Установка термической обработки сварных стыков рельсов в путевых 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 путевых условиях. Установка позволяет производить термоупрочнение сварного стыка, получать необходимую структуру и твердость металла, достигать однородности металла сварного соединения и основного металла рельса.
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.
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 (SU 1620521, SU 933855, GB 1081264), существенным недостатком которых является то, что они не обеспечивают снятия у готовых рельсовых путей остаточных напряжений в местах сварки. В настоящее время, в путевых условиях не производят термическую обработку сварных стыков. Отсутствие данной операции приводит к серьезным последствиям за счет возникновения дефектов, основными из которых являются смятие и повышенный износ головки, развитие усталостной трещины в области поджога поверхностного слоя металла сварного стыка.
Известны устройства для термообработки рельсовых плетей перед укладкой, смонтированные на раме железнодорожного транспортного средства (см. описания к авторскому свидетельству СССР №11371376, публ. 30.01.85, и описание патенту RU №2128759, публ. 10.04.1999 г.), с применением низкотемпературного отпуска, в которых обеспечивается нагревание рельсов водяным паром под давлением 10 МПа (100 кг/см) с температурой 310°C, 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.
Известна также индукционная установка для термической обработки сварных стыков рельсов в полевых условиях ИТТ5-250/2.4П разработанная в ЗАО «Царскосельский завод - София» (см. www.bsk.ru/map.php?part=7&rasdel=19, а также полезную модель RU 23078) предусматривающая индукционный нагрев всего сечения рельса в зоне сварного стыка и последующую закалку головки рельса путем охлаждения воздушно-водяной смесью. Шейка и подошва рельса подвергается нормализации (охлаждению на воздухе). В настоящее время существует один образец индукционной установки типа ИТТ5-250/2,4П для термообработки сварных стыков рельсов в пути в комплексе с передвижной рельсосварочной машиной ПРСМ-4. Эта установка включает в себя тиристорный преобразователь частоты мощностью 250 кВт, формирующий ток частотой 2,4 кГц, трансформаторный и конденсаторный блоки, термообрабатывающий модуль, состоящий из индуктора и закалочного устройства в виде системы форсунок для подачи воздушно-водяной смеси.
Установка располагается на отдельной платформе (базой 9720 мм) с краном, на которой расположено электрооборудование, бак с водой для закалки и рабочий модуль с индукторами.
Основными недостатками установки являются ее громоздкость и большой вес обуславливающий необходимость специальных приводов для ее установки на место сварного стыка и перемещения ее по рельсу. В результате наличия большого количества электрооборудования, и как следствие, большого расхода электроэнергии (потребляемая мощность установки составляет 250 кВт); а также необходимости перевозить накопители и подающие гидросистемы дистиллированной воды для эффективного охлаждения трансформаторного блока, индукторов и преобразователя частоты, значительно увеличены ее стоимость и эксплуатационные расходы. Форсунки воздушно-водяного распылителя для закалки головки стыка часто засоряются, что приводит к образованию неблагоприятных закалочных структур на поверхности катания. Совокупность данных недостатков препятствует возможности ее использования в составе передвижных рельсосварочных машин, то есть в путевых условиях.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является установка термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях по патенту на полезную модель №131732, 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, установленным в зоне нагрева.
Недостаток указанной установки связан с тем, что во время процесса закалки контроль подачи закалочной среды к сварному стыку производится путем измерения давления в воздухоподводящей магистрали. Если давление ниже допустимого уровня, то появляется сообщение о неисправности магистрали. Т.е. устройство не позволяет оценить количество поданной закалочной среды. Уменьшение внутреннего диаметра магистрали из-за передавливания или смятия подводящего резинового шланга или металлической трубы приводит к увеличению давления и снижению расхода сжатого воздуха, вследствие чего сварной стык не успевает остыть до температуры 360°C за заданное время (180-240 секунд). При этом может не образоваться необходимая мелкозернистая перлитная структура. Кроме того, существует вероятность возникновения процесса среднего самоотпуска, что приводит к снижению полученной твердости сварного стыка, после термообработки, и ведет к быстрому разрушению сварного соединения.
Задача полезной модели - исключить вероятность недозакаленной или перезакаленной структуры металла сварного шва.
Поставленная задача решается тем, что в установку термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях, содержащую передвижной термообрабатывающий модуль, выполненный с возможностью свободного перемещения вдоль рельсовой плети, и состоящий из индукторного узла, образованного двумя одинаковыми электрически связанными индукторами, обеспечивающими при сведении необходимое прилегание к поверхности рельса в зоне термической обработки сварного стыка, датчика температуры нагрева, установленного в зоне нагрева, и закалочного блока в виде спрейера с устройством подачи закалочной среды, а также блока согласования, образующего с индукторным узлом резонансный контур, блока управления технологическим процессом и приводов перемещения индуктора и спрейера, в которой система индукторов и закалочный блок связаны с механизмами их ручной поочередной установки в рабочее положение по сигналам блока управления, для чего блок управления связан с датчиками положения индукторов и закалочного блока, а также, - с датчиком температуры нагрева, дополнительно введен второй датчик температуры, установленный в закалочном блоке для контроля температуры во время закалки, и соединенный с блоком управления технологическим процессом для управления температурой закалки по сигналам указанного второго датчика температуры.
Кроме того, для периодической калибровки пирометров в установку введен контроллер автоматической калибровки датчиков температуры нагрева и закалки по термопарному датчику, для подключения которого на пульте блока управления выполнены разъемы.
Датчики температуры нагрева и закалки выполнены в виде инфракрасных пирометров.
На направляющих перемещения спрейера установлены отсекатели для предотвращения закалки шейки и подошвы рельса.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков. На фиг. 1 показан общий вид установки со снятым кожухом и разведенными индукторами, на фиг. 2 - общий вид установки со сведенными индукторами, на фиг. 3 показан вид спереди этой же установки..
Передвижной модуль установки состоит из несущей рамы 1, на которой расположены: блок согласования 2, индукторная система, состоящая из двух индукторов 3, соединенных между собой в последовательную цепь, закалочный блок подачи сжатого воздуха 4, блок управления технологическим процессом 5 с панелью индикации. Рама 1 снабжена прямоугольной ручкой 6 для установки на рельс 7 оператором.
Модуль устанавливается непосредственно на рельс 7 перемещением с помощью роликов, позиционируется в зоне обрабатываемого сварного стыка и фиксируется собственным весом. В нерабочем состоянии термообрабатывающий модуль устанавливается на специальную подставку.
Блок управления 5 встроен в верхнюю крышку блока согласования 2 и обеспечивает соединение системы индукторов с высокочастотным источником питания и с микропроцессорным устройством управления установкой, а также содержит панель управления и индикации параметров процесса термообработки. Кроме того, блок управления связан с датчиками положения, определяющими крайние положения индукторов и закалочного блока, с датчиком температуры (инфракрасным пирометром) 8, контролирующим температуру сварного соединения во время нагрева, и с датчиком температуры 9 (Фиг. 2), контролирующим температуру сварного стыка во время закалки. Индукторы 3 закреплены на кронштейнах 10, установленных с возможностью поворота относительно вертикальной оси. Указанные кронштейны 10 могут синхронно раздвигаться и сдвигаться в горизонтальной плоскости при помощи рычажного механизма, управляемого рукояткой 11, который обеспечивают необходимый угол раскрытия между индукторами, для установки закалочного блока 4 в рабочей области, а также фиксацию индукторов в рабочем положении. Закалочный блок 4 опускается на рельс при раздвинутых индукторах 3 с помощью рукоятки 12 и механизма 6.
Для предотвращения закалки шейки и подошвы рельса служат отсекатели 13, выполненные из листовой нержавеющей стали и установленные на направляющих спрейра 18.
Устройство работает следующим образом. Термообрабатывающий модуль, с помощью ручки 6 операторами снимается с подставки, устанавливается на рельс 7 в зоне термообработки при разведенных индукторах 3, позиционируется точно на центр стыка при помощи лазерного указателя и фиксируется автоматически под действием собственного веса. При помощи рычажного механизма с рукояткой 11 индукторы 3 сводятся в рабочее положение и фиксируются. С панели блока управления 5 задаются параметры обработки сварного стыка (температура нагрева, мощность установки, время закалки и другие). После нажатия кнопки «Пуск» на блоке управления 5, начинается нагрев сварного стыка. После достижения заданной температуры нагрев автоматически прекращается, о чем появляется оповещение на панели блока управления 5. Тогда, оператор, при помощи рычажного механизма с рукояткой 12, разводит индукторы 3, и, посредством рукоятки 12, опускает закалочный блок 4 в зону сварного стыка. После опускания закалочного блока 4 открывается электронная заслонка в станции охлаждения и через закалочный блок в виде спрейера подается закалочная среда в необходимом количестве, регулируемом с помощью блока контроля закалочной среды, включающим датчик давления, связанный с блоком управления 5. Инфракрасный пирометр 9 измеряет температуру сварного стыка во время закалки (с точностью ±0,5°С) и передает данные на блок управления 5. По полученным данным блок управления 5 контролирует количество подаваемой закалочной среды с помощью электронной заслонки в станции охлаждения. Это позволяет исключить вероятность незакаленной, или перекаленной структуры металла сварного стыка, а также стабильно производить закалку сварного стыка, сохраняя одну и ту же скорость охлаждения при различных температурных и технологических условиях, что дает возможность использовать компрессор разной мощности и производительности без риска перекала сварного стыка. Как только закалочный блок 4 опускается на рельс, отсекатели 13, установленные на направляющих спрейера 14, заводятся под головку рельса и отсекают поток охлаждающего воздуха от шейки и подошвы рельса.
Окончание этого процесса сопровождается соответствующим сигналом на панели блока управления 5, тогда оператор, при помощи рукоятки 12, поднимает закалочный блок 4. В процессе термообработки, все параметры передаются посредством блока управления на компьютер для записи протокола с визуальным отображением процесса термообработки на дисплее, а также для создания архивов информации и сменных рапортов. После окончания процесса модуль снимается с рельса, устанавливается на подставку, и готов к следующему циклу.
Поскольку при термообработке сварных стыков рельсовых соединений пирометр 9, контролирующий температуру нагрева, а также пирометр 10, измеряющий температуру сварного стыка во время закалки являются важными звеньями, от которых зависит качество полученного сварного стыка, необходимо поддерживать их точность. Для проверки показаний пирометров необходимо проводить их калибровку. Чтобы не производить демонтаж пирометров и отправку их в сертификационный центр, в блок управления 5 введен поверочный контроллер, который периодически (каждые 7 дней) калибрует пирометры 8 и 9, по термопарному датчику, который подключается к разъемам на пульте управления.
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.