。操作人员无触电风险。系统可实时查看钢轨当前温度，手动设置加热温度，使钢轨提升至所需温度，该系统操作简单，成本低。发电机、铜导线、保温壳体、夹具等部分均可独立拆卸，方便操作与搬运。
附图说明
10.图1为本发明的钢轨加热方法的流程图；图2为本发明钢轨加热系统结构示意图；图3为温控单元原理框图；图4为温控单元控制流程图。
11.图中部件：1为发电机、2为温控单元、3为隔离变压器、4为铜导线、5为钢轨夹具、6为温度传感器、7为钢轨、8为保温壳体。
具体实施方式
12.下面结合附图及实施例对本发明做进一步解释。
13.本发明为一种钢轨加热方法及系统，该系统主要由发电机、隔离变压器、温控单元、温度传感器、保温壳体、铜导线以及钢轨夹具等部分组成。使用发电机作为供电电源，提供正弦交流电给隔离变压器，隔离变压器将输入电压转化为低于人体安全电压的交流电，用于加热钢轨，保障现场施工人员用电安全。本发明采用钢轨本体式加热方法，钢轨内部具有一定内阻，将钢轨作为加热载体，采用夹具固定铜导线与钢轨，使铜导线、钢轨及隔离变压器形成串联回路，在钢轨内部产生大电流，利用电流热效应使钢轨升温。采用保温壳体对钢轨进行保温，减少热量的散失，缩短加热时间；采用温度传感器实时采集钢轨温度，供作业人员查看钢轨温度信息；采用温升控制单元，设置目标温度后，实时对比钢轨实际温度值及目标温度值，当实际温度等于目标温度时，停止供电电源输出，实现温度反馈控制。
14.所述的钢轨加热方法如图1所示，包括如下步骤：一种钢轨加热方法，包括如下步骤：步骤一：计算将钢轨温度从升至所需吸收的总能量所需吸收的总能量式中：为钢轨的比热容，为每米钢轨的重量，为钢轨长度，为钢轨初始温度，为钢轨目标温度，步骤二：设定钢轨加热时间为；步骤三：计算钢轨等效总电阻zg式中：z
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为钢轨等效交流电阻；z
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为钢轨等效内感抗；钢轨两端施加正弦交流电，通电后钢轨产生内感抗，钢轨集肤深度：式中：为交流电频率；为钢轨相对磁导率；为真空磁导率；为钢轨的电导率；为圆周率；钢轨直流电阻：式中：为钢轨等效半径；钢轨等效交流电阻：钢轨等效内感抗：。
15.步骤四：计算串联回路中电流：
；步骤五：确定铜导线半径：铜导线横截面积：式中：为到铜导线载流容量；铜导线半径：步骤六：计算铜导线总电阻铜导线集肤深度：式中：为交流电频率；为铜导线相对磁导率；为真空磁导率；为铜导线的电导率；为圆周率；铜导线交流电阻：式中：为铜导线长度；为铜导线半径；铜导线感抗：铜导线总电阻：；步骤七：计算隔离变压器参数隔离变压器总功率：隔离变压器输出电压：步骤八：确定供电电源额定功率确定供电电源额定功率，步骤九：按照计算出的供电电源额定功率为钢轨加热。
16.一种钢轨加热系统，如图2所述所述系统包括发电机1、温控单元2、隔离变压器3、铜导线4、钢轨夹具5、温度传感器6，所述发电机1与隔离变压器3经温控单元2相连，铜导线4的一端与隔离变压器3相连，铜导线4另一端与钢轨两端经钢轨夹具5相连，钢轨7上设有温度传感器6，所述温度传感器6与温控单元2相连。所述系统还包括保温壳体8，所述保温壳体8覆盖于钢轨7上，用于为钢轨保温。
17.如图3所示，所述温控单元包括主控模块、存储模块、电源模块、采集模块、人机交互模块、控制模块，存储模块、电源模块、按键模块，人机交互模块与主控模块相连，按键模块与人机交互模块及主控模块相连，主控模块的输入与采集模块相连，主控模块的输出与控制模块相连，控制模块与发电机相连。如图4所示，温度传感器与采集模块相连；温控单元接收到温度传感器的温度信息，在人机交互界面上显示当前温度信息，温控单元接收到按键模块输入的钢轨加热的目标温度，温控单元判断目标温度是否大于当前温度，如果目标温度大于当前温度，则启动控制模块控制发电机为钢轨加热，否则继续等待用户设置目标温度。
18.实施例1针对60kg/m的钢轨，每段基本轨长度为12.5m，东北地区冬季寒冷气温约为-20℃。本实施例使用50hz交流电加热12.5m长的60kg/m型钢轨为例，将轨温从-20℃加热至20℃。查询60kg/m型钢轨计算需使用的相关参数：查询60kg/m型钢轨计算需使用的相关参数：具体实施步骤如下：步骤一：计算将钢轨温度从升至所需吸收的总能量所需吸收的总能量式中：为钢轨的比热容，为每米钢轨的重量，为钢轨长度，为钢轨初始温度，为钢轨目标温度。
19.步骤二：设定钢轨加热时间, 铁路工务部门换轨作业时间通常为2h，加热时间通常按照1h计算，因此。
20.步骤三：计算钢轨等效总电阻zg：钢轨两端施加50hz的正弦交流电，通电后钢轨产生内感抗，因此钢轨等效总电阻计算为：钢轨集肤深度式中：为交流电频率；为钢轨相对磁导率；为真空磁导率；为钢轨的电导率；为圆周率；钢轨直流电阻式中：为钢轨等效半径；钢轨等效交流电阻钢轨等效内感抗钢轨等效总电阻步骤四：计算串联回路中电流大小步骤五：确定铜导线半径：根据串联回路中电流大小确定铜导线半径，铜导线半径不能过小，过小阻抗增加，损耗功率；也不能过大，过大体积太大，搬运不方便。
21.按照1mm2铜导线通5a电流计算，铜导线横截面积s：步骤六：计算铜导线总电阻铜导线集肤深度式中：为交流电频率；为铜导线相对磁导率；为真空磁导率；为铜导线的电导率；为圆周率；
铜导线交流电阻式中：为铜导线长度；为铜导线半径。
22.铜导线感抗铜导线总电阻为步骤七：计算隔离变压器参数隔离变压器总功率: 隔离变压器输出电压：步骤八：确定供电电源额定功率pg供电电源额定功率通常要大于隔离变压器功率，因此供电电源功率可设计为步骤九：按照计算出的供电电源额定功率pg为钢轨加热。根据上述参数设计温升控制单元，完成整个钢轨加热控制系统的集成。
23.按照此方法设计完成钢轨加热控制系统，使用时将钢轨串联至钢轨加热控制系统，使用钢轨夹具将铜导线与钢轨固定，输出电压低于人体安全电压，因此铜导线可直接裸露在外无需任何防护，安装保温壳体，将温度传感器密贴钢轨。启动发电机，在人机交互界模块设定加热温度至20℃，隔离变压器输出低电压大电流，钢轨加热控制系统即可将温度加热至所需温度。
24.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。