Устройство для термической обработки рельсов

Полезная модель относится к области черной металлургии, в частности к устройству для термической обработки железнодорожных рельсов.
В связи с ростом загруженности на железнодорожном транспорте, связанным с необходимостью повышения эффективности перевозок, постоянно растет вес составов, вес вагонов, и как следствие, возрастает нагрузка на колесные пары подвижного состава. Это в свою очередь приводит к увеличению давления колес на поверхность головки рельса, что обуславливает быстрый износ и выход рельсов из строя. По этой причине в последние годы возрос интерес к рельсам повышенных категорий твердости, например типов ДТ370ИК и ДТ400, в том числе повышенной твердости поверхности головки рельса. Повышение механических свойств головки рельса позволяет поднять нагрузку на рельс, но при этом встает вопрос повышения механических свойств подошвы рельса.
Из патента RU 2450877 (опубл. 20.05.2012) известно устройство термической обработки рельсов. Устройство содержит множество камер, расположенных в продольном направлении рельса. Камеры выполнены с дутьевым отверстием, обращенным от камеры к прокатанному рельсу, для выдувания сжатого воздуха для охлаждения, вводимого в камеру через впускное отверстие для газа, сопловой пластиной с множеством сопловых отверстий, расположенной на дутьевом отверстии таким образом, что она обращена к прокатанному стальному рельсу, соплом для подачи охлаждающей воды в камеру. Устройство выполнено с возможностью распыления охлаждающей среды, полученной смешиванием охлаждающей воды, подаваемой через сопло для подачи охлаждающей воды, и сжатого газа для охлаждения, вводимого через впускное отверстие для газа в направлении прокатанного рельса через сопловые отверстия сопловой пластины.
Основным недостатком патента является отсутствие камер, направленных на подошву рельса, вследствие чего охлаждение подошвы рельса не производится, что существенно снижает механические свойства подошвы закаленного рельса.
Другим недостатком является то, что сопло для подачи воды расположено внутри камеры, т.е. охлаждающую среду формируют внутри камеры. При движении по камере поток водовоздушной смеси имеет разную скорость, в некоторых зонах скорость потока падает практически до нуля. Там возможно выпадение воды из смеси, что приводит к неравномерному распределению воды по сопловым отверстиям и, как следствие, к неравномерности потока охлаждающей среды, направленной на охлаждаемую поверхность.
Из патента RU 2614861 (опубл. 29.03.2017) известно устройство термической обработки рельсов, выбранное за ближайший аналог. Устройство содержит трубопровод газовой среды, трубопровод воды, коллекторы с входными отверстиями, обеспечивающими ввод газовой среды, выходными отверстиями, направленными на термообрабатываемую поверхность рельса, и с пластинами, установленными на выходных отверстиях коллекторов. Каждая пластина выполнена с сопловыми отверстиями и каналами, по которым вода поступает в сопловые отверстия. Охлаждающую среду формируют в сопловых отверстиях пластины путем эжектирования воды потоками газовой среды. Коллекторы расположены следующим образом: верхние коллекторы – над головкой рельса, боковые коллекторы – по боковым сторонам рельса, нижние коллекторы – под подошвой рельса. Каждый коллектор содержит горизонтально ориентированный распределитель, гидравлически соединенный с трубопроводом воды. Распределитель снабжен выходными отверстиями для выпуска воды во входные отверстия каналов пластины. В верхних и нижних коллекторах вода из выходных отверстий распределителя под действием силы тяжести сливается вниз и попадает во входные отверстия каналов пластины.
В данном патенте охлаждающую среду формируют непосредственно в сопловых отверстиях пластины, что положительно влияет на однородность распыляемой из сопловых отверстий охлаждающей среды. Однако недостатком патента является то, что для нижнего коллектора вышеописанная гидравлическая схема с распределителем неэффективна, т.к. распределитель в этом случае расположен ниже пластины, и бо́льшая часть воды из распределителя не попадает во входные отверстия каналов сопловой пластины, а стекает вниз. Неудовлетворительный результат подачи воды в каналы сопловой пластины нижнего коллектора приводит к невысоким механическим свойствам подошвы закаленного рельса, в том числе к неоднородности механических свойств подошвы рельсов.
Таким образом, актуальна проблема улучшения механических свойств подошвы рельса.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в обеспечении равномерного распределения воды по сопловым отверстиям пластины нижнего коллектора.
Техническая проблема решается и технический результат достигается тем, что устройство для  охлаждения рельсов при термической обработке, как и ближайший аналог, содержит трубопровод газовой среды, трубопровод воды, коллекторы и нижние коллекторы, выполненные c возможностью расположения под подошвой рельса, при этом коллекторы и нижние коллекторы выполнены с входными отверстиями, обеспечивающими ввод газовой среды из трубопровода газовой среды, и выходными отверстиями, выполненными с возможностью направления на термообрабатываемую поверхность рельса, и содержат пластины, установленные на выходных отверстиях коллекторов, и распределители, обеспечивающие ввод воды из трубопровода воды и соединенные с трубопроводом воды, при этом каждая пластина выполнена с сопловыми отверстиями и каналами, обеспечивающими поступление воды в сопловые отверстия.
В отличие от ближайшего аналога, распределитель каждого из нижних коллекторов выполнен с возможностью выпуска воды в размещенные под распределителем емкости, гидравлически соединенные трубками с указанными каналами пластины.
Кроме того, трубки герметично соединены с пластиной.
Кроме того, размеры нижнего коллектора выполнены с возможностью обеспечения охлаждения всей поверхности подошвы термообрабатываемого рельса, в том числе крыльев подошвы рельса.
Сущность полезной модели поясняют чертежи.
На фиг. 1 схематично показано устройство для термической обработки рельсов.  На фиг. 2 изображена в разрезе часть нижнего коллектора, поясняющая гидравлическую схему нижнего коллектора. На фиг. 3 показан общий вид верхнего коллектора. На фиг. 4 схематично показана сопловая пластина нижнего коллектора, вид снизу.
Нижеуказанными позициями на чертежах обозначены следующие элементы:
1 – рельс; 2 – трубопровод газовой среды; 3 – трубопровод воды; 4 – коллекторы; 5 – система управления; 6 – блоки регулирования подачи газовой среды; 7 – блоки регулирования подачи воды; 8 – входное отверстие коллектора; 9 – пластина на выходном отверстии коллектора; 10 – сопловые отверстия пластины; 11 – каналы пластины; 12 – входные отверстия каналов; 13 – распределитель; 14 – выходные отверстия распределителя; 15 – емкости; 16 – трубки.
Устройство для термической обработки рельса 1 (фиг.1) содержит трубопровод 2 газовой среды, трубопровод 3 воды, коллекторы 4 и систему 5 автоматизированного управления с блоками 6 регулирования подачи газовой среды и блоками 7 регулирования подачи воды. Блоки 7 регулирования подачи воды выполнены с возможностью подачи воды в импульсном режиме, с регулируемой длительностью импульсов подачи воды и пауз между ними. Коллекторы 4 последовательно установлены вдоль термообрабатываемого рельса 1. Рельс 1 на фиг.1 показан в его поперечном сечении. Верхние, нижние и боковые коллекторы 4 расположены, соответственно, сверху, снизу и сбоку относительно рельса 1. Подошва рельса 1 включает в себя базовую часть, расположенную ниже шейки рельса 1, и расположенные по обе стороны от базовой части крылья подошвы рельса 1. Размеры нижнего коллектора 4 выполнены таким образом, чтобы обеспечить охлаждение всей поверхности подошвы рельса 1, в том числе крыльев подошвы рельса 1.
Коллекторы 4 (фиг. 2 и 3) выполнены с входными отверстиями 8 (фиг.3), обеспечивающими ввод газовой среды, и выходными отверстиями (на фиг. не обозначены), направленными на термообрабатываемую поверхность рельса 1. На выходном отверстии каждого коллектора 4 установлена пластина 9, содержащая сопловые отверстия 10 (фиг. 3 и 4). Для обеспечения поступления воды в сопловые отверстия 10 внутри пластины 9 выполнены каналы 11 (фиг.2 и 4) с входными отверстиями 12. Каналы 11 выполнены в поперечном и продольном направлениях пластины 9 (см. штриховые линии на фиг. 4). Каждый коллектор 4 снабжен горизонтально ориентированным распределителем 13 для равномерной подачи воды из трубопровода воды 3 во входные отверстия 12 каналов пластины.
На фиг. 2 распределитель 13 нижнего коллектора 4 выполнен с выходными отверстиями 14 для выпуска воды в расположенные под распределителем 13 емкости 15. Каждая емкость 15 гидравлически соединена трубкой 16 с каналом 11 пластины. Трубки 16 могут быть установлены вертикально или наклонно, по форме могут быть выполнены прямолинейными или с изгибами. В предпочтительном варианте исполнения (фиг.2) трубки 16 выполнены прямолинейными и установлены вертикально. Величина объема емкости 15 выполнена таким образом, чтобы обеспечить быстрое заполнение емкости 15 и быстрое удаление из нее воды при подаче в каналы 11 пластины. Для обеспечения гидравлического соединения с каналами 11 пластины трубки 16 плотно соединены с пластиной 9 и загерметизированы в местах соединения с пластиной 9.
На фиг. 3 распределитель 13 верхнего коллектора 4 выполнен с выходными отверстиями 14 для выпуска воды в расположенные под распределителем 13 входные отверстия 12 каналов пластины 9.
Работа устройства для термической обработки рельсов осуществляется следующим образом.
Рельс 1 (фиг. 1) позиционируют и фиксируют относительно верхних, нижних и боковых коллекторов 4.
Система управления 5 (фиг. 1) с блоками 6 регулирования подачи газовой среды и блоками 7 регулирования подачи воды управляет согласно программно-заданному режиму термической обработкой рельса 1, с коррекцией режима по контролируемым параметрам, например, давления газовой среды, давления воды, расхода газовой среды, расхода воды, температуры газовой среды, температуры воды, температуры стального рельса, влажности газовой среды.
Охлаждение рельса 1 проводят охлаждающей средой, которую формируют следующим образом.
По трубопроводу 2 газовая среда поступает в коллектор 4 через входное отверстие 8 (фиг. 3), размеры и форма которого обеспечивают выравнивание газового потока по площади выходного отверстия коллектора 4. На выходе из коллектора 4 газовая среда поступает в сопловые отверстия 10 пластины 9. В сопловых отверстиях 10 газовый поток имеет высокую скорость за счет того, что суммарное сечение сопловых отверстий 10 значительно меньше сечения трубопровода 2 газовой среды на входе в коллектор 4.
По трубопроводу 3 вода поступает в распределитель 13.
В нижнем коллекторе 4 (фиг.2) вода из распределителя 13 через выходные отверстия 14 сливается вниз и попадает в расположенные под распределителем 13 емкости 15. Благодаря высокой скорости газовой среды в сопловых отверстиях 10, происходит эжекция воды из емкостей 15, т.е. подсасывание воды из емкостей 15 за счет кинетической энергии струи газовой среды. Вода под действием эжекции поднимается по трубкам 16 и через входные отверстия 12 дозированно попадает в каналы 11 пластины, и далее в сопловые отверстия 10 пластины. При этом за счет герметичности соединений трубок 16 с пластиной 9 исключен подсос воздуха в местах указанных соединений, тем самым обеспечено сохранение необходимой силы эжекции. Вода, подаваемая в распределитель 13 в импульсном режиме, поступает в сопловые отверстия 10 пластины с той же длительностью импульсов подачи воды и пауз между ними, за счет быстрого заполнения каждой емкости 15 и быстрого удаления из нее воды при подаче в каналы 11 пластины.
В верхнем и боковом коллекторах 4 (Фиг. 3) вода через отверстия в распределителе 13 сливается вниз, попадает в расположенные под распределителем 13 входные отверстия 12 каналов, и под действием эжекции поступает по каналам 11 в сопловые отверстия 10 пластины.
Сформированная в сопловых отверстиях 10 пластины охлаждающая среда, представляющая собой водовоздушную смесь, распыляется из верхних, нижних и боковых коллекторов 4 на термообрабатываемую поверхность рельса 1.
Таким образом, за счет изменения гидравлической схемы нижних коллекторов 4, а именно, за счет выпуска воды из распределителя 13 в размещенные под распределителем емкости 15, гидравлически соединенные трубками 16 с каналами 11 пластины, обеспечено точное дозирование воды по каналам 11 пластин нижних коллекторов 4. При этом вся вода из распределителя 13 полностью попадает в каналы 11 пластины 9 нижнего коллектора 4, по сравнению с большими потерями воды в ближайшем аналоге. В результате вода равномерно распределяется по сопловым отверстиям 10 пластины нижнего коллектора 4, и следовательно, по площади охлаждаемой поверхности термообрабатываемой подошвы рельса 1. Вышеуказанное позволяет повысить механические свойства подошвы рельса, в том числе крыльев подошвы, и получить рельсы повышенных категорий прочности из сталей без добавок легирующих элементов.