УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ГРЕБНЕЙ КОЛЕС РЕЛЬСОВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, преимущественно к тяговому и грузовому составу магистрального и промышленного транспорта, а также может быть использована для восстановления других изношенных деталей в виде тел вращения.
Известно устройство для восстановления гребней вагонных колес, содержащее смонтированные на станине две силовые стойки с опорами для установки колесной пары, привод вращения колесной пары, автомат дуговой сварки, бункер для флюса и нагревательный источник, при этом опоры для установки колесной пары выполнены по форме, обеспечивающие фиксацию колесной пары с ее буксами, привод вращения колесной пары расположен с противоположной относительно нагревательного источника стороны станины, при этом на выходном валу привода установлен с возможностью взаимодействия с поверхностью катания необрабатываемого колеса введенный в устройство шкив с фрикционным покрытием, а нагревательный источник выполнен бесконтактным в виде индуктора, снабженного средством принудительного охлаждения и смонтирован с возможностью регулировочного возвратно-поступательного перемещения вдоль станины и фиксации в заданном положении для установки его с технологическим зазором относительно обода обрабатываемого колеса колесной пары [Патент РФ 2093333, В23Р 6/00, 1996 г.].
Известное устройство, как и предлагаемая полезная модель включает станину с приводом вращения восстанавливаемой колесной пары и нагревательный источник в виде индуктора, однако использование аналога для восстановления изношенных гребней колес не обеспечивает высокого качества металла наплавки и, следовательно повышенной ходимости восстановленной колесной пары.
Известен способ восстановления изношенных гребней колес рельсовых транспортных средств, а также устройство, включающее вращение приводом восстанавливаемой пары вокруг горизонтальной оси и предварительный подогрев колеса, причем верхнюю часть изношенного гребня колеса удаляют, производят наплавку элетрошлаковым способом электродной проволокой с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов, при этом одновременно с наплавкой производят отпуск наплавленного металла, а в качестве электродной проволоки используют проволоку Нп-30ХГСА [Патент РФ 2095211, В23К 9/04, В23Р 6/00, 1995 г.].
Общими у аналога и предлагаемой полезной модели являются привод вращения восстанавливаемой детали, предварительный подогрев колеса, удаление изношенного гребня, наплавка электрошлаковым способом, отпуск наплавленного металла. К недостаткам рассматриваемого аналога относится неудачно подобранные материалы для восстанавливаемого гребня колеса колесной пары и режимы термической обработки, не обеспечивающие оптимальных физико-механических и эксплуатационных характеристик восстановленной колесной пары.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков и техническим результатам является известное устройство для восстановления изношенных гребней колес рельсовых транспортных средств, содержащее станину с приводом вращения колесной пары, сварочную головку, вертушку с наплавочной проволокой, а дополнительно оно содержит узел для электрошлаковой наплавки, состоящий из разъемного кристаллизатора в виде двух частей, прижимного элемента, включающего регулируемое основание, две подвижных подпружиненных каретки осевого и радиального прижимов, установленных на основаниях с продольной и поперечной передачами винт-гайка, приводимых в движение от маховиков, а прижимной элемент закреплен на горизонтальной оси, размещенный с возможностью взаимодействия с регулируемым основанием, для обеспечения самоустановки кристаллизатора на изделии [Свидетельство на полезную модель РФ 5941, В23К 35/30, 1996 г.].
Общими у аналога-прототипа и предлагаемой полезной модели являются станина с приводом вращения колесной пары, сварочная головка, вертушка с наплавочной проволокой, узел для электрошлаковой наплавки, состоящий из разъемного кристаллизатора в виде двух частей, прижимного элемента, включающего регулируемое основание, две подвижных подпружиненных каретки осевого и радиального прижимов, установленных на основаниях с продольной и поперечной передачами типа винт-гайка, узел предварительного подогрева колеса, включая гребень, узел наплавки электрошлаковым способом и их взаимодействию предлагаемая полезная модель и полезная модель-аналог совпадают, а использование известной полезной модели в условиях промышленного производства подтвердило высокие эксплуатационные характеристики, но выявлены и некоторые недостатки ее применения, особенно нестабильность структуры и микроструктуры материала восстановленного гребня; отсюда - недостаточная надежность в отношении ходимости восстановленных колесных пар, темпов износа беговой дорожки на различных участках обода и гребня.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности восстановленных гребней колесных пар и эксплуатационных свойств восстановленных колесных пар.
Технический результат достигается путем использования дополнительного узла контроля за состоянием уровня металлошлаковой ванны, механизма регулирования термических условий процесса получения восстанавливаемых гребней, особенно на стадии их охлаждения и современные наносодержащие материалы в составе комплексного наплавочного флюса.
Существенное повышение ходимости колесной пары за счет улучшения наплавленного слоя в результате шлакового переплава обеспечивается созданием измельченной структуры материала гребня и контролируемой термической обработкой восстановленной детали.
Предлагаемая полезная модель содержит станину с приводом вращения колесной пары, сварочную головку, вертушку с наплавочной проволокой, узел электрошлаковой наплавки, состоящий из разъемного кристаллизатора в виде двух частей, прижимного элемента, включающего регулируемое основание, две подвижных подпружиненных каретки осевого и радиального прижимов, установленных на основаниях с продольной и поперечной передачами типа винт-гайка, приводимых в движение от маховиков, а прижимной элемент закреплен на горизонтальной оси, размещенной с возможностью взаимодействия с регулируемым основанием, для обеспечения самоустановки кристаллизатора на изделии, бункер для размещения комплексного флюса, флюсопровод для подачи комплексного флюса в зону электрошлаковой наплавки и узел контроля уровня металлошлаковой ванны, при этом комплексный флюс включает механическую смесь стандартного сварочного флюса, например АН-8, с наносодержащими оксидами d - металлов в любом сочетании или по отдельности; индуктор для предварительного подогрева и затем постоянного нагрева обода колеса, включая гребень, выполненный в виде скобы, охватывающий восстанавливаемую деталь; термический узел образующий теплоизолирующую рубашку в виде двух теплоизолирующих полукорпусов с возможностью их плотного взаимного соединения, выполненных по контуру обода колеса, включая гребень, и размещенных внутри них индукторами и терморегуляторами обода колеса, включая гребень. При этом в качестве терморегулятора рабочего пространства узла терморегулирования используют стационарный пирометр Optris CT; в качестве узла контроля уровня металлошлаковой ванны используют лазерный датчик с дискретным выходом Baumer ONDK14 и преобразователь напряжения ПН-ГР-Х контроллера, а в качестве d - металлов используют ванадий, титан, гафний, ниобий, тантал, цирконий в виде оксидов и/или их смеси в различных соотношениях.
Для пояснения предлагаемого устройства приведены следующие условные чертежи: Фиг.1 - общий вид устройства; Фиг.2 - наплавочный блок; Фиг.3 - узел контроля уровня металлошлаковой ванны; Фиг.4 - узел терморегулирования.
На фиг.1 изображено устройство в сборе. Устройство содержит станину 1 с приводом вращения колесной пары 2 и сварочной головкой 3 с узлом коррекции электрода 4 и вертушкой для наплавочной проволоки 5. В устройство входит кристаллизатор 6 связанный через горизонтальную ось 7 с регулируемым основанием 8, прикрепленным к подвижной каретке 9 осевого прижатия через четыре шпильки 10. Прижимное устройство, обеспечивающее постоянный контакт рабочих поверхностей кристаллизатора с ободом колеса состоит из подвижных кареток 9 осевого и радиального прижимов кристаллизатора к ободу колеса, пружинных устройств 11, направляющих 12, промежуточных оснований 13, продольной и поперечной передач типа винт-гайка 14, приводимых в движение от маховиков 15. Прижимное устройство собрано на отдельном основании 16 при помощи стоек из уголков 17, к которым так же монтируется индуктор 21. Колесная пара 18 предварительно размещена на опорах. Бункер для размещения комплексного флюса 19 закреплен на горизонтальной балке 20, а узел терморегулирования смонтирован на тележке 22 с возможностью перемещения его в рабочее положение по направляющим 31.
На фиг.2 схематически показан наплавочный блок. Наплавочный блок включает бункер для размещения комплексного флюса 19 с флюсопроводом 23, вертушку для наплавочной проволоки 5, сварочную головку 3, узел коррекции электрода 4, кристаллизатор для наплавляемого металла 6, индуктор 21, затравочную пластину 26.
На фиг.3 показан узел контроля уровня металлошлаковой ванны, который включает лазерный датчик с дискретным выходом Baumer OEDK14 25, определяющий наличие и уровень металла в металлошлаковой ванне 24 и подающее сигнал на вращение или остановку обрабатываемой колесной пары 18.
На фиг.4 представлен узел терморегулирования. Узел терморегулирования включает теплоизолирующую рубашку из большого 27 и малого 28 полукорпусов с возможностью их взаимного перемещения путем поворота вокруг оси относительно большого полукорпуса, теплоизоляторы 29 и индуктор 30 из двух половин, размещенный на внутренней стороне каждого полукорпуса; корпуса закреплены на тележке 22, с возможностью перемещения по направляющим 31 в исходное (фиг.1) и рабочее (фиг.4) положения; в большой полукорпус вмонтирован датчик пирометра Optris СТ32.
Предлагаемое устройство работает следующим образом: подготовленную к восстановлению колесную пару 18 устанавливают на опоры и вводят в зацепление с приводом 2, водоохлаждаемый кристаллизатор 6 подводят к восстанавливаемому гребню колеса вращением маховиков 15 за счет передач типа винт-гайка 14 и поджимают по торцевой поверхности в осевом направлении и по цилиндрической поверхности беговой дорожки колеса в радиальном направлении. Во время подвода и предварительного поджатия к колесу пружинные устройства 11 зафиксированы стопорными болтами. Затягиванием и отпусканием гаек на шпильках 10 регулируют положение кристаллизатора 6 на колесе до такого, в котором рабочие поверхности совпадают по всей площади контакта.
При этом основная часть разъемного кристаллизатора обеспечивает уплотнение ванн расплавленных металла и шлака по цилиндрической беговой дорожке колеса, а вторая часть кристаллизатора прижимается по торцевой поверхности колеса и предотвращает вытекание расплавленных металла и шлака по торцу колеса. Общая высота кристаллизатора зависит от высоты восстанавливаемой реборды и составляет 180-200 мм, с учетом необходимости выполнить по окончании наплавки замок за счет повышения уровней ванн при выключенном вращении детали.
Предварительная регулировка положения кристаллизатора на колесе, выполнена в виде крепления кристаллизатора к основанию 8 через четыре шпильки с гайками 10 и пары промежуточных оснований 13.
При необходимости подкорректировать полноту прижима кристаллизатора 6 к поверхностям колеса, регулировку выполняют при помощи промежуточных оснований 13. По окончанию регулировки основания стопорят болтами. Дополнительным элементом, обеспечивающим самоустановку кристаллизатора на колесе в процессе наплавки, является крепление его через горизонтальную ось 7. После этого кристаллизатор отводят на небольшое расстояние от колеса, включают его вращение и производят подогрев под наплавку с помощью индуктора 21, охватывающего обод колеса, включая гребень. Вращение выключают, прижимают кристаллизатор к колесу в двух взаимно перпендикулярных направлениях, поворотом маховиков 15 двумя передачами типа винт-гайка 14 с достаточно мощными прижимными устройствами 11, достигают необходимого усилия прижатия кристаллизатора предотвращающим вытекание расплавленных металла и шлака. При этом стопорные болты ослабляют и отводят от подвижных кареток 9. Производят прихватку затравочной пластины 26 (фиг.2), вводят ее на нужную глубину в кристаллизатор и на ней начинают процесс наплавки. По мере стабилизации электрошлакового процесса, положение электродной проволоки в полости кристаллизатора корректируют при помощи узла коррекции 4 (фиг.1). Включают вращение детали и производят наплавку гребня с подготовкой замка на ходу, не прерывая процесса. Состояние металлошлаковой ванны контролируют в процессе наплавки с помощью узла контроля уровня металлошлаковой ванны (фиг.3). Замок выполняется при выключенном вращении детали путем заполнения кристаллизатора по высоте до верхней кромки.
По окончанию наплавки, кристаллизатор 6 отводят от наплавленного гребня, включают вращение и выравнивают температуру обода с помощью индуктора 21 после этого колесо с наплавленным гребням помещают в теплоизолирующую рубашку.
Пример конкретного выполнения. С использованием заявляемого устройства в условиях КТЦ ТНЦ СО РАН г.Томск была восстановлена партия ведущих, наиболее быстоизнашиваемых колесных пар электровоза ВЛ-80 для последующих промышленных испытаний в одном из управлений железных дорог РЖД.
Оборудование комплектовалось в виде двух установок с приводом вращения колесных пар.
Первая установка предназначается для подготовки колесной пары к восстановлению, т.е. в удалении замасленных, грязевых отложений с внутренней поверхности обода колеса, срезке 2/3 верхней части изношенных гребней со скоростью резки 12-15 м/час, их выравнивании с последующей очисткой поверхности реза от остатков грата и загрязнений механической металлической щеткой.
Колесная пара с установки подготовки переносится кран-балкой на вторую установку для восстановления, на которой расположены наплавочный автомат с индуктором подогрева и термический узел.
2
5
2
5
2
5
2
2
2
Процесс восстановления осуществляется следующим образом: кристаллизатор подводится к гребню бандажа колесной пары при помощи передачи типа винт-гайка вращением маховиков и прижимается с помощью пружин. Перед началом процесса восстановления подводится наплавочная проволока и засыпается слой флюса во флюсоприемник. При восстановлении применялся флюс АН-8 и наплавочная проволока Нп-30ХГСА диаметром 4 мм. Предварительно указанный флюс смешивается с наносодержащими оксидами VO, NbO, TaO, ТiO, ZrO, НfO размером 30-60 нм в произвольном соотношении между собой, но в сумме 10% вес от количества флюса, который размещается в бункере для комплексного флюса. При нажатии кнопки «пуск» загорается дуга и начинается процесс плавления шлака и накопления его необходимого количества. Процесс переходит в электрошлаковый режим и включается вращение колесной пары. Скорость наплавки составляет 2,83 м/час, ток наплавки - 450-480 А, напряжение при наплавке 35-45 В.
Шлаковый режим наплавки и исключение дугового процесса заключается в использовании температуры расплава шлака для последующего расплавления наплавочной проволоки и затем совмещения металлошлаковой ванны на ободе колеса в зоне восстанавливаемого гребня.
Для обеспечения температурного режима наплавки и отпуска металла на обод колеса устанавливается индуктор в виде скобы, который предварительно перед наплавкой нагревает обод колеса до температуры 200-250°С, а затем обод с восстановленным гребнем до температуры 450-580°С непрерывно до окончания процесса восстановления всего гребня.
После завершения процесса шлаковой наплавки всего изношенного гребня колеса и формирования замка, на колесо устанавливается термический узел, который сначала перемещается из исходного положения в рабочее по направляющим, затем полукорпуса плотно совмещаются друг с другом путем поворота вокруг оси, при этом индуктор термического узла совмещается с ободом и восстанавливаемым гребнем, и охлаждают в теплоизолирующей рубашке до температур 60-100°С, поддерживая с помощью индуктора скорость охлаждения 100°С/час, при этом температура восстановленного изделия контролируется встроенным в один из полукорпусов датчиком пирометра.
Указанные режимы электрошлаковой наплавки и последующей тетмической обработки получены экспериментальным путем.
Полученные с использованием предлагаемого устройства восстановленные колесные пары были подвергнуты ультразвуковой дефектоскопии: признана 100% пригодность к эксплуатации, дефектов не обнаружено. При металлографическом исследовании наплавленного металла и околошовной зоны дефектов также не обнаружено. Замеры твердости на темплетах, вырезанных из наплавленного колеса показали равномерность структуры по сечению, а твердость составила HRC 30-32 ед.
Восстановленные колесные пары отправлены на эксплуатационные испытания.