Устройство 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 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.
Сварное соединение состоит из крупнозернистого сорбитообразного перлита и ферритной сетки вокруг зерен и, следовательно, имеет более низкие механические свойства, чем основной металл. Такие сварные рельсы по сравнению с прокатными обладают меньшей пластичностью, вязкостью металла и большей склонностью к хрупким разрушениям.
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 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 ферритоперлитная 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, существенным недостатком которых является то, что они не обеспечивают снятия у готовых рельсовых путей остаточных напряжений в местах сварки.
2
Известны устройства для термообработки рельсовых плетей перед укладкой, смонтированные на раме железнодорожного транспортного средства (Авторское свидетельство СССР №1137137 «Устройство для термообработки рельсовых плетей перед укладкой», опубл. 30.01.1985, Патент РФ №2128759 «Способ термообработки рельсов и устройство для его осуществления», опубл. 10.04.1999), с применением низкотемпературного отпуска, в котором 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.
Известно устройство для нагрева под термообработку, содержащее каркас с газопламенными горелками, коллектор для подвода топлива (Авторское свидетельство СССР №1054432 «Устройство для нагрева под термообработку», опубл. 15.11.1993). Однако указанное устройство обеспечивает низкое качество отпуска за счет окисления поверхности сварного соединения, в нем невозможно автоматизировать процесс, трудно обеспечить необходимую скорость охлаждения. Кроме того, поскольку нагрев производится с помощью горелок, необходимо перевозить вместе с данным устройством запасы топлива и коллекторы для его подачи.
Наиболее близкой по функциональному назначению и принципу действия к предлагаемой является установка для термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях УИН 001-100/РТ-П, разработанная ООО «Магнит» (Патент РФ №57752 «Установка термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях», БИПМ №30, опубл. 27.10.2006), содержащая 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, предусматривающая индукционный нагрев всего сечения рельса в зоне сварного стыка и последующую закалку головки рельса путем принудительного охлаждения сжатым воздухом. Основными недостатками указанной установки являются:
1. Выбранная частота преобразования в диапазоне 8÷15 кГц и мощность преобразователя частоты до 75 кВт позволила снизить габариты всей установки, однако в настоящее время в условиях ужесточения режимов работы термической обработки (в зависимости от химического состава рельса и его производителя температура нагрева находится в диапазоне 850÷950°С при сохранении времени нагрева в пределах 180÷240 с и время закалки находится в диапазоне 80÷180 с), не обеспечивает равномерного нагрева всего сечения рельса в зоне сварного соединения до требуемой температуры из-за недостаточной мощности преобразователя частоты и высокого диапазона частоты преобразования. Особенно это наблюдается в процессе эксплуатации установки при температурах окружающей среды от 0 до -10°С.
2. Конструктивные особенности устройства подачи сжатого воздуха, такие как малая длина закалочной камеры; неравномерное распределение закалочной среды в области сварного соединения; низкий расход и давление сжатого воздуха; не обеспечивают закалку головки рельса по всей длине нагретого участка, что приводит к смятию и повышенному износу головки рельса в зоне термического влияния сварного соединения, и, соответственно, уменьшает срок службы рельсового пути.
3. Механизм сведения/разведения и фиксации половин индуктора в процессе промышленной эксплуатации подвергается повышенному износу и, как следствие, не обеспечивает надежную фиксацию индуктора, что препятствует обеспечению равномерного нагрева участка рельса, установке спрейера в зону сварного стыка или съему модуля с рельса и повышает износ индукторов.
4. Конструкция зажимного устройства, которое фиксирует установку на термообрабатываемом рельсе, не обеспечивает надежную фиксацию в процессе термообработки сварного стыка, что приводит к работе установки в смещенном положении относительно термообрабатываемого рельса.
5. Центрирование установки на термообрабатываемом рельсе происходит за счет половинок индукторов, что приводит к их повышенному износу.
Совокупность данных недостатков препятствует получению качественных сварных соединений рельсов в путевых условиях.
В настоящее время, в путевых условиях производят термическую обработку сварных стыков с использованием установок индукционного нагрева типа УИН 001-100/РТ-П, производства ООО «Магнит» (Патент РФ на полезную модель №57752). Внедрение данной установки сыграло положительную роль в упрочнении, оптимизации структуры металла 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 соединений, основные из которых - смятие и повышенный износ головки в области околошовной зоны, 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 новых требований эксплуатации и технических возможностей.
Достигаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание устройства термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях с низкими массогабаритными показателями, с возможностью ручного перемещения с путевой машины на рельсовую плеть, свободно перемещающуюся вдоль рельсовой плети, с одновременным снижением себестоимости и эксплуатационных расходов, но с повышенным качеством термической обработки сварных стыков рельсов, отвечающих современным требованиям и нормам предприятий сварочного производства.
Для решения поставленного технического результата разработано устройство термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях, состоящее из системы индукторов, блока согласования, закалочного блока, блока управления системой индукторов и закалочным блоком, в котором система индукторов, блок согласования 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 зажимными устройствами для фиксации его в месте сварного стыка, причем система индукторов и закалочный блок связаны с соответствующими механизмами их ручной поочередной установки в рабочее положение по сигналу блока управления, для чего блок управления связан с датчиками положения индукторов и закалочного блока, а также - с датчиком температуры. В отличии от прототипа, индукторы расположены на рычагах, качающихся в вертикальной, а не в горизонтальной плоскости, что позволяет избежать перекоса половинок индуктора друг относительно друга, а также обеспечивает более легкое сведение индукторов, поскольку они опускаются под действием силы тяжести. Для фиксации индукторов в сведенном и разведенном положениях применен рычажный механизм с тросовым приводом, что обеспечивает его простоту и надежную фиксацию механизма.
Система индукторов состоит из двух зеркально выполненных, электрически соединенных индукторов, образующих резонансный контур с блоком согласования и установленных на рычагах в виде двух симметричных створок, закрепленных на корпусе модуля с возможностью их синхронного поворота вокруг собственной оси посредством рычажного механизма, обеспечивающего их фиксацию с заданным прилеганием в термообрабатываемой зоне сварного стыка в рабочем положении, с возможностью разведения на угол, необходимый для подвода закалочного блока в зону термообработки и для съема термообрабатывающего модуля с рельса.
Эффективная конструкция индуктора позволила повысить КПД системы и за счет этого обеспечить равномерный нагрев всего сечения рельса в области сварного соединения до температуры 850÷950°С в зависимости от химического состава рельсовой стали и его производителя при сохранении времени нагрева в пределах 180÷240 с при температуре окружающей среды от -20 до +50°С. При этом для обеспечения равномерного нагрева используется высокочастотный источник питания на IGBT-транзисторах с частотой преобразования 2,4÷6 кГц и прикладываемой мощностью 50÷120 кВт. Высокочастотный источник питания находится на платформе передвижной рельсосварочной машины. Использование современных технических решений при реализации высокочастотного источника питания позволило обеспечить требуемые технические параметры и, соответственно, снизить габариты всего комплекса.
Закалочный блок, выполненный в виде спрейера, конструктивно разделенного на три отдельные камеры и объединенный с системой подачи закалочной среды, установлен на продольно перемещающейся конструкции, выполненной из труб прямоугольного сечения, обеспечивающих подачу закалочной среды через промежуточные втулки с изменяемым диаметром, с возможностью перемещения посредством рукоятки по направляющим роликам с подшипниками качения и фиксации в крайних положениях рычажным механизмом с тросовым приводом, а в качестве закалочной среды используется сжатый воздух. Замена качающейся конструкции, используемой в прототипе, на продольно перемещающуюся позволило увеличить длину закалочной камеры, добиться равномерного охлаждения нагретого участка рельса по всей длине и избежать появления незакаленных участков головки рельса в околошовной зоне. Также увеличено сечение шлангов для подвода сжатого воздуха к закалочному блоку, что улучшило условия закалки головки рельса.
Сопла спрейера формируются в зазоре деталей, причем центральное сопло, сформированное в зазоре между двумя пластинами, имеет форму сопла Лаваля, а боковые сопла формируются в зазоре пластин и боковыми стенками закалочной камеры, что позволяет добиться эффективного охлаждения рельса в области сварного соединения.
Для надежной установки термообрабатывающего модуля в плоскости подошвы рельса на раме термообрабатывающего модуля, выполненной из трубы прямоугольного сечения, установлены ножки с возможностью их перемещения вдоль собственной оси, перпендикулярной продольной оси рельса, и фиксации в установленном положении посредством ручного механизма, выравнивающие термообрабатывающий модуль при установке на рельс за счет опирания на подошву рельса. Установка на раме термообрабатывающего модуля регулируемых по высоте ножек позволяет избежать заваливания в сторону термообрабатывающего модуля и перекоса индукторы относительно рельса.
Сменные индукторы и регулируемые ножки, выравнивающие термообрабатывающий модуль при установке на рельс за счет опирания на подошву рельса, позволяют использовать термообрабатывающий модуль для обработки разных типоразмеров рельсов без изменения основной конструкции.
Зажимное устройство, расположенное с двух сторон термообрабатывающего модуля, состоит из двух захватов, подвешенных на осях, жестко соединенных с основанием, закрепленных на раме модуля с возможностью их синхронного поворота вокруг собственной оси посредством рукоятки, вызывающей сведение или разведение захватов, зажимающих рельс. Использование принципиально иной конструкции зажимного устройства позволило добиться быстрого и надежного закрепления термообрабатывающего модуля на рельсе. Зажим производится не за шейку, а за головку рельса, что позволило значительно увеличить усилие зажима и надежность крепления термообрабатывающего модуля к рельсу. Для повышения надежности крепления термообрабатывающего модуля введено второе зажимное устройство.
Такое исполнение термообрабатывающего модуля не требует специальных приводов и механизмов для его установки на место сварного стыка и перемещения по рельсу, его можно использовать в составе передвижной рельсосварочной машины (вес модуля не более 50 кг). С помощью такой установки можно производить термообработку сварных стыков рельсов типа Р50, Р65 и Р75, заменяя только индукторы в индукторной системе. Кроме того, устройство термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях 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 фигур, на которых представлено:
Фиг. 1 - устройство в соответствии с данной полезной моделью в изометрии с индукторыми в рабочем положении;
Фиг. 2 - устройство при разведенных индукторых, и расположением закалочного блока в рабочей зоне;
Фиг. 3 - вид сбоку на устройство;
Фиг. 4 - зажимное устройство для фиксации модуля на рельсе;
Фиг. 5 - рычажный механизм манипулирования индукторыми;
Фиг. 6 - закалочный модуль.
Переносной модуль устройства (фиг. 1) состоит из несущей рамы 1, снабженной ручкой 11, на которой расположены: блок согласования 2, индукторная система, состоящая из двух индукторов 7, соединенных между собой в последовательную цепь, закалочное устройство подачи сжатого воздуха (спрейер) 4 (фиг. 2), блок управления технологическим процессом 8.
Модуль устанавливается непосредственно на рельс 3, позиционируется посредством роликов 14 и регулируемых ножек 15 в зоне термообработки и фиксируется зажимным устройством с помощью рычага 9. В нерабочем состоянии термообрабатывающий модуль устанавливается на специальную подставку.
Зажимное устройство, управляемое рукояткой 9 (фиг. 4), состоит из двух захватов 15, подвешенных на осях 20, жестко соединенных с основанием 19, которое крепится на раме 1 (фиг. 1) модуля. При перемещении рукоятки 9 (фиг. 4) в нижнее положение эксцентрик рукоятки, проворачиваясь, вызывает посредством винта 77 и втулки 16 сведение захватов 15, зажимая рельс. Усилие зажимного устройства регулируется при помощи винта 17. В отпущенном положении разведение захватов 15 обеспечивает пружина 18.
Блок управления 8 (фиг. 1) установлен на верхнюю крышку блока согласования 2 и обеспечивает соединение системы индукторов с высокочастотным источником питания и микропроцессорным устройством управления технологическим процессом, а также содержит панель управления и индикации параметров процесса термообработки. Кроме того, блок управления связан с датчиками положения 13, определяющими крайние положения индукторов и спрейера, и с датчиком температуры 28.
Индукторы 7 (фиг. 5) закреплены на пластинах 10, установленных с возможностью поворота относительно горизонтальной оси 23. Указанные индукторы 7 могут синхронно раздвигаться и сдвигаться в вертикальной плоскости при помощи рычажного механизма, управляемого рукояткой 6 и состоящего из коромысла 21 и двух тяг 22, которые обеспечивают необходимый угол раскрытия между индукторыми для установки закалочного блока в рабочее положение, а также для установки термообрабатывающего модуля на рельс. Фиксацию индукторов в рабочем положении обеспечивает собачка, установленная на ступице рукояти, которая управляется дополнительной ручкой 24 с тросовым приводом, расположенной на рукоятки 6. При движении рукоятки 6 коромысло 21, жестко соединенное с рукояткой, поворачиваясь на центральной оси, воздействует через тяги 22 на пластины 10, заставляя их сдвигаться или раздвигаться.
Закалочный блок 4 (фиг. 2) перемещается в рабочее положение при раздвинутых индукторах 7 с помощью рукоятки 5 и фиксируется в крайних положениях стержнем фиксатора с тросовым приводом от дополнительной ручки 29 (фиг. 6). Продольное перемещение закалочного блока производится по направляющим роликам 25 (фиг. 3) с подшипниками качения, что обеспечивает легкость и удобство перемещения узла. Резиновые шланги 26 служат для подачи сжатого воздуха к спрейеру.
Устройство закалочного блока (фиг. 6) состоит из спрейера, разделенного перегородками 35 на три отдельные камеры - центральную 36 и две боковые 37. Это позволяет добиться более равномерного охлаждения рельса по длине относительно сварного шва. Рама закалочного блока 28 выполнена из труб прямоугольного сечения, которые одновременно являются и направляющими элементами для перемещения закалочного блока и служат для подвода сжатого воздуха к спрейеру 30 от штуцеров 32. Промежуточные втулки 34, которые крепят спрейер 30 к трубам рамы 28, могут одновременно служить в качестве дросселирующего элемента при изменении диаметра проходного отверстия. Это позволяет добиться равномерного распределения подаваемого в отдельные камеры спрейера воздуха.
Сопла спрейера формируются двумя пластинами 33 (фиг. 6) и боковыми стенками камеры спрейера 38. Центральное сопло 40, сформированное в зазоре пластин 33, имеет форму сопла Лаваля, что позволяет добиться эффективного охлаждения обрабатываемого участка рельса. Боковые сопла 39 формируются пластиной 33 и стенкой 38 и позволяют добиться эжекционного эффекта для ускоренного отвода охлаждающей среды из закалочной камеры спрейера.
Для предотвращения закалки шейки и подошвы рельса служат отсекатели 31, выполненные из листовой нержавеющей стали. Устройство отсекателя спрейера содержит кронштейны отсекателей 41, выполненные в виде двуплечих рычагов. К одному плечу крепится лопасть отражателя 42, второе плечо при опускании термомодуля на рельс заводит отсекатель под головку рельса и отсекает поток охлаждающего воздуха от шейки и подошвы рельса.
Устройство работает следующим образом. Термообрабатывающий модуль операторами снимается с подставки за ручки 11 (фиг. 1 и фиг. 2), устанавливается на рельс в зоне термообработки при разведенных индукторах 7, позиционируется точно на центр стыка при помощи лазерного указателя 72 и фиксируется зажимными устройствами (фиг. 4), расположенными с двух сторон модуля, с помощью рукояток 9. При помощи рычажного механизма с рукояткой 6 индукторы 7 сводятся в рабочее положение и фиксируются (фиг. 1). С помощью панели пульта управления 8 задаются параметры обработки сварного стыка (температура нагрева, мощность установки, время закалки и другие). После нажатия кнопки «Пуск» на пульте управления 8 начинается нагрев сварного стыка. Температура в зоне нагрева контролируется бесконтактным пирометром 28. После достижения заданной температуры нагрев автоматически прекращается, о чем появляется оповещение на панели пульта управления 8. Тогда оператор при помощи рычажного механизма с рукояткой 6 разводит индукторы 7 и посредством рукоятки 5 вводит закалочный блок 4 в зону сварного стыка (фиг. 2). Положение закалочного блока в зоне термообработки контролируется конечным выключателем 27. Затем по сигналу блока управления включается электрический пневмоклапан, и воздух подается через спрейер закалочного блока 4 на стык. Происходит закалка головки рельса. Ее окончание сопровождается соответствующим сигналом на панели блока управления 8, тогда оператор при помощи рукоятки 5 отводит закалочный блок 4. 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.