УСТАНОВКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СТЫКОВ РЕЛЬСОВ В СТАЦИОНАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 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 на железнодорожном, городском и промышленном транспорте в условиях рельсосварочного поезда (РСП).
Современные требования к подвижному составу обуславливают рост нагрузки на ось и увеличение скорости движения, что усиливает динамические удары при прохождении стыков рельсов. Эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов определяется их сопротивляемостью возникновению дефектов контактно-усталостного происхождения. 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 является дифференцированная термическая обработка, заключающаяся в упрочнении головки стыка с повторного перекристаллизационного индукционного нагрева всего его сечения с последующей нормализацией подошвы и шейки рельса. В результате такой операции восстанавливается твердость металла головки до уровня основного металла. Вследствие получения мелкозернистой перлитной структуры металла в шейке и подошве сварного соединения при нормализации индукционным нагревом возрастает усталостная и хрупкая прочность.
Известно устройство закалки головки сварных стыков с тепла сварки воздушно-водяной смесью, которое позволяет восстановить твердость и предел выносливости металла, и обеспечивает необходимую пластичность и хрупкую прочность рельсов (см. технические условия «Рельсы железнодорожные новые», «Рельсы железнодорожные старогодные»). Однако это устройство обеспечивает низкое качество закалки, кроме того, затрудняется автоматизация процесса, трудно обеспечить необходимую скорость охлаждения.
Известны установки для термической обработки остряковых и рамных рельсов (см. описания к патентам SU 121464, кл. С 21 D 9/04, публ. 28.02.1994 г., RU 2135607, кл. С 21 D 9/04, публ. 27.08.1998 г.), содержащие тележку с опорами для рельса, стойку с направляющими, на которой размещен закалочный блок, состоящий из каретки с
трансформатором, индуктором и спрейером. Однако эти установки разработаны для закалки поверхности катания рельсов и не могут обеспечить нагрев всего сварного стыка.
Известно устройство для термообработки сварных стыков рельсов по патенту JP 56142825, транспортируемое по рельсу посредством колес, при этом нагрев производится с помощью газопламенных горелок. Недостатками устройства является невозможность автоматизации процесса, необходимость в устройствах подачи топлива, кроме того, устройство обеспечивает низкое качество отпуска за счет окисления поверхности сварного соединения. Известно устройство для термической обработки стыков сварных рельсов по полезной модели RU 35345, включающее передвижную грузовую платформу, на которой размещены кабина, индуктор с трансформатором, системами питания и охлаждения, механизм выдвижения индуктора на рельсовую плеть, закрепленный на задней откидывающейся стенке кабины, и имеющий пневматический привод. Недостатками устройства являются его громоздкость, невозможность автоматизации процесса, сложность и ненадежность механизма перемещения индуктора.
Известна индукционная установка для термической обработки сварных стыков рельсов в стационарных технологических условиях ИТТЗ-250/2.4 (ТО 90.3000.00.000, ЗАО «Царскосельский завод-София»), предусматривающая индукционный нагрев всего сечения рельса в зоне сварного стыка и последующее охлаждение воздушно-водяной смесью головки рельса. Шейка и подошва рельса подвергается нормализации (охлаждению на воздухе).
Эта установка включает в себя тиристорный преобразователь частоты мощностью 250 кВт, формирующий ток частотой 2.4 кГц, трансформаторный и конденсаторный блоки, термообрабатывающий модуль - индуктор и закалочное устройство, представляющее собой систему форсунок для подачи воздушно-водяной смеси.
Недостатками применяемых в РСП индукционных установок типа ИТТ3-250/2.4 являются громоздкость электрооборудования, большой расход электроэнергии (потребляемая мощность установки от сети составляет 300 кВт); для эффективного охлаждения трансформаторного блока, индукторов и токопреобразователя частоты нужна дистиллированная вода с отдельными накопителями и подающими гидросистемами из нержавеющих сплавов; форсунки воздушно-водяного распылителя для закалки головки стыка часто засоряются, что приводит к образованию неблагоприятных закалочных структур на поверхности катания. Кроме того, недостатком установки является стационарное размещение нагревательного блока на рельсовом пути в цехе РСП, для чего требуется монтаж отдельного участка рельсового пути на бетонном фундаменте, что требует дополнительных производственных площадей и повышает себестоимость
термообработки. Хотя установка и смонтирована на подвижной тележке, диапазон перемещения ограничен (±1000 мм). Перемещение тележки, имеющей слишком большую массу, требует очень мощного привода и существенно усложняет технологический процесс. Кроме того, для точного позиционирования относительно сварного соединения индуктора могут перемещаться только в горизонтальном направлении.
Наиболее близкой по функциональному назначению и принципу действия к предлагаемой (прототипом) является «Автооператорная рельс-плетегомогенизационная установка» по полезной модели RU 8368, содержащая подвижной термоагрегат с нагревательно-индукторным узлом и закалочно-форсуночным узлом, а также наладочную систему с устройствами центрирования индукторов и закалочно-форсуночного узла относительно и приводами этих устройств. Это устройство используется в вышеописанной установке ИТТЗ-250/2.4 и обладает уже перечисленными недостатками. Внедрение описанной установки на сети железных дорог сыграло положительную роль в упрочнении сварных соединений, оптимизации структуры металла сварного шва после термообработки, повышении долговечности сварных соединений. Однако, меняющиеся в последнее время эксплуатационные условия (повышение осевых нагрузок и скоростей движения), достаточно большое число изъятий рельсов по дефектам сварных стыков, ужесточение норм содержания бесстыкового пути и требований безопасности движения в сочетании с требованиями ресурсосбережения, сокращения затрат, удешевления применяемых процессов и технологий, заставляют пересматривать внедренные ранее технические решения с учетом как новых требований эксплуатации, так и новых технических возможностей.
Задача полезной модели - создание установки индукционного нагрева для термической обработки сварных стыков рельсов в стационарных технологических условиях с низкими массогабаритными показателями, свободно перемещающейся вдоль рельсовой плети, с одновременным снижением себестоимости и эксплуатационных затрат, но с повышением качества термической обработки сварных стыков рельсов.
Для решения поставленной задачи разработана установка индукционного нагрева для термической обработки сварных стыков рельсов в стационарных технологических условиях, содержащая, как и прототип, подвижной термоагрегат, состоящий из индукторного узла, образованного двумя одинаковыми электрически соединенными индукторами, обеспечивающими при сведении необходимое прилегание к поверхности рельса в зоне термической обработки сварного стыка, блока согласования, образующего с индукторным узлом резонансный контур, спрейера, блока управления технологическим процессом, регистрации и отображения его параметров, приводов перемещения индуктора
и спрейера. В отличие от прототипа, установка содержит станину с направляющими для свободного перемещения термоагрегата вдоль рельсовой плети, термоагрегат выполнен в виде арочной конструкции, установленной над рельсовой плетью на платформу, причем на одной из арок установлен привод вертикального перемещения индукторного узла и спрейера, спрейер жестко закреплен на конце рейки указанного привода, на спрейере подвешена внутренняя арочная конструкция с возможностью перемещения по указанной рейке и направляющим, установленным на указанной платформе, на указанной внутренней арочной конструкции жестко закреплены приводы горизонтального перемещения индукторов индукторного узла, каждый из которых установлен на конце соответствующей рейки выше указанных приводов горизонтального перемещения индукторов, на двух других арках, закрепленных на платформе установлены блок управления и блок согласования, связанный с индукторами посредством гибких шин.
При этом длина перемещения термоагрегата определяется потребностями потребителя и длиной соединительных кабелей и шлангов, но не более 15 метров.
Приводы горизонтального перемещения индукторов обеспечивают перемещение индукторов в горизонтальном направлении относительно рельса, а вертикальный привод, на рейке которого жестко закреплен спрейер, обеспечивает не только подачу спрейера при закалке головки рельса, но и перемещение индукторов по направляющим в вертикальном направлении относительно рельса.
Высокочастотный источник питания устанавливается в непосредственной близости от термоагрегата. Исполнение высокочастотного источника питания на IGBT транзисторах позволило поднять частоту преобразования до 8÷15 кГц и соответственно снизить габариты всей установки.
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 с.
Спрейер связан с устройством подачи закалочной среды посредством электрического пневмоклапана, связанного с блоком управления, а в качестве закалочной среды используется сжатый воздух. Использование в качестве закалочной среды сжатого воздуха, обеспечивает более равномерное и стабильное распределение твердости поверхности катания в зоне сварного соединения, чем при закалке воздушно-водяной смесью, что обусловлено более стабильной работой воздушного закалочного устройства.
Изменение технологии закалочного охлаждения после индукционного нагрева направлено на решение как технических вопросов, связанных с повышением надежности, долговечности и оптимизацией характеристик прочности и пластичности сварного
соединения, стабилизацией твердости поверхности катания, так и вопросов снижения стоимости и затрат ресурсов в процессе термообработки.
Такое выполнение установки не требует специальных фундаментов, ее можно встраивать в технологическую линию производства как новых, так и старогодных рельсовых плетей. С помощью такой установки можно проводить термообработку сварных стыков рельсов типа Р50, Р65 и Р75 с соответствующей заменой индукторов. Кроме того, есть возможность использовать микропроцессорное управление 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 рисунка. Установка содержит станину 1 с направляющими 2, по которым вдоль рельсовой плети 3, на платформе 4, установленной на ролики 5, свободно перемещается термоагрегат. Термоагрегат состоит из несущей рамы арочной конструкции, арки которой 6 и 7 располагаются над рельсовой плетью 3. На двух арках 6 установлены блок согласования 8 и блок управления технологическим процессом 9 (для самодиагностики оборудования, визуализации и регистрации параметров термической обработки). Арка 7 образует несущую конструкцию для индукторной системы, состоящей из двух индукторов 10, электрически соединенных между собой в последовательную цепь, и образующих с блоком согласования 8 резонансный контур, закалочного устройства (спрейера) 11, и приводов 12 и 13 подачи спрейера 11 и индукторов 10 в область сварного стыка. Привод 12, закрепленный на верхней перемычке арки 7 обеспечивает вертикальное перемещение индукторов 10 и спрейера 11. На рейке 14 вертикального привода 12 жестко закреплен спрейер 11. Каретки 15 горизонтальных приводов индукторной системы свободно перемещаются на роликах в вертикальном направлении по направляющим 16, закрепленным на платформе 4 вдоль боковых вертикальных стоек арки 7.. Между собой каретки 15 скреплены двумя трубчатыми направляющими 17, на которых имеются опорные ролики 18 для фиксации уровня вертикального положения обрабатываемого стыка рельсовой плети 3. Гайки крепления кареток крепят также арку подъемного устройства 19, в отверстие которой проходит рейка вертикального привода 14. По направляющим 17 передвигаются в горизонтальном направлении индукторы 10, которые жестко закреплены на рейках соответствующих приводов 20.
Устройство работает следующим образом. После полной остановки рельсовой плети 3 термоагрегат устанавливается на обрабатываемый сварной стык рельса. На блоке
управления 9 задаются параметры термообработки сварного стыка (температура нагрева, время закалки и т.д.) После запуска процесса термообработки вертикальный привод 12 опускает спрейер 11 и подъемное устройство 19 индукторов 10 до касания опорных роликов 18 поверхности рельса, чем достигается точное позиционирование индукторов в вертикальном направлении. При касании роликов 18 рельса вертикальный привод 12 останавливается, и включаются горизонтальные приводы 13, которые отдельно перемещают индукторы 10 до касания с боковой поверхности рельса. Каждый привод 13 выключается соответствующим концевым датчиком, что позволяет точно позиционировать каждый индуктор в горизонтальном направлении. После остановки приводов 13 включается преобразователь частоты, и происходит нагрев стыка до заданной температуры, по достижению которой преобразователь частоты выключается, и горизонтальные приводы 13 разводят индуктора 10. После остановки горизонтальных приводов 13 включается вертикальный привод 12, который опускает спрейер 11 на сварной стык. При касании спрейером 11 поверхности рельса привод 12 останавливается, включается электрический пневмоклапан и подается воздух через спрейер 11 на обрабатываемый стык. Происходит закалка головки рельса, по окончании которой вновь включается вертикальный привод 12 и поднимает сначала спрейер 11, а потом, при касании им арки подъемного устройства 19, спрейер 11 вместе с индукторами 10. После остановки привода 12 модуль готов к следующему циклу.