DE1508362C - Verfahren zur Abkühlung von Stahlra dem, insbesondere von Eisenbahnradern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abkühlung von Stahlrädern mit einem sich an den verhältnismäßig dünnwandigen Scheibenteil radial nach außen anschließenden starkwandigen Felgenteil, insbesondere von Eisenbahnrädern, bei dem eine Kühlflüssigkeit derart zugeführt wird, daß die Abkühlungsgeschwindigkcit von Scheibenteil und Felgenteil etwa gleich ist.

Zum Härten der Lauffläche eines Eisenbahnrades ist es bekanntgeworden, über eine Düse auf den FeI-genumfang Kühlwasser aufzusprühen. Das Übertreten von Kühlwasser auf die Stirnseiten des·Felgenteiles wird durch einen entgegengesetzt gerichteten radialen Luftstrom vermieden. Das Eisenbahnrad wird hierbei stationär gelagert (französische Patentschrift 1 422 647). Zum Härten der Lauffläche eines Eisenbahnrades ist es ferner bekanntgeworden, Kühlflüssigkeit auf den Felgenumfang eines sich drehenden Rades aufzusprühen. Um ein Durchhärten an den Kanten zu vermeiden, wird nur der Bereich der mittleren Lauffläche und die Hohlkehle zwischen Lauffläche und Spurkranz auf die erforderliche Temperatur erhitzt und durch Aufsprühen der Kühlflüssigkeit mittels Spritzdüsen gekühlt. Die öffnungen der Spritzdüsen sind entsprechend dem zu härtenden beschränkten Profilbereich entsprechend ausgebildet und so angeordnet, daß die aus ihnen austretenden Strahlen den zu härtenden Oberflächenbereich in tangentialer Richtung bespülen (deutsche Patentschrift 971761).

Zum Vergüten des Stahls bei Eisenbahnrädern, insbesondere bei Scheibenrädern, ist schließlich bekannt, den Scheibenteil und den Umfangsteil in gleichem Maße abzukühlen, um eine gleiche Strukturänderung im gesamten Rad zu erhalten. Hierzu wirkt auf den Scheibenteil des Rades eine kleinere Menge Kühlflüssigkeit als auf den Felgenteil des Rades. Der Felgenteil wird in einem mit Kühlflüssigkeit gefüllten ringförmigen Gefäß angeordnet. Dem Scheibenteil des Rades wird Kühlflüssigkeit aus einer Brause zugeführt. Das Rad ist bei diesem bekannten Kühlverfahren stationär angeordnet (deutsche Patentschrift

ίο 293 648).

Als nachteilig erweist sich beim letztgenannten bekannten Verfahren, daß eine vollständig gleichmäßige Abkühlung von Scheibenteil und Felgenteil nicht erreichbar ist, insbesondere wegen der schwierigen Bemessung der Brause, so daß die Abkühlung des Scheibenteils normalerweise zu rasch vor sich geht. Außerdem ist es umständlich, vor der Abkühlungsbehandlung das Rad in das ringförmige Gefäß einzubringen und die Brause oberhalb des Rades anzuord-

ao nen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die gleichmäßige Abkühlung von Scheibenteil und Felgenteil und damit die Radeigenschäften verbessert werden können.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kühlflüssigkeit auf den Außenumfang des Felgenteiles des rotierenden Rades aufgesprüht und die Drehzahl des Rades so gewählt wird, daß das Übertreten von Kühlflüssigkeit auf den Scheibenteil verhindert und ein ra-~ dial nach außen gerichteter, auf den Scheibenteil eine schwächere Kühlwirkung als die Kühlflüssigkeit auf den Felgenteil ausübender Luftstrom erzeugt wird.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren zum Abkühlen von Vollrädern wird bei der Erfindung die Kühlflüssigkeit lediglich auf den Felgenumfang des Rades aufgesprüht. Dabei wird das Rad mit einer solchen Drehzahl gedreht, daß einerseits das Übertreten von Kühlflüssigkeit vom Felgenumfang auf den Scheibenteil verhindert ist und andererseits am Scheibenteil ein von innen nach außen radial gerichteter Luftstrom erzeugt wird. Dieser Luftstrom hat eine schwächere Abkülilwirkung auf dem Scheibenteil zur Folge als die Kühlflüssigkeit am Felgenteil, wodurch insgesamt die Abkühlung im Scheibenteil und im Felgenteil außerordentlich gleichmäßig erfolgt. Auf diese Weise werden ein ungleichmäßiges Schrumpfen des Scheiben- und Felgenteiles und somit schädliche Spannungen im Rad vermieden. Um die gleichmäßige Abkühlung des Felgenteiles weiter zu verbessern, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Kühlflüssigkeit an mehreren über dem Radumfang verteilten Stellen aufgesprüht. Zweckmäßigerweise wird dabei das Rad von etwa 845 bis 870° C gleichmäßig auf etwa 205 bis 370° C abgekühlt, dann wieder auf 480° C erhitzt und anschließend wieder gleichmäßig auf 205 bis 370° C abgekühlt. Bei einem derartig durchgeführten Verfahren wird dabei eine Struktur erzielt, die sich günstig auf die Festigkeit und Zähigkeit des Rades auswirkt. In vorteilhafter Weise wird bei der zweiten Abkühlung die Kühlflüssigkeit in die Nabenbohrung des Rades gesprüht.

Ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine teilweise Draufsicht auf eine Vor-

richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach F ig. 1 entlang der Linie 2-2;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach F i g. 2 entlang der Linie 3-3;

Fig. 4 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch die Vorrichtung mit einer Abwandlung.

In den Zeichnungen stellen F i g. 1 und 2 eine Vorrichtung zum Abkühlen von Stahlrädern dar, bestehend aus einem Unterbau 10, der einen Sammeltank für Wasser 12, eine Drehscheibenvorrichtung 14 und eine Sprühvorrichtung 16 trägt.

Der Unterbau 10 kann aus einer Mehrzahl von senkrechten Stützen 18 bestehen, deren obere Enden über ein ringförmiges Abdeckteil 20 miteinander, z. B. durch Schweißung, verbunden sind. Tragarme 22 und Streben 24 sind zwischen den Stützen 18 vorgesehen und tragen einen unteren Lagerbock 26, der ein Lager 28 aufnimmt.

Zwei sich seitlich erstreckende Träger 30, die beide an ihren Enden mit dem ringförmigen Abdeckteil 20 verbunden sind, tragen einen oberen Lagerbock 32, der ein Lager 34 aufnimmt.

Eine senkrechte Antriebswelle 40 ist in den Lagern 28 und 34 gelagert, mit einem Bund 36 versehen, der einer Abwärtsbewegung entgegenwirkt und durch geeignete Mittel, wie z. B. einen Setzkeil 38, mit der Drehscheibenvorrichtung 14 verbunden ist.

Die Drehscheibenvorrichtung 14 besteht aus einem im allgemeinen rechteckig geformten Tisch, 42, dessen fest verbundener unterer Teil 44 so ausgebildet ist, daß er fugenlos das obere Ende der Antriebswelle 40 aufnimmt. Der Tisch 42 ist mit Längsführungen 46 und 48 versehen, deren innere Führungsflächen 50 und 52 parallel zueinander sind.

Ein Laufzapfen 54, z. B. in der Form eines normalen Lagerbocks ist fest mit dem Tisch 42 verbunden und nimmt eine Verstellschraube 56 auf, deren Teile 58 und 60 Rechts- bzw. Linksgewinde aufweisen. Schraubenmuttern 66 und 68 zur Aufnahme der Verstellschraube 56 sind mit Rechts- bzw. Linksgewinde versehen und mit Einspannbacken 62 und 64 fest verbunden, von denen jeweils ein Teil zwischen den Führungsflächen 50 und 52 läuft.

Vorzugsweise ist jedes Ende der Verstellschraube 56 mit einem Antriebsschlitz 70 versehen, durch den die Schraube 56 gedreht werden kann, um die Einstellbacken 62, 64 entweder zueinander oder voneinander weg zu bewegen.

Der Wassersammeitank 12 kann aus einer im allgemeinen zylindrischen, senkrechten Wand 72 bestehen, an deren unterem Ende eine Bodenplatte 74 angebracht ist. Eine zweite, durchgehende Wand 76 erstreckt sich senkrecht nach oben von einer in der Bodenplatte 74 angebrachten Öffnung 78, die die Stützen 18 aufnimmt. Vorzugsweise erstreckt sich die Wand 76 so weit nach oben, daß sie gegen den unteren Rand des ringförmigen Abdeckteils 20 anliegt. Alle Verbindungen des Wassertanks müssen natürlich wasserdicht sein. Eine sich radial erstreckende Abdeckplatte 80 liegt am Bock 32 oberhalb des Abdeckteils 20 und der Querträger 30 an.

Eine Mehrzahl von Befestigungsplatten 82 sind auf der Innenseite der Wand 72 angebracht. Stützträger 84, bestehend aus spiegelverkchrt zueinander angeordneten Winkeleisen 90, die an den Endplattcn 86 und 88 miteinander verbunden sind, sind an einem Ende mit dem Abdeckleil 20 und am anderen Ende mit den Befestigungsplattcn 82 verbunden.

Die Sprühvorrichtung 16, bestehend aus einer ringförmigen Leitung 92, die als Sammelleitung für eine Mehrzahl von mit ihr verbundenen Düsen 94 dient, und wird von vier Stangen 96 gestützt, die in Stangenträgern 98 verschiebbar sind. Jeder Stangenträger ist zwischen den beiden Winkeleisen 90 mittels senkrecht zu diesen verlaufenden Teilen eines Stiftes 100

ίο mit Gewinden entgegengesetzten Gewindesinns verstellbar befestigt, die in Schlitzen 102 in den Winkeleisen 90 geführt ist. Die Düsen 94 sind verstellbar und haben'ein Kugelgelenk, das erlaubt, die Düse so einzustellen, daß jeder gewünschte Sprühwinkel erzielt werden kann. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind sechzehn · Düsen in gleichen Abständen an der Sammelleitung 92 angebracht. ·· '

Eine Zuleitung 104 mit einem Ventil 106 verbindet die Sammelleitung 92 mit einer Quelle von Kühlflüssigkeit 108. Die Bodenplatte 74 kann mit einer Öffnung 109 versehen werden, durch welche die verbrauchte Kühlflüssigkeit in einen geeigneten Behälter geleitet werden kann. . · .· , .

Als Antrieb für die Antriebswelle 40 werden eine bewegliche Kupplung 110 herkömmlicher Art, eine im rechten Winkel arbeitende Getriebeübersetzung 112, eine Flüssigkeitskupplung 114 und ein Antriebsaggregat 116 verwendet.

Die Arbeitsweise der gezeigten Vorrichtung ist kurz wie folgt. Das Stahlrad, in diesem Falle ein Eisenbahnrad 118 aus Gußstahl, wird vorzugsweise auf eine Temperatur von annähernd 845 bis 870° C erhitzt und auf den Drehtisch 14 gelegt. Dann wird die Verstellschraube 56 gedreht, wodurch sich die Teile 120 der Einspannbacken 62 und 64 gegen den äußeren Durchmesser der Nabe 122 des Rades anlegen.

Das Antriebsaggregat 116 wird dann angeschaltet, dreht die Welle 40, wodurch sich die Drehscheibenvorrichtung 14 und das Rad 118 um die Mittellinie 124 bewegen. Wenn jetzt das Ventil 106 geöffnet wird, wird von der Flüssigkeitsquelle 108 eine geeignete Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, durch die Leitung 104, die Sammelleitung 92 geschickt, und die Düsen 94 sprühen das Wasser gegen den Felgenteil 126 des Rades 118, wie es ganz allgemein bei 128 angedeutet ist.

Das Rad 118 wird ständig gedreht, bis die Temperatur des Rades unterhalb des kritischen Temperaturbereichs gekommen ist. Vorzugsweise wird die Besprühung mit Wasser fortgesetzt, bis das Rad eine Temperatur zwischen 205 bis 370° C erreicht hat. Die verstärkte Kühlung durch das Sprühwasser bewirkt, daß die Lauffläche des Rades eine sehr feine perlitische Struktur mit großer Härte und Formbarkeit hat.

Wie bereits erwähnt wurde,, muß darauf geachtet werden, daß sowohl die Teile mit dickem (Felgenteil) als auch die Teile mit dünnem Querschnitt (Scheibenteil) des Rades durch den kritischen Temperaturbereich mit der gleichen Geschwindigkeit abgekühlt werden. Dies wird einmal dadurch erreicht, daß fortwährende Drehung des Rades H8 bei relativ hohen Drehgeschwindigkeiten verhindert, daß das auf den Felgenteil 126 auf treffende Wasser über das Scheibenteil 130 nach innen hin zur Nabe 122 gelangen kann, d. h., die gesamte Kühlflüssigkeit wird von der Felge nach außen weggeschleudert.

Die gleichmäßige Abkühlung wird ferner durch folgende Talsache herbeigeführt. Von zwei in radialer Richtung beliebig weit voneinander entfernten Punkten auf dem Rad 118 hat der der Achse des Rades 118 näher gelegene Punkt eine kleinere Tangentialgeschwindigkeit als der weiter entlegene. Das ist unabhängig von der gleichbleibenden Winkelgeschwindigkeit des Rades 118. Die Tangentialgeschwindigkeit irgendeines Punktes auf dem Rad ist proportional seinem Absland von der Drehachse. Da bekanntlich der statische Druck einer Flüssigkeit unter anderem von ihrer relativen Geschwindigkeit abhängt (je höher die Geschwindigkeit desto niedriger der statische Druck) ist ersichtlich, daß der statische Luftdruck in der Nähe der Nabe größer ist als in der Nähe der Felge. Daher wirkt das Rad 118 wie eine Pumpe und erzeugt einen radialen Luftstrom von der Nabe 122 über den Scheibenteil 130 zum Felgenteil 126. wie er allgemein durch die stark ausgezogenen Pfeile 132 angedeutet ist. In gleicher Weise entsteht in der Bohrung 136 der Nabe 122 eine Luftströmung, wie sie durch die Pfeile 134 angedeutet ist.

Diese vorstehend beschriebenen Luftströmungen unterstützen also die Wärmeableitung von der Platte 130 und der Nabe 122, wobei die Geschwindigkeit der Wärmeableitung größer ist als bei einer relativ unbewegten Atmosphäre."■■'■': ...··■

Nachdem sich das .Rad,-wie beschrieben, auf eine Temperatur zwischen 205 und 370° C abgekühlt hat, wird es von der Dichtischvorrichtung 14 entfernt und wiederum auf. eine Temperatur von annähernd 480" C erwärmt, um den Guß zu entspannen und unerwünschte Verspannungen zu entfernen. Eine Wiedererwärmung des Rades hat natürlich keine gegenteilige Wirkung auf die MikroStruktur der Lauffläche, wie sie durch die Wasscrbesprühung erzielt wurde.

Nachdem das Rad nochmals auf eine Temperatur von etwa 480° C erwärmt worden ist, wird es auf eine passende Auflage 138 (Fig. 4) gelegt. Dann wird in das Bohrloch 136 eine Sprüheinrichtung 140

ίο eingeführt. Die Sprüheinrichtung 140 besteht vorzugsweise aus einein im allgemeinen kreisförmigen Flansch 142, der mit einer sich senkrecht erstrecken: den Sammelleitung 144 verbunden ist, die eine Rohrleitung 146 bildet, die mit einer Mehrzahl von axial angeordneten und radial ausgerichteten Sprühdüsen 148 verbunden ist. Die Leitung 144 ist mit einer Leitung 150 verbunden, die ein Ventil 152 hat und die mit einer geeigneten Quelle 154 für Kühlflüssigkeit, in diesem Falle Wasser, in Verbindung steht.

Nachdem das wiedererwärmte Rad auf die Auflage 138 gelegt und die Düsenvorrichtung 140 eingeführt worden ist; wird das Ventil 152 geöffnet, wodurch die Quelle 154 Kühlwasser durch die Düsen 148 gegen die Nabenbohrung 136 sprüht. .Die Wasserbesprühung wird vorzugsweise so lange fortgesetzt, bis die Temperatur des Rades wieder auf 205 bis 370^1? C . herabgesetzt worden ist. Dieses abschließende Besprühen der Nabe mit Wasser dient dazu, daß günstige innere Spannungsvcrhällnisse innerhalb des Rades entstehen. Dadurch steht· nach vollständiger Abkühlung des Rades der Scheibenteil 130 unter einer radialen als auch einer Umfängsverdichlung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Abkühlung von Stahlrädern mit einem sich an den verhältnismäßig dünnwandigen Scheibenteil radial nach außen anschließenden starkwandigen Felgenteil, insbesondere von Eisenbahnrädern, bei dem eine Kühlflüssigkeit derart zugeführt wird, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit von Scheibenteil und Felgenteil etwa gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit auf den Außenumfang des Felgenteils des rotierenden Rades aufgesprüht und die Drehzahl des Rades so gewählt wird, daß das Übertreten von Kühlflüssigkeit auf den Scheibenteil verhindert und ein radial nach außen gerichteter, auf den Scheibenteil eine schwächere Kühlwirkung als die Kühlflüssigkeit auf den Felgenteil ausübender Luftstrom erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit an mehreren über den Radumfang verteilten Stellen aufgesprüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad von etwa 845 bis 870° C gleichmäßig auf etwa 205 bis 370° C abgekühlt, dann wieder auf 480° C erhitzt und anschließend wieder gleichmäßig auf 205 bis 370° C abgekühlt.wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der zweiten Abkühlung die Kühlflüssigkeit in die Nabenbohrung des Rades gesprüht wird.