RU2201975C2

RU2201975C2 - Installation for strengthening wheels of railroad transport vehicles

Info

Publication number: RU2201975C2
Application number: RU2001115947/02A
Authority: RU
Inventors: К.К. Ким
Original assignee: Петербургский государственный университет путей сообщения
Priority date: 2001-06-09
Filing date: 2001-06-09
Publication date: 2003-04-10

Abstract

FIELD: railroad transport, namely installations for strengthening wheel rims and rail heads. SUBSTANCE: strengthened wheel is rigidly fixed by means of fixing members to struts of frame. Reservoir is filled (by operators) with liquid cooling agent. Electric power is supplied to drive motor, to laser, scanning unit and electric heater. Torque through shaft and gear wheel is transmitted to rigidly fixed gear wheel. In the result platform begins to move around wheel on slides. Simultaneously laser generates laser beam performing reciprocation motion (along line normal relative to vector of wheel rotation speed on rolling surface of rail by action of scanning unit. Laser beam spot on rolling surface of rail is followed by "spot" of cooling agent fed through pipeline and nozzle. Pressure of cooling agent is realized due to its increased evaporation capability by action of electric heater. Sharp temperature drop in strengthened layer causes formation of "vitrous" - non-crystalline metal having enhanced strength characteristics. EFFECT: enhanced efficiency of installation due to formation of non-crystalline metal layer with increased strength properties. 1 dwg

Description

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а конкретнее к установкам, использующимся для упрочнения ободов колес и головок рельс железнодорожного транспорта. The invention relates to railway transport, and more particularly to installations used for hardening wheel rims and rail heads of railway transport.

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. Known installations (Skolotneva N.Yu. Formation of the temperature field during gas-flame heating of wheel steel // Structural and technical support for the reliability of rolling stock. Collection of scientific papers. St. Petersburg: PGUPS, 1994), working on the principle of thermal hardening of seamless-rolled wheels, which consist of a system wheel and gas burner mountings. As a result of the action of the burner, sections of heat-treated metal are created on the wheel rim, equal in width to the flame of the gas burner. The calcination depth is 1.5-2 mm. The hardness of the hardened metal is 340-370 HB.

Основным недостатком данного устройства является низкая производительность, обусловленная необходимостью продолжительного воздействия пламени горелки на поверхность обода. The main disadvantage of this device is its low productivity, due to the need for continuous exposure to the burner flame on the surface of the rim.

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).The indicated drawback is devoid of the device (Kovalenko BC Hardening of parts with a laser beam. Kiev: Technique, 1981. P.37), selected as a prototype. In the prototype, the hardened workpiece is rigidly fixed to the gear transmission of the installation frame. The gear transmission allows using a drive motor to move the workpiece relative to the laser unit. Under the action of heating using a laser beam, a surface layer appears on the workpiece, consisting of two sublayers: the first (white layer) and the second transition. Both sublayers are characterized by high values of microhardness (for example, for low-carbon pre-eutectoid steel 20, the microhardness of the first layer is 750-770 kgf / mm ² ).

Однако эта величина микротвердости является недостаточной для колес железнодорожного транспорта, что обуславливает недостаточную эффективность работы установки. However, this microhardness value is insufficient for the wheels of railway transport, which leads to insufficient efficiency of the installation.

Перед автором стояла задача увеличения эффективности работы установки для упрочнения колес железнодорожного транспорта. The author was faced with the task of increasing the efficiency of the installation for hardening the wheels of railway transport.

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. This goal is achieved by the fact that in the installation for hardening the wheels of railway vehicles containing a frame designed to fix the hardened wheel, and a cylindrical gear wheel external to the hardened wheel, which is rigidly fixed to the frame using the struts, wherein the hardened wheel and the transmission wheel concentric with each other, the second gear wheel mounted on the shaft of an electric drive motor rigidly mounted on a platform equipped with circular slides, an optical unit scanning unit, a laser unit installed in the head part of the platform moving along the platform, a liquid refrigerant tank is mounted on the platform, inside which an electric heater is installed, and the tank is connected by a pipe to the nozzle mounted behind the scanning unit.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что установка для упрочнения колес железнодорожного транспорта отличается наличием подвижной системы хладагентного охлаждения участка упрочняемой поверхности колеса. Comparative analysis with the prototype shows that the installation for hardening the wheels of the railway transport is characterized by the presence of a movable system of refrigerant cooling of the section of the hardened surface of the wheel.

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. The noted difference makes it possible to increase the microhardness of the hardened layer of the wheel, and therefore, to increase the efficiency of the installation for hardening the wheels of railway transport, as heating of the hardened layer with a laser beam, followed by rapid cooling of the hardened layer with vapor of liquid refrigerant, leads to the formation of a "glassy" metal with increased wear resistance.

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.The proposed device is shown in the drawing. The struts 1 of the frame 2 are rigidly fixed hardened wheel 3 and the outer cylindrical gear wheel 4. In engagement with the wheel 4 is a second gear wheel 5, which is mounted on the shaft 6 of the electric motor 7. The electric motor 7 is mounted on a platform 8, which can move around the wheel 3 but on the slide 9 (not shown completely). A laser (for example, with a CO ₂ -N ₂ active medium or neodymium aluminum grit grenade) 10 and an optical scanning unit 11 are installed on the platform 9 coaxially (the longitudinal axis is normal to the hardened surface). At an angle less than 90 ^o with respect to the longitudinal axis of the scanning unit 11, there is a nozzle 12 connected via a pipe 13 to a tank for liquid refrigerant (for example, liquid nitrogen) 14. An electric heater 15 is installed in the tank.

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.The operation of the proposed device is as follows. The hardenable wheel 3 with the help of clamps (not shown) is rigidly fixed to the risers 1 of the frame 2. The tank 14 is filled (personnel) with liquid refrigerant. Power is supplied to the drive motor 7, the laser 10, the scanning unit 11 and the electric heater 15. The torque is transmitted through the shaft 6 and the gear 5 to the hard-mounted gear 4. As a result, the platform 8 begins to move around the wheel 3 along the slide 9. At that at the same time, the laser 10 produces a laser beam, which performs a reciprocating motion (along a line perpendicular to the vector of rotation speed of the wheel 3) along the rolling surface of the wheel 3 using the scanning unit 11. Following the spot of the laser beam on the surface of the skating is followed by a "stain" of liquid refrigerant, which enters through the pipe 13 and through the nozzle 12. A sharp temperature drop in a short time (approximately 10 ⁶ degrees / s) in the hardened layer leads to the fact that the metal crystals do not have time to form, but is formed " vitreous "- an amorphous metal with high strength characteristics, because there are no crystals and boundaries between them, along which a break often occurs.

Напор хладагента осуществляется его повышенной испаряемостью под действием электронагревателя 15. The pressure of the refrigerant is carried out by its increased volatility under the action of an electric heater 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. As you can see, compared with the prototype in the inventive device due to the use of a sharp temperature drop in the hardened layer leads to the formation of a "glassy" metal, i.e. to improve the strength characteristics of the hardened layer of the wheel, and therefore, to increase the efficiency of the installation.

Claims

An apparatus for hardening wheels of a railway vehicle, comprising a frame for securing a hardenable wheel and a cylindrical gear wheel external to the hardenable wheel, which is rigidly fixed to the frame by means of struts, wherein the hardenable wheel and the gear wheel are concentric to each other, the second gear wheel transmission mounted on the shaft of an electric drive motor rigidly mounted on a platform equipped with a circular slide, an optical scanning unit, a laser unit, Formation in the head by the movement of the platform, wherein the platform is mounted on a reservoir for liquid coolant, inside which the heater is installed, the tank conduit connected to the nozzle, behind the fortified scanning unit.