一种安全吊运百米重轨用起重电磁铁系统

供稿|史玉林 / SHI Yu-lin

一种安全吊运百米重轨用起重电磁铁系统

A Specialized Designed Lifting Magnet for System Safty Handling of Hundred Meters Long Track

供稿|史玉林 / SHI Yu-lin

2004 年以来，按照 “引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌“的要求，通过联合设计、研究性实验和国产化实施，经过 7 年多的实践和探索，我国已掌握了时速 200 ～ 250 km 动车组列车的设计、制造和验证技术，并自主建立了时速 350 km 动车组的设计、制造和验证体系。然而，单根钢轨的长度直接影响着铁路的提速，因此铁道部要求新建时速 200 km 以上的客运专线应铺设百米钢轨。百米重轨长度较大，钢轨轧制成功后的吊运过程中容易产生较大的变形，如何不损伤钢轨还能安全吊运是一个亟待解决的问题。

难 点

电磁吊运百米重轨时主要的技术难点有：

（1） 电磁吊运使用的吊梁长度较大，挠度大[1]，很容易使挂在吊梁下的电磁铁底面不在同一平面上，进而使得重轨吊运中各个电磁铁的吸力不均。

（2） 由于重轨本身的与电磁铁的接触面积较小，所以在吊运过程中容易出现吸力不足，引起重轨脱落等问题。

吊 梁

图 1 所示为弹簧吊梁结构示意图。电磁铁克服气隙的能力很差，一般在 15 mm 以下。如果电磁铁在吊运重轨时部分电磁铁底面不在同一平面上，某块电磁铁底面高度相差较大——大于此种电磁铁克服气隙的能力，那么在实际吊运时，很容易使此块电磁铁不起作用，大大降低吊运重轨的安全系数。

图 1 弹簧梁三台电磁铁联吊

联 吊

三台电磁铁联吊过程：当电磁铁 A 底面高于电磁铁 B、C 时，由于弹簧装置有一定的收缩范围，所以在起吊过程中：弹簧装置 B、C 在被吸物重力的作用下伸长，而弹簧装置 A 保持自然状态；当 B、C 伸长量超过气隙 δ 继续伸长时，弹簧装置 A 开始伸长；当弹簧合力等于被吸物重量时物料被吊起。这时弹簧装置 A、B、C 虽然受力情况不同，但是在一定程度上缓解了部分电磁铁底面不在同一平面上所带来的缺陷。

电磁铁

由于目前吊梁设计的局限性，加上机械加工过程中存在一定的加工误差，常导致部分电磁铁底面不在同一平面上。为了弥补这一不足情况，必须依靠增大电磁铁的吸力和透磁深度 （电磁铁克服气隙的能力） 来保证百米重轨的吊运安全。

重轨化学成分一般为：ω [C] =0.65 % ～ 0.75 % ～ ω [Mn] = 0.8 % ～ 1.0 %，ω [Si] = 0.20 % ～ 0.25 %，通常用连铸大方坯或模铸来生产。由于材料的饱和磁感应强度的存在，当磁场强度持续增大时，磁性材料内部的磁感应强度会出现保持不变 （或者稍微上升） 的现象，因此在电磁铁设计中，不能一味地增大磁场强度。重轨截面具有特殊性 （如图 2 所示），电磁铁在吊运重轨时，重轨与电磁铁的接触面极易饱和。

图 2 重轨截面图

图 3 无极靴时重轨表面磁感应强度分布图

图 3 所示为没有极靴时重轨内部磁感应强度分布图。电磁铁的铁芯处磁感应强度已经高度饱和，漏磁率大大提高，即便继续提高电磁铁的安匝数，电磁铁的吸力也不会提高，但此时如果提高铁芯与重轨接触面的面积，就能大大提高电磁铁的吸力。吸力与 B2S （磁感应强度 B，吸合面面积 S） 呈正比关系。在磁感应强度不变的情况下 S 越大吸力越大；而接触面积太大，磁感应强度就会减小。

如何找到最适合的接触面面积，理论计算较为复杂，采用有限元计算结果[2,3]，加入不同尺寸规格的极靴宽度时电磁铁吸力曲线，图 4 （在电磁铁的安匝数 NI 一定的情况下）。当 x ＜ 极靴宽度 ≤ y 时，电磁铁的吸力 F 随着极靴宽度的增大吸力随之增大。当 y ＜ 极靴宽度 ＜ z 时，电磁铁的吸力F随着极靴宽度的增大吸力随之减小。因此在极靴的宽度为 y 时电磁铁发挥了其最大的吸力。图 5 为电磁铁在实际工况条件下吊运百米重轨的照片。

图 4 加入不同极靴宽度的电磁铁吸力曲线

图 5 电磁铁吊运百米重轨照片

[1] 闫俊慧．一种长钢轨专用的起重吊具．机械工程与自动化，2009（5）： 163-164

[2] 金建铭．电磁场有限元方法．王建国，译．西安：西安电子科技大学出版社1997

[3]付文智，李明哲，崔相吉．准恒力电磁铁的吸力特性研究．机械工程学报, 2003,39（7）： 80-83

内容导读

介绍了一种专门吊运百米重轨起重电磁铁系统，主要解决了目前在吊运长规格重轨时安全系数不够高，易脱落等问题。

沈阳隆基电磁科技股份有限公司，沈阳 113122

史玉林（1983—），男，山西临汾人，硕士，助理工程师，毕业于沈阳化工大学，主要从事电磁铁磁路优化设计方向，E-mail：shiyulin20058@sina.com。