Установка термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях
Установка термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях относится к области термической обработки сварных соединений, например, длинномерных рельсов и бесстыковых плетей, и может быть использована для устранения зональной структурной неоднородности после сварки на рельсах железнодорожного, городского и промышленного транспорта в путевых условиях. Установка индукционного нагрева для термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях состоит из системы индукторов, закалочного блока, и блока управления системой индукторов и закалочным блоком, а также источника высокочастотного питания. Система индукторов и закалочный блок вместе с указанным блоком управления объединены в единый переносной модуль, выполненный с возможностью свободного перемещения вдоль рельсовой плети, причем система индукторов и закалочный блок связаны с соответствующими механизмами их ручной поочередной установки в рабочее положение по сигналу блока управления. Система индукторов состоит из двух одинаковых электрически соединенных индукторов, и имеют возможность их синхронного поворота вокруг собственной оси посредством рычажного механизма, обеспечивающего их фиксацию, с заданным прилеганием, в термообрабатываемой зоне сварного стыка в рабочем положении, либо разведение на угол, необходимый для установки в этой зоне спрейера, или для съема термообрабатывающего модуля с рельса. Эффективная конструкция индуктора позволила повысить КПД системы, и за счет этого снизить мощность преобразователя частоты до 75 кВт при сохранении времени нагрева в пределах 240 секунд. Закалочный блок, состоящий из спрейера, конструктивно объединенного с системой подачи закалочной среды, установлен на консольном кронштейне с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси посредством рычажного механизма, обеспечивающего его фиксацию в вертикальном (транспортном) или в горизонтальном (рабочем) положении на рельсе; а в качестве закалочной среды используется сжатый воздух. Установка имеет низкие массогабаритные показатели, имеет возможность ручного перемещения с путевой машины на рельсовую плеть, при этом имеет возможность свободного перемещения вдоль рельсовой плети. Значительно снижены себестоимость установки и эксплуатационные расходы, с одновременным повышением качества термической обработки сварных стыков рельсов по сравнению с известной установкой.
Полезная модель относится к области термической обработки сварных соединений, например, длинномерных рельсов и бесстыковых плетей, и может быть использована для устранения зональной структурной неоднородности после сварки на железнодорожном, городском и промышленном транспорте в путевых условиях.
Современные требования к подвижному составу обуславливают рост нагрузки на ось и увеличение скорости движения, что усиливает динамические удары при прохождении стыков рельсов. Прогрессивным направлением усиления верхнего строения пути является замена болтовых стыков сварными. Применение сварки, наряду с увеличением мощности рельсов и термическим их упрочнением, повышением чистоты стали и качества металла, улучшает работу пути и снижает затраты на его содержание. Однако, с увеличением выпуска сварных плетей из новых и старогодных рельсов, внедрением рельсов из электростали и кислородно-конвертерного производства более остро встал вопрос качества сварки.
Сварное соединение состоит из крупнозернистого сорбитообразного перлита и ферритной сетки вокруг зерен и, следовательно, имеет более низкие механические свойства, чем основной металл. Такие сварные рельсы по сравнению с прокатными обладают меньшей пластичностью, вязкостью металла и большей склонностью к хрупким разрушениям.
Эффективный путь устранения зональной структурной неоднородности металла (дефектов) в области сварного соединения при сварке рельсов обычной, повышенной и высокой прочности - дифференцированная термическая обработка, заключающаяся в равномерном нагреве всего сечения рельса в зоне сварного стыка до заданной температуры с последующей закалкой головки рельса путем принудительного охлаждения закалочной средой. В результате такой операции удается существенно повысить усталостную прочность, ударную вязкость при отрицательных температурах, снизить порог хладноломкости и достичь равнопрочности сварного стыка и основного металла рельса. При этом в сварном стыке образуется равновесная мелкозернистая феррит-перлитная смесь, восстанавливается твердость и предел выносливости металла, обеспечивая необходимую пластичность и хрупкую прочность рельсов.
На сети дорог огромное количество стыков сваривают по технологии, включающей контактную сварку, механическую и термическую обработку, дефектоскопирование. Каждая из операций несет определенную ответственность, и несоблюдение или нарушение технологии может привести к браку в стыках. Известны различные устройства
для изготовления бесстыковых путей (SU 1620521, SU933855, GB 1081264), существенным недостатком которых является то, что они не обеспечивают снятия у готовых рельсовых путей остаточных напряжений в местах сварки. В настоящее время, в путевых условиях не производят термическую обработку сварных стыков. Отсутствие данной операции приводит к серьезным последствиям за счет возникновения дефектов, основные из которых, снятие и повышенный износ головки, развитие усталостной трещины в области поджога поверхностного слоя металла сварного стыка.
Известны устройства для термообработки рельсовых плетей перед укладкой, смонтированные на раме железнодорожного транспортного средства (см. описания к авторскому свидетельству СССР №1137376, публ. 30.01.85, и описание патенту RU №2128759, публ. 10.04.1999 г.), с применением низкотемпературного отпуска, в которых обеспечивается нагревание рельсов водяным паром под давлением 10 МПа (100 кг/см 2) с температурой 310°С, подаваемым в зону отпуска при помощи устройства, перемещающегося по этому пути. Эти устройства недостаточно эффективны из-за невозможности обеспечения объемного нагрева в зоне стыка, и как следствие, недостаточного обеспечения усталостной и хрупкой прочности в шейке и подошве, а также твердости металла головки. Кроме того, установка их на место сварки требует применения тяжелой техники: домкратов или манипуляторов, сопряжена с трудностями и занимает много времени.
Известно устройство для нагрева под термообработку, содержащее каркас с газопламенными горелками, коллектор для подвода топлива (см. описание к авторскому свидетельству СССР №1054432, Кл. С 21 D 9/50, 1989 г.). Однако, указанное устройство обеспечивает низкое качество отпуска за счет окисления поверхности сварного соединения, в нем невозможно автоматизировать процесс, трудно обеспечить необходимую скорость охлаждения. Кроме того, поскольку нагрев производится с помощью горелок, необходимо перевозить вместе с данным устройством запасы топлива и коллекторы для его подачи.
Наиболее близкой по функциональному назначению и принципу действия к предлагаемой является индукционная установка для термической обработки сварных стыков рельсов в полевых условиях ИТТ5-250/2.4П разработанная в ЗАО «Царскосельский завод - София» (см. www.bsk.ru/map.php?part=7&rasdel=19, а также полезную модель RU 23078) предусматривающая индукционный нагрев всего сечения рельса в зоне сварного стыка и последующую закалку головки рельса путем охлаждения воздушно-водяной смесью. Шейка и подошва рельса подвергается нормализации (охлаждению на воздухе). В настоящее время существует один образец индукционной
установки типа ИТТ5-250/2,4П для термообработки сварных стыков рельсов в пути в комплексе с передвижной рельсосварочной машиной ПРСМ-4. Эта установка включает в себя тиристорный преобразователь частоты мощностью 250 кВт, формирующий ток частотой 2.4 кГц, трансформаторный и конденсаторный блоки, термообрабатывающий модуль, состоящий из индуктора и закалочного устройства в виде системы форсунок для подачи воздушно-водяной смеси.
Установка располагается на отдельной платформе (базой 9720 мм) с краном, на которой расположено электрооборудование, бак с водой для закалки и рабочий модуль с индукторами.
Основными недостатками установки являются ее громоздкость и большой вес, обуславливающий необходимость специальных приводов для ее установки на место сварного стыка и перемещения ее по рельсу. В результате наличия большого количества электрооборудования, и как следствие, большого расхода электроэнергии (потребляемая мощность установки составляет 250 кВт); а также необходимости перевозить накопители и подающие гидросистемы дистиллированной воды для эффективного охлаждения трансформаторного блока, индукторов и преобразователя частоты, значительно увеличены ее стоимость и эксплуатационные расходы. Форсунки воздушно-водяного распылителя для закалки головки стыка часто засоряются, что приводит к образованию неблагоприятных закалочных структур на поверхности катания. Совокупность данных недостатков препятствует возможности ее использования в составе передвижных рельсосварочных машин, то есть в путевых условиях.
Задача полезной модели - создание установки индукционного нагрева для термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях с низкими массогабаритными показателями, с возможностью ручного перемещения с путевой машины на рельсовую плеть, свободно перемещающуюся вдоль рельсовой плети, с одновременным снижением себестоимости и эксплуатационных расходов, но с повышением качества термической обработки сварных стыков рельсов.
Для решения поставленной задачи разработана установка индукционного нагрева для термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях, состоящая из системы индукторов, закалочного блока, и блока управления системой индукторов и закалочным блоком, а также источника высокочастотного питания, как и прототип. В отличие от прототипа, система индукторов и закалочный блок вместе с указанным блоком управления объединены в единый переносной модуль, выполненный с возможностью свободного перемещения вдоль рельсовой плети, и снабженный ловителями для установки на рельс, а также зажимным устройством для фиксации его в месте сварного
стыка, причем система индукторов и закалочный блок связаны с соответствующими механизмами их ручной поочередной установки в рабочее положение по сигналу блока управления, для чего блок управления связан с датчиками положения индукторов и спрейера, а также - с датчиком температуры.
Система индукторов состоит из двух одинаковых электрически соединенных индукторов, образующих резонансный контур с блоком согласования, и установленных на кронштейнах в виде двух симметричных створок, закрепленных посредством указанных кронштейнов на корпусе модуля с возможностью их синхронного поворота вокруг собственной оси посредством рычажного механизма, обеспечивающего их фиксацию, с заданным прилеганием, в термообрабатываемой зоне сварного стыка в рабочем положении, либо разведение на угол, необходимый для установки в этой зоне спрейера, или для съема термообрабатывающего модуля с рельса.
Эффективная конструкция индуктора позволила повысить КПД системы, и за счет этого снизить мощность преобразователя частоты до 75 кВт при сохранении времени нагрева в пределах 240 секунд.
Закалочный блок, состоящий из спрейера, конструктивно объединенного с системой подачи закалочной среды, установлен на консольном кронштейне с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси посредством рычажного механизма, обеспечивающего его фиксацию в вертикальном (транспортном) или в горизонтальном (рабочем) положении на рельсе; а в качестве закалочной среды используется сжатый воздух.
Использование в качестве закалочной среды сжатого воздуха позволило осуществить более равномерное и стабильное распределение твердости по поверхности катания в зоне сварного соединения, чем при закалке воздушно-водяной смесью, что обусловлено более стабильной работой воздушного закалочного устройства.
Высокочастотный источник питания находится на платформе передвижной рельсосварочной машины. Исполнение высокочастотного источника питания на IGBT транзисторах позволило поднять частоту преобразования до 8-15 кГц и соответственно снизить габариты всей установки.
Такое выполнение установки не требует специальных приводов и механизмов для ее установки на место сварного стыка и перемещения по рельсу, ее можно использовать в составе передвижной рельсосварочной машины (вес модуля не более 50 кг). С помощью такой установки можно производить термообработку сварных стыков рельсов типа Р50, Р65 и Р75, заменяя только индукторы в индукторной системе. Кроме того, установка, посредством блока управления, легко соединяется с микропроцессорным управлением
технологическим процессом, которое обеспечивает автоматизацию процесса термообработки, автоматическое измерение и стабилизацию температуры, ведение протокола с выводом на ПК, визуальное отображение процесса термообработки на дисплее, создание архивов информации и сменных рапортов.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, на которых представлено:
Фиг.1 - общий вид установки в соответствии с данной полезной моделью в изометрии с индукторами в рабочем положении, на Фиг.2 - то же самое при разведенных индукторах, и расположением спрейера в рабочей зоне, на Фиг.3 - схематически показан вид сбоку на установку, на Фиг.4 - вид сзади.
Передвижной модуль установки (фиг.1) состоит из несущей рамы 1, на которой расположены: блок согласования 2, индукторная система, состоящая из двух индукторов 7, соединенных между собой в последовательную цепь, закалочное устройство подачи сжатого воздуха (спрейер) 4, блок управления технологическим процессом 8 с панелью индикации. Рама 1 снабжена прямоугольной ручкой 11 для установки на рельс 3 оператором.
Модуль устанавливается непосредственно на рельс 3 перемещением с помощью роликов 14, позиционируется в зоне обрабатываемого сварного стыка и фиксируется с помощью рычага 9 зажимным устройством 15. В нерабочем состоянии термообрабатывающий модуль устанавливается на специальную подставку.
Зажимное устройство, управляемое рукояткой 9, (показано на Фиг.4) состоит из двух захватов 15, подвешенных на осях 16, жестко соединенных с основанием 17, которое крепится на раме 1 установки. При перемещении рукоятки 9 в верхнее положение, механизм вызывает сведение захватов 15, зажимая рельс. Усилие зажимного устройства регулируется при помощи регулировочного эксцентрика 18.
Блок управления 8 встроен в верхнюю крышку блока согласования 2 и обеспечивает соединение системы индукторов с высокочастотным источником питания и с микропроцессорным устройством управления установкой, а также содержит панель управления и индикации параметров процесса термообработки. Кроме того, блок управления связан с датчиками положения 13, определяющими крайние положения индукторов и спрейера, и с датчиком температуры, который расположен внутри индукторной системы и не показан на рисунках.
Устройство манипулирования индукторами показано на Фиг.4. Индукторы 7 закреплены на кронштейнах 10, установленных с возможностью поворота относительно вертикальной оси 19. Указанные кронштейны 10 могут синхронно раздвигаться и
сдвигаться в горизонтальной плоскости при помощи рычажного механизма, управляемого рукояткой 6, и состоящего из кулисы 20 и двух рычагов 21, которые обеспечивают необходимый угол раскрытия между индукторами, для установки спрейера в данной области, а также фиксацию индукторов в рабочем положении. При движении рукоятки 6 кулиса 20, жестко соединенная с рукояткой, поворачиваясь на центральной оси, воздействует через рычаги 21 на кронштейны 10, заставляя их двигаться
Спрейер 4 опускается на рельс при раздвинутых индукторах 7 с помощью рукоятки 5 и связанной с ней системой рычагов (не показана).
Устройство работает следующим образом. Термообрабатывающий модуль, с помощью ручки 11 операторами снимается с подставки, устанавливается на рельс 3 в зоне термообработки при разведенных индукторах 7, позиционируется точно на центр стыка при помощи лазерного указателя 12 и фиксируется зажимным устройством с помощью рукоятки 9. При помощи рычажного механизма с рукояткой 6 индукторы 7 сводятся в рабочее положение и фиксируются, на фиг.1 показаны индукторы в рабочем положении. С помощью панели блока управления 8 задаются параметры обработки сварного стыка (температура нагрева, мощность установки, время закалки и другие). После нажатия кнопки «Пуск» на блоке управления 8, начинается нагрев сварного стыка. После достижения заданной температуры нагрев автоматически прекращается, о чем появляется оповещение на панели блока управления 8. Тогда, оператор, при помощи рычажного механизма с рукояткой 6, разводит индуктора 7, и, посредством рукоятки 5, опускает спрейер 4 в зону сварного стыка (рис.2). При касании спрейера 4 рельса, по сигналу блока управления включается электрический пневмоклапан, и воздух подается через спрейер 4 на стык. Происходит закалка головки рельса. Ее окончание сопровождается соответствующим сигналом на панели блока управления 8, тогда оператор, при помощи рукоятки 5, поднимает спрейер 4. В процессе термообработки, все параметры передаются посредством блока управления на ПК для записи протокола с визуальным отображением процесса термообработки на дисплее, а также для создания архивов информации и сменных рапортов. После окончания процесса модуль снимается с рельса, устанавливается на подставку, и готов к следующему циклу. Как видно, устройство очень просто в обслуживании, не требует дорогостоящих механизмов и приводов, доступно для использования в путевых условиях, но при этом обеспечивает высокое качество сварного стыка.
1. Установка термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях, содержащая систему индукторов, закалочный блок, блок управления системой индукторов и закалочным блоком, а также источник высокочастотного питания, выполненный в виде отдельного модуля, установленного на путевой машине, отличающаяся тем, что система индукторов и закалочный блок вместе с указанным блоком управления объединены в единый переносной модуль, выполненный с возможностью свободного перемещения вдоль рельсовой плети, и снабженный ловителями для установки на рельс, а также зажимным устройством, фиксирующим его в месте сварного стыка, причем система индукторов и закалочный блок связаны с соответствующими механизмами их ручной поочередной установки в рабочее положение по сигналам блока управления, для чего блок управления связан с датчиками положения индукторов и спрейера, а также - с датчиком температуры.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что система индукторов, состоит из двух одинаковых, электрически соединенных в индукторов, образующих резонансный контур с блоком согласования, и установленных на кронштейнах в виде двух симметричных створок, закрепленных посредством указанных кронштейнов на корпусе модуля с возможностью их синхронного поворота вокруг собственной оси перпендикулярной к продольной оси рельса посредством рычажного механизма, обеспечивающего их фиксацию с заданным прилеганием к внешней поверхности рельса в зоне сварного стыка в рабочем положении, либо разведение на угол, необходимый для установки в этой зоне спрейера, или для съема модуля с рельса.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что закалочный блок в виде спрейера, конструктивно объединенного с системой подачи закалочной среды, установлен на консольном кронштейне с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси посредством рычажного механизма, обеспечивающего его фиксацию в вертикальном (транспортном), или в горизонтальном (рабочем) положении на рельсе; а в качестве закалочной среды используется сжатый воздух.
