CN107400764B - 一种钢轨整体风冷淬火实验装置 - Google Patents

Abstract

一种钢轨整体风冷淬火实验装置，解决现有技术存在的只能对轨头进行风冷淬火，钢轨易产生弯曲变形和残余应力，实验数据精确性差的问题。包括支撑框架，其特征在于：支撑框架内部设置有传输辊道，传输辊道上方设置有上风冷装置，传输辊道下方设置有下风冷装置，上风冷装置和下风冷装置上均设置有若干组喷风组件；上风冷装置和下风冷装置，分别利用布置于两端的连接端板，活动连接在支撑框架两端立柱上；传输辊道的一端设置有钢轨往复移动机构，传输辊道上方的两侧分别设置相对布置的钢轨导向机构。其设计合理，结构紧凑，能够同时对淬火钢轨的轨头和轨底进行喷风冷却，喷风角度和压力可调，实验过程趋近于实际生产，研究结果精确。

Description

一种钢轨整体风冷淬火实验装置

技术领域

本发明属于冶金实验设备技术领域，具体涉及一种能够同时对轨头和轨底进行喷风冷却，喷风角度和压力可调，实验过程趋近于实际生产、研究结果精确的钢轨整体风冷淬火实验装置。

背景技术

铁路高速、重载和高密度的运输组织方式，必然导致轮轨接触应力的增加，使钢轨的使役条件更加恶化，因而对钢轨的综合性能提出了更高的要求。钢轨强韧化的有效方法有两种：合金化和热处理。合金化方法虽然可以大幅度提高钢轨的强度，但钢轨的韧性却很难提高，且合金化的钢轨存在焊接性能差、制造成本高等缺点，应用已越来越少。热处理方法是对完全奥氏体化的钢轨进行快速冷却，进而使轨头得到由表及内淬硬深度达20mm左右、硬度均匀降低且呈帽形分布的细片珠光体组织的强韧化过程（不允许出现马氏体和贝氏体组织）；风冷淬火已成为钢轨强韧化最为有效、且最经济的热处理工艺。

目前，世界范围内对钢轨风冷淬火技术均处于保密状态，风冷淬火装置的设计和淬火工艺参数的制定均缺乏理论依据，只能通过大量的实验进行经验的积累。一些科研院所虽然研制了钢轨风冷淬火实验装置，但由于这些装置只能对轨头进行风冷淬火，不具备同时对轨底进行冷却的能力，所以使得钢轨产生弯向轨头的严重弯曲变形和较大的残余应力。另外，这些实验装置无法验证轨底风冷与钢轨温度场、组织场、变形规律和力学性能等的关系，必然会对实验数据的精确性造成影响。故有必要对现有技术的钢轨风冷淬火实验设备进行改进。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种能够同时对轨头和轨底进行喷风冷却，喷风角度和压力可调，实验过程趋近于实际生产、研究结果精确的钢轨整体风冷淬火实验装置。

本发明所采用的技术方案是：该钢轨整体风冷淬火实验装置包括支撑框架，其特征在于：所述支撑框架由立柱和连接横梁构成，连接横梁包括设置在支撑框架上部的上部连接横梁、和设置在支撑框架中部的中部连接横梁；支撑框架的内部设置有水平布置的传输辊道，传输辊道的上方设置有上风冷装置，上风冷装置由上分风箱构成，上分风箱的上部设置有入风接口，上分风箱的下部设置有若干组、沿传输辊道输送方向布置的喷风组件；上风冷装置利用布置于上分风箱两端的连接端板，活动连接在支撑框架两端立柱上部的位置调节长圆孔上；传输辊道的下方设置有下风冷装置，下风冷装置由下分风箱构成，下分风箱的下部设置有入风接口，下分风箱的上部设置有若干组、沿传输辊道输送方向布置的喷风组件；下风冷装置则利用布置于下分风箱两端的连接端板，活动连接在支撑框架两端立柱下部的位置调节长圆孔上；传输辊道的一端设置有沿输送方向、水平布置的钢轨往复移动机构；传输辊道上方的两侧，分别设置有沿与输送方向相垂直的方向、相对布置的钢轨导向机构。

所述传输辊道一端设置的钢轨往复移动机构包括气缸支撑架，气缸支撑架上设置有沿传输辊道输送方向、水平布置的伸缩气缸，伸缩气缸缸体的后端通过立板与气缸支撑架相连；伸缩气缸缸体的前端通过横向布置的连接槽钢，分别与两侧立柱上的侧连接板相连；伸缩气缸的伸缩杆则穿过连接槽钢中部的通孔、向传输辊道延伸；伸缩气缸伸缩杆的端部设置有推拉长杆，推拉长杆的前端设置有钢轨夹爪；钢轨夹爪的前部设置有夹持凹口，夹持凹口的侧壁上设置有锁固顶丝。以利用伸缩气缸伸缩杆前端的钢轨夹爪，夹持住淬火钢轨的轨腰部位，并通过伸缩气缸的伸缩，来带动淬火钢轨在传输辊道上往复直线运动，利于钢轨的风冷淬火。

所述传输辊道上方两侧分别设置的钢轨导向机构包括导向座，导向座通过连接底板、分别与支撑框架两侧中部的中部连接横梁相连；导向座上设置有沿与传输辊道输送方向相垂直的方向、水平布置的导向滑杆，导向滑杆靠近中部淬火钢轨的一端设置有滚轮安装槽，滚轮安装槽内设置有导向滚轮；导向滑杆的另一端则设置有调节螺母；并且，导向座位于中部淬火钢轨一侧的侧壁与滚轮安装槽之间，设置有调节弹簧。以通过两侧钢轨导向机构的导向滑杆前端导向滚轮的导向，防止淬火钢轨在往复移动过程中出现偏移，提升实验精准性；并利用调节螺母改变调节弹簧的弹力，进而对导向滚轮作用于钢轨的支撑力进行调节。

所述钢轨导向机构的导向滑杆与导向座的导向通孔之间，设置有防锈导套。以防止长时间使用过程中，导向座导向通孔与导向滑杆之间产生铁锈，影响导向效果。

所述上风冷装置和下风冷装置上设置的喷风组件包括风箱连接部，风箱连接部的端部设置有球形喷嘴座，球形喷嘴座上设置有喷风嘴；各喷风组件通过风箱连接部，分别与上风冷装置的上分风箱和下风冷装置的下分风箱相连。以利于淬火钢轨的整体风冷淬火，并方便喷风嘴出风角度的调节。

所述喷风组件的喷风嘴包括与球形喷嘴座相连的凹弧段，凹弧段的端部设置有扁平出风口。以利用喷风嘴凹弧段和扁平出风口的配合结构，对流经喷风嘴的冷却风进行有效加速，从而提升风冷淬火的效果。

所述支撑框架上、传输辊道的两侧设置有实验数据监测装置，实验数据监测装置包括设置在上部连接横梁上的折弯吊梁，折弯吊梁两侧的竖直折弯段上分别设置有若干个钢轨温度传感器；各钢轨温度传感器分别通过传感器支架与折弯吊梁的竖直折弯段相连。以在实验过程中，对淬火钢轨各个部位的温度变化进行实时监测，利于实验数据的采集。

该钢轨整体风冷淬火实验装置还包括风路控制装置，风路控制装置由风源、冷干机和总风箱构成；风源的出风口通过冷干机与总风箱的进风口相连，冷干机与总风箱之间的管路上设置有流量传感器和进风温度传感器；总风箱的输风支路通过连接管路、分别与所述上风冷装置和下风冷装置的入风接口相连，总风箱的输风支路还通过换向阀与钢轨往复移动机构的伸缩气缸相连；总风箱的各输风支路上分别设置有压力调节阀和压力传感器。以对输送到风冷淬火实验装置内冷却风的流量、温度和压力进行监控，并根据实验过程的需要、随时进行调节，利于实验的控制，使实验过程趋近于实际生产。

本发明的有益效果：由于本发明采用由立柱和连接横梁构成的支撑框架，支撑框架内部设置传输辊道，传输辊道上方设置的上风冷装置的上分风箱上部设置入风接口，上分风箱的下部设置若干组喷风组件；上风冷装置利用布置于上分风箱两端的连接端板，活动连接在支撑框架两端立柱上部；传输辊道下方设置的下风冷装置的下分风箱下部设置入风接口，下分风箱的上部设置若干组喷风组件；下风冷装置利用布置于下分风箱两端的连接端板，活动连接在支撑框架两端立柱下部；传输辊道的一端设置钢轨往复移动机构；传输辊道上方的两侧分别设置相对布置的钢轨导向机构的结构形式，所以其设计合理，结构紧凑，可实现对热态钢轨轨头和轨底的同时喷风冷却，有效减少钢轨的弯曲变形和残余应力，提升钢轨淬火的质量。淬火钢轨轨头和轨底部位，能够根据工艺需要设置不同的喷风压力；并且，喷风组件喷风嘴的出风角度、喷风嘴距淬火钢轨表面的距离也可灵活调整。另外，该风冷淬火实验装置所具有的钢轨往复运动功能，模拟了实际生产过程淬火钢轨在淬火装置内的快速移动，使实验过程更加趋近于实际生产，确保研究结果的准确性；实验装置还通过对实验过程中风压、风速、风温和钢轨温度的实时监测，便于进行不同工艺参数对热处理钢轨影响机理的研究，为钢轨风冷淬火装置的设计、以及淬火工艺参数的制定，提供了可靠的理论依据。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是图1的A向视图。

图3是图1中的钢轨往复移动机构的一种结构示意图。

图4是图3的B向视图。

图5是图2中的钢轨导向机构的一种结构示意图。

图6是图1中的喷风组件的一种结构示意图。

图7是图6的侧视图。

图8是本发明的风路控制装置的一种布置示意图。

图中序号说明：1支撑框架、2传输辊道、3下风冷装置、4下分风箱、5喷风组件、6入风接口、7中部连接横梁、8立柱、9钢轨往复移动机构、10淬火钢轨、11钢轨导向机构、12上部连接横梁、13上风冷装置、14上分风箱、15连接端板、16位置调节长圆孔、17折弯吊梁、18传感器支架、19钢轨温度传感器、20气缸支撑架、21立板、22伸缩气缸、23连接槽钢、24伸缩杆、25推拉长杆、26侧连接板、27钢轨夹爪、28锁固顶丝、29夹持凹口、30连接底板、31导向座、32调节螺母、33防锈导套、34导向滑杆、35调节弹簧、36滚轮安装槽、37导向滚轮、38风箱连接部、39球形喷嘴座、40喷风嘴、41凹弧段、42扁平出风口、43冷干机、44流量传感器、45进风温度传感器、46总风箱、47输风支路、48压力调节阀、49压力传感器、50换向阀、51连接管路。

具体实施方式

根据图1～8详细说明本发明的具体结构。该钢轨整体风冷淬火实验装置包括由立柱8和连接横梁围合构成的支撑框架1，其中，连接横梁包括设置在支撑框架1上部的上部连接横梁12、以及设置在支撑框架1中部的中部连接横梁7。支撑框架1的内部，设置有水平布置、用于淬火钢轨10往复滑动的传输辊道2；传输辊道2的上方设置有用于冷却淬火钢轨10轨头的上风冷装置13，上风冷装置13由上部设置有入风接口6的上分风箱14构成，上分风箱14的下部设置有若干组、沿传输辊道2输送方向布置的喷风组件5。上风冷装置13利用布置于上分风箱14两端的连接端板15，活动连接在支撑框架1两端立柱8上部的位置调节长圆孔16上；以便于喷风组件5喷嘴距钢轨表面相对距离的调节，进而适应不同型号钢轨和不同类型喷嘴（如拉瓦尔喷嘴、矩形喷嘴和扇形喷嘴等），便于研究喷嘴形式和喷嘴距钢轨表面距离对钢轨淬火过程的影响。

传输辊道2的下方，设置有用于冷却淬火钢轨10轨底的下风冷装置3，下风冷装置3由下部设置有入风接口6的下分风箱4构成，下分风箱4的上部设置有若干组、沿传输辊道2输送方向布置的喷风组件5。下风冷装置3利用布置于下分风箱4两端的连接端板15，同样活动连接在支撑框架1两端立柱8下部的位置调节长圆孔16上。上风冷装置13和下风冷装置3上设置的喷风组件5，包括用于与上分风箱14和下分风箱4相连的风箱连接部38；喷风组件5风箱连接部38的下端部，设置有用于调节喷风嘴40角度的球形喷嘴座39，球形喷嘴座39上设置有喷风嘴40。各喷风组件5通过风箱连接部38，分别与上风冷装置13的上分风箱14和下风冷装置3的下分风箱4可拆卸式连接。以利于淬火钢轨10的整体风冷淬火，并方便喷风嘴40出风角度的调节，便于研究喷风角度对钢轨淬火过程的影响。为了提升实验装置风冷淬火的效果，喷风组件5的喷风嘴40由与球形喷嘴座39相连的凹弧段41构成，凹弧段41的下端部设置有扁平出风口42；以利用喷风嘴40凹弧段41和扁平出风口42的配合结构，对流经喷风组件5喷风嘴40的冷却风进行有效加速。根据实际的使用需要，也可在淬火钢轨10轨头的两侧，分别增加一套侧风冷装置。

传输辊道2的一端，设置有用于驱动淬火钢轨10往复运动的钢轨往复移动机构9。钢轨往复移动机构9由气缸支撑架20构成，气缸支撑架20上设置有沿传输辊道2输送方向、水平布置的伸缩气缸22；伸缩气缸22缸体的后端，通过立板21与气缸支撑架20固定连接；伸缩气缸22缸体的前端，则通过横向布置的连接槽钢23、分别与两侧立柱8上设置的侧连接板26相连接。伸缩气缸22的伸缩杆24，穿过连接槽钢23中部的通孔、向传输辊道2一侧延伸；伸缩气缸22伸缩杆24的端部设置有推拉长杆25，推拉长杆25的前端设置有用于夹持淬火钢轨10的钢轨夹爪27。钢轨夹爪27的前部，设置有用于夹持淬火钢轨10轨腰部位的夹持凹口29；夹持凹口29的侧壁上，设置有用于紧固的锁固顶丝28。以利用伸缩气缸22伸缩杆24前端的钢轨夹爪27，夹持住淬火钢轨10的轨腰部位，并通过伸缩气缸22的伸缩，来带动淬火钢轨10在传输辊道2上往复直线运动，运动速度可调，从而使实验过程更加接近于实际生产，且便于研究移动速度对钢轨淬火过程的影响。

传输辊道2上方的两侧，分别设置有相对布置的两组钢轨导向机构11。钢轨导向机构11由导向座31构成，导向座31通过下部的连接底板30、分别与支撑框架1两侧中部的中部连接横梁7活动连接。导向座31的导向通孔内，设置有沿与传输辊道2输送方向相垂直的方向、水平布置的导向滑杆34；导向滑杆34靠近中部淬火钢轨10的一端，设置有滚轮安装槽36，滚轮安装槽36内安装有导向滚轮37。导向滑杆34未布置滚轮的另外一端，则设置有用于调整钢轨导向机构11支撑力的调节螺母32；且导向座31位于中部淬火钢轨10一侧的侧壁、与导向滑杆34端部的滚轮安装槽36之间，设置有调节弹簧35。以通过两侧钢轨导向机构11的导向滑杆34前端导向滚轮37的导向，防止淬火钢轨10在往复移动过程中出现偏移，进而提升实验的精准性。并且，利用调节螺母32改变调节弹簧35的弹力，从而对导向滚轮37作用于钢轨的支撑力进行调节；同时，方便两侧钢轨导向机构11相对位置的调整。能够理解的是，为了防止长时间使用过程中，钢轨导向机构11的导向座31导向通孔与导向滑杆34之间产生铁锈、影响导向效果，钢轨导向机构11的导向滑杆34与导向座31的导向通孔之间，设置有铜制的防锈导套33。

为了对输送到风冷淬火实验装置内冷却风的流量、温度和压力进行监控，并根据实验过程的需要、随时进行调节，利于实验的控制、使实验过程趋近于实际生产，该钢轨整体风冷淬火实验装置还设置有风路控制装置，风路控制装置包括风源、冷干机43和总风箱46。风源（空压机或鼓风机，压力调节范围为0～1.5MPa）的出风口，通过冷干机43（温度可调节范围为10～50℃）与总风箱46的进风口相连接，以便于研究喷风温度对钢轨淬火过程的影响。冷干机43与总风箱46进风口之间的管路上，设置有流量传感器44和进风温度传感器45，以在实验过程中实时监测实验参数，确保实验的准确性。总风箱46将冷却后的风源分成若干个输风支路47，其中一部分输风支路47通过连接管路51、分别与上风冷装置13和下风冷装置3的入风接口6相连通；喷风组件5的数量可根据实际情况进行调整，若需减少喷风嘴40数量，则将上分风箱14或下分风箱4上多余的出风口用丝堵堵住即可。总风箱46的另外一个输风支路47，还通过两位三通换向阀50与钢轨往复移动机构9的伸缩气缸22的控制接口相连通。为了确保各输风支路47风压的稳定性，总风箱46的长宽比例应小于2：1，否则应增加进气口的数量。并且，总风箱46的各输风支路47上，还分别设置有压力调节阀48和压力传感器49，以便于研究喷风压力对钢轨淬火过程的影响。根据具体的使用需要，流量传感器44和进风温度传感器45等监测装置，也可分别安装于各输风支路47上。

出于对淬火钢轨10各个部位的温度变化进行实时监测、利于实验数据采集的目的，支撑框架1上、传输辊道2的两侧设置有实验数据监测装置。实验数据监测装置由设置在上部连接横梁12上的折弯吊梁17构成，折弯吊梁17两侧的竖直折弯段上，分别设置有四个钢轨温度传感器19；各钢轨温度传感器19分别通过传感器支架18与折弯吊梁17的竖直折弯段活动连接，以对淬火钢轨10表面的温度进行实时监测。根据具体的使用需要，传感器支架18可加工固定把合孔、角度调整半圆形长孔和定位顶丝孔，以确保钢轨温度传感器19的指向角度能够灵活的调整；钢轨温度传感器19可选用红外线测温仪，且监测温度范围在0～1100℃之间。

该钢轨整体风冷淬火实验装置使用时，首先，将常温钢轨放置于实验装置的传输辊道2上，根据钢轨具体型号尺寸和淬火实验的要求，调整两侧钢轨导向机构11、以及上风冷装置13和下风冷装置3上的喷风组件5喷风嘴40与钢轨的相对位置，并初步设置风压、风温、喷嘴位置、喷嘴角度、钢轨往复移动机构9动作速度等淬火工艺参数；然后，启动实验装置进行试运行，同时检查流量传感器44、进风温度传感器45、压力传感器49、钢轨温度传感器19等检测装置是否正常运行。

试运行无误后，将加热后的钢轨重新放置于传输辊道2上，即可进行淬火实验。经过冷干机43降温的压缩空气，通过总风箱46的输风支路47进入到上风冷装置13和下风冷装置3内，并经由喷风组件5的喷风嘴40，分别喷射到淬火钢轨10的轨头和轨底部，对随着钢轨往复移动机构9、往复运动的钢轨进行风冷淬火；并利用传输辊道2两侧的实验数据监测装置，对淬火钢轨10表面的温度进行实时监测。从而，研究喷风温度，喷风压力，钢轨移动速度，喷嘴形式、喷风角度和喷嘴距钢轨距离，对钢轨风冷淬火过程的影响。该风冷淬火实验装置，在实现对热态钢轨轨头和轨底同时喷风冷却、有效减少钢轨弯曲变形和残余应力的同时，模拟了实际生产过程中淬火钢轨的快速移动，确保研究结果的准确性；能够进行不同工艺参数对热处理钢轨影响机理的研究，并为钢轨风冷淬火装置的设计和淬火工艺参数的制定，提供了可靠的理论基础。

Claims (2)

1.一种钢轨整体风冷淬火实验装置，包括支撑框架（1），其特征在于：所述支撑框架（1）由立柱（8）和连接横梁构成，连接横梁包括设置在支撑框架（1）上部的上部连接横梁（12）、和设置在支撑框架（1）中部的中部连接横梁（7）；支撑框架（1）的内部设置有水平布置的传输辊道（2），传输辊道（2）的上方设置有上风冷装置（13），上风冷装置（13）由上分风箱（14）构成，上分风箱（14）的上部设置有入风接口（6），上分风箱（14）的下部设置有若干组、沿传输辊道（2）输送方向布置的喷风组件（5）；上风冷装置（13）利用布置于上分风箱（14）两端的连接端板（15），活动连接在支撑框架（1）两端立柱（8）上部的位置调节长圆孔（16）上；传输辊道（2）的下方设置有下风冷装置（3），下风冷装置（3）由下分风箱（4）构成，下分风箱（4）的下部设置有入风接口（6），下分风箱（4）的上部设置有若干组、沿传输辊道（2）输送方向布置的喷风组件（5）；下风冷装置（3）则利用布置于下分风箱（4）两端的连接端板（15），活动连接在支撑框架（1）两端立柱（8）下部的位置调节长圆孔（16）上；传输辊道（2）的一端设置有沿输送方向、水平布置的钢轨往复移动机构（9）；传输辊道（2）上方的两侧，分别设置有沿与输送方向相垂直的方向、相对布置的钢轨导向机构（11）；所述传输辊道（2）一端设置的钢轨往复移动机构（9）包括气缸支撑架（20），气缸支撑架（20）上设置有沿传输辊道（2）输送方向、水平布置的伸缩气缸（22），伸缩气缸（22）缸体的后端通过立板（21）与气缸支撑架（20）相连；伸缩气缸（22）缸体的前端通过横向布置的连接槽钢（23），分别与两侧立柱（8）上的侧连接板（26）相连；伸缩气缸（22）的伸缩杆（24）则穿过连接槽钢（23）中部的通孔、向传输辊道（2）延伸；伸缩气缸（22）伸缩杆（24）的端部设置有推拉长杆（25），推拉长杆（25）的前端设置有钢轨夹爪（27）；钢轨夹爪（27）的前部设置有夹持凹口（29），夹持凹口（29）的侧壁上设置有锁固顶丝（28）；所述传输辊道（2）上方两侧分别设置的钢轨导向机构（11）包括导向座（31），导向座（31）通过连接底板（30）、分别与支撑框架（1）两侧中部的中部连接横梁（7）相连；导向座（31）上设置有沿与传输辊道（2）输送方向相垂直的方向、水平布置的导向滑杆（34），导向滑杆（34）靠近中部淬火钢轨（10）的一端设置有滚轮安装槽（36），滚轮安装槽（36）内设置有导向滚轮（37）；导向滑杆（34）的另一端则设置有调节螺母（32）；并且，导向座（31）位于中部淬火钢轨（10）一侧的侧壁与滚轮安装槽（36）之间，设置有调节弹簧（35）；所述钢轨导向机构（11）的导向滑杆（34）与导向座（31）的导向通孔之间，设置有防锈导套（33）；所述上风冷装置（13）和下风冷装置（3）上设置的喷风组件（5）包括风箱连接部（38），风箱连接部（38）的端部设置有球形喷嘴座（39），球形喷嘴座（39）上设置有喷风嘴（40），球形喷嘴座（39）用于调节喷风嘴（40）的角度；各喷风组件（5）通过风箱连接部（38），分别与上风冷装置（13）的上分风箱（14）和下风冷装置（3）的下分风箱（4）相连；所述喷风组件（5）的喷风嘴（40）包括与球形喷嘴座（39）相连的凹弧段（41），凹弧段（41）的端部设置有扁平出风口（42）；还包括风路控制装置，风路控制装置由风源、冷干机（43）和总风箱（46）构成；风源的出风口通过冷干机（43）与总风箱（46）的进风口相连，冷干机（43）与总风箱（46）之间的管路上设置有流量传感器（44）和进风温度传感器（45）；总风箱（46）的输风支路（47）通过连接管路（51）、分别与所述上风冷装置（13）和下风冷装置（3）的入风接口（6）相连，总风箱（46）的输风支路（47）还通过换向阀（50）与钢轨往复移动机构（9）相连；总风箱（46）的各输风支路（47）上分别设置有压力调节阀（48）和压力传感器（49）。

2.根据权利要求1所述的钢轨整体风冷淬火实验装置，其特征在于：所述支撑框架（1）上、传输辊道（2）的两侧设置有实验数据监测装置，实验数据监测装置包括设置在上部连接横梁（12）上的折弯吊梁（17），折弯吊梁（17）两侧的竖直折弯段上分别设置有若干个钢轨温度传感器（19）；各钢轨温度传感器（19）分别通过传感器支架（18）与折弯吊梁（17）的竖直折弯段相连。

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