УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКАЛКИ СВАРНЫХ СТЫКОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ

Устройство для закалки сварных стыков железнодорожных рельсов относится к области термической обработки сварных соединений, например, длинномерных рельсов и бесстыковых плетей, и может быть использовано для устранения зональной структурной неоднородности после сварки на железнодорожном, городском и промышленном транспорте в условиях рельсосварочного поезда или путевых условиях.
Известно, что сварка всегда приводит к образованию в сварном соединении дефектных структур, могущих привести к разрушению в условиях эксплуатации рельса. Структура шва, структура границ шва с основным металлом и структура околошовной зоны ослабляют сварное соединение. Эффективный путь исправления этих дефектов в области сварного соединения - термообработка после сварки. Нагрев после сварки с одновременным принудительным охлаждением деформируемой зоны для предотвращения процессов собирательной и вторичной рекристаллизации и получения мелкозернистой перлитной структуры в сварном соединении позволяет получить в сварном соединении ферритоперлитную смесь со свойствами, идентичными свойствам основного металла. При такой закалке необходимо, чтобы зона фазовой перекристаллизации перекрывала зону термического влияния сварки по всему сечению сварного соединения. Поскольку рельс в сечении имеет сложную форму, возникают определенные требования к конструкции закалочного устройства, которое должно обеспечить определенное распределение температуры по сечению сварного соединения для обеспечения вышеуказанных задач, и разработанное с возможностью его применения в установках термической обработки сварных стыков рельсов в стационарных и путевых условиях.
В известных установках для термической обработки рельсов (полезные модели РФ №131732, №131724 и №168673) система индукторов и закалочный блок в виде спрейра объединены в единый переносной модуль, выполненный с возможностью свободного перемещения вдоль рельсовой плети и связаны с соответствующими механизмами их поочередной установки в рабочее положение по сигналу блока управления. Индуктор в этих установках состоит из двух одинаковых электрически соединенных секций, охватывающих рельс с боковых сторон и имеющих возможность их синхронного поворота вокруг собственной оси посредством рычажного механизма, обеспечивающего их фиксацию, с заданным прилеганием в термообрабатываемой зоне сварного стыка в рабочем положении, либо разведение на угол, необходимый для установки в этой зоне спрейера, или для съема термообрабатывающего модуля с рельса.
В качестве наиболее близкого аналога выбрано термообрабатывающее устройство, используемое в установке по полезной модели №131724.
Термообрабатывающее устройство в этой установке состоит из индуктора, образованного двумя одинаковыми электрически связанными секциями, обеспечивающими при сведении необходимое прилегание к поверхности рельса в зоне термической обработки сварного стыка, и спрейера, конструктивно объединенного с системой подачи закалочной среды, приводов вертикального и горизонтального перемещения индукторного узла и спрейера.
При этом две секции индуктора сводятся вплотную к рельсу с двух его боковых сторон, поэтому движение рельса через индуктор требует их разведения и последующего сведения в области стыка. Закалочный блок в этих установках опускается на рельс при раздвинутых индукторах. Такая конструкция закалочного устройства приводит к потерям времени, затратам электроэнергии, а также к большому количеству механических узлов, связанных с последовательностью производимых операций: разведения индукторов для движения рельса до зоны стыка, затем их сведения для производства нагрева стыка, последующего их разведения для опускания спрейра в рабочую зону и его подъема после окончания охлаждения.
Задача предлагаемого технического решения - повышение производительности и КПД установки за счет снижения энергетических затрат и количества механических узлов при одновременном улучшении качества обработки сварного стыка за счет обеспечения прогрева сварного стыка по всему сечению рельса и получения высоких значений твердости металла в головке рельса по ГОСТ 51685-2013.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для закалки сварных стыков железнодорожных рельсов, содержащем индуктор, подключаемый к источнику переменного тока высокой частоты, выполненный в виде двух секций с возможностью охвата рельса, и спрейер, соединенный со шлангами подачи охлаждающей среды, в котором индуктор и спрейер объединены в единый модуль, выполненный с возможностью относительного перемещения вдоль рельсовой плети, индуктор и спрейер жестко связаны между собой, при этом индуктор выполнен в виде верхней секции, охватывающей головку и шейку рельса, и нижней секции, охватывающей подошву рельса, каждая из указанных секций образована несколькими витками прямолинейных проводников из медных пластин по форме охватываемой ими поверхности с возможностью в рабочем положении электрически соединяться в последовательную цепь, охватывая рельс со всех сторон с зазором, позволяющим свободное перемещение рельсовой плети, при этом проводники, предназначенные для охвата внешних поверхностей головки, шейки и подошвы рельса, имеют одно направление тока, а спрейер выполнен в виде двух камер, жестко закрепленных на наружных витках проводников верхней секции индуктора, охватывающих головку рельса, и соединенных каждая с соответствующим шлангом подачи охлаждающей среды, а на противоположных концах наружных проводников нижней секции индуктора, охватывающих подошву рельса, расположены контакты для подключения к источнику переменного тока.
Кроме того, для повышения прочности и твердости в головке рельса в месте сварного соединения, уменьшения склонности к хрупким изломам со сложной формой разрушения при одновременном снижении энергоемкости технологического процесса, указанные линейные проводники имеют размеры, соответствующие заданному температурному полю, по своей форме близкому к трапеции, ширина верхнего основания которой, представляющая зону нагрева головки, равна по ширине зоне термического влияния сварки, а ширина нижнего основания, представляющего зону нагрева подошвы рельса, превышает верхнее основание в 1,2 раза.
Такая конструкция индуктора обеспечила возможность объединения его со спрейером в единую жесткую конструкцию, не требующую механизмов установки индуктора и спрейера в их рабочее положение, используемых в известных установках. Кроме того, данная конструкция устройства позволяет производить термообработку сварных стыков без разъединения двух секций индуктора перед каждым новым стыком, и опускания и подъема спрейера на каждом новом стыке.
Далее сущность изобретения поясняется рисунками, на которых представлено: на Фиг. 1 схематически показан общий вид устройства, размещенного на обрабатываемом рельсе, на фиг. 2 схематически представлена конструкция индуктора в разъединенном состоянии, на фиг. 3 схематически показаны индуктор и спрейер в разъединенном состоянии.
Устройство для термообработки сварных стыков железнодорожных рельсов состоит из индуктора 1 и спрейера 2, объединенных в единый модуль, относительно которого перемещается рельсовая плеть 3 (Фиг. 1). При этом индуктор выполнен в виде двух секций: верхней 1' и нижней 1'', располагаемых в месте сварного стыка друг против друга сверху и снизу рельса, имеющего головку, шейку и подошву. Спрейер 2 жестко соединен с индуктором 1 и состоит из двух камер 2' и 2'', каждая из которых соединяется с соответствующим шлангом 4 и 5 подачи охлаждающей среды. На Фиг. 2 более подробно показано выполнение секций индуктора. Витки верхней секции 1' предназначены для охвата головки и шейки рельса и выполнены по форме, охватываемой ими поверхности. Витки нижней секции 1'' предназначены для охвата подошвы рельса. Витки верхней секции 1' и нижней секции 1'' выполнены из медных пластин методом фрезерования. Стрелками показан путь протекания тока между контактами 6 и 7, которые выполнены на противоположных концах наружных проводников витков нижней секции 1''. Протекание тока возможно только при сведенных секциях 1' и 1'', при сведении и фиксации которых образуется последовательная цепь. Сведение двух секций 1' и 1'' возможно с помощью мотор-редукторов или с помощью пневмоцилиндров. Фиксация в сведенном положении осуществляется за счет силы сдавливания двух секций друг к другу.
На фиг. 3 более подробно представлена конструкция устройства для закалки в разъединенном состоянии. На наружных витках верхней секции 1' индуктора 1 жестко закреплены камеры спрейера 2' и 2'' с отверстиями 8 для прохода охлаждающей среды. Камеры 2' и 2'' соединены с шлангами подачи охлаждающей среды 4 и 5, соответственно.
Охлаждающие трубки 9 предназначены для охлаждения витков индуктора во время нагрева сварного стыка.
При работе индукционный нагрев ведут непосредственно на месте расположения на рельсе 3 (рисунок 1). Перед началом индукционного нагрева устройство устанавливают на рельсе в месте сварного стыка, верхняя 1' и нижняя 1'' секции индуктора фиксируются относительно друг друга любым возможным устройством. К контактам 6 и 7 подключается подача высокочастотного питания. Высокочастотный ток индуктирует токи высокой частоты в витках верхней 1' и витках нижней 1'' секций индуктора, которые возбуждают электромагнитное поле, воздействующее на область нагрева, вызывая в ней вихревые токи, разогревающие ее до необходимых температур. Предложенная конфигурация расположения витков с одним направлением тока вдоль поперечной оси рельса позволяет, используя форму рельса, исключить взаимовлияние «прямых» и «обратных» проводников, а, соответственно, наложение магнитных полей с противоположным направлением (т.е. их вычитание), повышая эффективность установки с данным индукторным узлом. Кроме того, размеры проводников, образующих верхнюю и нижнюю секции индуктора, подбираются таким образом, чтобы температурное поле, создаваемое в области нагрева по своей форме, было близко к трапеции, ширина верхнего основания которой, представляющая зону нагрева головки, соответствует ширине зоны термического влияния сварки, а ширина нижнего основания, представляющего зону нагрева подошвы рельса, превышает верхнее основание в 1,2 раза.
Зазор между рельсом и витками устройства позволяет беспрепятственно проходить рельсу через индуктор. В прототипе две половины сводятся вплотную к рельсу, поэтому движение рельса через индуктор, приведет к выходу из строя индуктора. Конструкция предлагаемого устройства (Фиг. 1) позволяет производить термообработку сварных стыков без разъединения двух половин перед каждым новым стыком, что в свою очередь приводит к увеличению производительности за счет исключения времени на опускание и подъем спрейера для процесса закалки стыка, экономии электроэнергии и снижению количества механических узлов, требуемых для поочередной установки секций индуктора 1 и спрейера 2 в их рабочее положение. После окончания нагрева питание индуктора 1 отключается, и включается подача охлаждающей среды к камерам 2' и 2'' спрейера 2. Размыкание двух секций индуктора необходимо только при наличии на рельсах болтового соединения. Две секции 1' и 1'' индуктора (Фиг. 3) размыкаются только в том случае, если через индуктор должен пройти стык с изолирующей прокладкой, по габаритам превышающий размеры поперечного сечения рельса.
Устройство удобно для изготовления, позволяя достаточно просто за счет такого расположения линейных проводников, сформировать требуемое температурное поле во всем объеме металла в области сварного стыка.
Наличие в спрейере 2 двух отдельных входов 2' и 2'' для подвода охлаждающей среды позволяют получить более высокую скорость охлаждения и равномерность охлаждения головки рельса.
Создание соответствующей площади трапеции темпертурного поля в зоне нагрева позволяет минимизировать зону термического влияния после термообработки путем сокращения времени нагрева за счет уменьшения объема нагреваемого металла. А, следовательно, позволяет получить характеристики в зоне сварного шва близкие к характеристикам основного металла и увеличить производительность процесса термообработки.
Для коррекции температурного поля на соответствующих витках можно разместить концентраторы магнитного потока.
Устройство легко и быстро настраивается на работу при переходе на рельсы другого сортамента.
Разработанное в настоящее время устройство предназначено для проведения нагрева сварных стыков перед их закалкой для термообработки рельсов Р50; Р65; Р75.