UA149152U

UA149152U - INDUCTION DEVICE FOR HEAT TREATMENT OF WELDED JOINTS OF TRAM RAILS

Info

Publication number: UA149152U
Application number: UAU202102958U
Authority: UA
Inventors: Євген Олександрович Пантелеймонов; Ірина Ігорівна Дацюк
Original assignee: Інститут Електрозварювання Ім. Є.О. Патона Нан України
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2021-10-20

Abstract

Індукційний пристрій для термічної обробки зварних стиків трамвайних рейок містить індуктори розташовані навпроти один одного з двох сторін рейки, в яких індукуючі дроти повторюють форму вигину поверхні рейки зі збільшеними повітряними зазорами над шийкою та пір'ям рейки та містять магнітопроводи з різною товщиною набору пластин, що встановлені над поверхнею катання головки, бічною гранню головки, шийкою та нижньою поверхнею підошви рейки. Індуктори індукційного пристрою відрізняються конструкцією, в одному індукторі індукуючий дріт разом із магнітопроводом над поверхнею катання головки подовжено до початку жолоба рейки. А в другому індукторі індукуючий дріт разом із магнітопроводом над бічною гранню губи закінчується в місці початку верхньої кромки губи.Induction device for heat treatment of welded joints of tram rails contains inductors located opposite each other on two sides of the rail, in which the inducting wires repeat the shape of the bend of the rail surface with increased air gaps over the neck and feathers of the rail and contain magnetic conductors with different thickness mounted above the rolling surface of the head, the side face of the head, the neck and the lower surface of the sole of the rail. The inductors of the induction device differ in design, in one inductor the induction wire together with the magnetic circuit above the rolling surface of the head is extended to the beginning of the rail chute. And in the second inductor, the inducting wire together with the magnetic circuit above the side face of the lip ends at the beginning of the upper edge of the lip.

Description

Корисна модель належить до електротермії, зокрема до області термічної обробки металевих виробів способом індукційного нагрівання струмами високої частоти, та може бути використана для термічної обробки зварних стиків трамвайних рейок.The useful model belongs to electrothermia, in particular to the field of heat treatment of metal products by the method of induction heating with high frequency currents, and can be used for heat treatment of welded joints of tram rails.

Відомо, що метал зварних стиків рейок після зварювання, зокрема способом контактного стикового зварювання, має по лінії з'єднання та в зоні крупного зерна грубозернисту структуру та більш низькі показники механічних властивостей в порівнянні з основним металом. Для усунення структурної зональної неоднорідності, підвищення пластичності, в'язкості та зниження схильності до руйнувань застосовується термічна обробка металу зварних стиків. Ширина зони термічного впливу після термічної обробки повинна перевищувати ширину зони термічного впливу після зварювання.It is known that the metal of welded rail joints after welding, in particular by the method of contact butt welding, has a coarse-grained structure along the joint line and in the coarse grain zone and lower indicators of mechanical properties compared to the base metal. To eliminate structural zonal inhomogeneity, increase plasticity, viscosity, and reduce susceptibility to destruction, heat treatment of the metal of welded joints is used. The width of the heat-affected zone after heat treatment should exceed the width of the heat-affected zone after welding.

При проведенні термічної обробки зварних стиків трамвайних рейок особливі вимоги пред'являються до індукторів індукційного пристрою. Конструкція індукторів повинна забезпечити рівномірне нагрівання металу в зоні зварного стику, враховуючи складну форму перерізу рейки, різну масу металу головки, губи, шийки та підошви, наявність жолоба та губи в головці рейки. Крім того, необхідно запобігти перегріванню верхньої кромки губи.During heat treatment of welded joints of tram rails, special requirements are imposed on the inductors of the induction device. The design of the inductors should ensure uniform heating of the metal in the weld joint zone, taking into account the complex shape of the rail section, the different weight of the metal of the head, lip, neck and sole, the presence of a groove and a lip in the rail head. In addition, it is necessary to prevent overheating of the upper lip.

На сучасному рівні розвитку техніки відомий пристрій для нагрівання під термічну обробку, що містить каркас з газо полум'яними пальниками, колектор для підведення палива (див. авторське посвідчення СРСР Мо1054432, Кл. С210 9/50, 1989 р.). Однак, зазначений пристрій забезпечує низьку якість термічної обробки, внаслідок окислення поверхні зварного з'єднання.At the current level of technical development, a device for heating for heat treatment is known, which contains a frame with gas flame burners, a collector for supplying fuel (see copyright certificate of the USSR Mo1054432, Cl. C210 9/50, 1989). However, the specified device provides low quality heat treatment due to oxidation of the surface of the welded joint.

Крім того, необхідно перевозити запаси палива та колектори для забезпечення роботи пальників.In addition, it is necessary to transport fuel stocks and collectors to ensure the operation of the burners.

Відомий спосіб термічної обробки гострякові і рамних рейок і пристрій для його здійснення (патент РФ 2135607, публ. 27.08.1999 р.), у якому одночасно з загартуванням головки гострякові рейки роблять загартування площини її підошви. Індуктори гартівних блоків розташовані навпроти один одного і роблять одночасне нагрівання робочих поверхонь катання головки у високочастотному електромагнітному полі. Індуктори виконані за формою поверхні катання рейок. Однак цей спосіб спрямований на досягнення оптимального температурного поля в головці та підошві рейки і не враховує розподіл температурного поля в шийці рейки. У випадку великого перепаду температури між головкою та шийкою рейки не досягається необхіднаThere is a known method of heat treatment of spur and frame rails and a device for its implementation (RF patent 2135607, publ. 08.27.1999), in which, simultaneously with the hardening of the head of the spur rails, the plane of its sole is hardened. The inductors of the quenching blocks are located opposite each other and simultaneously heat the working surfaces of the rolling head in a high-frequency electromagnetic field. Inductors are made according to the shape of the rolling surface of the rails. However, this method is aimed at achieving the optimal temperature field in the head and sole of the rail and does not take into account the distribution of the temperature field in the neck of the rail. In the case of a large temperature difference between the head and the neck of the rail, the required temperature is not reached

Зо стійкість ударним навантаженням.With resistance to shock loads.

Відомий індукційний пристрій для нагрівання стиків залізничних рейок (патент РФ 2200764, публ. 20.03.2003 р.), у якому індуктор виконаний у вигляді двох плоских прямокутних спіралевих обмоток, розташованих навпроти один одного з двох сторін рейки. Прямі та зворотні провідники обмоток розділені рухливими магнітопроводами, що вільно переміщаються щодо обмоток перпендикулярно бічним поверхням рейки. Обмотки підключені до джерела живлення так, щоб забезпечити протікання струмів в одному напрямку в частинах обмоток, що прилягають до головки рейки. Обмотки разом з відповідними магнітопроводами можуть бути розміщені на двох частинах каркаса з тепло- і електроізолюючого матеріалу, об'єднаних між собою пристроєм, що забезпечує їхнє взаємне пересування відносно один одного, у напрямку, перпендикулярному подовжньої осі рейки. Крім того, обмотки можуть бути вигнуті за формою головки та верхньої частини підошви з відповідних сторін рейки. Однак, пристрій не робить цілеспрямованого впливу на необхідний розподіл температурного поля в нижній частині підошви рейки. При недостатньому нагріванні підошви погіршується прямолінійність зварних стиків після повного охолодження рейки.An induction device for heating the joints of railway rails is known (RF patent 2200764, publ. 03.20.2003), in which the inductor is made in the form of two flat rectangular spiral windings located opposite each other on both sides of the rail. The forward and return conductors of the windings are separated by movable magnetic conductors that move freely relative to the windings perpendicular to the side surfaces of the rail. The windings are connected to the power source so that currents flow in one direction in the parts of the windings adjacent to the rail head. The windings together with the corresponding magnetic conductors can be placed on two parts of the frame made of thermally and electrically insulating material, connected to each other by a device that ensures their mutual movement relative to each other, in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the rail. In addition, the windings can be bent to the shape of the head and the upper part of the sole on the corresponding sides of the rail. However, the device does not have a targeted effect on the necessary distribution of the temperature field in the lower part of the sole of the rail. If the sole is not heated enough, the straightness of the welded joints deteriorates after the rail has completely cooled.

Найбільш близьким до корисної моделі, що заявляється, є індукційний пристрій для термічної обробки зварних стиків залізничних рейок (патент ОА 109123, опубл. 10.08.2016 р.), у якому індуктори розташовані навпроти один одного з двох сторін рейки, індукуючий дріт яких повторює форму вигину поверхні рейки зі збільшеними повітряними зазорами над шийкою і пір'ям рейки і містить магнітопроводи з різною товщиною набору пластин, встановлені над поверхнею катання головки, бічною гранню головки, шийкою і нижньою поверхнею підошви рейки. Крім того, індукуючий дріт індукторів розділений на два паралельних провідники з встановленими над ними загальними магнітопроводами. Однак, стосовно трамвайних рейок, індукційний пристрій не враховує несиметричну форму головки рейки відносно поздовжньою осі симетрії рейки, а також наявність жолоба та губи.The closest to the proposed useful model is an induction device for heat treatment of welded joints of railway rails (patent OA 109123, published on August 10, 2016), in which the inductors are located opposite each other on two sides of the rail, the inducing wire of which repeats the shape the curvature of the surface of the rail with increased air gaps above the neck and feathers of the rail and contains magnetic conductors with different thickness of a set of plates, installed above the rolling surface of the head, the side face of the head, the neck and the lower surface of the sole of the rail. In addition, the inducing wire of the inductors is divided into two parallel conductors with common magnetic conductors installed above them. However, in relation to tram rails, the induction device does not take into account the asymmetric shape of the rail head relative to the longitudinal axis of symmetry of the rail, as well as the presence of a groove and a lip.

В основу корисної моделі поставлена задача створення індукційного пристрою для термічної обробки зварних стиків трамвайних рейок, який забезпечує рівномірний розподіл температури нагріву по перерізу рейки, враховує не симетричну форму головки рейки відносно поздовжньою осі симетрії рейки, наявність жолоба та губи та запобігає перегріву верхньої кромки губи.The useful model is based on the task of creating an induction device for heat treatment of welded joints of tram rails, which ensures a uniform distribution of heating temperature along the rail section, takes into account the non-symmetrical shape of the rail head relative to the longitudinal axis of symmetry of the rail, the presence of a groove and a lip, and prevents overheating of the upper edge of the lip.

Поставлена задача вирішується тим, що індукційний пристрій для термічної обробки бо зварних стиків трамвайних рейок містить індуктори розташовані навпроти один одного з двох сторін рейки, в яких індукуючі дроти повторюють форму вигину поверхні рейки зі збільшеними повітряними зазорами над шийкою та пір'ям рейки та містять магнітопроводи з різною товщиною набору пластин, що встановлені над поверхнею катання головки, бічною гранню головки, шийкою та нижньою поверхнею підошви рейки. Індуктори індукційного пристрою відрізняються конструкцією, в одному індукторі індукуючий дріт разом із магнітопроводом над поверхнею катання головки подовжено до початку жолоба рейки. А в другому індукторі індукуючий дріт разом із магнітопроводом над бічною гранню губи закінчується в місці початку верхньої кромки губи.The task is solved by the fact that the induction device for thermal treatment of welded joints of tram rails contains inductors located opposite each other on two sides of the rail, in which the inducing wires repeat the shape of the curvature of the rail surface with increased air gaps above the neck and feathers of the rail and contain magnetic conductors with a different thickness of a set of plates installed over the rolling surface of the head, the side face of the head, the neck and the lower surface of the sole of the rail. Inductors of the induction device differ in design, in one inductor the inducing wire together with the magnetic conductor above the rolling surface of the head is extended to the beginning of the groove of the rail. And in the second inductor, the inducing wire together with the magnetic wire above the side face of the lip ends at the beginning of the upper edge of the lip.

Подовження індукуючого дроту разом із магнітопроводом одного індуктора по всій ширині головки до початку жолоба рейки дозволяє рівномірно розподілити передану в головку потужність по всій ширині поверхні катання, а подовження індукуючого дроту разом із магнітопроводом другого індуктора до початку верхньої кромки губи дозволяє передати частину потужності в метал губи та запобігти перегріву її верхньої кромки.The extension of the inducing wire together with the magnetic wire of one inductor along the entire width of the head to the beginning of the rail groove allows you to evenly distribute the power transmitted to the head over the entire width of the rolling surface, and the extension of the inducing wire together with the magnetic wire of the second inductor to the beginning of the upper edge of the lip allows you to transfer part of the power to the metal of the lip and prevent overheating of its upper edge.

Перелік фігур креслення. На наведеному кресленні представлена конструкція індукційного пристрою, що заявляється. Індуктори 1 ії 2 розташовані навпроти один одного з двох сторін рейки 3. Шини 4, що підводять струм до індукторів, підключені через узгоджувальні пристрої до джерела живлення струмами високої частоти. Індукуючий дріт 5 одного індуктора 1, що складається з двох паралельних провідників та повторює форму вигину поверхні рейки, разом з встановленим над ним магнітопроводом б подовжено над поверхнею катання головки 7 до початку жолоба 8. Індукуючий дріт 9 другого індуктора 2, що також складається з двох паралельних провідників та повторює форму вигину поверхні рейки, разом з встановленим над ним магнітопроводом 10 подовжено до початку верхньої кромки губи 11. Повітряні зазори А над шийкою та Б над пір'ям рейки збільшені, у порівнянні з повітряним зазором В над головкою, бічною гранню головки, бічною гранню губи та підошвою рейки. Магнітопроводи 12, з різною товщиною набору пластин, розміщені над бічною гранню головки, шийкою і нижньою поверхнею підошви рейки.List of drawing figures. The following drawing shows the design of the claimed induction device. Inductors 1 and 2 are located opposite each other on both sides of rail 3. Buses 4, which supply current to the inductors, are connected through matching devices to the power source with high-frequency currents. The inducing wire 5 of one inductor 1, which consists of two parallel conductors and repeats the shape of the curvature of the rail surface, together with the magnetic conductor installed above it, is extended above the rolling surface of the head 7 to the beginning of the groove 8. The inducing wire 9 of the second inductor 2, which also consists of two parallel conductors and repeats the curved shape of the surface of the rail, together with the magnetic conductor 10 installed above it, is extended to the beginning of the upper edge of the lip 11. The air gaps A above the neck and B above the feathers of the rail are increased, compared to the air gap B above the head, the side face of the head , the side face of the lip and the sole of the rail. Magnetic conductors 12, with different thicknesses of a set of plates, are placed over the side face of the head, the neck and the lower surface of the sole of the rail.

Пристрій працює таким чином.The device works like this.

Перед початком термічної обробки зварного стику індуктори 1 і 2 підводять до рейки 3.Before starting the heat treatment of the welded joint, inductors 1 and 2 are brought to rail 3.

Високочастотний струм в індукуючих дротах 5 та 9 викликає появу індукованого струму в зоніThe high-frequency current in the inducing wires 5 and 9 causes an induced current to appear in the zone

Зо зварного стику рейки, в результаті чого стик нагрівається. Індукуючий дріт 5 індуктора 1, що подовжений до початку жолоба 8 рейки, спрямований на передачу потужності в головку по всій ширині поверхні катання 7. Індукуючий дріт 9 індуктора 2 подовжено тільки до початку верхньої кромки губи 11, що запобігає її перегріву. В конструкції індукторів використані властивості магнітопроводів по різкому підвищенню концентрації індукованого струму під індукуючим дротом і вплив повітряного зазору на опір магнітного потоку індуктора. Сполучення цих факторів дозволяє змінювати розподіл переданої в зварний стик потужності, враховуючи різну масу металу головки, губи, шийки та підошви. Збільшення повітряного зазору Б в області пір'їв рейки перешкоджає їх перегріву, який може бути викликаний кільцевим ефектом при індукційному нагріванні. Розподіл індукуючих дротів 5 та 9 індукторів на два паралельних провідники дозволяє розподілити поверхневу щільність струму по ширині зони термічного впливу та зменшити серповидність шару металу, що нагрівається.From the welded joint of the rail, as a result of which the joint heats up. The inducing wire 5 of the inductor 1, which is extended to the beginning of the groove 8 of the rail, is aimed at transmitting power to the head across the entire width of the rolling surface 7. The inducing wire 9 of the inductor 2 is extended only to the beginning of the upper edge of the lip 11, which prevents it from overheating. In the design of the inductors, the properties of magnetic conductors are used for a sharp increase in the concentration of the induced current under the inducing wire and the effect of the air gap on the resistance of the magnetic flux of the inductor. The combination of these factors allows you to change the distribution of the power transmitted to the welded joint, taking into account the different mass of the metal of the head, lip, neck and sole. Increasing the air gap B in the area of the rail feathers prevents their overheating, which can be caused by the ring effect during induction heating. The distribution of the inducing wires 5 and 9 of the inductors into two parallel conductors allows to distribute the surface current density across the width of the thermally affected zone and to reduce the crescent shape of the heated metal layer.

Характерною позитивною рисою запропонованої конструкції індукційного пристрою є рівномірне нагрівання перерізу рейки та відсутність перегріву верхньої кромки губи та пір'ї рейки. При термічній обробці зварних стиків трамвайних рейок типу РТб2 до температури 900 "С перепад температури між поверхнею катання головки та шару на глибині 25 мм від поверхні катання не перевищує 50 "С. Ширина зони термічного впливу після термічної обробки досягає 55 мм.A characteristic positive feature of the proposed design of the induction device is the uniform heating of the cross-section of the rail and the absence of overheating of the upper edge of the lip and the rail feathers. During heat treatment of welded joints of RTb2 type tram rails up to a temperature of 900 "C, the temperature difference between the rolling surface of the head and the layer at a depth of 25 mm from the rolling surface does not exceed 50 "C. The width of the heat-affected zone after heat treatment reaches 55 mm.

Економічний ефект від корисної моделі досягається за рахунок підвищення продуктивності індукційного пристрою. Час нагрівання зварних стиків струмами частотою 2,4 кГц, температурою від 20 до 900 "С становить 240-260 с. При нагріванні від зварювального тепла (250-300 "С) час термічної обробки скорочується до 140 с Це значно менше в порівнянні з процесами нагрівання іншими джерелами тепла.The economic effect of a useful model is achieved by increasing the productivity of the induction device. The time for heating welded joints with currents with a frequency of 2.4 kHz, with a temperature from 20 to 900 "C is 240-260 s. When heated by welding heat (250-300 "C), the heat treatment time is reduced to 140 s. This is much less compared to the processes heating by other heat sources.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA

Induction device for heat treatment of welded joints of tram rails, containing inductors located opposite each other on two sides of the rail, in which the inducing wires repeat the shape of the curvature of the rail surface with increased air gaps above the neck and feathers of the rail and contain magnetic conductors with different set thicknesses plates installed above

60 by the rolling surface of the head, the side face of the head, the neck and the lower surface of the sole of the rail, which is characterized by the fact that the inductors of the induction device differ in design, in one inductor the inducing wire together with the magnetic wire above the rolling surface of the head is extended to the beginning of the groove of the rail, and in the second inductor the inducing the wire together with the magnetic conductor above the side face of the lip ends at the beginning of the upper edge of the lip. I sya i ke sha ha still another 7 I z b and I av ovalyn ryzhkAh dnyh feet. Kornkekkya Ksenya naya eaenya ghani - z ; ; i K i E Z dddelyankh - tax the same. . 2nd piintnininh, E hkhkhyannki I! Her Her Ro p TK BV y 7 yah rani y I field mo NN NI NN ee SHK U y y y

5. - 3 studies, y Kon Zh shi To r do y ni an s she Kor y pr NN. : I. Ya shi i as shiya KO: : cache NE : min 2-4 : her GZK NE y Bosh NK M her EK oi Z і td iga v і і: Ga u Y. : і I і : show 22 zha MI : Mk Sheshih of her B sno Ye av Y oh, : I m 1 ; znih y: OPO SKK Kozhsiakk Sh KK kkd lkkchnkv syn kniy No : Y І BOM х i ! Y Schi oz BO, I PE ZHK, EE EM sho u BEN i she B : y nn I ME