CN106436500A - 一种磁悬浮用导轨及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮用导轨及其制备方法，导轨包括导轨主体，导轨主体包括刹车面和滑撬面，在导轨主体刹车面和/或滑撬面的表面设有覆层，所述覆层为金属覆层，所述金属覆层焊接在导轨主体上。本发明在导轨的刹车面和滑撬面设置覆层，提高了刹车面和滑撬面的耐磨和防腐性能，且摩擦系数可依据材料成分进行调控，以适配闸片达到制动标准要求；导轨的刹车面和滑撬面设置覆层可以阻碍气体、液体的渗入路径，为受保护金属提供良好的屏蔽保护，增加了磁悬浮钢轨的抗腐蚀能力，延长了使用寿命。

Description

一种磁悬浮用导轨及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮用导轨及其制备方法，特别涉及中低速磁悬浮用的F型导轨及其制备方法，属于轨道交通技术领域。
背景技术
中低速磁悬浮轨道交通是我国具有自主知识产权的新技术，磁悬浮列车的正常时速可达90-100km/h，具有环保性高、安全性好、爬坡能力强、转弯半径小、建设成本低和运营效益好等特点，适用于城市市区、近距离城市间和旅游景区的交通连接，可替代轻轨和地铁。推动中低速磁悬浮列车前进的是安装在列车上的次级(线圈)和安装在F型钢导轨上的初级(铝感应板)相互作用推动磁浮列车前进。磁浮列车的悬浮磁铁与F型钢导轨之间保持着8.0mm的间隙，车载悬浮电磁铁和车载制动器与F型钢导轨的磁极仅留有很小的间隙，它们与F型钢导轨磁极的相互作用，提供实现悬浮功能所需要的电磁力。这样的车辆与轨道的几何位置设计决定了F型钢导轨须处于良好的工作状态，其使用性能直接影响着整车的技术性能指标及运行的经济性能指标。
中低速磁悬浮列车的轨道与普通轮轨不同，它采用F型钢导轨，其轨排加工、安装精度和轨道线型直接影响列车运行平稳性。以国内首条拥有完全自主知识产权的中低速磁浮线路-长沙磁浮快线为例，所用F型钢导轨材质为Q235D，布氏硬度为156，这是基于其良好的磁学性能(饱和磁密约为1.4T)，但为此所牺牲的是F型钢导轨的硬度，以及由此所造成的耐磨性差。传统的轨道交通用钢轨一般是不进行防腐涂装处理的，但对于中低速磁悬浮钢轨，由于设计服役寿命长，工况环境复杂，工程设计要求进行防腐涂装，常采用防腐油漆涂料以适应中低速磁悬浮钢轨的工作条件。
正是基于当前F型钢导轨的基体耐磨性差，以及表面的防腐油漆涂料的涂装处理，引起闸片的刹车困难，降低了磁浮列车的制动性能。故而提出一种磁浮列车用F型钢导轨耐磨防腐覆层的制备方法来解决以上所提出的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是，磁悬浮导轨的涂装处理后所导致的列车刹车困难，同时导轨上的涂装容易被破坏失去防腐效果；另外，还有很重要的一个问题是，由于受到工程造价和工期等多种因素的限制，必须要通过相对经济易行的方式去解决上述问题。
针对上述技术问题，本发明的技术方案是，提供一种磁悬浮用导轨，导轨包括导轨主体，导轨主体包括刹车面和滑撬面，在导轨主体刹车面和/或滑撬面的表面设有覆层。
中低速磁悬浮列车的制动方式常常选择机械制动，以F型导轨为例，列车制动时，刹车闸片在F型导轨的刹车面上摩擦制动；由于制动后，列车下部的滑撬与导轨接触并在导轨上滑行，所以刹车面、滑撬面表面需要具有耐磨作用的覆层来避免轨道主体的磨损和破坏。
优选地，所述覆层为金属覆层。
优选地，所述金属覆层为铁基合金或镍基合金覆层，简称Fe(Ni)基覆层。本发明所述Fe(Ni)基覆层是指具有耐磨防腐性能的合金带材。可按照现有常规的使用方法使用，如焊接在导轨主体上。
优选地，所述金属覆层可以为商品化的金属合金薄带材，如不锈钢。
优选地，所述金属覆层通过阻焊或堆焊固定在导轨主体上，且刹车面和滑撬面覆层材料成分可不同。
优选地，所述金属覆层的成分可自主研发设计，通过成分调节可调控硬度为HRC35-55，耐腐蚀性优于304不锈钢，且刹车面的覆层可与通用的刹车片相适配，或作相应的调整，以降低运行成本。
通过对比分析，通过电阻焊将不锈钢带或不锈钢条焊接在导轨主体上，是目前经济有效的方法。
优选地，所述导轨主体的表面设有防腐涂层或防腐合金层，如油漆、锌基或铝基合金层。
优选地，所述导轨主体为F型导轨。本发明所述的F型钢导轨是指磁悬浮轨道用的导轨，由F型钢材制成，是磁悬浮轨道交通技术领域常用的型材部件。如目前长沙磁悬浮使用的就是F型钢导轨。
优选地，所述滑撬面的表面覆层厚度为0.1-5mm，优选0.3-3mm。由于列车行驶时，滑撬面与导轨的距离为8毫米，所以直接在导轨主体上设置覆层不能过厚，以免影响机车的正常行驶。
优选地，所述刹车面的表面覆层厚度为0.1-8mm，优选0.3-3mm。由于刹车面的磨损相对严重，所以可以设置相对厚一点的覆层。可以保证在导轨设计使用寿命的期限内不需更换覆层。
优选地，所述覆层的宽度为1-20cm，进一步优选为2-10cm，更进一步优选为4-6cm。
本发明进一步提供一种磁悬浮钢导轨的制备方法，以对F型钢导轨和Fe(Ni)基覆层为例，包括如下步骤：
(1)对F型钢导轨和Fe(Ni)基覆层材料的焊接表面用丙酮清洗残留的油污，并进行喷砂粗化处理，磨料可选用SiC，清除其表面的附着物以及锈蚀和氧化层。
(2)清理完成后，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊焊接Fe(Ni)基覆层。由于覆层的主要目的是耐磨，同时兼有防腐的作用，所以也可以称为耐磨防腐覆层。Fe(Ni)基覆层也可以称为Fe(Ni)基耐磨防腐覆层。耐磨防腐覆层选择Fe(Ni)基合金带材，用于试验的刹车面覆层的带材尺寸为1000mm×40mm×3mm，滑撬面覆层的带材尺寸为1000mm×60mm×3mm。
(3)焊接完Fe(Ni)基覆层材料后，对整个导轨主体进行防腐层的制备；可以喷涂有机的油漆涂料；也可以喷涂合金(如锌基合金或铝基合金)，当然在喷涂完合金后需要进行封孔处理，如用氟碳树脂封孔。
根据本发明优选地，所述刹车面处的导轨主体与金属覆层的厚度比、以及滑撬面处的导轨主体与金属覆层的厚度比均为10:1以上。
根据本发明优选地，所述的步骤(1)中对F型钢导轨和Fe(Ni)基覆层材料焊接面的表面采用喷砂清洁预处理，喷砂选用12目石英砂，喷砂空气压力0.7MPa，喷砂距离150mm，使得清理后的F型钢导轨表面和Fe(Ni)基覆层材料的焊接面干燥、无灰尘、无油脂、无污垢和无锈斑附着物。喷砂处理后的基体表面要求粗糙、均匀，清洁等级达到Sa 3.0，表面粗糙度Rz为70-100μm。
根据本发明优选地，所述的步骤(2)中对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊焊接Fe(Ni)基耐磨防腐覆层采用非等厚材料阻焊工艺的方法。
进一步优选地，步骤(2)中，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊Fe(Ni)基耐磨防腐覆层的焊接选用适于非等厚材料阻焊的球形电极，以获得大厚度比的非等厚材料的阻焊工艺参数。
进一步优选地，步骤(2)中，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊Fe基覆层，Fe基覆层的成分(wt％)为：C：≤0.085，Si：≤1.05，Mn：≤2.1，Cr：16.8-21.5，Ni：6.7-11.8，S：≤0.035，P：≤0.038，Fe为余量。
进一步优选地，步骤(2)中，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊Ni基覆层，Ni基覆层材料的成分(wt％)为：Si：≤0.70，Cr：13.0-18.0，Mo：4.2-6.5，Al：2.3-3.8，Fe：7.8-12.5，Ti：1.2-2.8，Ni为余量。
进一步优选地，步骤(2)中，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊焊接Fe(Ni)基耐磨防腐覆层的焊点分布疏密可调，可根据F型钢导轨的工况要求来进行设计，如为防止覆层边缘实际使用时可能出现的掀边现象，阻焊时可将覆层边缘的焊点设计相应密一些，以增强覆层与F型钢导轨的结合性能。
进一步优选地，步骤(2)中，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊焊接Fe(Ni)基耐磨防腐覆层，覆层与F型钢导轨的抗拉剪力可根据设计要求来进行调节，对覆层表面单位平方厘米的焊点数目进行设计，通过对焊点数目的调节来调控抗拉剪力大小。
进一步优选地，步骤(2)中，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊焊接Fe(Ni)基耐磨防腐覆层，可借助机器人自动化操作工艺实现连续作业，保证了焊接性能的均匀一致性和质量稳定性，极大的提高了工作效率，降低生产成本。
进一步优选地，步骤(2)中，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊焊接Fe(Ni)基耐磨防腐覆层，覆层的硬度、摩擦系数和防腐年限取决于覆层材料的成分设计，因而可根据实际工程要求来进行合理选择覆层材料成分，以满足上述参数要求。
进一步优选地，步骤(2)中，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊焊接Fe(Ni)基耐磨防腐覆层，基于覆层的硬度和摩擦系数取决于覆层材料的成分设计，从而扩大了与覆层匹配的闸片的选择范围。通过合理的选择覆层材料成分，可与铸铁闸片进行匹配，经济可靠，从某种程度上降低了闸片的选材成本。
进一步优选地，步骤(2)中，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊焊接Fe(Ni)基耐磨防腐覆层时为纠正非等厚材料焊接时易出现的熔核偏移现象，采用硬规范，即大焊接电流，短焊接时间。本工艺采用的焊接电流为3.5-3.8kA，焊接时间为23-25ms。
进一步优选地，步骤(2)中，对F型钢导轨的刹车面和滑撬面阻焊焊接Fe(Ni)基耐磨防腐覆层时鉴于考虑焊点压痕不允许过深和熔核易偏移等因素，Fe(Ni)基覆层材料薄件采用小直径球形电极以增大电流密度减少热量损失，电极端面呈现球形以保证形成平滑浅薄的压痕不致影响外观尺寸，以确保焊接性。
完成步骤(2)所述的F型钢导轨表面Fe(Ni)基耐磨防腐覆层的制备后，对Fe(Ni)基覆层进行磨削处理，清除表面毛刺以确保表面光洁，按现有技术即可。
本发明的F型钢导轨表面Fe(Ni)基耐磨防腐覆层的制备工艺标准化方便于工厂企业防护涂装和标准化装配，改变以往由现场涂漆施工，现场装配操作的工艺路线，改善了涂装的施工环境。在F型钢导轨耐磨表面进行机器人自动化阻焊Fe(Ni)基耐磨防腐覆层的制备，改善了现有F型钢导轨刹车面和滑撬面的耐磨和防腐性，极大的提高了工作效率，保证了覆层焊接性能的均匀性和稳定性。Fe(Ni)基覆层同时还可以阻碍气体、液体的渗入路径，为受保护金属提供良好的屏蔽保护，保护基体材料不受外界环境的破坏。
本发明的有益效果是：
1、本发明在导轨的刹车面和滑撬面设置覆层，提高了刹车面和滑撬面的耐磨和防腐性能，且摩擦系数可依据材料成分进行调控，以适配闸片达到制动标准要求。
2、本发明导轨的刹车面和滑撬面设置覆层可以阻碍气体、液体的渗入路径，为受保护金属提供良好的屏蔽保护，增加了磁悬浮钢轨的抗腐蚀能力，延长了使用寿命。
3、本发明可采用的制备工艺标准化以便于工厂防护涂装和标准化装配，改变了以往由现场涂漆施工，现场装配操作的工艺路线，使得工艺更加简便。
4、本发明的工艺改善了施工环境，缩短了施工周期，降低了工程成本，以阻焊Fe(Ni)基耐磨防腐合金材料方式提高刹车面和滑撬面的耐磨和防腐性能，以屏蔽保护方式阻碍大气水腐蚀，双重效应对中低速磁悬浮F型钢导轨进行长效防护，延长了F型钢导轨的使用寿命。
附图说明
图1表示本发明的导轨横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的导轨横截面示意图如图1所示，图中，黑色实线部分围成的、未填充的结构为导轨主体，1表示导轨主体的滑撬面，2表示导轨主体的刹车面，内外两侧都属于刹车面，3表示覆层。
此导轨的制备方法如下：
(1)对F型钢导轨和不锈钢防护材料的焊接表面用丙酮清洗残留的油污，并进行喷砂粗化处理，磨料选用SiC，清除其表面的附着物以及锈蚀和氧化层。
采用射吸式喷砂设备对基体表面进行喷砂预处理，喷砂选用12目石英砂，喷砂空气压力0.7MPa，喷砂距离150mm，喷枪喷出的压缩空气清洁、干燥，相对湿度小于20％。使得清理后的F型钢导轨表面和不锈钢防护层的焊接面干燥、无灰尘、无油脂、无污垢和无锈斑附着物。喷砂处理后的基体表面要求粗糙、均匀，清洁等级达到Sa 3.0，表面粗糙度Rz为70-100μm。
(2)清理完成后，对F型钢导轨的刹车面1和滑撬面2点焊焊接不锈钢防护层。
采用DTB-100型点焊机对F型钢导轨的刹车面2和滑撬面1进行非等厚材料点焊焊接，焊接厚度比为13:1，所采用的合金薄带为304不锈钢带材，尺寸为1000mm×40mm×3mm。焊接时选用适于非等厚点焊的球形电极，以获得大厚度比的非等厚材料的点焊工艺参数。
焊接时采用网格法对不锈钢防护层的焊点分布进行均匀设计，即在不锈钢带长度方向均分100等分，宽度方向均分4等分，焊点均匀分布于网格中心点位置。
点焊焊接不锈钢防护层时为纠正非等厚材料焊接时易出现的熔核偏移现象，需采用硬规范工艺，即大焊接电流，短焊接时间。焊接工艺参数如下：
鉴于考虑焊点压痕不允许过深和熔核易偏移等因素，不锈钢薄件采用小直径球形电极以增大电流密度而减少热量损失，电极端面呈现球形以保证形成平滑浅薄的压痕不致影响外观尺寸，进而对刹车面两侧不锈钢带材进行同时焊接，以确保焊接性。
(3)完成不锈钢防护层的制备，除刹车面和滑撬面外焊接覆层处外，对F型钢导轨主体部分喷涂制备高性能Zn基合金涂层，涂层厚度为0.3-0.4mm。
为保证喷涂面的清洁性，用压缩空气吹扫喷涂面，以防残渣遗留表面。采用QD8-4D型电弧喷涂设备制备Zn基合金涂层，喷涂材料选用直径的Zn基合金丝材。
电弧喷涂工艺参数为：
(4)完成上述的F型钢导轨主体表面的喷涂防护处理后，进行氟碳树脂的封孔处理，长效防腐年限可达50年。对不锈钢面层进行磨削后处理，如带材掩盖部分螺栓孔，清除表面毛刺以确保表面光洁。对热喷涂高性能Zn基合金涂层的表面进行封孔处理，使涂层表面的大部分孔隙和粗糙外层的孔隙都得以填充和封闭，达到对基体兼有牺牲阳极和隔离屏蔽的双重保护作用。

Claims (10)

1.一种磁悬浮用导轨，导轨包括导轨主体，导轨主体包括刹车面和滑撬面，其特征在于，在导轨主体刹车面和/或滑撬面的表面设有覆层，所述覆层为金属覆层，所述金属覆层焊接在导轨主体上。
2.如权利要求1所述的导轨，其特征在于，所述金属覆层为铁基合金或镍基合金覆层。
3.如权利要求1所述的导轨，其特征在于，所述焊接为阻焊或堆焊。
4.如权利要求1-3任一项所述的导轨，其特征在于，所述导轨主体的表面设有防腐层，防腐层为油漆层或合金层。
5.如权利要求1-3任一项所述的导轨，其特征在于，所述导轨主体为F型导轨。
6.如权利要求1-3任一项所述的导轨，其特征在于，所述滑撬面的表面覆层厚度为0.1-5mm；所述刹车面的表面覆层厚度为0.1-8mm；所述覆层的宽度为1-20cm。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的导轨的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）清洗金属覆层的表面、导轨主体的刹车面和/或滑撬面，并进行喷砂粗化处理；
（2）将金属覆层焊接在导轨主体的刹车面和/或滑撬面的表面；
（3）对导轨主体喷涂油漆层或合金层；
（4）对合金层进行油漆涂料的封孔处理。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述刹车面处的导轨主体与金属覆层的厚度比、以及滑撬面处的导轨主体与金属覆层的厚度比均为10:1以上。
9.如权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，焊接为电阻焊，焊接工艺参数为：焊接电流为3.5-3.8 kA，焊接时间为23-25 ms。
10.如权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，金属覆层为铁基合金或镍基合金覆层，按质量百分含量计，铁基合金覆层的材料成分为：C：≤0.085，Si：≤1.05，Mn：≤2.1，Cr：16.8-21.5，Ni：6.7-11.8，S：≤0.035，P：≤0.038，Fe为余量；镍基合金覆层的材料成分为Si：≤0.70，Cr：13.0-18.0，Mo：4.2-6.5，Al：2.3-3.8，Fe：7.8-12.5，Ti：1.2-2.8，Ni为余量。
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