鐵路貨車車鉤緩沖裝置的磨損分析

華彩虹，莫繼良，彭金方，朱旻昊

(西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

0 引言

車鉤緩沖裝置是鐵路貨車關(guān)鍵部件，它是2節(jié)車廂的連接裝置，并且在車輛運(yùn)行時(shí)傳遞牽引力和緩解沖擊力，在車輛運(yùn)輸中有著極為關(guān)鍵的作用［1］。車鉤緩沖裝置主要由車鉤、緩沖器、鉤尾框以及從板等部件組成［2］。近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路重載貨車步伐的加快，對(duì)鐵路貨車的編組、出車頻率、載重量以及運(yùn)行速度等方面的要求均有所提高。這些變化促使重載貨車的車鉤緩沖裝置工況也隨之改變，導(dǎo)致車鉤緩沖裝置的磨損量增大，影響其可靠性和壽命。因此，對(duì)材料的磨損分析與預(yù)防工作變得尤為重要。對(duì)材料磨損的分析診斷主要從模式、原因和機(jī)理3 方面入手。其中磨損模式指磨損的表現(xiàn)形式，其關(guān)鍵點(diǎn)是磨損失效點(diǎn)的判定［3］;磨損原因診斷方法較多，主要是對(duì)分析對(duì)象的強(qiáng)度、生產(chǎn)工藝和工作環(huán)境進(jìn)行診斷［4］;最近幾年，研究人員在磨損機(jī)理方面做了大量的研究［5-6］，取得一定進(jìn)展，但是深度仍存在不足，對(duì)一些磨損機(jī)理仍然不能夠闡述清楚。減少或者延緩車鉤緩沖裝置的磨損是鐵路重載貨車目前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。調(diào)查研究顯示，車鉤上下?tīng)恳_(tái)配合面的主要磨損形式是疲勞損傷，當(dāng)受到突然的沖擊載荷作用時(shí)易發(fā)生脆性斷裂，嚴(yán)重影響行車安全［7］;鉤尾銷孔內(nèi)的圓弧面主要發(fā)生后堵折斷故障，直接威脅到鐵路運(yùn)輸安全［8］;從板發(fā)生嚴(yán)重的疲勞彎曲，縮短其使用壽命［9］。筆者通過(guò)多種微觀分析方法對(duì)這4 個(gè)部位的磨損特征進(jìn)行磨損分析，并揭示其磨損機(jī)理，對(duì)改善、解決車鉤緩沖裝置磨損問(wèn)題并延長(zhǎng)其使用壽命具有重要的指導(dǎo)意義。

1 樣品準(zhǔn)備

針對(duì)已服役的車鉤緩沖裝置，制定了磨損表面取樣切割方案，切割示意圖如圖1 所示?？梢?jiàn)，鉤頭部分主要針對(duì)兩側(cè)牽引臺(tái)配合處的磨損表面進(jìn)行取樣，其切割路線見(jiàn)圖1a，將保留部分(車鉤兩配合牽引臺(tái))切成4 塊尺寸為15 mm×10 mm×10 mm 的小樣品;鉤舌部分主要針對(duì)牽引臺(tái)配合處(與鉤頭牽引臺(tái)配合)的磨損表面進(jìn)行取樣，其切割路線見(jiàn)圖1b，將保留部分(車鉤兩配合牽引臺(tái))切成4 塊與鉤頭部分尺寸為15 mm×10 mm×10 mm 的小樣品;鉤尾銷孔處主要針對(duì)銷-孔配合磨損嚴(yán)重處的磨損表面進(jìn)行取樣，其切割路線見(jiàn)圖2c，將保留部分切成4 塊尺寸為25 mm ×20 mm×10 mm 的小樣品;轉(zhuǎn)動(dòng)從板部分主要針對(duì)與鉤尾框配合處的磨損表面進(jìn)行取樣，其切割路線見(jiàn)圖2d，將保留部分切成4 塊大小為20 mm ×20 mm×10 mm 的小樣品。切割方法為電火花切割，以保護(hù)磨損表面的原始形態(tài)及組織結(jié)構(gòu)在切割過(guò)程中不被破壞。

切割后的樣品進(jìn)行超聲波清洗、吹干，利用光學(xué)顯微鏡(OM，OLYMPUS-BX51)、掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-6610)、能譜儀(EDX，7760/68E)對(duì)樣品磨損形貌和局部成分進(jìn)行微觀分析。此外，將樣品沿著與摩擦表面垂直的方向進(jìn)行切割，對(duì)剖面進(jìn)行包埋及研磨、拋光處理，制成剖面試樣，以考察其損傷在深度方向上的分布。

圖1 車鉤緩沖裝置失效部位切割方案示意圖Fig.1 Cutting plan diagram of failure parts of coupler buffer device

2 磨損分析與討論

磨損是車鉤緩沖裝置失效的主要原因［10］，車鉤緩沖裝置4 個(gè)構(gòu)件的宏觀磨損情況如圖2 所示。圖中線圈處是各構(gòu)件的主要磨損部位，對(duì)其取樣后進(jìn)行微觀觀察，并結(jié)合各個(gè)磨損部位的真實(shí)工況和相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)其磨損特征進(jìn)行分析，并探討其磨損機(jī)理。

2.1 牽引臺(tái)

1)鉤頭牽引臺(tái)。

在車鉤緩沖裝置中，車鉤的主要作用是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)車與車輛或者車輛與車輛之間的連掛，同時(shí)傳遞牽引力與沖擊力，并且保證車輛之間保持一定的距離［10］。而在車鉤結(jié)構(gòu)內(nèi)部，主要是由上下?tīng)恳_(tái)來(lái)承擔(dān)該作用。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，牽引臺(tái)之間將存在明顯的振動(dòng)與磨耗，特別在2 個(gè)牽引臺(tái)只有一個(gè)單獨(dú)承載力的時(shí)候，損傷將進(jìn)一步加劇［11］。

圖2 車鉤緩沖裝置宏觀磨損照片F(xiàn)ig.2 Macro wear images of coupler buffer device

通過(guò)OM 和SEM 均能夠發(fā)現(xiàn)鉤頭牽引臺(tái)表面的磨損現(xiàn)象比較明顯(圖3)。磨損表面均存在明顯的犁溝及剝落現(xiàn)象，表明材料表面經(jīng)歷了嚴(yán)重的磨粒磨損。從圖2a 中可看出，犁溝痕跡呈現(xiàn)出多個(gè)方向的交叉，各方向上的犁溝較為整齊平行，這表明材料表面經(jīng)歷了多方向交叉的犁削作用，其原因可能是由于兩配合面在相互運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，表面材料剝落，碾壓后形成磨屑，列車在突然啟動(dòng)與制動(dòng)或變速等情況下，前一階段形成的磨屑在外力作用下與牽引臺(tái)的表面以一定的角度相接觸，對(duì)其犁削形成犁溝［12］。此外，磨損表面處還能觀察到明顯的剝落現(xiàn)象，剝落坑的位置主要位于犁溝交叉處(圖3b)。這可能是車鉤牽引臺(tái)配合面在犁溝交叉處因?yàn)榍邢蚝头ㄏ虻姆磸?fù)作用力導(dǎo)致接觸面表面材料性能發(fā)生變化，產(chǎn)生塑性變形累積，萌生疲勞裂紋，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展、交匯致使材料從表面剝落，具有疲勞磨損的特點(diǎn)，材料表面出現(xiàn)剝層損傷。

2)鉤舌牽引臺(tái)。

圖3 鉤頭牽引臺(tái)的表面形貌Fig.3 Surface appearance of hook traction table

圖4 牽引臺(tái)剖面試樣照片F(xiàn)ig.4 Profile of traction table

對(duì)與鉤頭牽引臺(tái)相配合的鉤舌牽引臺(tái)進(jìn)行剖面分析。牽引臺(tái)的外形可分為“圓弧過(guò)渡”接觸區(qū)和“平坦”接觸區(qū)，如圖4所示。針對(duì)這2個(gè)接觸區(qū)的剖面形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在“圓弧過(guò)渡”接觸區(qū)的磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重，能夠觀察到起源于表面，與表面較小夾角延伸的裂紋(圖5a)。表明此區(qū)域出現(xiàn)了明顯的剝層現(xiàn)象，這主要是因?yàn)椤皥A弧過(guò)渡”接觸區(qū)表層材料在由摩擦力傳遞的較大切向應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形，塑性變形進(jìn)一步發(fā)展，裂紋將萌生并擴(kuò)展，當(dāng)裂紋折向表面后，材料將以片狀形式剝落下來(lái)。另外，材料在此部位經(jīng)歷了沖擊磨損，表面摩擦氧化層以剝層的形式被去除也是導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因之一。相比“圓弧過(guò)渡”接觸區(qū)，“平坦”接觸區(qū)的磨損現(xiàn)象較輕，但仍可觀察到一定量的磨屑堆積現(xiàn)象，表明材料表面可能經(jīng)歷了磨粒磨損(圖5b)。為進(jìn)一步確定其磨損機(jī)理，對(duì)該位置進(jìn)行能譜分析。圖6 分別為基體和磨屑堆積部位的能譜圖，可見(jiàn)磨屑堆積部位到O 元素的峰很高，表明材料在摩擦過(guò)程中不斷剝落并被碾壓形成磨屑層，由“二體”磨損演變成“三體”磨損，同時(shí)也伴隨著氧化磨損［13］。

2.2 鉤尾銷孔

車鉤的鉤尾銷孔通過(guò)鉤尾銷將車鉤與鉤尾框連接起來(lái)，保證車輛具有連接、牽引以及緩沖的功能。貨車在運(yùn)行時(shí)，會(huì)存在開(kāi)、停、加速、減速、過(guò)曲線以及上下坡等工況，由于鉤尾銷孔與鉤尾銷之間是間隙配合，所以二者之間就會(huì)產(chǎn)生沖擊與摩擦磨損等作用，在鉤尾銷孔的曲面上就會(huì)存在磨耗［14］。

圖6 EDX 能譜圖Fig.6 EDX analysis

通過(guò)OM 能夠觀察到，在鉤尾銷孔圓弧接觸曲面部位的樣品表面均存在明顯的碾壓痕跡，表明磨損表面經(jīng)歷了較為嚴(yán)重的擠壓及塑性變形(圖7a)。磨損表面的碾壓痕跡呈多個(gè)方向，且比較雜亂，表明磨損表面經(jīng)歷了多方向摩擦碾壓作用力，這主要可能是由于鐵路貨車在啟動(dòng)與制動(dòng)或變速等過(guò)程中，鉤尾銷孔與鉤尾銷之間的配合面存在不同方向的相對(duì)滑移及沖擊，并發(fā)生明顯塑性變形所造成的。這種碾壓痕跡的形態(tài)是由車鉤在實(shí)際工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定的。通過(guò)剖面分析，可知磨損表面存在明顯的疲勞磨損(剝層)特征(與前面的牽引臺(tái)剝層機(jī)制相同)，如圖7b 所示，這是因?yàn)殂^尾銷孔承受反復(fù)的沖擊作用而產(chǎn)生塑性變形，亞表層的循環(huán)切應(yīng)力引起剝落裂紋，最終導(dǎo)致材料片狀剝落，另外局部可見(jiàn)磨粒磨損的犁溝損傷形貌(圖7c)。

圖7 鉤尾銷孔的表面形貌照片F(xiàn)ig.7 Surface morphologies of coupler pin hole

2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)從板

在車鉤緩沖裝置中，從板與鉤尾框起傳遞縱向力(牽引力或沖擊力)的作用;此外，當(dāng)車輛通過(guò)曲線以及發(fā)生蛇行運(yùn)動(dòng)時(shí)，從板與從板座之間發(fā)生橫向的相互摩擦，因此，從板端部既存在法相作用力，又存在橫向作用力，其磨損情況更為嚴(yán)重。

將轉(zhuǎn)動(dòng)從板樣品置于OM 下觀察時(shí)，在其磨擦面上能夠發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀犁溝痕跡，表明樣品表面局部位置經(jīng)歷了嚴(yán)重的犁削作用。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動(dòng)從板同時(shí)承載著較大的法向和橫向沖擊力密切相關(guān)。對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)從板進(jìn)行剖面分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在明顯的剝層去除現(xiàn)象，這可能是因?yàn)閺陌逶谂c鉤尾框配合的過(guò)程中表面承受較大的應(yīng)力，促使表面發(fā)生塑性變形，在沖擊力的作用下發(fā)生剝層的損傷機(jī)制;剝落的材料在接觸面間被碾壓成磨屑，堆積在從板的表面(圖8a)。同時(shí)，磨損表面存在不同程度的深溝，這與宏觀觀察到的犁溝痕跡相吻合，說(shuō)明從板表面局部位置經(jīng)歷了嚴(yán)重的犁削作用，部分犁溝內(nèi)被磨屑填滿(圖8b)，說(shuō)明此處材料表面經(jīng)歷了明顯的磨粒磨損。因此，轉(zhuǎn)動(dòng)從板表面經(jīng)歷了較為嚴(yán)重的沖擊磨損和磨粒磨損。

為進(jìn)一步了解轉(zhuǎn)動(dòng)從板所經(jīng)歷的磨損機(jī)理，對(duì)圖8 中的2 個(gè)位置進(jìn)行能譜分析，其分析結(jié)果見(jiàn)表1。A、B 分別對(duì)應(yīng)圖8a 所示部位的剝層和基體，從表1 中可以發(fā)現(xiàn)，兩點(diǎn)所含有的元素成分幾乎一致，由此可知A 處剝落的是基體材料，說(shuō)明該部位承受沖擊磨損使表面微裂紋擴(kuò)展，從而導(dǎo)致基體材料剝落。C 是對(duì)圖8b 所示的犁溝填充物，該點(diǎn)的O 含量很高，說(shuō)明轉(zhuǎn)動(dòng)從板與鉤尾框的接觸面間產(chǎn)生了磨屑，磨屑在碾壓過(guò)程中發(fā)生氧化反應(yīng)，該部位由最初的“二體”磨損演變成“三體”磨損。

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)從板試樣的掃描電鏡形貌照片F(xiàn)ig.8 SEM morphologies of slave plate

表1 轉(zhuǎn)動(dòng)從板剖面EDS 分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table.1 EDS analysis result of slave plate profile (mass fraction/%)

3 分析與討論

通過(guò)以上的分析可知，車鉤牽引臺(tái)配合面的磨損機(jī)理以磨粒磨損、剝層為主，同時(shí)伴隨一定程度的氧化磨損。在犁削作用下，材料被不斷去除，而應(yīng)力集中與存在一定沖擊的部位(“圓弧過(guò)渡”接觸區(qū))則產(chǎn)生平行于磨損表面的淺表面橫向剝層裂紋，材料不斷剝落。鉤尾銷孔內(nèi)圓弧表面的磨損形式主要是沖擊磨損，表面伴隨明顯塑性變形特征，其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和剝層。轉(zhuǎn)動(dòng)從板表面以磨粒磨損和沖擊磨損為主要磨損形式，表面伴隨明顯的塑性去除、裂紋、犁溝以及剝落現(xiàn)象。

綜合以上各個(gè)磨損嚴(yán)重部位的磨損特征，可以得出，車鉤材料以磨粒磨損和沖擊磨損2 種磨損形式，從磨損機(jī)理來(lái)說(shuō)，主要是磨粒磨損、疲勞磨損和一定的氧化磨損。對(duì)于提高材料表面抗磨粒磨損性能的直接方法為提高材料表面硬度，即可以通過(guò)提高材料的硬度來(lái)增強(qiáng)各部位的抗磨粒磨損和塑性去除性能。但對(duì)于車鉤材料E 級(jí)鋼來(lái)說(shuō)，如果僅一味提高硬度而不考慮材料韌性的降低，則不能很好地抵抗剝層損傷(沖擊、疲勞磨損)，因?yàn)樘岣呖箾_擊磨損的方法主要為提高材料的強(qiáng)度及韌性。因此，為了增強(qiáng)車鉤材料的耐磨性，首先需要兼顧好摩擦表面的硬度、強(qiáng)度與韌性三者之間的關(guān)系，而表面處理方法將是較好的手段。通過(guò)采用恰當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砉に囀侄?，尤其是?fù)合表面處理技術(shù)，能夠在提高材料表面硬度和強(qiáng)度的同時(shí)，保證材料具有理想的韌性［15］。例如，可以在材料表面堆焊一層含有TiC 硬質(zhì)相的合金堆焊層，因其硬度高，尺度細(xì)小，能夠改善堆焊合金的耐沖擊性，同時(shí)通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)谋壤M(jìn)行添加以達(dá)到最佳的耐磨粒磨損性能［16］。也可將Fe-Cr-W-Ni-C 混合金屬粉末按照一定比例制成熔覆合金層，該熔覆組織有二次硬化特征，同時(shí)具有較高的耐沖擊磨損性能［17］。

4 結(jié)論

1)車鉤上下?tīng)恳_(tái)配合面表現(xiàn)為以磨粒磨損、剝層以為主的磨損機(jī)理。材料在犁削作用下不斷被去除，同時(shí)“圓弧過(guò)渡”接觸區(qū)因存在應(yīng)力集中以及一定沖擊作用，產(chǎn)生平行于磨損表面的淺表面橫向裂紋，使材料不斷剝落。

2)鉤尾銷孔在鉤尾銷的沖擊作用力下，發(fā)生沖擊磨損，主要表現(xiàn)為以剝層機(jī)制進(jìn)行的疲勞磨損和一定的犁溝特征。

3)轉(zhuǎn)動(dòng)從板端部承載著多方向的作用力，其磨損表面有明顯的犁溝與剝落現(xiàn)象，磨損機(jī)理主要是磨粒磨損和疲勞磨損。

4)為了提高車鉤材料的耐磨性，能夠兼顧好配合面的硬度、強(qiáng)度與韌性三者之間的關(guān)系十分重要。

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