CN109413784A - 一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，包括通过线路依次连接的涡流感应检测器(5)、电磁加热控温执行器(1)、励磁电源(2)和电磁加热器，所述的电磁加热器包括轴式电磁加热器(3)和盘式电磁加热器(4)，所述的轴式电磁加热器(3)非接触的设于车轮轴上方，所述的盘式电磁加热器(4)非接触的设于车轮轮面一侧，所述的电磁加热控温执行器(1)向励磁电源(2)发出指令，励磁电源(2)根据接收到的指令控制轴式电磁加热器(3)和盘式电磁加热器(4)分别对车轮轴和车轮进行电磁加热。与现有技术相比，本发明具有结构精简、适应性强、控制精确可靠、应用范围广等优点。

Description

一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置

技术领域

本发明涉及列车运行安全保障设备领域，尤其是涉及一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置。

背景技术

我国低温地区开行列车日益增多，面临着低温环境下车辆运行安全的考验。从我国采暖规范中统计的部分地区的和历史上出现过的极端最低温度，极端气温-53.3℃～46.4℃，全国有十五省、直辖市最低温度低于-20℃。钢质轮对在低温环境下的力学性能与常温下有所不同，引起钢材料的屈服强度、极限强度、冲击韧性下降，使得钢构件的破坏强度、破坏截面收缩率、钢的断裂强度等力学性能指标在低温下均发生变化，最终使得钢质轮发生脆性破坏。

钢质轮对不仅承受重载，在车辆运行中还承受冲击载荷和交变载荷，受力极其复杂。研究结果表明，列车运行速度超过120km/h后的动力学条件发生显著变化，加剧了轮对和钢轨因疲劳、剥离等引发的失效问题。在一般条件下所设计的结构、材质满足机械性能要求。而在低温下，轮对材料力学性能发生变化，引起轮对破坏可分为延性断裂破坏和脆性断裂破坏。延性断裂常伴有较大变形，容易被发现而及早采取措施予以制止。而脆性断裂前则无任何征兆，因而破坏往往是灾难性的。钢质轮对中脆性断裂事故总数虽然极少发现，但随着对轮对轻量化要求以及车速提高引起各种载荷谱变化，轮对发生脆性断裂也并非绝无仅有，由于其严重的破坏后果将引起人们极大的注意。

因此，现阶段为延长构件低温时的寿命，总是尽可能采用高的低温冲击韧性材料。但实际情况却是，尽管采用了高韧性材料，随着温度的降低，裂纹萌生的频次仍然明显增加，这表明不可能仅是冲击韧性与裂纹萌生相关。因此可见低温断裂频次增加的原因就不仅与冲击韧性下降有关，还与疲劳强度下降有关。

钢材脆性断裂并不是简单的低温度引起裂纹或断裂的问题，不同载荷以及不同低温程度下对钢质轮对主要力学指标和对疲劳性能有不同影响。研究表明低温将使材料屈服强度和极限强度提高,屈服强度提高速度大于极限强度。低温条件下突出表现为降低材料韧性，很大程度影响轮对疲劳性能，尤其在不同结构钢质轮对、不同细节位置上会出现不同原因引起的缺陷。

针对机车和列车轮对要在低温运行条件下保持原来轮对的使用性能，一方面加强材料的低温性能的稳定性，这需要包括材料、冶炼、热处理等众多学科综合研究，成本极高且现有水平很难在极端低温下材质有所突破。并且不同的低温条件钢材各项力学性能表现出不同特性，很难达到最合理的综合性能；另一方面在运行过程中，采取加热升温方法控制轮对在任何低温环境条件下达到轮对材料理化性能、机械性能稳定的适宜温度，可以在低温环境下保持机车和列车轮对安全服役，并且实现成本较低。将比较彻底解决低温或超低温下钢质轮对产生的问题，应用前景可观。

目前国内外对钢构件加热方式仍普遍采用电热圈(电阻丝)加热，通过接触传导方式把热量传到物件，其弊端之一是只有紧靠在物件表面的热量传导到材料，外侧的热量大部分散失到空气中，存在热传导损失、效率低，并导致周围部件或环境温度上升；之二是功率密度低，在一些要求深入内部的、温度均匀稳定的、并且可以根据环境条件控制温度加热的场合就无法适应，最关键的是高速旋转轮对难以实现接触加热。另一种对电器和设备的加热方式是设置密闭箱体，用红外加热装置加热，这对于高速旋转的轮对加热是无用的。

电磁加热技术是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的技术，提出非接触式轮对电磁加热方案，电磁控制器产生高速变化磁场，当磁场内的磁力线通过旋转轮对时在构件体内产生涡流发热，从而达到加热轮对的效果。热量聚集于钢质轮对内部，最大程度减少热交换、保温性强。发热效率高，加热均匀，能显著减少升温时间，温度保持在很小波动范围，可控性强、使用寿命长、无需维修等优点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，包括通过线路依次连接的涡流感应检测器、电磁加热控温执行器、励磁电源和电磁加热器，所述的电磁加热器包括轴式电磁加热器和盘式电磁加热器，所述的轴式电磁加热器非接触的设于车轮轴上方，所述的盘式电磁加热器非接触的设于车轮轮面一侧，所述的电磁加热控温执行器向励磁电源发出指令，励磁电源根据接收到的指令控制轴式电磁加热器和盘式电磁加热器分别对车轮轴和车轮进行电磁加热，所述的涡流感应检测器非接触的设于车轮轴和车轮上，涡流感应检测器实时检测车轮处和车轮轴处的温度数据并将该数据反馈给电磁加热控温执行器，电磁加热控温执行器将数据处理后再次向励磁电源发出指令实现实时的反馈控制。

进一步地，所述的电磁加热控温执行器包括数据处理单元、微机控制单元和数据采集单元，所述的数据采集单元用于采集涡流感应检测器检测得到的温度数据，并将数据发送给数据处理单元，数据处理单元对接收到的数据进行处理、分析和计算后得到温控的目标值，微机控制单元以温控的目标值为基准向励磁电源发出指令对励磁电源进行实时控制。

进一步地，所述的励磁电源包括功率单元和调节器，所述的功率单元为三相异板式交流发电机，所述的调节器接收微机控制单元的指令并根据指令调整功率单元的输出电流大小。

进一步地，所述的数据处理单元为电脑服务器终端，所述的微机控制单元为基于智能脉冲宽度调制制动的微机控制器，所述的数据采集单元为具有微处理器的传感器，所述的数据采集单元将模拟输入量转换成微机系统所需的数字量，并将该数字量发送给处理单元。

所述的轴式电磁加热器包括线圈铁芯a、轴式支架、磁轭a和接线盒a，所述的轴式支架为长条型盒状结构，其底部设有车轮轴相对应的凹弧面，所述的线圈铁芯a设于轴式支架内部，所述的磁轭a设于轴式支架的顶部，磁轭a用于减少漏磁现象，所述的接线盒a设于磁轭a上方，接线盒a一端与线圈铁芯a连接，另一端与功率单元连接。

所述的盘式电磁加热器包括线圈铁芯b、盘式支架、磁轭b和接线盒b，所述的盘式支架为圆环柱型结构，所述的线圈铁芯b设于轴式支架内部，所述的磁轭b设于轴式支架的顶部，磁轭b用于减少漏磁现象，所述的接线盒b设于磁轭b上方，接线盒b一端与线圈铁芯b连接，另一端与功率单元连接。

进一步地，当车轮或车轴上具有剩余磁场时，微机控制单元向调节器发出指令，调节器控制功率单元发出反向的电流，以此对车轮或车轴上电磁感应区域有剩磁的部位消磁。

进一步地，所述的车轮两侧的轮面和车轮轴的表面敷有铁氧体材料或镀有导电层。

所述的涡流感应检测器包括轴式涡流感应检测器和盘式涡流感应检测器，所述的轴式涡流感应检测器用于检测车轮轴的温度，所述的盘式涡流感应检测器用于检测车轮的温度。

进一步地，所述的轴式涡流感应检测器为截面为矩形的板状结构，其内部线圈由矩形结构的中心开始向外盘绕，相邻线圈间的距离相等。

进一步地，所述的盘式涡流感应检测器为截面为正方形的板状结构，其内部线圈由矩形结构的中心开始向外盘绕，相邻线圈间的距离相等。

所述的盘式支架、轴式支架、盘式涡流感应检测器和轴式涡流感应检测器均通过在列车下方安装支架的方式固定在车轮轮面一侧，盘式支架和盘式涡流感应检测器距车轮的轮面的距离均为15～60mm，轴式支架和轴式涡流感应检测器距离车轴轴面的距离均为13～50mm，列车运行过程中涡流感应检测器需与待检测部位保持足够的安全距离。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、低温对轮对的影响，给高速列车的安全运行带来极大的隐患，甚至发生安全事故，同时也增加了铁路检修成本，采用列车运行加热方法保持轮对在任何低温环境条件下使轮对达到并保持稳定的适宜温度，轮对材料理化性能、机械性能稳定，则可保证原来轮对的使用性能，因此本发明开拓性的提出了一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置。

2、低温环境下列车轮对控温装置包括电磁加热控温执行器和励磁电源，轴式电磁加热器和盘式电磁加热器，采集数据的涡流感应检测器，该结构可适应在不同工况条件下、列车不同位置车辆转向架位置安装测试要求，简单、可靠、实用。

3、低温环境下列车轮对控温装置是一种利用电磁感应原理和组合方案将电能转换为热能的技术，属于非接触式轮对电磁加热方案，解决了高速运行列车最关键的旋转构件材质加热控温难题。

4、低温环境下列车轮对电磁加热控温装置感应加热，热量聚集于钢质轮对内部，最大程度减少热交换、保温性强，发热效率高，加热均匀，能显著减少升温时间，温度保持在很小波动范围，可控性强、使用寿命长、无需维修。

5、低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，根据长轴形的车轴圆弧面和圆盘形车轮侧面，采用轴式电磁加热器和盘式电磁加热器联接起来，同时在电磁加热器对应位置加装涡流感应检测器，形成能适应转向架结构工况的列车轮对电磁加热控温系统。

6、应用涡流感应检测器检测电磁感应涡流数据结合环境温度检测，而不采用常用红外测温器，避免表面温度引起误差，可确定轮对内部材质温度。

7、低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，是根据电磁场电流的趋肤效应，在轮对感应加热区域敷上铁氧体材料或镀上导电层，提高导热效率和避免轮对材质感应区域永久磁化。

8、将电磁加热控温系统应用于低温环境下列车轮对结构性能安全保障上，形成适应不同制式、不同类型、不同等级的列车电磁加热控温系统，并能实现对列车运行部最关键轮对部件性能评估和技术分析。

9、涡流感应检测器检测电磁感应涡流数据结合环境温度检测采集的温度信息，传递到电磁加热控温执行器中进行处理，同时结合环境温度检测，可确定轮对温度，避免表面温度引起误差，实现了适应不同制式、不同类型、不同等级的列车轮对材质里外的温度在一定范围的控制。

附图说明

图1为本发明中低温环境下列车轮对控温装置的整体组成图；

图2为本发明中电磁加热控温执行器的结构示意图；

图3为本发明中励磁电源的结构示意图；

图4为本发明中轴式电磁加热器的结构示意图；

图5为本发明中盘式电磁加热器的结构示意图；

图6为本发明中轴式涡流感应检测器的结构示意图；

图7为本发明中盘式涡流感应检测器的结构示意图。

图中：1、电磁加热控温执行器，2、励磁电源，3、轴式电磁加热器，4、盘式电磁加热器，5、涡流感应检测器，11、数据处理单元，12、微机控制单元，13、数据采集单元，21、功率单元，22、调节器，31、线圈铁芯a，32、轴式支架，33、磁轭a，34、接线盒a，41、线圈铁芯b，42、盘式支架，43、磁轭b，44、接线盒b，51、轴式涡流检测线圈，52、盘式涡流检测线圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

低温环境下列车轮对电磁加热控温装置包括通过线路依次连接的涡流感应检测器5、电磁加热控温执行器1、励磁电源2和电磁加热器，参见图1，所述的电磁加热器包括轴式电磁加热器3和盘式电磁加热器4，所述的轴式电磁加热器3非接触的设于车轮轴上方，所述的盘式电磁加热器4非接触的设于车轮轮面一侧。盘式支架42、轴式支架32、盘式涡流感应检测器52和轴式涡流感应检测器51均通过在列车下方安装支架的方式固定在车轮轮面一侧，盘式支架42和盘式涡流感应检测器52距车轮的轮面的距离均为15～60mm，轴式支架32和轴式涡流感应检测器51距离车轴轴面的距离均为13～50mm。车轮两侧的轮面和车轮轴的表面敷有铁氧体材料或镀有导电层。其中电磁加热控温执行器1包括数据处理单元11、微机控制单元12和数据采集单元13，参见图2。励磁电源2包括功率单元21和调节器22，参见图3，所述的功率单元21为三相异板式交流发电机。

轴式电磁加热器3包括线圈铁芯a 31、轴式支架32、磁轭a 33和接线盒a 34，具体参见图4，所述的轴式支架32为长条型盒状结构，其底部设有车轮轴相对应的凹弧面，所述的线圈铁芯a 31设于轴式支架32内部，所述的磁轭a 33设于轴式支架32的顶部，磁轭a 33用于减少漏磁现象，所述的接线盒a 34设于磁轭a33上方，接线盒a34一端与线圈铁芯a 31连接，另一端与功率单元21连接。盘式电磁加热器4包括线圈铁芯b 41、盘式支架42、磁轭b43和接线盒b 44，所述的盘式支架42为圆环柱型结构，具体参见图5，所述的线圈铁芯b 41设于轴式支架42内部，所述的磁轭b 43设于轴式支架42的顶部，磁轭b 43用于减少漏磁现象，所述的接线盒b 44设于磁轭b 43上方，接线盒b44一端与线圈铁芯b41连接，另一端与功率单元21连接。

涡流感应检测器5包括轴式涡流感应检测器51和盘式涡流感应检测器52，所述的轴式涡流感应检测器51用于检测车轮轴的温度，所述的盘式涡流感应检测器52用于检测车轮的温度。轴式涡流感应检测器51为截面为矩形的板状结构，具体参见图6，其内部线圈由矩形结构的中心开始向外盘绕，相邻线圈间的距离相等。盘式涡流感应检测器52为截面为正方形的板状结构，具体参见图7，其内部线圈由矩形结构的中心开始向外盘绕，相邻线圈间的距离相等。

在运行过程中，电磁加热控温执行器1向励磁电源2发出指令，励磁电源2根据接收到的指令控制轴式电磁加热器3和盘式电磁加热器4分别对车轮轴和车轮进行电磁加热，所述的涡流感应检测器5非接触的设于车轮轴和车轮上，涡流感应检测器5实时检测车轮处和车轮轴处的温度数据并将该数据反馈给电磁加热控温执行器1，电磁加热控温执行器1将数据处理后再次向励磁电源2发出指令实现实时的反馈控制。

在运行过程中，数据处理单元11为电脑服务器终端，所述的微机控制单元12为基于智能脉冲宽度调制制动的微机控制器，所述的数据采集单元13为具有微处理器的传感器，数据采集单元13用于采集涡流感应检测器5检测得到的温度数据，采集单元13将模拟输入量转换成微机系统所需的数字量并将数据发送给数据处理单元11，并将该数字量发送给处理单元11。数据处理单元11对接收到的数据进行处理、分析和计算后得到温控的目标值，微机控制单元12以温控的目标值为基准向调节器22发出指令对调节器22进行实时控制。调节器22接收微机控制单元12的指令并根据指令调整功率单元21的输出电流大小。输出电流大小不同会使得线圈铁芯a31和线圈铁芯b41输出的交变磁场做出相应的变化，交变磁场产生的产生交变的电流进一步产生变化，以此进行程序性的加热过程。

当车轮或车轴上具有剩余磁场时，微机控制单元12向调节器22发出指令，调节器22控制功率单元21发出反向的电流，以此对车轮或车轴上电磁感应区域有剩磁的部位消磁。

Claims (10)

1.一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，包括通过线路依次连接的涡流感应检测器(5)、电磁加热控温执行器(1)、励磁电源(2)和电磁加热器，所述的电磁加热器包括轴式电磁加热器(3)和盘式电磁加热器(4)，所述的轴式电磁加热器(3)非接触的设于车轮轴上方，所述的盘式电磁加热器(4)非接触的设于车轮轮面一侧，所述的电磁加热控温执行器(1)向励磁电源(2)发出指令，励磁电源(2)根据接收到的指令控制轴式电磁加热器(3)和盘式电磁加热器(4)分别对车轮轴和车轮进行电磁加热，所述的涡流感应检测器(5)非接触的设于车轮轴和车轮上，涡流感应检测器(5)实时检测车轮处和车轮轴处的温度数据并将该数据反馈给电磁加热控温执行器(1)，电磁加热控温执行器(1)将数据处理后再次向励磁电源(2)发出指令实现实时的反馈控制。

2.根据权利要求1所述的一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，所述的电磁加热控温执行器(1)包括数据处理单元(11)、微机控制单元(12)和数据采集单元(13)，所述的数据采集单元(13)用于采集涡流感应检测器(5)检测得到的温度数据，并将数据发送给数据处理单元(11)，数据处理单元(11)对接收到的数据进行处理、分析和计算后得到温控的目标值，微机控制单元(12)以温控的目标值为基准向励磁电源(2)发出指令对励磁电源(2)进行实时控制。

3.根据权利要求2所述的一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，所述的励磁电源(2)包括功率单元(21)和调节器(22)，所述的功率单元(21)为三相异板式交流发电机，所述的调节器(22)接收微机控制单元(12)的指令并根据指令调整功率单元(21)的输出电流大小。

4.根据权利要求3所述的一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，所述的数据处理单元(11)为电脑服务器终端，所述的微机控制单元(12)为基于智能脉冲宽度调制制动的微机控制器，所述的数据采集单元(13)为具有微处理器的传感器，所述的数据采集单元(13)将模拟输入量转换成微机系统所需的数字量，并将该数字量发送给处理单元(11)。

5.根据权利要求1所述的一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，所述的轴式电磁加热器(3)包括线圈铁芯a(31)、轴式支架(32)、磁轭a(33)和接线盒a(34)，所述的轴式支架(32)为长条型盒状结构，其底部设有车轮轴相对应的凹弧面，所述的线圈铁芯a(31)设于轴式支架(32)内部，所述的磁轭a(33)设于轴式支架(32)的顶部，磁轭a(33)用于减少漏磁现象，所述的接线盒a(34)设于磁轭a(33)上方，接线盒a(34)一端与线圈铁芯a(31)连接，另一端与功率单元(21)连接。

6.根据权利要求1所述的一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，所述的盘式电磁加热器(4)包括线圈铁芯b(41)、盘式支架(42)、磁轭b(43)和接线盒b(44)，所述的盘式支架(42)为圆环柱型结构，所述的线圈铁芯b(41)设于轴式支架(42)内部，所述的磁轭b(43)设于轴式支架(42)的顶部，磁轭b(43)用于减少漏磁现象，所述的接线盒b(44)设于磁轭b(43)上方，接线盒b(44)一端与线圈铁芯b(41)连接，另一端与功率单元(21)连接。

7.根据权利要求1所述的一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，所述的涡流感应检测器(5)包括轴式涡流感应检测器(51)和盘式涡流感应检测器(52)，所述的轴式涡流感应检测器(51)用于检测车轮轴的温度，所述的盘式涡流感应检测器(52)用于检测车轮的温度。

8.根据权利要求7所述的一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，所述的轴式涡流感应检测器(51)为截面为矩形的板状结构，其内部线圈由矩形结构的中心开始向外盘绕，相邻线圈间的距离相等。

9.根据权利要求7所述的一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，所述的盘式涡流感应检测器(52)为截面为正方形的板状结构，其内部线圈由矩形结构的中心开始向外盘绕，相邻线圈间的距离相等。

10.根据权利要求1所述的一种低温环境下列车轮对电磁加热控温装置，其特征在于，所述的盘式支架(42)、轴式支架(32)、盘式涡流感应检测器(52)和轴式涡流感应检测器(51)均通过在列车下方安装支架的方式固定在车轮轮面一侧，盘式支架(42)和盘式涡流感应检测器(52)距车轮的轮面的距离均为15～60mm，轴式支架(32)和轴式涡流感应检测器(51)距离车轴轴面的距离均为13～50mm。