换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头及其设计方法

1.本发明涉及钢轨热处理用喷风头技术领域，尤其涉及一种换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头及其设计方法。


背景技术：

2.铁路是陆地运输的主要方式之一，钢轨是铁路的主要消耗件之一，承受着列车运行的全部压力。新铁路的建设以及对旧钢轨的更换，使得钢轨的年需求量巨大。而铁路高速重载的发展趋势及高密度的运输组织模式，对钢轨的性能提出了更高的要求。百米定尺的珠光体钢轨是我国高速重载铁路的主型钢轨，热处理是珠光体钢轨的主要强韧化手段。在线欠速风冷淬火是百米珠光体钢轨的主要热处理方式：把轧制后奥氏体状态的高温钢轨(700～900℃)直接送入到热处理机组内，利用喷风头将具有一定压力的空气喷射到钢轨轨头表面使其加速冷却，最终得到片层状珠光体组织。
3.目前，钢轨风冷淬火工艺使用3个圆形喷风头分别对轨头顶端和轨头两侧进行喷风冷却，存在为冷却能力弱和冷却均匀性差的突出问题。
4.以u75v钢轨为例，一方面，u75v钢轨热处理的临界冷却速率为6～9℃/s，但现阶段所使用的喷风头冷却速率只能达到约3～4℃/s，严重限制了u75v钢轨工艺优化空间。另外，由于钢轨长达百米，受冷却速度及热处理生产线长度限制，为了使钢轨降低至足够的温度，钢轨在热处理机组内的移动速度不能过快，导致钢轨后端(钢轨长度方向后进入热处理机组的一端)比前端在进入热处理机组前经历更长的自然空冷时间，使其初始冷却温度不一致。现阶段u75v钢轨热处理时的移动速度约为1.4m/s，后端的开淬时间比前端约晚79s，轧后钢轨进入热处理机组的初始温度为680～850℃，已有研究表明开淬温度会影响热处理后珠光体材料的性能。若能提高钢轨热处理时的冷却速度，便可缩短钢轨需要在热处理机组内停留的时间，进而提高钢轨在热处理机组内的移动速速，减小百米钢轨前后端进入热处理机组时的开淬温差，最终实现在提高生产效率的同时提高钢轨前后端性能均匀性。另一方面，喷风头出口与换热表面距离影响换热能力，3个圆形喷风头的布置方式导致轨头不同位置与喷风头出口的距离不同，导致钢轨横截面上不同位置的冷却速度不均匀(喷风头正下方冷却速度高于其余位置)。
5.现有技术解决目前钢轨风冷淬火所存在的突出问题的方案包括：
6.1、在提高冷却能力方面，采用超音速射流的方案来提高喷风射流流速进而提高喷风头的冷却能力，取得了一定的效果，证明了使用超音速的空气射流可以明显提高喷风淬火的冷却能力。但目前使用的圆形超音速喷风头均为圆形结构或矩形出口结构。由于钢轨的异形截面，导致钢轨不同位置与喷风头出口距离不相等，另外局部冷却能力的增大也进一步增大的钢轨断面冷却的不均匀。
7.2、在提高冷却均匀性方面，现有技术一般为根据钢轨轨头形状设计的喷风头。比如在钢轨轨头顶端和两侧面分别设置风箱，在风箱与轨头相对面上设置圆形密排的小出风口，以减小不同位置射流喷射到钢轨表面流体特性的差异。又比如基于钢轨轨头形状的仿
形多孔阵列喷风头、变孔径多孔板式喷风头和梅花状圆孔喷风头来控制钢轨各部位的冷却强度。
8.以上的现有技术只提高了冷却能力，或只提高了冷却均匀性。在兼顾冷却能力和冷却均匀性方面，公开号cn 102643971 a的中国专利文献公开了“一种重轨在线热处理装置”了一种槽型喷风头，在钢轨轨头顶部和两侧面相对位置分别布置小孔径、密排的圆形超音速出风孔，使冷却能力和冷却均匀性都有所提升。但其喷风头数量较多，500mm长的风箱上共设置了500余个出风口，空气与各喷风头壁面产生的摩擦阻力一定程度上也会影响换热效率，相同的工艺条件下，其对钢轨的冷却能力不如圆形超音速喷风头。


技术实现要素：

9.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头及其设计方法。兼具换热能力和换热均匀性，解决现有喷风头使得钢轨风冷淬火工艺冷却能力弱和冷却均匀性差的突出问题。
10.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
11.换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头，所述喷风头为三腔结构，共设有三个型腔；分别为顶部中腔、第一侧腔与第二侧腔，三个型腔均由收缩段、喉部与扩张段组成；顶部中腔对应钢轨轨头顶面，第一侧腔与第二侧腔对应钢轨轨头侧面中间位置。
12.进一步地，所述第一侧腔与第二侧腔的收缩段入口长度和扩张段出口长度均为直线，出口壁面角度为90
°
。
13.进一步地，所述喉部与收缩段的交界处圆滑过渡，喉部与扩张段的交界处圆滑过渡。
14.进一步地，所述喷风头为组合形式，沿宽度方向对称面将喷风头型腔分为两部分，形成第一半喷风头与第二半喷风头；第一半喷风头与第二半喷风头以拆卸方式连接成整体，在喷风头型腔以外的结合面处密封。
15.进一步地，所述第一半喷风头与第二半喷风头通过螺钉组装成整体喷风头，在喷风头型腔以外的结合面处用密封圈密封。
16.进一步地，所述第一半喷风头与第二半喷风头顶部设有水平连接板，中部设有与钢轨轨头形状相应的凹槽，两侧设有螺栓孔。
17.一种换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头的设计方法，设计参数如下：收缩段高度a1，mm，喉部高度a2，mm，扩张段高度a3，mm，收缩段入口宽度b1，mm，喉部宽度b2，mm，扩张段出口宽度b3，mm，收缩段入口长度l1，mm，喉部中心长度l2，mm，扩张段出口长度l3，mm，侧出口直线段长度l4，mm，出口壁面角度a3，
°
，收缩段夹角a1，
°
，扩张段夹角a2，
°
，以及射流高度h。
18.该设计方法具体包括如下步骤：
19.步骤1、以钢轨轨头截面的顶部和两侧面轮廓为喷风头扩张段出口以及喉部轮廓曲线的设计基准，按射流高度h对轨头曲线进行等距比例变换，得到扩张段出口长度l3曲线形状。
20.相应的，对轨头曲线按h+a3+0.5a2进行等距转换，得到喉部中心长度l2曲线形状。
21.步骤2、根据生产需求确定喷风头喉部截面积s2，mm2。例如，为具有可比性，可选择
与现有类型喷嘴截面最小处的截面积；又例如，根据现场的空气压缩机的供气能力确定，假设空气压缩机供气量为a,mm3/s，喷嘴数量为n，则应使：340*s2*n≤a。
22.步骤3、设计扩张段出口截面积s3，mm2。
23.根据需求的射流流速和s2，按以下公式计算s3：
[0024][0025]
式中：k为气体比容比；ma为喷风头出口射流流速，马赫(1马赫＝0.3403km/s)。
[0026]
步骤4、设计射流高度h、喉部宽度b2以及喉部中心长度l2：
[0027]
b2≥0.5mm，h≥4mm；根据已确定的h、b2和s2计算l2，l2＝s2/b2。
[0028]
步骤5、设计喉部高度a2：
[0029]
3b2＞a2＞b2(2)
[0030]
步骤6、设计侧出口直线段长度l4、出口壁面角度a3、扩张段高度a3、扩张段出口宽度b3和扩张段出口长度l3：扩张段出口长度l3包含扩张段出口中部曲线段长度l3c，mm和两侧的侧出口直线段长度l4，既：
[0031]
l3＝l3c+2l4(3)
[0032][0033]
式中：a4、a5和a6分别为钢轨轨头各圆弧段弧度，l5、l6和l7分别为钢轨轨头各圆弧段弧长。
[0034]
喉部中心长度l2的计算公式为：
[0035]
l2＝l2c+2l2s(5)
[0036]
式中：l2c为喉部中心曲线段长度，mm，l2s为喉部中心两侧直线段长度，mm。
[0037][0038]
l2s和l4的关系为：
[0039][0040]
约束条件
①
：l2s≥0；
[0041]
约束条件
②
：
[0042][0043]
式中：l8为轨头侧面直线段长度，mm；
[0044]
约束条件
③
：a2＞0，即：b3＞b2。
[0045]
步骤7、设计收缩段入口截面积s1，mm2、收缩段入口长度l1，mm和收缩段入口宽度b1：1.5s3≤s1＝b1
×
l1≤2s3
[0046]
步骤8、设计收缩段高度a1：
[0047][0048]
步骤9、将设计好参数后的喷风头改为三腔结构：在喷风头上沿l4上端点与喷风头出口壁面平行面将喷风头型腔截断，将两侧截断后腔体的l1和l3的曲线部分改成直线，并将a3改为90
°
，之后将两侧切断后腔体向下移动至轨头侧面中间位置。
[0049]
步骤10、对喉部与收缩段和扩张段的交界处圆滑过渡。
[0050]
与现有方法相比，本发明的有益效果是：
[0051]
1、本发明型腔由收缩段、喉部与扩张段组成，压缩空气通过入口进入收缩段后，由于截面积逐渐减小导致气流流速增大，到达喉部时流速达到当地音速，从喉部出口到扩张段，由于截面积逐渐增大，气流膨胀，气流流速进一步增大，最终产生超音速射流；使用超音速的空气射流能够明显提高喷风淬火的冷却能力。
[0052]
2、超音速喷风头各组成部分的截面积比受到设计出口流速和入口压力的限制，受钢轨轨头的形状的影响，若按常规的对轨头进行简单等距变换的仿形设计方法，难以实现到达轨头速度和压力均匀的超音速射流。原因在于：超音速喷风头特点在于其喉部截面积需小于扩张段的出口截面积，才能使喉部到达音速的气流有足够的空间进行膨胀而产生超音速射流。而按等距变换方法设计喷嘴时，假设基于钢轨轨头形状的简单等距变换公式，喷嘴扩张段出口处曲线l3长度的计算公式应为：
[0053][0054]
而喉部中心处曲线l2的长度计算公式应为：
[0055][0056]
显然l2会始终大于l3，这与超音速喷嘴的设计原理存在矛盾。虽然通过在仿形喷嘴出断面设置角度a3的方法(如附图1所示)可以有效缓解超音速和等距变换仿形之间的矛盾。
[0057]
图10、11和12分别为使用传统的简单等距变换方法设计的超音速仿形喷嘴对钢轨的射流流场示意图、射流压力场示意图和对900℃钢轨冷却100s时的轨头温度示意图。根据图10可以看出，喷嘴的最高流速出现在喷嘴扩张段的出口附近。压缩空气通过喷嘴入口到达喉部位置时，速度有明显提升，可以较均匀的提升到音速(约340m/s)；气流在经过出口扩张段时，速度也出现了明显的提升，达到了超音速，但不同位置的加速并不均匀，在与轨头踏面相对的位置，速度提升与设计值相接近，速度达到约1.35倍音速；在与轨头两侧面相对位置，速度提升较大，最大处达到约1.73倍的音速；而在与轨头两侧圆弧面相对位置的流速增加不够充分，仅达到约为1.2～1.3倍的音速。当射流冲击到钢轨表面附近时，速度急剧降低。轨头踏面位置流速降低最为明显。原因为喷嘴与轨头侧面相对位置的出口较其他位置有着更大的相对扩张后截面积，因此，此处的气流膨胀的更为充分，达到的冷却速度则更大，而在与轨头圆弧面相对位置，由于气流更多的向两侧膨胀，而导致在此处的速度提升不够充分。
[0058]
根据图11可以看出：气流在入口段大部分区域的压力均较为均匀和稳定。在喷嘴靠近两侧壁面的入口压力较低，原因可能为喷嘴两侧相对于其他位置的出口截面积更大，膨胀过于充分，导致与其相对应的入口收缩段的压力未能稳定在设计值。在经过喉部和扩张段后，由于膨胀效应，气流的压力明显降低，且喷嘴靠近两侧壁面附近的压力降低更为明显，在与轨头圆弧面相对应位置的压降程度较其他位置小。当射流接近钢轨表面时，压力值又出现了明显的提升，其中，轨头圆弧面附近的压力值最大，轨头踏面附近次之，轨头侧面至上而下压力值逐渐降低。
[0059]
根据图12可以看出：轨头踏面射流的压力分布趋势与其冷却速度的分布趋势一致。冷却后的钢轨轨头踏面和轨头圆弧面温度较轨头侧面低。对轨头侧面的冷却能力明显不足。
[0060]
根据以上分析可知，轨头侧面较其他位置冷却能力较弱的原因在于虽然射流到达轨头侧面附近时有着较高流速，但其对钢轨表面的冲击压力较小，根本原因在于喷嘴的两侧壁面具有角度a3，导致其与轨头侧面相对位置的扩张程度较其他位置更大，且轨头侧面自上而下与sp喷嘴出口的相对距离逐渐增大。
[0061]
为此本发明基于空气动力学知识，将喷嘴采用三段型腔式结构。采用将超音速仿形喷嘴与轨头圆弧角相对应位置截断的方法，通过三腔结构的设计，实现射流冷却能力和冷却均匀性的同时提升。一方面通过对冷却能力最强的与轨头圆弧处相对应位置截断，可以在不明显减小冷却能力的前提下使l3缩短的程度大于l2，可以为轨头侧面相对应位置增大型腔截面积提供可能，另外，通过将将a3改为90
°
，可以使此处喷嘴射流垂直喷射到钢轨表面，不同位置出口与钢轨表面相对距离差减小，因此可以使冷却能力更加均匀。
[0062]
3、本发明喉部与收缩段的交界处圆滑过渡，喉部与扩张段的交界处圆滑过渡。能够减少空气阻力，进而提高换热能力。
[0063]
4、本发明为组合形式，第一半喷风头与第二半喷风头通过螺钉组装成整体喷风头，在喷风头型腔以外的结合面处用密封圈密封。便于加工制作，降低了生产成本。
附图说明
[0064]
图1是本发明型腔及设计参数主视图；
[0065]
图2是本发明型腔及设计参数侧视图；
[0066]
图3是本发明型腔及钢轨轨头立体结构示意图；
[0067]
图4是本发明第一半喷风头立体结构示意图；
[0068]
图5是本发明立体结构示意图；
[0069]
图6是本发明实验轨头温度测试点位置示意图；
[0070]
图7是本发明射流速度场示意图；
[0071]
图8是本发明射流压力场示意图；
[0072]
图9是对高温(900℃)的u75v钢轨冷却100s时钢轨横断面温度场的数值模拟结果示意图。
[0073]
图10是使用传统的简单等距变换方法设计的超音速仿形喷嘴对钢轨的射流流场示意图
[0074]
图11是使用传统的简单等距变换方法设计的超音速仿形喷嘴对钢轨的射流压力
场示意图
[0075]
图12是使用传统的简单等距变换方法设计的超音速仿形喷嘴对900℃钢轨冷却100s时的轨头温度示意图。
[0076]
图中：a1-收缩段高度a2-喉部高度a3-扩张段高度b1-收缩段入口宽度b2-喉部宽度b3-扩张段出口宽度l1-收缩段入口长度l2-喉部中心长度l3-扩张段出口长度l4-侧出口直线段长度l5-第一圆弧段弧长l6-第二圆弧段弧长l7-第三圆弧段弧长l8-轨头侧面直线段长度a1-收缩段夹角a2-扩张段夹角a3-出口壁面角度a4-第一圆弧段弧度a5-第二圆弧段弧度a6-第三圆弧段弧度h-射流高度1-顶部中腔2-第一侧腔3-第二侧腔4-第一半喷风头5-第二半喷风头6-凹槽7-连接板8-螺栓孔9-钢轨轨头
具体实施方式
[0077]
本发明公开了一种换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头及其设计方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
[0078]
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0079]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0080]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0081]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0082]
如图1-9所示，一种换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头，为了便于加工，
将喷风头设计为组合形式，由第一半喷风头4与第二半喷风头5组合而成，第一半喷风头4与第二半喷风头5形状、尺寸与结构相同，宽度方向对称面对称。第一半喷风头4与第二半喷风头5顶部设有水平连接板7，水平连接板7上设有安装用螺栓孔8，竖向面中部设有与钢轨轨头9形状相应的凹槽6。第一半喷风头4与第二半喷风头5竖向面两侧设有相应的螺栓孔8，第一半喷风头4与第二半喷风头5竖向面通过螺钉连接成一整体，在喷风头型腔以外的结合面处用o型密封圈密封。
[0083]
喷风头为三腔结构，共设有三个型腔，分别为顶部中腔1、第一侧腔2与第二侧腔3，三个型腔均由收缩段、喉部与扩张段组成。顶部中腔1对应钢轨轨头9顶面，第一侧腔2与第二侧腔3对应钢轨轨头9侧面中间位置。
[0084]
第一侧腔2与第二侧腔3的收缩段入口长度和扩张段出口长度均为直线，出口壁面角度为90
°
。喉部与收缩段的交界处圆滑过渡，喉部与扩张段的交界处圆滑过渡。
[0085]
一种换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头的设计方法，该方法具体包括如下步骤：
[0086]
如图1、图2所示，喷封头的主要设计参数如下：
[0087]
收缩段高度a1，mm，喉部高度a2，mm，扩张段高度a3，mm，收缩段入口宽度b1，mm，喉部宽度b2，mm，扩张段出口宽度b3，mm，收缩段入口长度l1，mm，喉部中心长度l2，mm，扩张段出口长度l3，mm，侧出口直线段长度l4，mm，第一圆弧段弧长l5，mm，第二圆弧段弧长l6，mm，第三圆弧段弧长l7，mm，扩张段出口中部曲线段l3c，mm，收缩段夹角a1，
°
，扩张段夹角a2，
°
，出口壁面角度a3，
°
，第一圆弧段弧度a4，
°
，第二圆弧段弧度a5，
°
，第三圆弧段弧度a6，
°
，收缩段入口截面积s1，mm2，喉部截面积s2，mm2，扩张段出口截面积s3，mm2，以及射流高度h。
[0088]
步骤1、以钢轨轨头截面的顶部和两侧面轮廓为喷风头扩张段出口以及喉部轮廓曲线的设计基准，按射流高度h对轨头曲线进行等距比例变换，得到l3曲线形状。相应的，对轨头曲线按h+a3+0.5a2进行等距转换，得到l2曲线形状。
[0089]
步骤2、根据生产需求确定喷风头喉部截面积s2：
[0090]
为了具有可比性，选取与现有喷风头相同的喉部截面积(喷风头截面积最小处)。
[0091]
步骤3、设计扩张段出口截面积s3：
[0092]
根据需求的射流流速和s2，按以下公式计算得到出口截面积s3：
[0093][0094]
式中：k为气体比容比；
[0095]
ma为喷风头出口射流流速的设计马赫数。
[0096]
步骤4、设计射流高度h、喉部宽度b2以及喉部中心长度l2：
[0097]
由于仿形喷风头截面具有长而窄的特点，为减少空气与喷风头壁面摩擦阻力的影响，喉部宽度b2不能过小，一般不小于0.5mm。另外，实际生产的钢轨与喷风头出口的距离不能过近(射流高度h)，一般不低于4mm。根据已确定的h、b2和s2，可计算得到l2＝s2/b2。
[0098]
步骤5、设计喉部高度a2：为使气流稳定，a2应大于b2，并小于3倍的b2，即：
[0099]
3b2＞a2＞b2(2)
[0100]
步骤6、设计喷风头侧出口直线段长度l4和出口壁面角度a3、扩张段高度a3、扩张段出口宽度b3和扩张段出口长度l3。l3包含扩张段出口中部曲线段l3c和两侧的侧出口直
线段长度l4，既：l3＝l3c+2l4(3)
[0101]
式中：
[0102][0103]
其中：a4、a5和a6分别为轨头各圆弧段弧度，l5、l6和l7分别为轨头各圆弧段弧长(如图1、图2所示)。
[0104]
喉部中心长度l2的计算公式为：
[0105]
l2＝l2c+2l2s(5)
[0106]
其中：l2c，mm，和l2smm，分别为l2的曲线段长度和两侧直线段长度。
[0107][0108]
l2s和l4的关系为：
[0109][0110]
约束条件(1)：为了确保对轨头侧面的冷却效果，应使l2s不小于零。
[0111]
约束条件(2)：在角度a3的选取上，应使喉部曲线的直线段l2s的下端点与扩张段出口曲线的直线段l4的下端点的连线延长线低于轨头侧面直线段下部端点。即：
[0112][0113]
约束条件(3)：a3和a3均会对喷风头各截面的长宽比产生影响，进而会影响射流的流场，最终影响换热能力。比如，a3值越小，则l2c越小，则在相同截面积时的b2越大。又比如当l2c和a3确定的情况下，a3越大，则l3越小，则在相同截面积时的b3越大。为确保喷风头在宽度方向的有效换热面积，应使a2＞0，即：b3＞b2。
[0114]
步骤7、设计收缩段入口截面积s1、收缩段入口长度l1和收缩段入口宽度b1：
[0115]
为使气流稳定，s1应大于s3，一般按1.5～2倍选取，即：
[0116]
1.5s3≤s1＝b1
×
l1≤2s3(9)
[0117]
步骤8、设计收缩段高度a1：
[0118]
在选择a1时，应使收缩段角度a1在5～10
°
之间，即：
[0119][0120]
步骤9、为确保对轨头侧面的冷却能力，将设计好参数后的喷风头改为三腔结构：在喷风头上沿l4上端点与喷风头出口壁面平行面将喷风头型腔截断，将两侧截断后腔体的l1和l3的曲线部分改成直线，并将a3改为90
°
，之后将两侧切断后腔体向下移动至轨头侧面中间位置，最终的一种兼具换热能力和换热均匀性的钢轨风冷淬火用喷风头的型腔示意如图3所示。
[0121]
步骤10、为减少空气阻力，对喉部与收缩段和扩张段的交界处圆滑过渡。
[0122]
【实施例】：
[0123]
以应用最为广泛60kg/m的u75v钢轨为例，设计兼具换热能力和换热均匀性的钢轨风冷淬火用喷风头：
[0124]
目前生产用收缩型喷风头的最小处直径为7mm，轨头同一截面3个喷风头的总截面积为115.395mm2。因此，确定喷风头的s2为115.395mm2。
[0125]
按1.35ma作为设计出口马赫数，根据公式(1)计算得到s3为125.67mm2。
[0126]
根据相关研究结果，超音速喷风射流换热能力的最优射流高度为接近h/b2＝5，因此，选取h＝5mm，b2＝0.95mm，则l2长度为：l2＝s2/b2＝121.47mm。
[0127]
根据公式(2)，取喉部高度a2为2mm。根据我国钢轨质量检验标准《tb/t2344.1-2020》，60kg/m钢轨的轨头曲线段尺寸为：l5＝16.71mm、l6＝15.84mm、l7＝19.35mm、a4＝73.65
°
、a5＝11.34
°
和a6＝3.69
°
，结合约束条件1和公式(3)-(7)，计算得到a3≤7.503mm。
[0128]
在初次设计时，将a3取值为5mm。根据约束条件2，得到a3≤31.24
°
。根据公式(4)和公式(7)，计算得到l3c＝94.6mm，l4＝16.2mm。此时，b3＝s3/l3＝1.03mm，满足约束条件3的要求。
[0129]
根据公式(9)，选取s1＝2s3＝251.34mm2。结合公式(10)，选取a1＝5mm，则相应的l1＝118.18mm，b1＝2.13mm，此时a1＝6.7
°
，满足5-10
°
的设计标准。
[0130]
在喷风头上沿l4上端点与喷风头出口壁面平行面将喷风头型腔截断，将两侧截断后腔体的l1和l3的曲线部分改成直线，并将a3改为90
°
，之后将两侧切断后腔体向下移动至轨头侧面中间位置，最终的一种兼具换热能力和换热均匀性的钢轨风冷淬火用喷风头的型腔示意如图3所示。
[0131]
为减少空气阻力，对喉部与收缩段和扩张段的交界处圆滑过渡。
[0132]
使用sirl2-2ml红外线测温仪(测量温度范围300-1300℃，光谱响应1.6μm，响应时间5ms，重复测量精度
±
0.3％)测量钢轨表面温度。实验重复开展3次，取平均值。温度测试点tp1、tp2和tp3位置如图6所示，图中的“*”为按我国铁道行业标准《tb/t2344.1-2020》要求的钢轨断面硬度监测点位置，其中，第1点距钢轨表面5mm，其余点间距均为5mm；d、e线与轨头下颚距离为5mm；b、c线为a、d和a、e线的角平分线。
[0133]
表1为使用不同类型喷风头对900℃钢轨冷却100s时钢轨表面不同位置的冷却速率。表中cr喷风头、sr喷风头和cp喷风头分别为常速收缩型喷风头、超音速圆形喷风头和常速仿形喷风头；为各测试点的平均冷却速率，用于表征喷风头的冷却能力；dev为各测试点温度的标准偏差，用于表征轨头各测试点的冷却速率均匀性，计算公式为：
[0134][0135]
式中：xi为序号为i的测试点的冷却速率。dev的值越小，说明数据偏离平均值的程度越小，轨头各测试点之间冷却的均匀性越好。可以看出，本发明的喷风头较其他类型喷风头的冷却能力和冷却均匀性均有明显提升。在冷却速度方面，使用本发明的喷风头冷却的钢轨各测试点较其他类型喷风头均有所提升，轨头平均冷却速度较cr喷风头、sr喷风头和cp喷风头分别提高了54.22％、13.88％和47.01％。在冷却均匀性方面，dev值较cr喷风头、sr喷风头和cp喷风头分别下降了31.11％、31.11％、6.06％。
[0136]
表1不同类型喷风头对900℃钢轨冷却100s时钢轨表面冷却速率
[0137][0138]
表2为使用不同类型喷风头对900℃钢轨冷却100s时，轨头各测试点的温度。可以看出，在相同的冷却时间内，使用本发明的喷风头可以使轨头表面降至更低温度。根据文献的研究结果，u75v钢轨钢欠速淬火的表面冷却结束温度应不高于500℃。使用常速喷风头(cr喷风头和cp喷风头)将钢轨表面各测试点温度均降低至500℃以下所需时间均超过100s，使用sr喷风头所需时间为74s，使用本发明的喷风头所需时间为43s。本发明的喷风头可以大幅度缩短钢轨风冷淬火所需的冷却时间。
[0139]
表2不同类型喷嘴对900℃钢轨冷却100s时各测试点的温度
[0140][0141]
图7-图9分别为使用数值模拟仿真方法获得的使用本发明的一种兼具换热能力和换热均匀性的钢轨风冷淬火用喷风头对高温的60kg/m的u75v钢轨(900℃)冷却100s时射流的流场和钢轨横断面温度场云图。可以看出，压缩空气通过sp喷嘴收缩段到达喉部位置时，速度有明显提升，可以较均匀的提升到音速(约340m/s)，且气流在经过出口扩张段时，流体速度出现了进一步的提升，达到超音速。压缩空气在喷嘴的入口段压力稳定，可以为喷嘴提供持续、稳定的入口压力。射流冲击到钢轨表面附近时，速度急剧降低，压力增大。钢轨温度从轨头中心开始向外环形递减分布，轨头靠近表面的低温区温度较为均匀，轨头圆弧面处的温度略低于其余位置，说明此处喷嘴型腔的缺失并没有影响喷嘴对钢轨的冷却效果。
[0142]
本发明型腔由收缩段、喉部与扩张段组成，压缩空气通过入口进入收缩段后，由于截面积逐渐减小导致气流流速增大，到达喉部时流速达到当地音速，从喉部出口到扩张段，由于截面积逐渐增大，气流膨胀，气流流速进一步增大，最终产生超音速射流；使用超音速的空气射流能够明显提高喷风淬火的冷却能力。本发明喉部与收缩段的交界处圆滑过渡，喉部与扩张段的交界处圆滑过渡。能够减少空气阻力，进而提高换热能力。本发明为组合形
式，第一半喷风头4与第二半喷风头5通过螺钉组装成整体喷风头，在喷风头型腔以外的结合面处用密封圈密封。便于加工制作，降低了生产成本。
[0143]
超音速喷风头各组成部分的截面积比受到设计出口流速和入口压力的限制，受钢轨轨头的形状的影响，若按常规的对轨头进行简单等距变换的仿形设计方法，难以实现到达轨头速度和压力均匀的超音速射流。原因在于：超音速喷风头特点在于其喉部截面积需小于扩张段的出口截面积，才能使喉部到达音速的气流有足够的空间进行膨胀而产生超音速射流。而按等距变换方法设计喷嘴时，假设基于钢轨轨头形状的简单等距变换公式，喷嘴扩张段出口处曲线l3长度的计算公式应为：
[0144][0145]
而喉部中心处曲线l2的长度计算公式应为：
[0146][0147]
显然l2会始终大于l3，这与超音速喷嘴的设计原理存在矛盾。虽然通过在仿形喷嘴出断面设置角度a3的方法(如附图1所示)可以有效缓解超音速和等距变换仿形之间的矛盾。
[0148]
图10、11和12分别为使用传统的简单等距变换方法设计的超音速仿形喷嘴对钢轨的射流流场示意图、射流压力场示意图和对900℃钢轨冷却100s时的轨头温度示意图。根据图10可以看出，喷嘴的最高流速出现在喷嘴扩张段的出口附近。压缩空气通过喷嘴入口到达喉部位置时，速度有明显提升，可以较均匀的提升到音速(约340m/s)；气流在经过出口扩张段时，速度也出现了明显的提升，达到了超音速，但不同位置的加速并不均匀，在与轨头踏面相对的位置，速度提升与设计值相接近，速度达到约1.35倍音速；在与轨头两侧面相对位置，速度提升较大，最大处达到约1.73倍的音速；而在与轨头两侧圆弧面相对位置的流速增加不够充分，仅达到约为1.2～1.3倍的音速。当射流冲击到钢轨表面附近时，速度急剧降低。轨头踏面位置流速降低最为明显。原因为喷嘴与轨头侧面相对位置的出口较其他位置有着更大的相对扩张后截面积，因此，此处的气流膨胀的更为充分，达到的冷却速度则更大，而在与轨头圆弧面相对位置，由于气流更多的向两侧膨胀，而导致在此处的速度提升不够充分。
[0149]
根据图11可以看出：气流在入口段大部分区域的压力均较为均匀和稳定。在喷嘴靠近两侧壁面的入口压力较低，原因可能为喷嘴两侧相对于其他位置的出口截面积更大，膨胀过于充分，导致与其相对应的入口收缩段的压力未能稳定在设计值。在经过喉部和扩张段后，由于膨胀效应，气流的压力明显降低，且喷嘴靠近两侧壁面附近的压力降低更为明显，在与轨头圆弧面相对应位置的压降程度较其他位置小。当射流接近钢轨表面时，压力值又出现了明显的提升，其中，轨头圆弧面附近的压力值最大，轨头踏面附近次之，轨头侧面至上而下压力值逐渐降低。
[0150]
根据图12可以看出：轨头踏面射流的压力分布趋势与其冷却速度的分布趋势一致。冷却后的钢轨轨头踏面和轨头圆弧面温度较轨头侧面低。对轨头侧面的冷却能力明显
不足。
[0151]
根据以上分析可知，轨头侧面较其他位置冷却能力较弱的原因在于虽然射流到达轨头侧面附近时有着较高流速，但其对钢轨表面的冲击压力较小，根本原因在于喷嘴的两侧壁面具有角度a3，导致其与轨头侧面相对位置的扩张程度较其他位置更大，且轨头侧面自上而下与sp喷嘴出口的相对距离逐渐增大。
[0152]
为此明本发明基于空气动力学知识，将喷嘴采用三段型腔式结构。采用将超音速仿形喷嘴与轨头圆弧角相对应位置截断的方法，通过三腔结构的设计，实现射流冷却能力和冷却均匀性的同时提升。一方面通过对冷却能力最强的与轨头圆弧处相对应位置截断，可以在不明显减小冷却能力的前提下使l3缩短的程度大于l2，可以为轨头侧面相对应位置增大型腔截面积提供可能，另外，通过将将a3改为90
°
，可以使此处喷嘴射流垂直喷射到钢轨表面，不同位置出口与钢轨表面相对距离差减小，因此可以使冷却能力更加均匀。
[0153]
本发明兼具换热能力和换热均匀性，能够解决现有喷风头使得钢轨风冷淬火工艺冷却能力弱和冷却均匀性差的突出问题。
[0154]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头，其特征在于，所述喷风头为三腔结构，共设有三个型腔；分别为顶部中腔、第一侧腔与第二侧腔，三个型腔均由收缩段、喉部与扩张段组成；顶部中腔对应钢轨轨头顶面，第一侧腔与第二侧腔对应钢轨轨头侧面中间位置。2.根据权利要求1所述的换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头，其特征在于，所述第一侧腔与第二侧腔的收缩段入口长度和扩张段出口长度均为直线，出口壁面角度为90
°
。3.根据权利要求1所述的换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头，其特征在于，所述喉部与收缩段的交界处圆滑过渡，喉部与扩张段的交界处圆滑过渡。4.根据权利要求1所述的换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头，其特征在于，所述喷风头为组合形式，沿宽度方向对称面将喷风头型腔分为两部分，形成第一半喷风头与第二半喷风头；第一半喷风头与第二半喷风头以拆卸方式连接成整体，在喷风头型腔以外的结合面处密封。5.根据权利要求4所述的换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头，其特征在于，所述第一半喷风头与第二半喷风头通过螺钉组装成整体喷风头，在喷风头型腔以外的结合面处用密封圈密封。6.根据权利要求4所述的换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头，其特征在于，所述第一半喷风头与第二半喷风头顶部设有水平连接板，中部设有与钢轨轨头形状相应的凹槽，两侧设有螺栓孔。7.一种如权利要求1～6任意一项所述换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头的设计方法，其特征在于，设计参数如下：收缩段高度a1，mm，喉部高度a2，mm，扩张段高度a3，mm，收缩段入口宽度b1，mm，喉部宽度b2，mm，扩张段出口宽度b3，mm，收缩段入口长度l1，mm，喉部中心长度l2，mm，扩张段出口长度l3，mm，侧出口直线段长度l4，mm，出口壁面角度a3，
°
，收缩段夹角a1，
°
，扩张段夹角a2，
°
，以及射流高度h；该设计方法具体包括如下步骤：步骤1)以钢轨轨头截面的顶部和两侧面轮廓为喷风头扩张段出口以及喉部轮廓曲线的设计基准，按射流高度h对轨头曲线进行等距比例变换，得到扩张段出口长度l3曲线形状；相应的，对轨头曲线按h+a3+0.5a2进行等距转换，得到喉部中心长度l2曲线形状；步骤2)根据生产需求确定喷风头喉部截面积s2，mm2；步骤3)设计扩张段出口截面积s3，mm2：根据需求的射流流速和s2，按以下公式计算s3：式中：k为气体比容比；ma为喷风头出口射流流速，马赫，1马赫＝0.3403km/s；步骤4)设计射流高度h、喉部宽度b2以及喉部中心长度l2：b2≥0.5mm，h≥4mm；根据已确定的h、b2和s2计算l2，l2＝s2/b2；步骤5)设计喉部高度a2：3b2＞a2＞b2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
步骤6)设计侧出口直线段长度l4、出口壁面角度a3、扩张段高度a3、扩张段出口宽度b3和扩张段出口长度l3：扩张段出口长度l3包含扩张段出口中部曲线段长度l3c，mm和两侧的侧出口直线段长度l4，既：l3＝l3c+2l4(3)式中：a4、a5和a6分别为钢轨轨头各圆弧段弧度，l5、l6和l7分别为钢轨轨头各圆弧段弧长；喉部中心长度l2的计算公式为：l2＝l2c+2l2s(5)式中：l2c为喉部中心曲线段长度，mm，l2s为喉部中心两侧直线段长度，mm；l2s和l4的关系为：步骤7)设计收缩段入口截面积s1，mm2、收缩段入口长度l1，mm和收缩段入口宽度b1：1.5s3≤s1＝b1
×
l1≤2s3步骤8)设计收缩段高度a1：步骤9)将设计好参数后的喷风头改为三腔结构：在喷风头上沿l4上端点与喷风头出口壁面平行面将喷风头型腔截断，将两侧截断后腔体的l1和l3的曲线部分改成直线，并将a3改为90
°
，之后将两侧切断后腔体向下移动至轨头侧面中间位置。8.根据权利要求7所述的一种换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头的设计方法，其特征在于，所述步骤2)s2为现有类型喷嘴截面最小处的截面积；或根据现场的空气压缩机的供气能力确定，空气压缩机供气量为a，mm3/s，喷嘴数量为n，则：340*s2*n≤a。9.根据权利要求7所述的一种换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头的设计方法，其特征在于，所述步骤6)设有三个约束条件：约束条件
①
：l2s≥0；约束条件
②
：式中：l8为轨头侧面直线段长度，mm；约束条件
③
：a2＞0，即：b3＞b2。10.根据权利要求7所述的一种换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头的设计方法，其特征在于，还包括步骤10)，对喉部与收缩段和扩张段的交界处圆滑过渡。

技术总结
本发明涉及钢轨热处理用喷风头技术领域，尤其涉及一种换热强且换热均匀的钢轨风冷淬火用喷风头及其设计方法。所述喷风头为三腔结构，共设有三个型腔；分别为顶部中腔、第一侧腔与第二侧腔，三个型腔均由收缩段、喉部与扩张段组成；顶部中腔对应钢轨轨头顶面，第一侧腔与第二侧腔对应钢轨轨头侧面中间位置。本发明基于空气动力学知识，采用将超音速仿形喷嘴与轨头圆弧角相对应位置截断的方法，通过三腔结构的设计，实现射流冷却能力和冷却均匀性的同时提升。时提升。时提升。


技术研发人员：高明昕 张惠泽英 宋华 汪洋 赵博 徐林聪
受保护的技术使用者：辽宁科技大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/22