УСТАНОВКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СТЫКОВ РЕЛЬСОВ В ПУТЕВЫХ УСЛОВИЯХ

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 рельсов 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.
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 (SU1620521, SU933855, GB1081264), 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, основными из которых являются смятие 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 №11371376, 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) 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.
www.bsk.ru/map.php?part=7&rasdel=19,
Известна также индукционная установка для термической обработки сварных стыков рельсов в полевых условиях ИТТ5-250/2.4П разработанная в ЗАО «Царскосельский завод - София» (см.  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.
Наиболее близкой по функциональному назначению и принципу действия к предлагаемому устройству является установка термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях по полезной модели РФ №57752.
Указанная 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, имеющих 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.
Задача полезной модели - улучшение физико-механических свойств сварного соединения и обеспечение прямолинейности рельса в области сварного соединения за счет подстуживания подошвы рельса в области сварного соединения.
Для решения поставленной задачи в установке термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях, содержащей 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, в которой 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, закалочный блок, конструктивно объединенный с системой подачи закалочной среды, состоит из двух спрейеров: верхнего, предназначенного для закалки головки рельса, и нижнего, предназначенного для подстуживания подошвы рельса, при этом оба спрейра установлены на одном консольном кронштейне с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси посредством рычажного механизма, обеспечивающего их фиксацию в вертикальном (транспортном) или в горизонтальном (рабочем) положении относительно рельса.
Такое выполнение закалочного блока позволило повысить качество сварных стыков, термообработка которых проводится в путевых условиях без значительных переделок в установке. 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 разведенными индукторами, и расположением закалочного блока в рабочей зоне.
Передвижной модуль установки состоит из несущей рамы 1, на которой расположены: блок согласования 2, индукторная система, состоящая из двух индукторов 3, соединенных между собой в последовательную цепь, закалочное устройство подачи сжатого воздуха, состоящее из спрейеров 4 и 5, связанных между собой рычажным механизмом 6, блок управления технологическим процессом 7 с панелью индикации. Рама 1 снабжена прямоугольной ручкой 8 для установки на рельс 9 оператором.
Модуль устанавливается непосредственно на рельс 9 перемещением с помощью роликов, позиционируется в зоне обрабатываемого сварного стыка и фиксируется с помощью рычага 10 зажимным устройством (не показано). В нерабочем состоянии термообрабатывающий модуль устанавливается на специальную подставку.
Блок управления 7 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, определяющими крайние положения индукторов и закалочного блока, и с датчиком температуры, которые расположены внутри индукторной системы и не показаны на рисунках.
Индукторы 3 закреплены на кронштейнах 11, установленных с возможностью поворота относительно вертикальной оси. Указанные кронштейны 11 могут синхронно раздвигаться и сдвигаться в горизонтальной плоскости при помощи рычажного механизма, управляемого рукояткой 12, который обеспечивают необходимый угол раскрытия между индукторами, для установки закалочного блока в рабочей области, а также фиксацию индукторов в рабочем положении. Закалочный блок со спрейерами 4 и 5 опускается на рельс при раздвинутых индукторах 3 с помощью рукоятки 13 и механизма 6.
Устройство работает следующим образом. Термообрабатывающий модуль, с помощью ручки 8 операторами снимается с подставки, устанавливается на рельс 9 в зоне термообработки при разведенных индукторах 3, позиционируется точно на центр стыка при помощи лазерного указателя 14 и фиксируется зажимным устройством с помощью рукоятки 10. При помощи рычажного механизма с рукояткой 12 индукторы 3 сводятся в рабочее положение и фиксируются. С помощью панели блока управления 7 задаются параметры обработки сварного стыка (температура нагрева, мощность установки, время закалки и другие). После нажатия кнопки «Пуск» на блоке управления 7, начинается нагрев сварного стыка. После достижения заданной температуры нагрев автоматически прекращается, о чем появляется оповещение на панели блока управления 7. Тогда, оператор, при помощи рычажного механизма с рукояткой 12, разводит индукторы 3, и, посредством рукоятки 13, опускает закалочный блок в зону сварного стыка. При этом спрейер 4 касается рельса в области головки рельса, а спрейер 5 располагается вблизи подошвы рельса. При касании спрейера 4 рельса, по сигналу блока управления включается электрический пневмоклапан, и воздух подается через спрейер 4 на область сварного стыка в головке рельса, а из отверстий расположенных на спрейере 5 - на область сварного стыка на подошве. Происходит закалка головки рельса и подстуживание подошвы за счет того, что меньшее количество воздуха через отверстия в спрейере 5 подается на подошву. Окончание этого процесса сопровождается соответствующим сигналом на панели блока управления 7, тогда оператор, при помощи рукоятки 13, поднимает закалочный блок. 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.