СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ГОЛОВОК СТАЛЬНЫХ РЕЛЬСОВ ДЕЙСТВУЮЩИХ ПУТЕЙ
METHOD AND APPARATUS FOR SURFACE HARDENING OF HEADS OF ACTIVE RAILWAY STEEL RAILS

Группа изобретений относится к способам и установкам для термической обработки ответственных деталей верхнего строения пути (железнодорожных рельсов, рельсов метро, трамвайных рельсов) с помощью концентрированных потоков энергии. На надежность работы рельсового транспорта оказывает влияние качество деталей, формирующих путь и колесную пару подвижного состава. К этим деталям предъявляются требования по износостойкости и контактно-усталостной прочности. Одним из перспективных направлений улучшения указанных характеристик является применение поверхностного упрочнения методами воздействия концентрированных потоков. Результатами подобной обработки являются повышение срока службы изделий, улучшение их эксплуатационных характеристик, снижение стоимости ремонтных работ.
2
Известен способ поверхностного термического упрочнения стальных изделий (Авторское свидетельство СССР SU 1548218 А1, опубл. 07.03.90 бюл. №9), включающий сверхбыстрый нагрев электронным пучком с заданными характеристиками (энергия электронов 0,3-4,0 МэВ, плотность мощности 0,08-10 МВт/см) перемещающегося изделия. Энергия электронов и мощность выбираются из условия обеспечения адиабатичности нагрева упрочняемого слоя без оплавления поверхности изделия с возможностью последующего быстрого (более 1000 К/с) остывания слоя за счет кондуктивного теплообмена с холодной основой. Недостатком способа является необходимость выполнения слишком жестких условий (адиабатичность нагрева, отсутствие оплавления), что приводит к применению высокоэнергетичных пучков и, как следствие, громоздких, крупногабаритных, тяжелых электронных ускорителей. На их основе проблематично создание мобильных устройств для упрочнения эксплуатируемых рельсов, т.е. находящихся непосредственно в составе верхнего строения железнодорожных путей.
Известен способ термической обработки стальных рельсов (патент RU 2644638 С2, опубл. 13.02.2018), заключающийся в направленном воздействии высокотемпературной плазменной струи на перемещающееся изделие (рельс) и последующем его охлаждении, при этом осуществляют расщепление плазменной дуги на два пятна нагрева. Условия проведения термической обработки: сила тока 90-160 А, напряжение 130-160 В, скорость перемещения изделия 50-200 см/мин, расстояние от среза сопла плазмотрона до поверхности изделия - 20-30 мм.
Недостатком способа является чрезвычайно низкая скорость перемещения рельса (30-120 м/ч), что делает его применение малоэффективным для упрочнения рельсов в составе действующих путей. Кроме того, плазменные способы закалки чувствительны к расстояниям между срезом сопла плазмотрона и поверхностью рельса, что также представляет проблему при упрочнении в «полевых условиях».
Известны также процессы поверхностного термоупрочнения изделий концентрированным лазерным излучением (Григорянц А.Г., Сафонов А.Н., Методы поверхностной обработки. М. «Высшая школа», 1987). Однако применение их для упрочнения рельсов в составе действующих рельсовых путей также малоэффективно, в связи с тем, что:
- эффективность преобразования электрической энергии в энергию концентрированного лазерного излучения составляет всего 10-15%;
- коэффициент поглощения лазерного излучения поверхностью изделия менее 5%;
- лазерные установки, работающие в воздушной атмосфере, имеют невысокие мощности (на уровне 10 кВт).
В отличие от лазерного излучения электронный пучок имеет ряд существенных преимуществ:
- высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию концентрированного излучения электронного пучка (70-80%);
- высокий коэффициент поглощения излучения поверхностью рельса (более 75-80%);
- возможно создание генераторов электронных пучков в воздушной атмосфере большой мощности - 10…1000 кВт.
Указанные преимущества ведут к упрощению задачи обеспечения утилизации излишков тепла, отсутствию необходимости предварительной подготовки поверхности рельса к обработке.
Наиболее близкими аналогами предлагаемой группы изобретений являются решения, раскрытые в патенте RU 2208650 С2, опубл. 20.07.2003. В данном источнике информации раскрыт способ поверхностного термоупрочнения рельсов, основанный на применении высокоэнергетических электронных пучков, и устройство для его реализации. В основе данного способа лежат процессы адиабатического нагрева электронами мегавольтного уровня, принципы которого раскрыты в авторском свидетельстве SU 1548218 А1, 07.03.90, рассмотренном выше. Устройство располагается в перемещающемся с помощью локомотива вагоне, основными элементами устройства являются ускоритель мегавольтного класса (0,3-4,0 МэВ), высоковольтный источник электрического питания и выпускной узел, а также переключатель пучка электронов для упрочнения правого и левого рельса и сканирующее устройство.
Однако из представленного в патенте описания неясными остаются следующие моменты:
2
3
1. Как обеспечивается вакуум в выпускном устройстве, сообщающимся с воздушной атмосферой через апертуру (3-5)×25 мм? При данной апертуре для обеспечении форвакуума необходима производительность вакуумного насоса более 10 м/с, что представляется проблематичной на современном уровне развития техники.
2. Вне рассмотрения остался также вопрос охлаждения (или теплосъема). При характерных мощностях пучка 50-60 кВт требуемый уровень охлаждения может дойти до 15-20 кВт, что требует самостоятельной системы обеспечения теплосъема.
В отсутствие указанных систем (вакуумной откачки требуемого уровня и системы охлаждения) устройство не будет надежно функционировать.
Также к недостаткам наиболее известного аналога можно отнести тот факт, что использование высокоэнергетических электронных пучков приводит к увеличению толщины упрочненного слоя. Вопрос об оптимальной толщине упрочненного слоя в случае рельсов, испытывающих контактные нагрузки, является неоднозначным. С ростом глубины упрочнения увеличивается ресурс рельсов, но при этом возрастают напряжения на границе «упрочненный слой - основа» вследствие различий в их кристаллических структурах (пластинчатый перлит и мартенсит). Известны экспериментальные факты, когда при достижении значительной толщины закаленного слоя происходит его отслаивание.
Цель изобретения - создание новых способа и установки для упрочнения действующих рельсовых путей, обеспечивающих многократное увеличение ресурса рельсов.
Технический результат группы изобретений заключается в снижении вероятности отслаивания упрочненного слоя.
Для решения задачи и достижения технического результата предложен способ поверхностного упрочнения головок стальных рельсов действующего пути, включающий нагрев по меньшей мере одной поверхности головки рельсов пути электронными пучками, выведенными в воздушную атмосферу и перемещающимися относительно рельса, и последующее охлаждение этой поверхности. Причем используют электронные пучки с энергией электронов 100-300 кэВ. При этом расстояние L, м от выходного среза выводного узла устройства вывода электронного пучка до нагреваемой поверхности головки рельса выбирают из условия:
L≤0,1⋅К⋅S, где
S - длина пробега электронов в воздушной атмосфере;
К=6÷8 - коэффициент, учитывающий изменение длины пробега электронов в воздушной атмосфере при разогреве воздуха до температур свыше 1500°C.
Предложена также установка для поверхностного упрочнения головок стальных рельсов действующего рельсового пути, содержащая рельсовое транспортное средство, на котором установлено по меньшей мере одно устройство для вывода электронного пучка, содержащее источник высоковольтного питания, электронный ускоритель, выводной узел. Причем устройство для вывода электронного пучка установлено на рельсовом транспортном средстве с возможностью направления электронного пучка выводного узла на верхнюю или боковую поверхность головки рельса, а расстояние L, м от выходного среза выводного узла до нагреваемой поверхности головки рельса выбирают из условия:
L≤0,1⋅К⋅S, где
S - длина пробега электронов в воздушной атмосфере;
К=6÷8 - коэффициент, учитывающий изменение длины пробега электронов в воздушной атмосфере при разогреве воздуха до температур свыше 1500°C.
В качестве выводного узла может быть использована система дифференциальной откачки, снабженная системами электропитания, охлаждения и вакуумной откачки.
Установка может быть снабжена сканирующей системой, расположенной на выходе выводного узла.
Установка может содержать от одного до четырех устройств для вывода электронного пучка.
Способ упрочнения основан на обработке поверхностей головки рельса электронным пучком, который обеспечивает высокоскоростной и кратковременный нагрев этих поверхностей с последующим высокоскоростным охлаждением нагретого слоя за счет естественного кондуктивного теплообмена с основой, т.е. теплопроводности внутрь головки рельса. Особенность данного изобретения состоит в использовании для реализации низкоэнергетических электронов (100-300 кэВ), выведенных в воздушную атмосферу. Данный способ позволяет существенно снизить весогабаритные характеристики оборудования для генерации и вывода электронного пучка. В частности, переход от электронного ускорителя с энергией электронов 1-4 МэВ к ускорителю с энергией 100-300 кэВ снижает характерные размеры оборудования в несколько раз и массу более чем в 15 раз. Данные количественные изменения носят уже качественный характер - появляется возможность установления подобного оборудования на любых рельсовых транспортных средствах (вагонах, автомотрисах и других транспортных средствах, способных передвигаться по существующим железнодорожным, трамвайным путям, монорельсам и путям метрополитена) и осуществления эффективного упрочнения рельсов непосредственно в составе действующих путей.
Еще одним преимуществом использования пучков низкоэнергетических электронов является существенное упрощение эксплуатации установки - возможность проведения ремонтных и регламентных процедур без применения специальной аппаратуры и за более короткие времена. Данные достоинства являются важными при использовании мобильного оборудования для упрочнения уже эксплуатируемых рельсов. Кроме того, подобное оборудование имеет более низкую стоимость, а также предъявляет существенно низкие требования к радиационной защите.
Предлагаемая группа изобретений быстро и эффективно осуществляет упрочнение головок одного или двух рельсов на относительно небольшую глубину (0,4-0,8 мм), при этом снижается вероятность отслаивания упрочненного слоя. Причем упрочнение рельсов с помощью предлагаемой группы изобретений можно проводить регулярно по мере износа упрочненного слоя. При достижении критического износа рельсы можно восстановить методом наплавки (что также возможно методами вневакуумной электронно-лучевой технологии), что позволит многократно увеличить ресурс уже эксплуатируемых в настоящее время путей.
В процессе упрочнения происходит:
- высокоскоростной нагрев поверхности до температур выше точки аустенитизации (900-1500°C),
- распространение температурного фронта вглубь материала и протекание фазовых превращений α - фазы железа в γ - фазу, т.е. преобразование объемно-центрированных кристаллов в гранецентрированные,
- растворение углеродных и иных легирующих включений в гранецентрированных кристаллах γ - фазы железа, образование новых фаз,
- высокоскоростное остывание за счет теплопроводности внутрь головки рельса,
- формирование в упрочненном слое мартенситной структуры с высокой твердостью.
Группа изобретений поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана исходная структура пластинчатого перлита (под чертой) стали марки Р65 и образовавшаяся после упрочнения предлагаемым способом мартенситная структура упрочненного слоя (над чертой).
На фиг. 2 представлена схема предлагаемой установки (вариант с одним устройством вывода пучка).
На фиг. 3 схематично показан процесс упрочнения верхней и боковой поверхностей одного рельса.
В качестве примера приведен результат поверхностного упрочнения рельсов, изготовленных из стали марки Р65 (фиг. 1). О твердости можно судить по отпечаткам от алмазных пирамидок, как видно, упрочненный слой имеет в 3 раза большую твердость. Исходная твердость - 2300 МПа, твердость упрочненного слоя - 9000 МПа, толщина упрочненного слоя -850 мкм.
Режим обработки:
Энергия электронов - 100 кэВ,
Ток пучка - 300 мА,
Мощность - 30 кВт,
Диаметр пучка - 5 мм,
Время воздействия - 20 мсек,
Среда обработки - воздушная атмосфера,
Расстояние (L) между срезом выводного узла и
нагреваемой поверхностью головки рельса - 0,08 м
6
2
Данный пример показывает, что поверхностное упрочнение может быть осуществлено электронным пучком, выведенным в атмосферу и имеющим энергию 100 кэВ, по механизму нагрева слоя температурным фронтом (а не только по механизму адиабатического нагрева) в режиме высокоскоростного нагрева-остывания. При этом удельный энерговклад составляет (1÷3)⋅10 Дж/м, а скорость перемещения вагона по рельсам - 1÷3 км/ч при мощности пучка 15-50 кВт.
При этом важным является расстояние L между выходным срезом выводного узла и обрабатываемой (нагреваемой) поверхностью головки рельса. Установлено, что длина пробега электронов S в воздушной атмосфере зависит от энергии U электронного пучка, данные приведены в таблице:
Исследования показали, что при выводе концентрированного пучка воздух на траектории прохода пучка разогревается до высоких температур (1500-2000°C), происходит снижение концентрации частиц воздуха в К раз, что приводит к увеличению длины пробега, которая становится равной:
*
S=К⋅S, где
S - длина пробега электронов в воздушной атмосфере;
К - коэффициент, учитывающий изменение длины пробега электронов в воздушной атмосфере при разогреве воздуха до температур свыше 1500°C, причем К равен 6÷8.
Расчеты транспортировки электронного пучка в газовой среде показывают, что на начальном участке, составляющем 10-12% от полной длины пробега, доля энергетических потерь не превышает 5-8%. Учитывая вышеизложенное, обработку упрочняемой поверхности головки рельса электронным пучком необходимо произвести на начальном участке распространения пучка в атмосфере, когда он имеет максимальные параметры. Таким образом, наиболее эффективно вести упрочнение рельсов на расстоянии (L, м) между выходным сечением выводного узла и нагреваемой поверхностью головки рельса, определяемом по формуле:
L≤0,1⋅К⋅S, где
S - длина пробега электронов в воздушной атмосфере;
К - коэффициент, учитывающий изменение длины пробега электронов в воздушной атмосфере при разогреве воздуха до температур свыше 1500°C. Ведение процесса упрочнения на таком расстоянии L приведет к быстрому получению качественного равномерного неглубокого упрочненного слоя в обрабатываемой поверхности рельса, вероятность отслаивания которого от основы ничтожно мала.
Принципиальная схема установки для реализации вышеописанного способа упрочнения рельсов, включающая одно устройство для вывода пучка, представлена на фиг. 2. В зависимости от решаемых задач установка может включать несколько устройств для вывода электронного пучка, установленных на рельсовом транспортном средстве (вагоне). Например, для одновременного упрочнения верхних (горизонтальных) и внутренних боковых поверхностей головок двух рельсов одного пути используется установка с четырьмя устройствами для вывода электронного пучка, установленными на рельсовом транспортном средстве.
Для упрочнения верхней поверхности головки рельса устройство для вывода пучка устанавливают на рельсовом транспортном средстве так, что пучок электронов, выходящий из выводного узла, направлен перпендикулярно обрабатываемой поверхности, т.е. угол между осью выводного узла и обрабатываемой поверхностью является прямым, а для упрочнения боковой поверхности головки рельса устройство для вывода пучка устанавливают на рельсовом транспортном средстве так, что угол между осью выводного узла и обрабатываемой поверхностью является острым (45±10 градусов). Для этого в нужном месте дна вагона предусматривают силовую наклонную металлическую площадку с отверстиями для фиксации под требуемым углом выводного узла и соосно соединенного с ним ускорителя. Использование электронных пучков низких энергий позволяет создавать малогабаритные устройства вывода электронного пучка, которые могут работать при любой пространственной ориентации.
Основными элементами устройства вывода пучка являются (фиг. 2) источник высоковольтного напряжения 1, электронный ускоритель 2, выводной узел 3.
Источник высоковольтного напряжения 1 предназначен для обеспечения на выходе высокого выпрямленного напряжения с требуемыми для электронного пучка параметрами (энергия 100-300 кэВ, мощностью одного устройства вывода электронного пучка - 15-50 кВт).
Электронный ускоритель 2 формирует электронный пучок в условиях глубокого вакуума. Выводной узел 3 позволяет вывести пучок 4 в воздушную атмосферу для обработки поверхностей головки рельса 5. Так как для упрочнения нужен концентрированный пучок, то в качестве выводного узла необходимо использовать газодинамическое окно, например, на базе системы дифференциальной откачки. Для ее работы необходимо привлечение ряда вспомогательных систем, заштрихованных на фиг. 2. Выводной узел на основе системы дифференциальной откачки состоит из нескольких автономно откачиваемых шлюзовых камер, сквозь которые проходит пучок 4 из электронного ускорителя 2. Камеры сообщаются через малые отверстия в перегородках. Требуемый уровень давления (вакуума) в объеме ускорителя создается вакуумными насосами 7 путем откачки газа через соответствующие окна. Для ограничения поперечных размеров пучка с помощью соленоидов (не показаны) создается магнитное поле. Соленоиды запитываются от источника 6 и охлаждаются от системы охлаждения 8.
7
8
2
Для контроля зоны упрочнения может быть использована сканирующая система 9, расположенную на выходе выводного узла и соосно с ним (фиг. 2). При правильном выборе диаметра пучка и скорости вагона сканирование вдоль движения становится излишним. Сканирующая система предназначена для обеспечения плотности мощности концентрированного потока энергии на уровне 10-10 Вт/м.
Общая масса всех элементов устройства вывода пучка не превышает 3 тонны, что позволяет разместить его на любом рельсовом транспортном средстве.
На примере Российских железных дорог можно привести следующие оценки. При скорости обработки 2 км/ч и организации трехсменной круглосуточной работы вахтенным методом в год одна мобильная установка упрочняет 15 тысяч километров путей. Общая протяженность железных дорог в России составляет почти 90 тысяч километров. Это означает, что 6 мобильных установок упрочнят все рельсы страны в течение одного года.
Ежегодные расходы на содержание рельсового хозяйства в настоящее время составляют 20 млрд. руб. Увеличение ресурса дорог втрое (ожидается при трехкратном увеличении твердости поверхностного слоя рабочих участков рельсов) соответствует ежегодной экономии в 13 млрд. руб., что обеспечит быструю окупаемость затрат на изготовление мобильных устройств для упрочнения.
Алгоритм работы предлагаемой установки, согласно варианту с одним устройством для вывода электронного пучка, следующий (фиг. 2, 3):
1. Включают первичные источники питания (на фигурах не указаны).
2. Включают вакуумные насосы для откачки шлюзовых камер выводного узла 3.
-3
3. При достижении в объеме электронного ускорителя 2 давления 10 Па установке придают ускорение до приобретения требуемой скорости (например, 2 км/ч). Далее движение равномерное.
4. Включают систему охлаждения фокусирующих соленоидов.
5. Включают систему электропитания фокусирующих соленоидов и сканирования пучка 9 согласно программе упрочнения.
6. Включают источник высоковольтного питания 1 и генерируют электронный пучок 4. Осуществляется упрочнение одной верхней поверхности головки одного рельса 5.
Отключение осуществляют в обратном порядке.
Реализация указанного алгоритма осуществляется при помощи пульта управления, располагаемого, например, в смежном вагоне и неуказанного на чертежах.