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.
Известна индукционная установка для термической обработки сварных стыков рельсов в стационарных технологических условиях ИТТ3-250/2.4 (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 установка термической обработки сварных стыков рельсов в стационарных технологических условиях по полезной модели РФ №59058, которая содержит термообрабатывающий модуль, состоящий из индукторного узла, образованного двумя одинаковыми электрически связанными индукторами, обеспечивающими при сведении необходимое прилегание к поверхности рельса в зоне термической обработки сварного стыка, блока согласования, образующего с индукторным узлом резонансный контур, закалочного устройства, приводов вертикального и горизонтального перемещения индукторного узла и закалочного устройства, а также блока управления технологическим процессом, в которой указанный термообрабатывающий модуль установлен на одной из арок рамы арочной конструкции, на других арках которой установлены блок управления и блок согласования, связанный с индукторами посредством гибких шин.
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.
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 стационарных технологических условиях содержащей термообрабатывающий модуль, состоящий из индукторного узла, образованного двумя одинаковыми электрически связанными индукторами, обеспечивающими при сведении необходимое прилегание к поверхности рельса в зоне термической обработки сварного стыка, блока согласования, образующего с индукторным узлом резонансный контур, закалочного устройства, приводов вертикального и горизонтального перемещения индукторного узла и закалочного устройства, а также блока управления технологическим процессом, в которой указанный термообрабатывающий модуль установлен на одной из арок рамы арочной конструкции, на других арках которой установлены блок управления и блок согласования, связанный с индукторами посредством гибких шин, закалочное устройство выполнено в виде двух спрейеров: верхнего, предназанченного для закалки головки рельса, и нижнего, предназначенного для подстуживания подошвы рельса, при этом верхний спрейер вместе с индукторами и приводами горизонтально и вертикальной подачи установлен на одной из арок указанной арочной конструкции над рельсовой плетью, а нижний спрейер жестко закреплен на нижней перекладине указанной рамы под рельсовой плетью.
Спрейер связан с устройством подачи закалочной среды посредством электрического пневмоклапана, связанного с блоком управления, а в качестве закалочной среды используется сжатый воздух.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунка. Термообрабатывающий модуль состоит из несущей рамы арочной конструкции, на которой расположены: блок трансформаторов 1 (в котором расположен согласующий трансформатор и блок резонансных конденсаторов), блок управления технологическим процессом 2 (для самодиагностики оборудования, визуализации и регистрации параметров темообработки), индуктор, состоящий из двух раздвижных частей 3, электрически соединенных между собой в последовательную цепь, закалочное устройство, состоящее из верхнего спрейера 4 и нижнего спрейера 5, а также приводы 6 и 7 подачи индукторов 3 и верхнего спрейера 4, соответственно, в рабочую зону.
Рама выполнена в виде двух горизонтальных швеллеров 8, на которых закреплены высокая арка 9, и пара низких арок 10, а также нижний спрейер 5, и опорные колеса 11.
На верхней перемычке арки 9 закреплен вертикальный привод 6 подъема частей индуктора 3 и верхнего спрейера 4. На рейке вертикального привода 12 жестко закреплен верхний спрейер 4. Каретки горизонтальных приводов 13 перемещаются на роликах 19 в вертикальном направлении по направляющим 14, закрепленным на боковых стенках вертикальных стоек арки 9. Между собой каретки 13 скреплены двумя трубчатыми направляющими 15, на которых имеются опорные ролики 16, для фиксации уровня вертикального положения обрабатываемого рельса 17. Гайки крепления кареток 13 крепят также арку подъемного устройства 18, в отверстие которого проходит рейка вертикального привода 12. По направляющим 15 передвигаются в горизонтальном направлении индукторы 3, которые жестко закреплены на рейках соответствующих приводах 6.
На двух других арках 10 расположены блок трансформаторов 1 и блок управления 2 технологическим процессом. Блок трансформаторов 1 связан с индукторами 3 посредством гибких кабелей.
Устройство работает следующим образом. После полной остановки рельсовой плети 17 термообрабатывающий модуль устанавливается на обрабатываемый сварной стык рельса. На блоке управления 2 выбирается режим работы (ручной или автоматический), а также задаются параметры термообработки сварного стыка (температура нагрева, мощность, время закалки и т.д.) В автоматическом режиме вертикальный привод 7 опускает верхний спрейер 4 и подъемное устройство 18 индукторов 3 до касания роликов 16, установленных на горизонтальных направляющих 15 Этим достигается точное позиционирование индукторов 3 в вертикальном направлении. При касании рельсовой плети вертикальный привод 7 останавливается, и включаются горизонтальные приводы 6, подающие соответствующие части индуктора 3 до касания боковой поверхности рельса 17. Каждый привод 6 выключается соответствующим концевым датчиком, что позволяет точно позиционировать обе части индуктора 3 в горизонтальном направлении, поперечном направлению рельсовой плети 17. После остановки приводов 6 включается нагрев до достижения заданной температуры. После достижения заданной температуры нагрев прекращается, и горизонтальные приводы 6 разводят части индуктора 3. После остановки горизонтальных приводов 6 включается вертикальный привод 7, который опускает верхний спрейер 4 на сварной стык. Поскольку арка подъемного устройства 18 находится выше верхнего спрейера 4, то опускается только верхний спрейер 4. При касании верхним спрейером 4 поверхности рельса 17 привод 18 останавливается, включается электрический пневмоклапан и подается воздух через верхний спрейер 4 на поверхность головки рельса, и 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. По окончании закалки вновь включается вертикальный привод 7 и поднимает сначала верхний спрейер 4, а потом, при касании им арки подъемного устройства 18, верхний спрейер 4 вместе с индукторами 3.. После остановки привода 7 модуль готов к следующему циклу. В ручном режиме каждая операция может выполняться отдельно нажатием соответствующих кнопок на панели блока управления 2.