CN111235368A - 一种火车车轮深冷处理装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种火车车轮深冷处理装置，包括：箱体，其内设置有旋转轴，旋转轴可在箱体内转动，火车车轮可安装于旋转轴上；喷嘴，其设置在箱体内，喷嘴与箱体外的液氮管连通，喷嘴正对旋转轴上火车车轮的踏面。本发明还提供火车车轮深冷处理装置的处理方法。本发明的火车车轮深冷处理装置，通过将火车车轮安装在旋转轴上，旋转轴转动带动火车车轮，液氮经液氮管进入喷嘴，通过喷嘴将液氮直接喷到火车车轮的踏面进行冷却，一方面由喷嘴喷出的低温氮气和火车车轮的踏面进行强制对流换热，另一方面通过火车车轮的旋转使得车轮其余表面和深冷箱中环境低温气体进行对流换热，通过该装置对火车车轮深冷处理后，能够增加车轮的抗裂损性能和耐磨性。

Description

一种火车车轮深冷处理装置及处理方法

技术领域

本发明涉及火车车轮加工处理技术领域，尤其涉及一种火车车轮深冷处理装置及处理方法。

背景技术

车轮是铁道车辆的关键零件，也是车辆运行过程中承受磨损最为严重的部件，其性能好坏直接影响到车辆的安全、经济运行。车轮由于磨损导致的维护成本非常巨大，且维修将对运输产生较大影响，因此对高性能车轮的需求对整个铁路行业来讲师非常迫切的，随着铁路朝着高速重载方向发展，对车轮的耐磨性、抗裂损伤性等性能又提出了更高的要求。火车车轮在成分固定的前提下，其性能与热处理密切相关，目前的常规的热处理方式为踏面淬火后回火，加热整体车轮后，使车轮置于水平状态下一边旋转一边从外四周向踏面进行水冷，实施淬火，然后继续实施回火处理，通过该处理可以在车轮踏面，轮辋形成较高的压应力，从而提高车轮强度和耐裂损性。然而，随着高速重载车辆的快速发展，传统的热处理工艺已无法满足实际应用的需求，传统的处理工艺已很难实现车轮性能的提升。

深冷处理是将材料或零部件按照特定的工艺置于一定的低温环境下(-100℃以下)，通过材料低温下微观组织和残余应力的变化来实现性能的提升，其能显著提高材料的耐磨性、尺寸稳定性、强度、韧性等性能，目前，该技术在工模具钢、轴承钢、合金结构钢方面已得到广泛应用。然而，目前并没有对火车车轮进行深处理的设备以及工艺，基于此，有必要提供一种火车车轮深处理的装置及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种可对火车车轮进行深冷处理以提高其抗裂损性的装置。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种火车车轮深冷处理装置，包括：

箱体，其内设置有旋转轴，所述旋转轴可在箱体内转动，火车车轮可安装于旋转轴上；

喷嘴，其设置在箱体内，所述喷嘴与箱体外的液氮管连通，所述喷嘴正对旋转轴上火车车轮的踏面。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括底座与电机，所述底座设置在箱体内，所述电机转轴穿过所述底座并与旋转轴连接，所述底座用于支撑火车车轮。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括液氮分散管，其安装于箱体内，所述液氮分散管与液氮管连通，所述喷嘴连通安装在分散管上。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述箱体内部中空，所述箱体内填充有保温层。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述箱体上端设有开口，一箱盖盖设于开口上。

进一步优选的，所述箱盖上设有排气管。

进一步优选的，所述液氮分散管为圆环状，所述液氮分散管外侧与箱体内壁固连，所述喷嘴连通设置在液氮分散管上。

进一步优选的，所述液氮管上设有电磁阀，所述箱体内设有温度传感器以监测箱体内温度。

进一步优选的，还包括控制器，所述控制器与电机、电磁阀以及温度传感器电连接，所述控制器控制电机开启，所述控制器根据温度传感器监测的温度控制电磁阀开度以调节进入箱体内液氮量。

本发明还提供了一种火车车轮深冷处理装置的处理方法，包括以下步骤：

S1、将火车车轮安装在旋转轴上，通过控制器控制电机转动；

S2、控制器接收温度传感器监测的温度，并按照预定的程序控制电磁阀开度以调节进入箱体内液氮量，从而调节箱体内的温度以对火车车轮进行深冷处理。

本发明的火车车轮深冷处理装置相对于现有技术具有以下有益效果：本发明的火车车轮深冷处理装置，通过将火车车轮安装在旋转轴上，旋转轴转动带动火车车轮，液氮经液氮管进入喷嘴，通过喷嘴将液氮直接喷到火车车轮的踏面进行冷却，一方面由喷嘴喷出的低温氮气和火车车轮的踏面进行强制对流换热，另一方面通过火车车轮的旋转使得车轮其余表面和深冷箱中环境低温气体进行对流换热，通过该装置对火车车轮深冷处理后，首先能够进一步提高火车车轮的踏面的残余压应力，表面压应力的提高能够增加车轮的抗裂损性能，另一方面，通过淬火后快速进行深冷处理能够促使火车车轮表层组织中的残余奥氏体转变为马氏体，同时能在马氏体基体上析出超细碳化物颗粒，从而能够提高火车车轮的尺寸稳定性和耐磨性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的火车车轮深冷处理装置的结构示意图；

图2为本发明的火车车轮深冷处理装置的俯视图；

图3为本发明的火车车轮深冷处理的温度曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1～2所示，一种火车车轮深冷处理装置，包括：

箱体1，其内部中空，箱体1内设置有旋转轴4，旋转轴4可在箱体1内转动，具体的，旋转轴4可与动力机构连接，通过动力结构带动旋转轴4转动，动力机构可为电机等，火车车轮3可安装在旋转轴4上，具体的，火车车轮3可套设在旋转轴4外周，火车车轮3也可以通过卡接方式安装在旋转轴4上，通过旋转轴4的转动带动火车车轮3转动；

喷嘴7，其设置在箱体1内，所述喷嘴7与箱体1外的液氮管11连通，实际中喷嘴7可设置为多个，具体根据实际使用情况而定，喷嘴7正对旋转轴4上火车车轮3的踏面，而液氮管11与液氮储罐连通，液氮储罐内储存的液氮压力维持在0.6～0.8MPa之间，启动液氮储罐，液氮储罐内的液氮经液氮管11进入喷嘴7并喷出。本申请的深冷处理装置在使用时，将经“踏面淬火”处理后的火车车轮3安装在旋转轴4上，旋转轴4转动带动火车车轮3，液氮经液氮管11进入喷嘴7，通过喷嘴7将液氮直接喷到火车车轮3的踏面进行冷却，一方面由喷嘴7喷出的低温氮气和火车车轮3的踏面进行强制对流换热，另一方面通过火车车轮3的旋转使得车轮其余表面和深冷箱中环境低温气体进行对流换热，通过该装置深冷处理后，首先能够进一步提高火车车轮的踏面的残余压应力，残余压应力的提高能够增加车轮的抗裂损性能，另一方面，通过淬火后快速进行深冷处理能够促使火车车轮表层组织中的残余奥氏体转变为马氏体，同时能在马氏体基体上析出超细碳化物颗粒，从而能够提高火车车轮的尺寸稳定性和耐磨性。现有的淬火技术通过在两相区加热后水冷，冷却过程中会有残余奥氏体的存在从而影响车轮的耐磨性。

在另一种技术方案中，还包括底座8与电机2，底座8固定在箱体1底部，底座8位于旋转轴4下方，电机2设置在箱体1外，电机2转轴穿过底座8并与旋转轴4连接，电机2转动带动旋转轴4转动，而火车车轮3设置在旋转轴4上，同时火车车轮3下端搁置在底座8上，底座8用于支撑火车车轮3，具体的火车车轮3可套设在旋转轴4外并随旋转轴4转动。为减小热传导，底座8可采用玻璃钢材料。

在另一种技术方案中，还包括液氮分散管10，其安装于箱体1内，液氮分散管10由不锈钢材料制成，液氮分散管10与液氮管11连通，喷嘴7连通安装在液氮分散管10上，液氮经液氮管11进入液氮分散管10中分散后进入喷嘴7中。

在另一种技术方案中，所述箱体1内部中空，所述箱体1内填充有保温层，具体的，箱体1内外侧壁均由不锈钢材料制成，中间填充有聚氨酯发泡保温层。

在另一种技术方案中，所述箱体1上端设有开口，一箱盖6盖设于开口上，开启箱盖6可将火车车轮3安装在旋转轴4上，箱盖6采用吊装方式盖设在箱体1上。

在另一种技术方案中，所述箱盖6上设有排气管5，具体的排气管5设置两个且对称布置在箱盖6上。

在另一种技术方案中，所述液氮分散管10为圆环状，对应的箱体1为圆筒状，液氮分散管10与液氮管11连通，液氮分散管10外侧焊接在箱体1内壁上，喷嘴7焊接在液氮分散管10内侧上，实际中，喷嘴7可设置多个具体根据实际冷却效果调整，一般2～16个均可，喷嘴7均匀间隔焊接在液氮分散管10内侧上，液氮经液氮管11进入液氮分散管10中分散并进入喷嘴7中。

在另一种技术方案中，所述液氮管11上设有电磁阀12，所述箱体1内设有温度传感器13以监测箱体内温度，温度传感器13采用铂电阻温度计，温度传感器13紧贴箱体1内壁布置，通过电磁阀12开度可以调节进入箱体1内液氮的量，从而调节箱体1内的温度。

在另一种技术方案中，还包括控制器9，所述控制器9与电机2、电磁阀12以及温度传感器13电连接，所述控制器9控制电机2开启，所述控制器9根据温度传感器13监测的温度控制电磁阀12开度以调节进入箱体1内液氮量。

本发明还提供一种火车车轮深冷处理装置的处理方法，包括以下步骤：

S1、将火车车轮3安装在旋转轴4上，通过控制器9控制电机转动；

S2、控制器9接收温度传感器13监测的温度，并按照预定的程序控制电磁阀12开度以调节进入箱体1内液氮量，从而调节箱体1内的温度以对火车车轮3进行深冷处理。具体的，如图3所示，控制器接收温度传感器监测的温度后，通过预定的程序控制电磁阀开度以调节进入箱体内液氮量从而控制箱体1温度的变化，这里使箱体1内温度按照2℃/min的降温速率降至-80℃保温30分钟，然后继续以2℃/min的降温速率降至-150℃保温2小时，保温结束后取出火车车轮3，即完成深冷处理，然后将火车车轮置于空气中回温，然后进行下一道回火工序。

以下进一步验证60#车轮分别经过本申请深冷(CT)处理后，以及常规的热处理(UT)后再进行摩擦磨损试验。

取3组60#车轮(编号CT-1、CT-2)分别使用本申请的深冷处理装置进行深冷处理，深冷处理的工艺为：按照2℃/min的降温速率降至-80℃保温30分钟，然后继续以2℃/min的降温速率降至-150℃保温2小时，保温结束后取出车轮，将其置于空气中回温。后续的，将车轮加热至120℃保温2小时，完成回火处理。

取2组60#车轮(编号UT-1、UT-2)，分别进行常规热处理，热处理的工艺为：将车轮加热至810℃保温1小时，保温结束后出炉空冷，即完成正火处理。

将上述深冷处理和常规热处理后的60#车轮，进行摩擦磨损试验，实验结果如下表1所示。

表1-60#车轮钢摩擦磨损试验数据

	磨损前/g	磨损后/g	△磨损质量/mg
				UT-1	32.0072	31.9281	79.1
UT-2	32.0574	31.9865	70.9
				CT-1	32.1441	32.1175	26.6
CT-2	31.8567	31.8386	18.1

由表1可知，经过常规的热处理后车轮的平均磨损质量为75mg，经本申请的深冷处理装置深冷处理后车轮的平均磨损质量为22.35mg，经深冷处理后车轮的磨损质量损失降低70.2％，经常规的热处理后车轮的平均摩擦系数为0.57，经深冷处理后车轮的平均摩擦系数为0.53。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种火车车轮深冷处理装置，其特征在于，包括：

箱体，其内设置有旋转轴，所述旋转轴可在箱体内转动，火车车轮可安装于旋转轴上；

喷嘴，其设置在箱体内，所述喷嘴与箱体外的液氮管连通，所述喷嘴正对旋转轴上火车车轮的踏面。

2.如权利要求1所述的火车车轮深冷处理装置，其特征在于：还包括底座与电机，所述底座设置在箱体内，所述电机转轴穿过所述底座并与旋转轴连接，所述底座用于支撑火车车轮。

3.如权利要求1所述的火车车轮深冷处理装置，其特征在于：还包括液氮分散管，其安装于箱体内，所述液氮分散管与液氮管连通，所述喷嘴连通安装在分散管上。

4.如权利要求1所述的火车车轮深冷处理装置，其特征在于：所述箱体内部中空，所述箱体内填充有保温层。

5.如权利要求1所述的火车车轮深冷处理装置，其特征在于：所述箱体上端设有开口，一箱盖盖设于开口上。

6.如权利要求5所述的火车车轮深冷处理装置，其特征在于：所述箱盖上设有排气管。

7.如权利要求3所述的火车车轮深冷处理装置，其特征在于：所述液氮分散管为圆环状，所述液氮分散管外侧与箱体内壁固连，所述喷嘴连通设置在液氮分散管上。

8.如权利要求2所述的火车车轮深冷处理装置，其特征在于：所述液氮管上设有电磁阀，所述箱体内设有温度传感器以监测箱体内温度。

9.如权利要求8所述的火车车轮深冷处理装置，其特征在于：还包括控制器，所述控制器与电机、电磁阀以及温度传感器电连接，所述控制器控制电机开启，所述控制器根据温度传感器监测的温度控制电磁阀开度以调节进入箱体内液氮量。

10.一种如权利要求9所述的火车车轮深冷处理装置的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将火车车轮安装在旋转轴上，通过控制器控制电机转动；

S2、控制器接收温度传感器监测的温度，并按照预定的程序控制电磁阀开度以调节进入箱体内液氮量，从而调节箱体内的温度以对火车车轮进行深冷处理。

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