RU2704051C1 - Method and apparatus for surface hardening of heads of active railway steel rails - Google Patents

Method and apparatus for surface hardening of heads of active railway steel rails Download PDF

Info

Publication number
RU2704051C1
RU2704051C1 RU2018137161A RU2018137161A RU2704051C1 RU 2704051 C1 RU2704051 C1 RU 2704051C1 RU 2018137161 A RU2018137161 A RU 2018137161A RU 2018137161 A RU2018137161 A RU 2018137161A RU 2704051 C1 RU2704051 C1 RU 2704051C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rail
electron
output
air
electron beam
Prior art date
Application number
RU2018137161A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Владимирович Кошлаков
Ражудин Насрединович Ризаханов
Original Assignee
Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" filed Critical Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша"
Priority to RU2018137161A priority Critical patent/RU2704051C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2704051C1 publication Critical patent/RU2704051C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/04Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: group of inventions relates to methods and apparatus for surface hardening of heads of active railway steel rails. Method includes heating of one or two surfaces of heads of one or two rails by electron beams output into air atmosphere and moving relative to rail, and subsequent cooling of said surfaces due to heat conductivity inside rail head, characterized by using electron beams with electron energy of 100–300 keV, at that, distance L, m from outlet edge of output assembly of electron beam output device to heated surface of rail head is selected on condition that: L≤0.1×K×S, where S is the electron path length in the air atmosphere, K=6–8 is a coefficient which takes into account the change in the electron path length in the air atmosphere when the air is heated to temperatures higher than 1,500 °C.
EFFECT: reduced probability of peeling a hardened layer.
5 cl, 1 tbl, 3 dwg

Description

Группа изобретений относится к способам и установкам для термической обработки ответственных деталей верхнего строения пути (железнодорожных рельсов, рельсов метро, трамвайных рельсов) с помощью концентрированных потоков энергии. На надежность работы рельсового транспорта оказывает влияние качество деталей, формирующих путь и колесную пару подвижного состава. К этим деталям предъявляются требования по износостойкости и контактно-усталостной прочности. Одним из перспективных направлений улучшения указанных характеристик является применение поверхностного упрочнения методами воздействия концентрированных потоков. Результатами подобной обработки являются повышение срока службы изделий, улучшение их эксплуатационных характеристик, снижение стоимости ремонтных работ.The group of inventions relates to methods and installations for heat treatment of critical parts of the upper track structure (railway rails, metro rails, tram rails) using concentrated energy flows. The reliability of rail transport is influenced by the quality of the parts that form the track and wheelset of the rolling stock. These parts are required for wear resistance and contact fatigue strength. One of the promising directions for improving these characteristics is the use of surface hardening using concentrated flux methods. The results of such processing are to increase the service life of products, improve their operational characteristics, reduce the cost of repair work.

Известен способ поверхностного термического упрочнения стальных изделий (Авторское свидетельство СССР SU 1548218 А1, опубл. 07.03.90 бюл. №9), включающий сверхбыстрый нагрев электронным пучком с заданными характеристиками (энергия электронов 0,3-4,0 МэВ, плотность мощности 0,08-10 МВт/см2) перемещающегося изделия. Энергия электронов и мощность выбираются из условия обеспечения адиабатичности нагрева упрочняемого слоя без оплавления поверхности изделия с возможностью последующего быстрого (более 1000 К/с) остывания слоя за счет кондуктивного теплообмена с холодной основой. Недостатком способа является необходимость выполнения слишком жестких условий (адиабатичность нагрева, отсутствие оплавления), что приводит к применению высокоэнергетичных пучков и, как следствие, громоздких, крупногабаритных, тяжелых электронных ускорителей. На их основе проблематично создание мобильных устройств для упрочнения эксплуатируемых рельсов, т.е. находящихся непосредственно в составе верхнего строения железнодорожных путей.A known method of surface thermal hardening of steel products (USSR Author's Certificate SU 1548218 A1, publ. 07.03.90 bull. No. 9), comprising ultra-fast heating by an electron beam with specified characteristics (electron energy 0.3-4.0 MeV, power density 0, 08-10 MW / cm 2 ) of a moving product. The electron energy and power are selected from the condition of ensuring the adiabatic heating of the hardened layer without melting the surface of the product with the possibility of subsequent rapid (more than 1000 K / s) cooling of the layer due to conductive heat exchange with a cold base. The disadvantage of this method is the need to fulfill too severe conditions (adiabatic heating, lack of fusion), which leads to the use of high-energy beams and, as a result, bulky, bulky, heavy electron accelerators. Based on them, it is problematic to create mobile devices for hardening the operated rails, i.e. located directly in the upper structure of the railway tracks.

Известен способ термической обработки стальных рельсов (патент RU 2644638 С2, опубл. 13.02.2018), заключающийся в направленном воздействии высокотемпературной плазменной струи на перемещающееся изделие (рельс) и последующем его охлаждении, при этом осуществляют расщепление плазменной дуги на два пятна нагрева. Условия проведения термической обработки: сила тока 90-160 А, напряжение 130-160 В, скорость перемещения изделия 50-200 см/мин, расстояние от среза сопла плазмотрона до поверхности изделия - 20-30 мм.A known method of heat treatment of steel rails (patent RU 2644638 C2, publ. 13.02.2018), which consists in the directed action of a high-temperature plasma jet on a moving product (rail) and its subsequent cooling, while the plasma arc is split into two heating spots. Heat treatment conditions: current strength 90-160 A, voltage 130-160 V, product movement speed 50-200 cm / min, the distance from the plasma nozzle nozzle exit to the product surface is 20-30 mm.

Недостатком способа является чрезвычайно низкая скорость перемещения рельса (30-120 м/ч), что делает его применение малоэффективным для упрочнения рельсов в составе действующих путей. Кроме того, плазменные способы закалки чувствительны к расстояниям между срезом сопла плазмотрона и поверхностью рельса, что также представляет проблему при упрочнении в «полевых условиях».The disadvantage of this method is the extremely low speed of the rail (30-120 m / h), which makes its use ineffective for hardening the rails in the existing tracks. In addition, plasma quenching methods are sensitive to the distances between the nozzle exit of the plasma torch and the rail surface, which also poses a problem when hardening in “field conditions”.

Известны также процессы поверхностного термоупрочнения изделий концентрированным лазерным излучением (Григорянц А.Г., Сафонов А.Н., Методы поверхностной обработки. М. «Высшая школа», 1987). Однако применение их для упрочнения рельсов в составе действующих рельсовых путей также малоэффективно, в связи с тем, что:Also known are the processes of surface thermal hardening of products by concentrated laser radiation (Grigoryants A.G., Safonov A.N., Methods of surface treatment. M. "Higher School", 1987). However, their use for hardening rails as part of existing rail tracks is also ineffective, due to the fact that:

- эффективность преобразования электрической энергии в энергию концентрированного лазерного излучения составляет всего 10-15%;- the efficiency of converting electrical energy into concentrated laser radiation energy is only 10-15%;

- коэффициент поглощения лазерного излучения поверхностью изделия менее 5%;- the absorption coefficient of laser radiation by the surface of the product is less than 5%;

- лазерные установки, работающие в воздушной атмосфере, имеют невысокие мощности (на уровне 10 кВт).- laser systems operating in an air atmosphere have low power (at the level of 10 kW).

В отличие от лазерного излучения электронный пучок имеет ряд существенных преимуществ:In contrast to laser radiation, an electron beam has a number of significant advantages:

- высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию концентрированного излучения электронного пучка (70-80%);- high efficiency of converting electrical energy into energy of concentrated radiation of an electron beam (70-80%);

- высокий коэффициент поглощения излучения поверхностью рельса (более 75-80%);- high coefficient of absorption of radiation by the rail surface (more than 75-80%);

- возможно создание генераторов электронных пучков в воздушной атмосфере большой мощности - 10…1000 кВт.- It is possible to create generators of electron beams in an air atmosphere of high power - 10 ... 1000 kW.

Указанные преимущества ведут к упрощению задачи обеспечения утилизации излишков тепла, отсутствию необходимости предварительной подготовки поверхности рельса к обработке.These advantages lead to a simplification of the task of ensuring the utilization of excess heat, the lack of the need for preliminary preparation of the rail surface for processing.

Наиболее близкими аналогами предлагаемой группы изобретений являются решения, раскрытые в патенте RU 2208650 С2, опубл. 20.07.2003. В данном источнике информации раскрыт способ поверхностного термоупрочнения рельсов, основанный на применении высокоэнергетических электронных пучков, и устройство для его реализации. В основе данного способа лежат процессы адиабатического нагрева электронами мегавольтного уровня, принципы которого раскрыты в авторском свидетельстве SU 1548218 А1, 07.03.90, рассмотренном выше. Устройство располагается в перемещающемся с помощью локомотива вагоне, основными элементами устройства являются ускоритель мегавольтного класса (0,3-4,0 МэВ), высоковольтный источник электрического питания и выпускной узел, а также переключатель пучка электронов для упрочнения правого и левого рельса и сканирующее устройство.The closest analogues of the proposed group of inventions are the solutions disclosed in patent RU 2208650 C2, publ. 07/20/2003. This source of information discloses a method for surface heat strengthening of rails based on the use of high-energy electron beams, and a device for its implementation. This method is based on the processes of adiabatic heating by electrons of the megavolt level, the principles of which are disclosed in the copyright certificate SU 1548218 A1, 03.03.90, discussed above. The device is located in a car moving with a locomotive; the main elements of the device are a megavolt class accelerator (0.3-4.0 MeV), a high-voltage power supply and an exhaust unit, as well as an electron beam switch for hardening the right and left rails and a scanning device.

Однако из представленного в патенте описания неясными остаются следующие моменты:However, from the description presented in the patent, the following points remain unclear:

1. Как обеспечивается вакуум в выпускном устройстве, сообщающимся с воздушной атмосферой через апертуру (3-5)×25 мм2? При данной апертуре для обеспечении форвакуума необходима производительность вакуумного насоса более 10 м3/с, что представляется проблематичной на современном уровне развития техники.1. How is the vacuum provided in the exhaust device, communicating with the air through the aperture (3-5) × 25 mm 2 ? With this aperture, to ensure a forevacuum, a vacuum pump capacity of more than 10 m 3 / s is required, which seems problematic at the current level of technological development.

2. Вне рассмотрения остался также вопрос охлаждения (или теплосъема). При характерных мощностях пучка 50-60 кВт требуемый уровень охлаждения может дойти до 15-20 кВт, что требует самостоятельной системы обеспечения теплосъема.2. The issue of cooling (or heat removal) also remained outside the consideration. With characteristic beam powers of 50-60 kW, the required cooling level can reach 15-20 kW, which requires an independent heat removal system.

В отсутствие указанных систем (вакуумной откачки требуемого уровня и системы охлаждения) устройство не будет надежно функционировать.In the absence of these systems (vacuum pumping of the required level and cooling system), the device will not function reliably.

Также к недостаткам наиболее известного аналога можно отнести тот факт, что использование высокоэнергетических электронных пучков приводит к увеличению толщины упрочненного слоя. Вопрос об оптимальной толщине упрочненного слоя в случае рельсов, испытывающих контактные нагрузки, является неоднозначным. С ростом глубины упрочнения увеличивается ресурс рельсов, но при этом возрастают напряжения на границе «упрочненный слой - основа» вследствие различий в их кристаллических структурах (пластинчатый перлит и мартенсит). Известны экспериментальные факты, когда при достижении значительной толщины закаленного слоя происходит его отслаивание.The disadvantages of the most famous analogue include the fact that the use of high-energy electron beams leads to an increase in the thickness of the hardened layer. The question of the optimal thickness of the hardened layer in the case of rails experiencing contact loads is ambiguous. With increasing depth of hardening, the rail resource increases, but stresses at the “hardened layer – base” interface increase due to differences in their crystal structures (plate perlite and martensite). Experimental facts are known when, when a significant thickness of the hardened layer is reached, it peels off.

Цель изобретения - создание новых способа и установки для упрочнения действующих рельсовых путей, обеспечивающих многократное увеличение ресурса рельсов.The purpose of the invention is the creation of a new method and installation for hardening the existing rail tracks, providing a multiple increase in the resource of the rails.

Технический результат группы изобретений заключается в снижении вероятности отслаивания упрочненного слоя.The technical result of the group of inventions is to reduce the likelihood of peeling of the hardened layer.

Для решения задачи и достижения технического результата предложен способ поверхностного упрочнения головок стальных рельсов действующего пути, включающий нагрев по меньшей мере одной поверхности головки рельсов пути электронными пучками, выведенными в воздушную атмосферу и перемещающимися относительно рельса, и последующее охлаждение этой поверхности. Причем используют электронные пучки с энергией электронов 100-300 кэВ. При этом расстояние L, м от выходного среза выводного узла устройства вывода электронного пучка до нагреваемой поверхности головки рельса выбирают из условия:To solve the problem and achieve a technical result, a method for surface hardening of the heads of steel rails of the active track is proposed, comprising heating at least one surface of the head of the rail of the track with electron beams brought into the air and moving relative to the rail, and subsequent cooling of this surface. Moreover, electron beams with electron energies of 100-300 keV are used. The distance L, m from the output cut of the output node of the electron beam output device to the heated surface of the rail head is selected from the condition:

L≤0,1⋅К⋅S, гдеL≤0,1⋅K⋅S, where

S - длина пробега электронов в воздушной атмосфере;S is the mean free path of electrons in the air;

К=6÷8 - коэффициент, учитывающий изменение длины пробега электронов в воздушной атмосфере при разогреве воздуха до температур свыше 1500°C.K = 6 ÷ 8 is a coefficient that takes into account the change in the mean free path of electrons in the air atmosphere when air is heated to temperatures above 1500 ° C.

Предложена также установка для поверхностного упрочнения головок стальных рельсов действующего рельсового пути, содержащая рельсовое транспортное средство, на котором установлено по меньшей мере одно устройство для вывода электронного пучка, содержащее источник высоковольтного питания, электронный ускоритель, выводной узел. Причем устройство для вывода электронного пучка установлено на рельсовом транспортном средстве с возможностью направления электронного пучка выводного узла на верхнюю или боковую поверхность головки рельса, а расстояние L, м от выходного среза выводного узла до нагреваемой поверхности головки рельса выбирают из условия:An apparatus for surface hardening of steel rail heads of an existing rail track is also proposed, comprising a rail vehicle on which at least one electron beam output device is installed, comprising a high voltage power supply, an electronic accelerator, an output assembly. Moreover, the device for outputting the electron beam is installed on a rail vehicle with the possibility of directing the electron beam of the output node to the upper or side surface of the rail head, and the distance L, m from the output section of the output node to the heated surface of the rail head is selected from the condition:

L≤0,1⋅К⋅S, гдеL≤0,1⋅K⋅S, where

S - длина пробега электронов в воздушной атмосфере;S is the mean free path of electrons in the air;

К=6÷8 - коэффициент, учитывающий изменение длины пробега электронов в воздушной атмосфере при разогреве воздуха до температур свыше 1500°C.K = 6 ÷ 8 is a coefficient that takes into account the change in the mean free path of electrons in the air atmosphere when air is heated to temperatures above 1500 ° C.

В качестве выводного узла может быть использована система дифференциальной откачки, снабженная системами электропитания, охлаждения и вакуумной откачки.As an output node, a differential pumping system equipped with power supply, cooling and vacuum pumping systems can be used.

Установка может быть снабжена сканирующей системой, расположенной на выходе выводного узла.The installation can be equipped with a scanning system located at the output of the output node.

Установка может содержать от одного до четырех устройств для вывода электронного пучка.The installation may contain from one to four devices for outputting the electron beam.

Способ упрочнения основан на обработке поверхностей головки рельса электронным пучком, который обеспечивает высокоскоростной и кратковременный нагрев этих поверхностей с последующим высокоскоростным охлаждением нагретого слоя за счет естественного кондуктивного теплообмена с основой, т.е. теплопроводности внутрь головки рельса. Особенность данного изобретения состоит в использовании для реализации низкоэнергетических электронов (100-300 кэВ), выведенных в воздушную атмосферу. Данный способ позволяет существенно снизить весогабаритные характеристики оборудования для генерации и вывода электронного пучка. В частности, переход от электронного ускорителя с энергией электронов 1-4 МэВ к ускорителю с энергией 100-300 кэВ снижает характерные размеры оборудования в несколько раз и массу более чем в 15 раз. Данные количественные изменения носят уже качественный характер - появляется возможность установления подобного оборудования на любых рельсовых транспортных средствах (вагонах, автомотрисах и других транспортных средствах, способных передвигаться по существующим железнодорожным, трамвайным путям, монорельсам и путям метрополитена) и осуществления эффективного упрочнения рельсов непосредственно в составе действующих путей.The hardening method is based on processing the surfaces of the rail head with an electron beam, which provides high-speed and short-term heating of these surfaces, followed by high-speed cooling of the heated layer due to natural conductive heat exchange with the base, i.e. thermal conductivity inside the rail head. A feature of this invention is to use for the implementation of low-energy electrons (100-300 keV), released into the air. This method can significantly reduce the weight and size characteristics of equipment for generating and outputting an electron beam. In particular, the transition from an electron accelerator with an electron energy of 1–4 MeV to an accelerator with an energy of 100–300 keV reduces the characteristic dimensions of the equipment by several times and the mass by more than 15 times. These quantitative changes are already of a qualitative nature - it becomes possible to install such equipment on any rail vehicles (cars, highways and other vehicles that can move along existing railway, tram tracks, monorails and underground tracks) and implement effective hardening of the rails directly as part of existing ways.

Еще одним преимуществом использования пучков низкоэнергетических электронов является существенное упрощение эксплуатации установки - возможность проведения ремонтных и регламентных процедур без применения специальной аппаратуры и за более короткие времена. Данные достоинства являются важными при использовании мобильного оборудования для упрочнения уже эксплуатируемых рельсов. Кроме того, подобное оборудование имеет более низкую стоимость, а также предъявляет существенно низкие требования к радиационной защите.Another advantage of using beams of low-energy electrons is a significant simplification of the operation of the installation - the ability to carry out repair and maintenance procedures without the use of special equipment and in shorter times. These advantages are important when using mobile equipment to strengthen existing rails. In addition, such equipment has a lower cost, and also makes significantly lower requirements for radiation protection.

Предлагаемая группа изобретений быстро и эффективно осуществляет упрочнение головок одного или двух рельсов на относительно небольшую глубину (0,4-0,8 мм), при этом снижается вероятность отслаивания упрочненного слоя. Причем упрочнение рельсов с помощью предлагаемой группы изобретений можно проводить регулярно по мере износа упрочненного слоя. При достижении критического износа рельсы можно восстановить методом наплавки (что также возможно методами вневакуумной электронно-лучевой технологии), что позволит многократно увеличить ресурс уже эксплуатируемых в настоящее время путей.The proposed group of inventions quickly and effectively hardens the heads of one or two rails to a relatively shallow depth (0.4-0.8 mm), while reducing the likelihood of peeling of the hardened layer. Moreover, the hardening of the rails using the proposed group of inventions can be carried out regularly as the hardened layer is worn. When critical wear is achieved, the rails can be restored by surfacing (which is also possible using extra-vacuum electron beam technology), which will significantly increase the life of the tracks currently in operation.

В процессе упрочнения происходит:In the process of hardening occurs:

- высокоскоростной нагрев поверхности до температур выше точки аустенитизации (900-1500°C),- high-speed surface heating to temperatures above the austenitization point (900-1500 ° C),

- распространение температурного фронта вглубь материала и протекание фазовых превращений α - фазы железа в γ - фазу, т.е. преобразование объемно-центрированных кристаллов в гранецентрированные,- the propagation of the temperature front deep into the material and the occurrence of phase transformations of the α - phase of iron in the γ - phase, i.e. the conversion of body-centered crystals to face-centered,

- растворение углеродных и иных легирующих включений в гранецентрированных кристаллах γ - фазы железа, образование новых фаз,- dissolution of carbon and other alloying inclusions in face-centered crystals of γ-phase iron, the formation of new phases,

- высокоскоростное остывание за счет теплопроводности внутрь головки рельса,- high-speed cooling due to thermal conductivity inside the rail head,

- формирование в упрочненном слое мартенситной структуры с высокой твердостью.- the formation in the hardened layer of a martensitic structure with high hardness.

Группа изобретений поясняется чертежами.The group of inventions is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана исходная структура пластинчатого перлита (под чертой) стали марки Р65 и образовавшаяся после упрочнения предлагаемым способом мартенситная структура упрочненного слоя (над чертой).In FIG. 1 shows the initial structure of lamellar perlite (below the line) of P65 steel and the martensitic structure of the hardened layer (above the line) formed after hardening by the proposed method.

На фиг. 2 представлена схема предлагаемой установки (вариант с одним устройством вывода пучка).In FIG. 2 shows a diagram of the proposed installation (option with one beam output device).

На фиг. 3 схематично показан процесс упрочнения верхней и боковой поверхностей одного рельса.In FIG. 3 schematically shows the hardening process of the upper and lateral surfaces of one rail.

В качестве примера приведен результат поверхностного упрочнения рельсов, изготовленных из стали марки Р65 (фиг. 1). О твердости можно судить по отпечаткам от алмазных пирамидок, как видно, упрочненный слой имеет в 3 раза большую твердость. Исходная твердость - 2300 МПа, твердость упрочненного слоя - 9000 МПа, толщина упрочненного слоя -850 мкм.As an example, the result of surface hardening of rails made of steel grade P65 (Fig. 1). Hardness can be judged by the prints from the diamond pyramids, as you can see, the hardened layer has 3 times greater hardness. The initial hardness is 2300 MPa, the hardness of the hardened layer is 9000 MPa, the thickness of the hardened layer is -850 microns.

Режим обработки:Processing Mode:

Энергия электронов - 100 кэВ,Electron energy - 100 keV,

Ток пучка - 300 мА,Beam current - 300 mA,

Мощность - 30 кВт,Power - 30 kW

Диаметр пучка - 5 мм,Beam diameter - 5 mm,

Время воздействия - 20 мсек,The exposure time is 20 ms

Среда обработки - воздушная атмосфера,Processing medium - air atmosphere,

Расстояние (L) между срезом выводного узла и The distance (L) between the slice of the output node and

нагреваемой поверхностью головки рельса - 0,08 мheated surface of the rail head - 0.08 m

Данный пример показывает, что поверхностное упрочнение может быть осуществлено электронным пучком, выведенным в атмосферу и имеющим энергию 100 кэВ, по механизму нагрева слоя температурным фронтом (а не только по механизму адиабатического нагрева) в режиме высокоскоростного нагрева-остывания. При этом удельный энерговклад составляет (1÷3)⋅106 Дж/м2, а скорость перемещения вагона по рельсам - 1÷3 км/ч при мощности пучка 15-50 кВт.This example shows that surface hardening can be carried out by an electron beam released into the atmosphere and having an energy of 100 keV, by the mechanism of heating the layer with a temperature front (and not just by the adiabatic heating mechanism) in the high-speed heating-cooling mode. In this case, the specific energy input is (1 ÷ 3) ⋅10 6 J / m 2 , and the speed of movement of the car on rails is 1 ÷ 3 km / h with a beam power of 15-50 kW.

При этом важным является расстояние L между выходным срезом выводного узла и обрабатываемой (нагреваемой) поверхностью головки рельса. Установлено, что длина пробега электронов S в воздушной атмосфере зависит от энергии U электронного пучка, данные приведены в таблице:In this case, the distance L between the output slice of the output unit and the machined (heated) surface of the rail head is important. It was found that the mean free path S of electrons in the air atmosphere depends on the energy U of the electron beam, the data are given in the table:

Figure 00000001
Figure 00000001

Исследования показали, что при выводе концентрированного пучка воздух на траектории прохода пучка разогревается до высоких температур (1500-2000°C), происходит снижение концентрации частиц воздуха в К раз, что приводит к увеличению длины пробега, которая становится равной:Studies have shown that when a concentrated beam is removed, the air in the path of the beam is heated to high temperatures (1500-2000 ° C), the concentration of air particles decreases by a factor of K, which leads to an increase in the path length, which becomes equal to:

S*=К⋅S, гдеS * = К⋅S, where

S - длина пробега электронов в воздушной атмосфере;S is the mean free path of electrons in the air;

К - коэффициент, учитывающий изменение длины пробега электронов в воздушной атмосфере при разогреве воздуха до температур свыше 1500°C, причем К равен 6÷8.K is a coefficient taking into account the change in the mean free path of electrons in the air atmosphere when air is heated to temperatures above 1500 ° C, and K is 6 ÷ 8.

Расчеты транспортировки электронного пучка в газовой среде показывают, что на начальном участке, составляющем 10-12% от полной длины пробега, доля энергетических потерь не превышает 5-8%. Учитывая вышеизложенное, обработку упрочняемой поверхности головки рельса электронным пучком необходимо произвести на начальном участке распространения пучка в атмосфере, когда он имеет максимальные параметры. Таким образом, наиболее эффективно вести упрочнение рельсов на расстоянии (L, м) между выходным сечением выводного узла и нагреваемой поверхностью головки рельса, определяемом по формуле:Calculations of electron beam transportation in a gaseous medium show that in the initial section, which is 10-12% of the total path length, the proportion of energy losses does not exceed 5-8%. In view of the foregoing, the processing of the hardened surface of the rail head by an electron beam must be carried out in the initial section of the beam propagation in the atmosphere when it has maximum parameters. Thus, it is most effective to conduct hardening of the rails at a distance (L, m) between the output section of the output node and the heated surface of the rail head, determined by the formula:

L≤0,1⋅К⋅S, гдеL≤0,1⋅K⋅S, where

S - длина пробега электронов в воздушной атмосфере;S is the mean free path of electrons in the air;

К - коэффициент, учитывающий изменение длины пробега электронов в воздушной атмосфере при разогреве воздуха до температур свыше 1500°C. Ведение процесса упрочнения на таком расстоянии L приведет к быстрому получению качественного равномерного неглубокого упрочненного слоя в обрабатываемой поверхности рельса, вероятность отслаивания которого от основы ничтожно мала.K is a coefficient taking into account the change in the mean free path of electrons in the air atmosphere when air is heated to temperatures above 1500 ° C. Conducting the hardening process at such a distance L will lead to the rapid production of a high-quality uniform shallow hardened layer in the machined surface of the rail, the probability of peeling of which is negligible from the base.

Принципиальная схема установки для реализации вышеописанного способа упрочнения рельсов, включающая одно устройство для вывода пучка, представлена на фиг. 2. В зависимости от решаемых задач установка может включать несколько устройств для вывода электронного пучка, установленных на рельсовом транспортном средстве (вагоне). Например, для одновременного упрочнения верхних (горизонтальных) и внутренних боковых поверхностей головок двух рельсов одного пути используется установка с четырьмя устройствами для вывода электронного пучка, установленными на рельсовом транспортном средстве.A schematic diagram of an installation for implementing the above method of hardening rails, including one device for outputting the beam, is shown in FIG. 2. Depending on the tasks to be solved, the installation may include several devices for outputting the electron beam mounted on a rail vehicle (wagon). For example, for the simultaneous hardening of the upper (horizontal) and inner side surfaces of the heads of two rails of the same track, an installation with four electron beam output devices mounted on a rail vehicle is used.

Для упрочнения верхней поверхности головки рельса устройство для вывода пучка устанавливают на рельсовом транспортном средстве так, что пучок электронов, выходящий из выводного узла, направлен перпендикулярно обрабатываемой поверхности, т.е. угол между осью выводного узла и обрабатываемой поверхностью является прямым, а для упрочнения боковой поверхности головки рельса устройство для вывода пучка устанавливают на рельсовом транспортном средстве так, что угол между осью выводного узла и обрабатываемой поверхностью является острым (45±10 градусов). Для этого в нужном месте дна вагона предусматривают силовую наклонную металлическую площадку с отверстиями для фиксации под требуемым углом выводного узла и соосно соединенного с ним ускорителя. Использование электронных пучков низких энергий позволяет создавать малогабаритные устройства вывода электронного пучка, которые могут работать при любой пространственной ориентации.To harden the upper surface of the rail head, the beam output device is mounted on the rail vehicle so that the electron beam exiting the output node is directed perpendicular to the surface being machined, i.e. the angle between the axis of the output unit and the work surface is direct, and for hardening the side surface of the rail head, the beam output device is mounted on the rail vehicle so that the angle between the axis of the output unit and the work surface is sharp (45 ± 10 degrees). To do this, in the right place on the bottom of the car provide a power inclined metal platform with holes for fixing at the required angle of the output node and the accelerator coaxially connected to it. The use of low-energy electron beams allows the creation of small-sized electron beam output devices that can operate in any spatial orientation.

Основными элементами устройства вывода пучка являются (фиг. 2) источник высоковольтного напряжения 1, электронный ускоритель 2, выводной узел 3.The main elements of the beam output device are (Fig. 2) a high-voltage voltage source 1, an electronic accelerator 2, and an output unit 3.

Источник высоковольтного напряжения 1 предназначен для обеспечения на выходе высокого выпрямленного напряжения с требуемыми для электронного пучка параметрами (энергия 100-300 кэВ, мощностью одного устройства вывода электронного пучка - 15-50 кВт).The source of high voltage voltage 1 is designed to provide a high rectified voltage output with the parameters required for the electron beam (energy 100-300 keV, power of one output device of the electron beam - 15-50 kW).

Электронный ускоритель 2 формирует электронный пучок в условиях глубокого вакуума. Выводной узел 3 позволяет вывести пучок 4 в воздушную атмосферу для обработки поверхностей головки рельса 5. Так как для упрочнения нужен концентрированный пучок, то в качестве выводного узла необходимо использовать газодинамическое окно, например, на базе системы дифференциальной откачки. Для ее работы необходимо привлечение ряда вспомогательных систем, заштрихованных на фиг. 2. Выводной узел на основе системы дифференциальной откачки состоит из нескольких автономно откачиваемых шлюзовых камер, сквозь которые проходит пучок 4 из электронного ускорителя 2. Камеры сообщаются через малые отверстия в перегородках. Требуемый уровень давления (вакуума) в объеме ускорителя создается вакуумными насосами 7 путем откачки газа через соответствующие окна. Для ограничения поперечных размеров пучка с помощью соленоидов (не показаны) создается магнитное поле. Соленоиды запитываются от источника 6 и охлаждаются от системы охлаждения 8.The electron accelerator 2 forms an electron beam in a deep vacuum. The output node 3 allows you to bring the beam 4 into the air atmosphere for processing the surfaces of the rail head 5. Since a concentrated beam is needed for hardening, it is necessary to use a gas-dynamic window as the output node, for example, based on a differential pumping system. For its operation, it is necessary to involve a number of auxiliary systems, hatched in FIG. 2. The output node based on the differential pumping system consists of several autonomously pumped lock chambers through which the beam 4 passes from the electronic accelerator 2. The chambers communicate through small holes in the partitions. The required level of pressure (vacuum) in the accelerator volume is created by vacuum pumps 7 by pumping gas through the corresponding windows. To limit the transverse dimensions of the beam using solenoids (not shown), a magnetic field is created. The solenoids are fed from source 6 and cooled from cooling system 8.

Для контроля зоны упрочнения может быть использована сканирующая система 9, расположенную на выходе выводного узла и соосно с ним (фиг. 2). При правильном выборе диаметра пучка и скорости вагона сканирование вдоль движения становится излишним. Сканирующая система предназначена для обеспечения плотности мощности концентрированного потока энергии на уровне 107-108 Вт/м2.To control the hardening zone, a scanning system 9 can be used located at the output of the output unit and aligned with it (Fig. 2). With the right choice of the diameter of the beam and the speed of the car, scanning along the movement becomes unnecessary. The scanning system is designed to provide the power density of the concentrated energy flow at the level of 10 7 -10 8 W / m 2 .

Общая масса всех элементов устройства вывода пучка не превышает 3 тонны, что позволяет разместить его на любом рельсовом транспортном средстве.The total mass of all elements of the beam output device does not exceed 3 tons, which allows you to place it on any rail vehicle.

На примере Российских железных дорог можно привести следующие оценки. При скорости обработки 2 км/ч и организации трехсменной круглосуточной работы вахтенным методом в год одна мобильная установка упрочняет 15 тысяч километров путей. Общая протяженность железных дорог в России составляет почти 90 тысяч километров. Это означает, что 6 мобильных установок упрочнят все рельсы страны в течение одного года.Using the example of Russian Railways, the following estimates can be given. With a processing speed of 2 km / h and the organization of three-shift round-the-clock operation by the shift method per year, one mobile unit strengthens 15 thousand kilometers of tracks. The total length of railways in Russia is almost 90 thousand kilometers. This means that 6 mobile units will strengthen all rails of the country in one year.

Ежегодные расходы на содержание рельсового хозяйства в настоящее время составляют 20 млрд. руб. Увеличение ресурса дорог втрое (ожидается при трехкратном увеличении твердости поверхностного слоя рабочих участков рельсов) соответствует ежегодной экономии в 13 млрд. руб., что обеспечит быструю окупаемость затрат на изготовление мобильных устройств для упрочнения.Currently, rail maintenance costs amount to 20 billion rubles. A triple increase in the resource of roads (expected with a three-fold increase in the hardness of the surface layer of the working sections of the rails) corresponds to an annual savings of 13 billion rubles, which will ensure a quick payback on the cost of manufacturing mobile devices for hardening.

Алгоритм работы предлагаемой установки, согласно варианту с одним устройством для вывода электронного пучка, следующий (фиг. 2, 3):The operation algorithm of the proposed installation, according to a variant with one device for outputting an electron beam, is as follows (Fig. 2, 3):

1. Включают первичные источники питания (на фигурах не указаны).1. Include primary power sources (not shown in the figures).

2. Включают вакуумные насосы для откачки шлюзовых камер выводного узла 3.2. Turn on the vacuum pumps for pumping the lock chambers of the output node 3.

3. При достижении в объеме электронного ускорителя 2 давления 10-3 Па установке придают ускорение до приобретения требуемой скорости (например, 2 км/ч). Далее движение равномерное.3. When the pressure reaches 10 -3 Pa in the volume of the electronic accelerator 2, acceleration is applied to the installation until the required speed is acquired (for example, 2 km / h). Further the movement is uniform.

4. Включают систему охлаждения фокусирующих соленоидов.4. Turn on the cooling system of the focusing solenoids.

5. Включают систему электропитания фокусирующих соленоидов и сканирования пучка 9 согласно программе упрочнения.5. Turn on the power supply system of the focusing solenoids and scan the beam 9 according to the hardening program.

6. Включают источник высоковольтного питания 1 и генерируют электронный пучок 4. Осуществляется упрочнение одной верхней поверхности головки одного рельса 5.6. Turn on the high-voltage power supply 1 and generate an electron beam 4. Hardening of one upper surface of the head of one rail 5 is carried out.

Отключение осуществляют в обратном порядке.Shutdown is carried out in the reverse order.

Реализация указанного алгоритма осуществляется при помощи пульта управления, располагаемого, например, в смежном вагоне и неуказанного на чертежах.The implementation of this algorithm is carried out using a control panel located, for example, in an adjacent carriage and not indicated in the drawings.

Claims (11)

1. Способ поверхностного упрочнения головок стальных рельсов действующего рельсового пути, включающий нагрев по меньшей мере одной боковой или верхней поверхности головки рельсов пути электронными пучками, перемещающимися относительно рельса, и последующее охлаждение этой поверхности, отличающийся тем, что используют электронные пучки с энергией электронов 100-300 кэВ, при этом расстояние L, м, от выходного среза выводного узла устройства для вывода электронного пучка до нагреваемой поверхности головки рельса выбирают из условия:1. The method of surface hardening of the heads of steel rails of the existing rail track, comprising heating at least one side or top surface of the rail head of the track with electron beams moving relative to the rail, and subsequent cooling of this surface, characterized in that the use of electron beams with an electron energy of 100- 300 keV, the distance L, m, from the output cut of the output node of the device for outputting the electron beam to the heated surface of the rail head is selected from the condition: L≤0,1⋅ К⋅S, гдеL≤0,1⋅ К⋅S, where S - длина пробега электронов в воздушной атмосфере;S is the mean free path of electrons in the air; К=6÷8 - коэффициент, учитывающий изменение длины пробега электронов в воздушной атмосфере при разогреве воздуха до температур свыше 1500°C.K = 6 ÷ 8 is a coefficient that takes into account the change in the mean free path of electrons in the air atmosphere when air is heated to temperatures above 1500 ° C. 2. Установка для поверхностного упрочнения головок стальных рельсов действующего рельсового пути, содержащая рельсовое транспортное средство, на котором установлено по меньшей мере одно устройство для вывода электронного пучка, содержащее источник высоковольтного питания, электронный ускоритель, выводной узел, отличающаяся тем, что устройство для вывода электронного пучка установлено на рельсовом транспортном средстве с возможностью направления электронного пучка выводного узла на верхнюю или боковую поверхность головки рельса, а расстояние L, м, от выходного среза выводного узла до нагреваемой поверхности головки рельса выбирают из условия:2. Installation for surface hardening of the heads of the steel rails of the existing rail track, comprising a rail vehicle, on which at least one device for outputting an electron beam containing a high voltage power supply, an electronic accelerator, an output assembly, characterized in that the device for outputting electronic the beam is mounted on a rail vehicle with the ability to direct the electron beam of the output node to the upper or side surface of the rail head, and The distance L, m, from the output node to the output cutoff heated rail head surface is selected from the condition: L≤0,1⋅К⋅S, гдеL≤0,1⋅K⋅S, where S - длина пробега электронов в воздушной атмосфере;S is the mean free path of electrons in the air; К=6÷8 - коэффициент, учитывающий изменение длины пробега электронов в воздушной атмосфере при разогреве воздуха до температур свыше 1500°C.K = 6 ÷ 8 is a coefficient that takes into account the change in the mean free path of electrons in the air atmosphere when air is heated to temperatures above 1500 ° C. 3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве выводного узла используется система дифференциальной откачки, снабженная системами электропитания, охлаждения и вакуумной откачки.3. Installation according to claim 2, characterized in that the differential pumping system equipped with power supply, cooling and vacuum pumping systems is used as the output unit. 4. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что она снабжена сканирующей системой, расположенной на выходе выводного узла.4. Installation according to claim 2, characterized in that it is equipped with a scanning system located at the output of the output node. 5. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что она содержит до четырех устройств для вывода электронного пучка.5. Installation according to claim 2, characterized in that it contains up to four devices for outputting the electron beam.
RU2018137161A 2018-10-23 2018-10-23 Method and apparatus for surface hardening of heads of active railway steel rails RU2704051C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018137161A RU2704051C1 (en) 2018-10-23 2018-10-23 Method and apparatus for surface hardening of heads of active railway steel rails

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018137161A RU2704051C1 (en) 2018-10-23 2018-10-23 Method and apparatus for surface hardening of heads of active railway steel rails

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2704051C1 true RU2704051C1 (en) 2019-10-23

Family

ID=68318598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018137161A RU2704051C1 (en) 2018-10-23 2018-10-23 Method and apparatus for surface hardening of heads of active railway steel rails

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2704051C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1548218A1 (en) * 1988-05-16 1990-03-07 Институт ядерной физики СО АН СССР Method of surface thermal strengthening of steel articles
RU2120480C1 (en) * 1997-11-06 1998-10-20 Открытое акционерное общество "Кузнецкий металлургический комбинат" Rail working method
RU2208650C2 (en) * 2000-09-18 2003-07-20 Остроменский Петр Иванович Method of rail surface heat hardening and device for method embodiment
RU2218430C2 (en) * 2001-07-26 2003-12-10 Сибирское отделение Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта Method and device for hardening surface of rail head
US20170073793A1 (en) * 2014-04-08 2017-03-16 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Heat treatment device, heat treatment method, and rail steel
EP3186402B1 (en) * 2014-09-23 2018-01-03 British Steel Limited Method and device for production of heat treated welded rail for rail transport and rail produced therewith

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1548218A1 (en) * 1988-05-16 1990-03-07 Институт ядерной физики СО АН СССР Method of surface thermal strengthening of steel articles
RU2120480C1 (en) * 1997-11-06 1998-10-20 Открытое акционерное общество "Кузнецкий металлургический комбинат" Rail working method
RU2208650C2 (en) * 2000-09-18 2003-07-20 Остроменский Петр Иванович Method of rail surface heat hardening and device for method embodiment
RU2218430C2 (en) * 2001-07-26 2003-12-10 Сибирское отделение Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта Method and device for hardening surface of rail head
US20170073793A1 (en) * 2014-04-08 2017-03-16 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Heat treatment device, heat treatment method, and rail steel
EP3186402B1 (en) * 2014-09-23 2018-01-03 British Steel Limited Method and device for production of heat treated welded rail for rail transport and rail produced therewith

Similar Documents

Publication Publication Date Title
USRE37537E1 (en) Method and apparatus for altering material
RU2704051C1 (en) Method and apparatus for surface hardening of heads of active railway steel rails
WO2005080686A1 (en) Hardening process using laser in railway applications and relative equipment
Konyuhov et al. Evaluation of the economic feasibility of the introduction of plasma hardening technologies in the Far North enterprises
CN102121217B (en) Online laser quenching process for strengthening steel rail surface
Endo Extendibility evaluation of industrial EUV source technologies for kW average power and 6. x nm wavelength operation
CN209836225U (en) Online mobile processing device for steel rail surface based on laminar plasma
US6168676B1 (en) Rail refurbishing process
US4020317A (en) Method of mining rock with an electron beam
CN107217557A (en) A kind of vehicular track away rust by laser system
US3619551A (en) Cleaning of rails
Locke High power CW CO2 lasers and their applications
Maslov et al. Layout considerations on the 25GeV/300kW beam dump of the XFEL project
RU2644638C2 (en) Method of heat treatment of steel rails
CN212316570U (en) Online steel rail surface strengthening equipment based on laminar plasma
CN206986645U (en) A kind of vehicular track away rust by laser system
Deng et al. Plasma wakefield acceleration in self-ionized gas or plasmas
Chichkov et al. Soft-X-ray lasers with charge transfer pumping in a mixture of clusters and atomic gases
RU2218430C2 (en) Method and device for hardening surface of rail head
CN117845669A (en) Double-facula track surface performance enhancement method and enhancement device
RU2208650C2 (en) Method of rail surface heat hardening and device for method embodiment
Pugnat et al. A He-gas cooled, stationary granular target
Karttunen et al. High frequency Raman current drive
Ahmad et al. Nontraditional machining of FRPs
Hügel Potential of modern CO2-lasers for industrial applications