УСТАНОВКА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ КОЛЕС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Российский патент 2003 года по МПК C21D9/34 C21D1/09 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а конкретнее к установкам, использующимся для упрочнения ободов колес и головок рельс железнодорожного транспорта.

Известны установки (Сколотнева Н.Ю. Формирование температурного поля при газопламенном нагреве колесной стали // Конструкционно-техническое обеспечение надежности подвижного состава. Сб. научных трудов. СПб.: ПГУПС, 1994), работающие на принципе термоупрочнения цельнокатаных колес, которые состоят из системы крепления колеса и газовой горелки. В результате действия горелки на ободе колеса создаются участки термообработанного металла, по ширине равные пламени газовой горелки. Глубина прокаливания составляет 1,5-2 мм. Твердость упрочненного металла составляет 340-370 НВ.

Основным недостатком данного устройства является низкая производительность, обусловленная необходимостью продолжительного воздействия пламени горелки на поверхность обода.

Указанного недостатка лишено устройство (Коваленко B.C. Упрочнение деталей лучом лазера. Киев: Техника, 1981. С.37), выбранное в качестве прототипа. В прототипе упрочняемая заготовка жестко закрепляется на зубчатой передаче рамы установки. Зубчатая передача позволяет с помощью приводного двигателя перемещать заготовку относительно блока лазера. Под действием нагрева с помощью лазерного луча на заготовке появляется поверхностный слой, состоящий из двух подслоев: первого (белый слой) и второго - переходного. Оба подслоя характеризуются высокими значениями микротвердости (например, для малоуглеродистой доэвтектоидной стали 20 микротвердость первого слоя составляет 750-770 кгс/мм²).

Однако эта величина микротвердости является недостаточной для колес железнодорожного транспорта, что обуславливает недостаточную эффективность работы установки.

Перед автором стояла задача увеличения эффективности работы установки для упрочнения колес железнодорожного транспорта.

Указанная цель достигается тем, что в установке для упрочнения колес железнодорожного транспорта, содержащей раму, предназначенную для закрепления упрочняемого колеса, и внешнее по отношению к упрочняемому колесу цилиндрическое колесо зубчатой передачи, которое с помощью стоек жестко закреплено на раме, причем упрочняемое колесо и колесо передачи концентричны друг другу, второе колесо зубчатой передачи, насаженное на вал электрического приводного двигателя, жестко закрепленного на платформе, снабженной круговыми салазками, блок оптического сканирования, лазерный блок, установленные в головной по движению части платформы, на платформе закреплен резервуар для жидкого хладагента, внутри которого установлен электронагреватель, причем резервуар соединен трубопроводом с форсункой, укрепленной позади блока сканирования.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что установка для упрочнения колес железнодорожного транспорта отличается наличием подвижной системы хладагентного охлаждения участка упрочняемой поверхности колеса.

Отмеченное отличие позволяют увеличить микротвердость упрочняемого слоя колеса, а следовательно, повысить эффективность работы установки для упрочнения колес железнодорожного транспорта, т.к. нагрев упрочняемого слоя лазерным пучком с последующим быстрым охлаждением упрочняемого слоя парами жидкого хладагента ведет к образованию "стекловидного" металла, обладающего повышенной износостойкостью.

Предлагаемое устройство показано на чертеже. На стояках 1 рамы 2 жестко закреплены упрочняемое колесо 3 и внешнее цилиндрическое колесо 4 зубчатой передачи. В зацеплении с колесом 4 находится второе зубчатое колесо 5, которое насажано на вал 6 электродвигателя 7. Электродвигатель 7 установлен платформе 8, которая может совершать движение вокруг колеса 3 но салазкам 9 (показаны не полностью). На платформе 9 установлены соосно (продольная ось нормальна упрочняемой поверхности) лазер (например, с активной средой СО₂-N₂ или алюмоитгриевый гранат с неодимом) 10 и блок оптического сканирования 11. Под углом, меньшим 90^o по отношению к продольной оси блока сканирования 11, расположена форсунка 12, соединенная с помощью трубопровода 13 с резервуаром для жидкого хладагента (например, жидкого азота) 14. В резервуаре установлен электронагреватель 15.

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. Упрочняемое колесо 3 с помощью фиксаторов (не показаны) жестко закрепляется на стояках 1 рамы 2. Резервуар 14 заполняется (персоналом) жидким хладагентом. Электропитание подается на приводной двигатель 7, лазер 10, блок сканирования 11 и электронагреватель 15. Вращающий момент через вал 6 и зубчатое колесо 5 передается на жестко закрепленное зубчатое колесо 4. В результате этого платформа 8 начинает двигаться вокруг колеса 3 по салазкам 9. В то же время лазер 10 производит лазерный луч, который совершает возвратно-поступательное движение (по линии, перпендикулярной вектору скорости вращения колеса 3) по поверхности катания колеса 3 с помощью блока сканирования 11. Следом за пятном лазерного луча на поверхности катания следует "пятно" жидкого хладагента, который поступает по трубопроводу 13 и через форсунку 12. Резкий перепад температуры за короткое время (примерно 10⁶ градусов/с) в упрочняемом слое приводит к тому, что кристаллы металла не успевают образоваться, а образуется "стекловидный" - аморфный металл, обладающий повышенными прочностными характеристиками, т.к. в нем нет кристалов и границ между ними, по котором часто и происходит разлом.

Напор хладагента осуществляется его повышенной испаряемостью под действием электронагревателя 15.

Как можно заметить, по сравнению с прототипом в заявляемом устройстве из-за использования резкого температурного перепада в упрочняемом слое приводит к образованию "стекловидного" металла, т.е. к улучшению прочностных характеристик упрочняемого слоя колеса, а следовательно, к повышению эффективности работы установки.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а конкретно к установкам для упрочнения ободов колес и головок рельсов. Устройство характеризуется повышенной эффективностью работы, что обусловлено образованием "стекловидного" металла из-за резкого температурного перепада при формировании упрочняемого слоя колеса. Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. Упрочняемое колесо с помощью фиксаторов (не показаны) жестко закрепляется на стояках рамы. Резервуар заполняется (персоналом) жидким хладагентом. Электропитание подается на приводной двигатель, лазер, блок сканирования и электронагреватель. Вращающий момент через вал и зубчатое колесо передается на жестко закрепленное зубчатое колесо. В результате этого платформа начинает двигаться вокруг колеса по салазкам. В то же время лазер производит лазерный луч, который совершает возвратно-поступательное движение (по линии, перпендикулярной вектору скорости вращения колеса) по поверхности катания колеса с помощью блока сканирования. Следом за пятном лазерного луча на поверхности катания следует "пятно" жидкого хладагента, который поступает по трубопроводу и через форсунку. Напор хладагента осуществляется его повышенной испаряемостью под действием электронагревателя. Резкий перепад температуры в упрочняемом слое приводит к образованию "стекловидного" - некристаллического металла, обладающего повышенными прочностными характеристиками. 1 ил.

Установка для упрочнения колес железнодорожного транспорта, содержащая раму, предназначенную для закрепления упрочняемого колеса, и внешнее по отношению к упрочняемому колесу цилиндрическое колесо зубчатой передачи, которое с помощью стоек жестко закреплено на раме, причем упрочняемое колесо и колесо передачи концентричны друг другу, второе колесо зубчатой передачи, насаженное на вал электрического приводного двигателя, жестко закрепленного на платформе, снабженной круговыми салазками, блок оптического сканирования, лазерный блок, установленные в головной по движению части платформы, отличающаяся тем, что на платформе установлен резервуар для жидкого хладагента, внутри которого установлен электронагреватель, причем резервуар соединен трубопроводом с форсункой, укрепленной позади блока сканирования.