[0001] 本实用新型属于风冷淬火技术领域，具体涉及一种利用曲线型仿形出口轮廓形状，使气流分布更加平滑，能够提高重轨轨头风冷淬火的冷却速度，冷却均匀性好，可显著提高重轨生产质量的基于重轨轨头断面轮廓的曲线型仿形喷嘴。

[0002] 重轨在线余热风冷淬火是一种先进的热处理工艺，其利用重轨轧后余热温度直接进入喷风冷却装置进行淬火，具有生产效率高、绿色无污染、对重轨表面状态不敏感以及冷却速率易于调控等优点。由于采用压缩空气作为冷却介质，风冷淬火相对于喷雾和喷水淬火方式，具有更好的冷却均匀性，所以，该淬火工艺已被国内外各大钢厂广泛采用。然而，目前对重轨的风冷淬火，均采用多个普通喷嘴组合布置的方式来进行喷风冷却；这种多喷嘴共同工作的传统喷风冷却形式，因多个喷嘴组合排列的原因，喷风外流场经常相互干涉、形成重叠死区，进而导致重轨淬火后，仍存在重轨轨头部位的冷却均匀性较差的问题，影响重轨的质量。同时，当前对重轨风冷淬火喷风装置的研究较少，有关喷嘴的设计要求以及对重轨淬火影响因素的研究还需进一步完善，故有必要对现有技术的重轨轨头风冷淬火的喷风冷却方式和装置予以改进。实用新型内容

[0003] 本实用新型就是针对上述问题，提供一种利用曲线型仿形出口轮廓形状，使气流分布更加平滑，能够提高重轨轨头风冷淬火的冷却速度，冷却均匀性好，可显著提高重轨生产质量的基于重轨轨头断面轮廓的曲线型仿形喷嘴。

[0004] 本实用新型所采用的技术方案是：该基于重轨轨头断面轮廓的曲线型仿形喷嘴包括喷嘴基体，其特征在于：所述喷嘴基体的上端设置有喷嘴进风口，喷嘴基体的下端设置有轨头适形凹口，所述轨头适形凹口的内部设置有喷嘴出风口；并且，所述喷嘴进风口处还设置有用于与供风系统相连的连接法兰。

[0005] 所述喷嘴基体为分体组装式结构，喷嘴基体包括喷嘴侧基体Ⅰ和喷嘴侧基体Ⅱ，喷嘴侧基体Ⅰ和喷嘴侧基体Ⅱ相互对称组装在一起；且所述喷嘴侧基体Ⅰ和喷嘴侧基体Ⅱ之间设置有密封条。以通过分体组装式的结构，来便于喷嘴基体的生产加工和后期维护。

[0006] 所述喷嘴侧基体Ⅰ和喷嘴侧基体Ⅱ的结构相同，均包括侧基体主体，侧基体主体上、相互组装贴合的一侧设置有喷嘴型腔，喷嘴型腔的上部与喷嘴进风口相连，喷嘴型腔的下部与喷嘴出风口相连。以利用两个相互对称布置的喷嘴侧基体Ⅰ和喷嘴侧基体Ⅱ上的喷嘴型腔的合并，来形成冷却气流的流动通道。

[0007] 所述喷嘴型腔的两侧分别对称设置有型腔侧直面，所述型腔侧直面的下端分别设置有对称布置的型腔收缩曲面，两侧的型腔收缩曲面的端部，分别与喷嘴出风口的两端部相连。以通过喷嘴型腔两侧的型腔侧直面来为冷却气流的流动进行导向，并利用喷嘴出风口处的型腔收缩曲面，来使气流的分布更平滑，让重轨轨头的冷却更加均匀。

[0008] 所述型腔收缩曲面的曲线方程为：

[0009]

[0010] 式中：x，y为曲线上点的坐标；l1为曲线的宽度；ye为曲线最底端的高度；y0‑ye为曲线的高度。

[0011] 所述型腔收缩曲面的曲线方程中，

[0012] l1=（a‑c）/2

[0013] 式中：a为喷嘴进风口的宽度，c为喷嘴出风口的宽度。

[0014] 所述型腔收缩曲面的曲线方程中，须满足y0＞ye；曲线所在坐标系的原点（0,0）位于型腔收缩曲面的曲线与喷嘴出风口的连接点的正下方，曲线以（l1，y0）起点，以与型腔侧直面进行连接，曲线以（0，y）e 为终点，以与喷嘴出风口进行连接。

[0015] 所述型腔收缩曲面的上端与型腔侧直面的下端之间，分别设置有对称布置的型腔过渡曲面。以防止流通面积突变所造成的气流不稳定现象，进一步保证气流的均匀流动。

[0016] 所述型腔过渡曲面的曲线方程为：

[0017] R = ye×l1 / [l1 ‑ (y0 ‑ ye)]

[0018] 式中：ye为型腔收缩曲面的曲线最底端的高度；l1为型腔收缩曲面的曲线的宽度；y0‑ye为型腔收缩曲面的曲线的高度。

[0019] 所述侧基体主体的两侧分别设置有侧基体连接孔，侧基体连接孔与中部喷嘴型腔的侧端部之间分别设置有连接密封槽，且连接密封槽内设置有密封条；所述侧基体主体的上端、喷嘴进风口的位置处，还设置有连接法兰，所述连接法兰上设置有法兰连接孔。以利用侧基体连接孔，将两个对称布置的喷嘴侧基体Ⅰ和喷嘴侧基体Ⅱ紧密的连接在一起；并通过设置于连接密封槽内的密封条，来增加连接的密封性；且利用连接法兰上设置的法兰连接孔，将由喷嘴侧基体Ⅰ和喷嘴侧基体Ⅱ组装构成的喷嘴基体与供风系统相连。

[0020] 本实用新型的有益效果：由于本实用新型采用喷嘴基体，喷嘴基体的上端设置有喷嘴进风口，喷嘴基体的下端设置有轨头适形凹口，轨头适形凹口的内部设置有喷嘴出风口，喷嘴进风口处设置有用于与供风系统相连的连接法兰的结构形式，所以其设计合理，结构紧凑，利用曲线型仿形出口轮廓形状，使气流分布更加平滑，能够提高重轨轨头风冷淬火的冷却速度，冷却均匀性好。利用该基于重轨轨头断面轮廓的曲线型仿形喷嘴对重轨进行喷风冷却时，气流通过喷嘴基体型腔的限制，在经过轨头适形凹口处的喷嘴出风口之后、于重轨轨头周围分布的更加均匀，进而使重型轨道最先冷却的部位为重轨轨头的上踏面部分。因为，重型轨道的功用在于引导机车车辆的车轮前进，为车轮提供连续、平顺以及阻力最小的滚动表面，重轨轨头的上踏面作为与车轮的接触工作面，承受车轮的巨大压力，所以本曲线型仿形喷嘴喷风过程中、对重轨轨头的冷却，可显著提高重轨的生产质量。

[0032] 根据图1～10详细说明本实用新型的具体结构。该基于重轨轨头断面轮廓的曲线型仿形喷嘴包括喷嘴基体，喷嘴基体为分体组装式结构，喷嘴基体包括喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2，喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2相互对称组装在一起；且喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2之间还设置有密封条7；以利用分体组装式的结构，来便于喷嘴基体的生产加工和后期维护。喷嘴基体的上端设置有喷嘴进风口3，喷嘴基体的下端设置有用于与重轨轨头17形状相适配的轨头适形凹口5，轨头适形凹口5的内部设置有喷嘴出风口4；并且，喷嘴基体的上端、喷嘴进风口3处，还设置有用于与供风系统相连的连接法兰6。

[0033] 喷嘴基体的喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2的结构相同，均包括侧基体主体8，侧基体主体8上、与另外一个侧基体主体8相互组装贴合的一侧，设置有喷嘴型腔9。喷嘴型腔9的上部与喷嘴基体上端设置的喷嘴进风口3相连；喷嘴型腔9的下部，则与喷嘴基体下端的喷嘴出风口4相连；进而利用两个相互对称布置的喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2上的喷嘴型腔9的合并，来形成一个完整的冷却气流的流动通道。

[0034] 侧基体主体8的两侧分别设置有侧基体连接孔14，侧基体连接孔14与中部的喷嘴型腔9的侧端部之间，分别设置有连接密封槽13；且连接密封槽13内分别设置有密封条7。从而，利用侧基体连接孔14、将两个对称布置的喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2紧密的连接在一起；并通过设置于连接密封槽13内的密封条7，来增加连接的密封性。同时，侧基体主体8的上端、喷嘴进风口3的位置处设置有连接法兰6，连接法兰6上设置有法兰连接孔15；以通过连接法兰6上设置的法兰连接孔15，将由喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2组装构成的喷嘴基体与供风系统相连。

[0035] 喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2的喷嘴型腔9的两侧，分别对称设置有型腔侧直面10；两侧型腔侧直面10的下端分别设置有对称布置的型腔收缩曲面12；两侧的型腔收缩曲面12的下端部，分别与侧基体主体8下端轨头适形凹口5处的喷嘴出风口4的左右两端部相连；进而通过喷嘴型腔9两侧的型腔侧直面10来为冷却气流的流动进行导向，并利用喷嘴出风口4处的型腔收缩曲面12，来使气流的分布更加平滑，让重轨轨头17的冷却更均匀。为了进一步保证气流的均匀流动，两侧的型腔收缩曲面12的上端与型腔侧直面10的下端之间，分别设置有对称布置的型腔过渡曲面11，以防止流通面积突变所造成的气流不稳定的现象。

[0036] 喷嘴型腔9的型腔收缩曲面12的曲线方程如下：

[0037]

[0038] 式中：x，y为曲线上点的坐标；l1为曲线的宽度；ye为曲线最底端的高度；y0‑ye为曲线的高度。并且，l1=（a‑c）/2，其中，a为喷嘴进风口3的宽度，c为喷嘴出风口4的宽度。

[0039] 型腔收缩曲面12的曲线方程中，须满足y0＞ye。曲线所在坐标系的原点（0,0）位于型腔收缩曲面12的曲线与喷嘴出风口4的连接点的正下方。曲线以（l1，y0）起点，进而与型腔侧直面10进行连接；曲线以（0，y）e 为终点，以与喷嘴出风口4进行连接。

[0040] 该基于重轨轨头断面轮廓的曲线型仿形喷嘴使用时，首先，通过侧基体连接孔14、将两个对称布置的喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2紧密的连接在一起，并利用设置于连接密封槽13内的密封条7，来增加连接密封性；同时，利用两个相互对称布置的喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2上的喷嘴型腔9的合并，来形成一个完整的冷却气流的流动通道，且喷嘴型腔9的上部与喷嘴进风口3相连，喷嘴型腔9的下部与喷嘴出风口4相连。然后，通过连接法兰6上设置的法兰连接孔15，将由喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2组装构成的喷嘴基体与供风系统的供风口相连。之后，将该曲线型仿形喷嘴的喷嘴基体下部的轨头适形凹口5，布置于重型轨道16的重轨轨头17的正上方（如图5所示），随后对重轨轨头17进行风冷淬火的冷却。

[0041] 实施例：

[0042] 将喷嘴侧基体Ⅰ1和喷嘴侧基体Ⅱ2底端到顶端的距离设为130mm；在喷嘴型腔9的型腔收缩曲面12的曲线方程中（结合图4），取收缩段的高度为23.61mm，即：y0‑ye=23.61mm；并通过公式l1=（a‑c）/2，确定曲线宽度，l1=（150.7mm‑90.7mm）/2=30mm；同时，取ye=10mm，即：喷嘴基体下部的轨头适形凹口5与重型轨道16的重轨轨头17之间的距离为10mm，这时，y0=23.61+ye=23.61+10=33.61mm。

[0043] 所以，型腔收缩曲面12的曲线线型，以（‑30，33.61）为起点，并与型腔侧直面10的下端相连接；且型腔收缩曲面12的曲线线型，以（0，10）为终点，并与轨头适形凹口5处的喷嘴出风口4的一端相连接。并且，两个型腔收缩曲面12对称布置在喷嘴型腔9两侧的型腔侧直面10的下端。另外，两侧的型腔收缩曲面12的上端与型腔侧直面10的下端之间设置的型腔过渡曲面11的曲线半径R=ye×l1 / [l1‑(y0‑ye)]，其中的参数与型腔收缩曲面12的曲线方程中的参数相同，进而确定曲线半径R=46.95mm；以用于型腔侧直面10与型腔收缩曲面12的过渡连接，有效防止流通面积突变所造成的气流不稳定等现象。同时，型腔过渡曲面11与型腔侧直面10的连接关系为相切连接，型腔过渡曲面11与型腔收缩曲面12的连接关系也为相切连接。

[0044] 在保持喷风压力（例如：0.02MPa）和进口面积相同的情况下，将本实用新型的基于重轨轨头断面轮廓的曲线型仿形喷嘴的冷却结构（如图5所示）与普通喷风嘴18喷风冷却形式（如图6所示）进行对比。利用重轨轨头17温度监测点的平均冷却速度作为轨头冷却速度的评价指标，平均值越大代表轨头冷却速度越高；并用其冷却速度的标准差作为轨头冷却均匀性的评价指标，且标准差越小代表轨头冷却均匀性越好。

[0045] 通过观察速度流线图中气流的运动规律可知，使用普通喷风嘴18对重型轨道16进行喷风冷却时，气流主要集中于重轨轨头17的下颚处（如图8所示），即：重型轨道16最先冷却的部位是重轨轨头17两侧的下颚部位。而使用本实用新型的基于重轨轨头断面轮廓的曲线型仿形喷嘴的冷却结构对重型轨道16进行喷风冷却时，气流经过喷嘴基体的喷嘴型腔9的限制，在经过轨头适形凹口5处的喷嘴出风口4之后、于重轨轨头17周围分布的更加均匀（如图7所示），重型轨道16最先冷却的部位是重轨轨头17的上踏面部分。由于重型轨道16的功用主要是引导机车车辆的车轮前进，为车轮提供连续、平顺以及阻力最小的滚动表面，重轨轨头17的上踏面作为与车轮的接触工作面，承受车轮的巨大压力，所以，该基于重轨轨头断面轮廓的曲线型仿形喷嘴喷风过程中、对重轨轨头17上踏面的冷却，能够显著提高重型轨道16的生产质量。

[0046] 使用本实用新型的基于重轨轨头断面轮廓的曲线型仿形喷嘴对重型轨道16喷风冷却100s时，重型轨道16的平均冷却速度为3.39℃/s，冷却速度的标准差为0.45；与普通喷风嘴18喷风冷却形式对重型轨道16进行喷风冷却时的平均冷却速度2.91℃/s，以及冷却速度的标准差0.69相对比，实验结果表明：使用该曲线型仿形喷嘴对重型轨道16进行喷风冷却，可有效提升重轨的冷却速度和冷却均匀性。