KKD 車輪熱處理過程中車輪整體及夾雜物周圍的殘余應(yīng)力分析

魏華成，張曉峰，李樹林，王群娣，劉耀平

（太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

國內(nèi)外已有很多研究表明火車車輪的殘余應(yīng)力受很多因素的影響，車輪踏面及以下一定深度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力大小對車輪的使用壽命有很重要的作用，殘余壓應(yīng)力通常能夠防止或者減小車輪在運行過程中的裂紋的形成及擴展[1-4]。在車輪的生產(chǎn)過程中，為了滿足產(chǎn)品質(zhì)量的指標，提高車輪的使用壽命和改善車輪的運行性能，往往需要優(yōu)化熱處理的工藝參數(shù)來改善車輪的殘余應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力的測試手段很多，通常有機械測試法、超聲波法、X 射線或中子衍射方法、以及云紋干涉等測試方法，目前實踐中常用的是通過切割車輪的機械測試法[5]。除此之外，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)變成了研究殘余應(yīng)力分布的很重要的手段，而且它還具有高效和快速的特點[6-9]。許多研究表明，通過對數(shù)值模擬的結(jié)果和實驗測試的結(jié)果相結(jié)合，可以對車輪整體和局部的殘余應(yīng)力分布有更好的理解[10]。

本文通過對KKD 車輪的熱處理工藝進行模擬仿真，來研究車輪整體和非金屬夾雜物周圍的殘余應(yīng)力分布，從而為研究非金屬夾雜物對火車車輪性能的影響和熱處理工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

本文利用ANSYS 商用非線性有限元軟件、并結(jié)合Sub-model 分析技術(shù)，按照KKD 車輪的實際熱處理工藝（溫度變化圖如圖1 所示）建立三維有限元模型并進行仿真計算。所研究的KKD 車輪的實際幾何尺寸及網(wǎng)格劃分如圖2-1，2-2 所示，靠近踏面的區(qū)域劃分較細的網(wǎng)格，靠近車輪內(nèi)部的區(qū)域網(wǎng)格相對較粗，總共有128 294 個節(jié)點和292 686 個網(wǎng)格單元。圖2-3 為模擬非金屬夾雜物的Sub-model，可以看出，非金屬夾雜物的位置的網(wǎng)格非常細小，總共有120 871 個節(jié)點和128 940 個網(wǎng)格單元?；谇懊鎸嶒灉y試的結(jié)果，本文模擬了兩種典型的氧化物夾雜尺寸，如圖2-4 所示，長度為5μm、長寬比為1 的較小夾雜物，和長度為45μm、長寬比為9 的大夾雜物。

圖1 KKD 車輪熱處理過程中溫度變化示意圖

圖2 模擬KKD 車輪熱處理過程的有限元建模及網(wǎng)格劃分示意圖。

2 模擬結(jié)果及分析

車輪在熱處理的過程中溫度變化和組織變化都不均勻，從而導(dǎo)致非常復(fù)雜的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的分布[9]。下頁圖3-1，3-2，3-3 分別為模擬熱處理后的KKD 車輪內(nèi)部的沿X 方向（車輪圓周放向，σX），Y 方向（車輪軸向，σY）和Z 方向（車輪半徑方向，σZ）的殘余應(yīng)力分布圖?？梢钥闯?，從車輪踏面沿著半徑方向往內(nèi)都存在較大的殘余應(yīng)力梯度，這是由于車輪在熱處理時采用踏面單面噴水，導(dǎo)致踏面和輪緣處的溫度下降較急劇，而車輪其他部位的溫度變化相對較慢較小。圖3-4 比較了三種不同方向的殘余應(yīng)力在車輪踏面下不同深度的分布。如圖3-4 所示，車輪踏面處承受的殘余應(yīng)力σX和σY均為壓應(yīng)力，大小分別為235.47 MPa 和172.51 MPa。隨著距離車輪踏面的深度增加，殘余壓應(yīng)力逐漸變小并轉(zhuǎn)化成拉應(yīng)力。相比較而言，沿著車輪半徑方向的殘余應(yīng)力很小，在踏面處基本為0。當距離車輪踏面深度為10 mm時，殘余應(yīng)力σX、σY和σZ分別為-220.73 MPa、-59.58 MPa、和6.82 MPa。

圖3 KKD 車輪熱處理后的殘余應(yīng)不同方向力分布圖

圖4 為長度為5 μm、長寬比為1 的氧化物夾雜附近的殘余應(yīng)力分布圖。殘余應(yīng)力分布的結(jié)果顯示氧化物夾雜內(nèi)部處于很大的壓應(yīng)力狀態(tài)，但是在與基體的交界處所受的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大的殘余拉應(yīng)力分別為σX=160.82 MPa，σY=298.01 MPa 和σZ=325.27 MPa。

圖5 為長度為45 μm、長寬比為9 的氧化物夾雜附近的殘余應(yīng)力分布圖。結(jié)果表明，夾雜物內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布較復(fù)雜，存在較大的應(yīng)力梯度。所以與圖6 的結(jié)果相比，雖然殘余應(yīng)力的最大值稍有減小，但是復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布（尤其是夾雜物尖端處）將對夾雜處裂紋的產(chǎn)生有很大的影響，所以在車輪的生產(chǎn)過程中，應(yīng)該盡可能的減小夾雜物的尺寸和長寬比。同時，車輪的熱處理工藝也會對夾雜物及其周圍的殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生很大的影響。

圖4 長度為5 μm、長寬比為1 的氧化物夾雜附近的殘余應(yīng)力分布圖。

圖5 長度為45 μm、長寬比為9 的氧化物夾雜附近的殘余應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

1）在實驗測量的基礎(chǔ)上，模擬了在實際熱處理的工藝下KKD 車輪整體及氧化物夾雜附近的殘余應(yīng)力分布。車輪踏面存在著較大的周向和軸向殘余壓應(yīng)力，大小分別為235.47 MPa 和172.51 MPa。隨著距離踏面的深度增加，這些殘余壓應(yīng)力逐漸變小并轉(zhuǎn)化成拉應(yīng)力。

2）氧化物夾雜的尺寸和幾何形狀對殘余應(yīng)力的分布有很大的影響。當氧化物夾雜的尺寸和長寬比較小時，夾雜物內(nèi)部受到單一的壓應(yīng)力，但是當氧化物夾雜的尺寸和長寬比較大時，夾雜物內(nèi)部所受的應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，其將對車輪的使用壽命產(chǎn)生一定的影響。