輻板形狀和淬火方式對車輪輻板沉降的影響研究

安 濤，黃孝卿，肖 峰，鄒 強(qiáng)，劉 智

(1.馬鋼軌道交通裝備有限公司 安徽省馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心 安徽省馬鞍山 243000)

車輪淬火冷卻過程中，輪輞外部由于踏面噴水激冷而收縮，壓縮輪輞內(nèi)部和輻板，由于輪輞內(nèi)部和輻板溫度較高，其屈服強(qiáng)度較低，在這種壓縮下發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形，輻板形位相對于車輪輪轂或輪輞發(fā)生變化[1]、[2]，從而產(chǎn)生車輪輻板沉降。實(shí)際生產(chǎn)中，部分客戶對車輪輪輞強(qiáng)硬度指標(biāo)要求較高，常規(guī)的踏面單面淬火方式難以滿足客戶強(qiáng)硬度指標(biāo)求，為此，開發(fā)了輪輞兩面和三面淬火方式。淬火方式的改變會造成輻板沉降發(fā)生相應(yīng)的改變。此外，車輪自身的輻板形狀也是影響沉降的重要因素之一。如不掌握車輪輻板沉降規(guī)律進(jìn)而優(yōu)化車輪的軋鋼工藝，則會造成成材率的降低和生產(chǎn)成本的提高，因?yàn)闉楸ＷC成品車輪的尺寸，勢必采取增大車輪輻板軋制余量的方法以消除輻板沉降對車輪加工的影響。

熱處理過程中車輪殘余應(yīng)力和變形都有相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]、[4]分析了熱處理工藝參數(shù)對車輪輪輞殘余應(yīng)力的影響，文獻(xiàn)[5]分析了熱處理工藝參數(shù)對車輪輻板殘余應(yīng)力的影響，文獻(xiàn)[6]分析了熱處理過程中的變形。這些文章都圍繞熱處理工藝參數(shù)，研究具體的熱處理工藝參數(shù)對車輪殘余應(yīng)力及變形的影響，而淬火方式對車輪輻板沉降規(guī)律和沉降效果的影響研究尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報道；文獻(xiàn)[7]、[8]分析了不同輻板形狀對車輪熱處理殘余應(yīng)力的影響，并未考慮輻板形狀對輻板沉降的影響。因此淬火方式和輻板形狀對車輪輻板沉降的影響值得深入研究。

本文運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，采用數(shù)值模擬的方法對車輪熱處理過程進(jìn)行熱力耦合模擬，系統(tǒng)研究了不同淬火方式和輻板形狀對車輪輻板沉降的影響。

1 模型及計算方案

以直徑1066 mm機(jī)車輪為基礎(chǔ)，分別設(shè)計了S形、雙S形、盆形和直線形4種輻板形狀?？紤]輪型、邊界條件和載荷的軸對稱性，建立了4種輻板車輪的二維軸對稱模型，見圖1。模擬計算時，依照現(xiàn)場實(shí)際情況對車輪輪輞的一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定約束。

車輪熱處理工藝為：淬火溫度850 ℃(視為均勻分布)，熱處理加熱后在空氣中停留50 s，然后噴水淬火240 s，淬火后停留600 s進(jìn)行回火，回火溫度480℃，回火時間4 h，最后空冷至室溫。

對4種輻板車輪在常規(guī)踏面淬火方式下的熱處理過程進(jìn)行模擬，以研究輻板形狀對車輪輻板沉降的影響。

對S形和雙S形輻板車輪在踏面淬火、雙面淬火和三面淬火3種淬火方式下的熱處理過程進(jìn)行模擬，以研究淬火方式對車輪輻板沉降的影響。

圖1 車輪有限元模型

2 結(jié)果分析

圖2為常規(guī)踏面淬火方式下熱處理結(jié)束后4種輻板車輪的塑性變形云圖?？梢钥闯?，4種輪型輻板區(qū)域均發(fā)生了塑性變形。雙S形輻板車輪輻板主要變形區(qū)位于輻板中段和輻板外側(cè)靠近輪輞處，S形，盆形和直線形輻板車輪輻板主要變形區(qū)位于輻板外側(cè)靠近輪轂區(qū)域和輻板內(nèi)側(cè)靠近輪輞區(qū)域。

圖2 踏面淬火方式下4種輪型車輪的等效塑性變形

圖3為4種輪型在熱處理過程中輻板塑形變形最大位置處塑性變形變化情況。塑性變形開始于68 s-100 s，結(jié)束于320 s-350 s，說明輻板塑性變形主要發(fā)生在熱處理過程中的淬火冷卻階段；與文獻(xiàn)[1]、[2]中淬火過程中輪輞壓縮輻板，使輻板發(fā)生了塑性變形的結(jié)論一致。

圖4為4種輪型在常規(guī)踏面淬火方式下輻板不同位置的沉降情況?？梢钥闯觯涸诩s束輪輞部位的條件下，雙S形輻板車輪的輻板沉降表現(xiàn)為輪轂上移，S形，盆形和直線形輻板車輪則表現(xiàn)為輪轂下沉。從絕對沉降量看，直線型輻板車輪絕對沉降量最大，其次是盆形和S形輻板車輪，雙S形輻板車輪的絕對沉降量最小。

圖5為S形輻板車輪在3種淬火方式下車輪輻板沉降情況?？梢钥闯?，S形輻板車輪在三面淬火、雙面淬火和踏面淬火3種淬火方式下輻板最大絕對沉降量分別為4.6 mm、4.3 mm和2.5 mm。三面淬火方式下車輪輻板的沉降量最大，雙面淬火方式的輻板絕對沉降量略小于三面淬火方式的沉降量，踏面淬火方式的輻板絕對沉降量最小。3種淬火方式輻板最大沉降量差為2.1 mm。從輻板沉降的表現(xiàn)形式看，S形輻板車輪的輻板絕對沉降量從輪轂到輪輞為逐步減小的過程。

圖3 輻板塑形變形最大位置處塑性變形變化情況

圖4 踏面淬火方式下4種輪型車輪的輻板沉降

圖5 3種淬火方式下，S形車輪的輻板沉降情況

總體看，三面淬火方式對車輪輻板沉降的影響最大。

圖6為雙S形輻板車輪在3種淬火方式下車輪輻板沉降情況，可以看出，雙S形輻板車輪在三面淬火、雙面淬火和踏面淬火3種淬火方式下輻板最大絕對沉降量分別為3.2 mm、1.6 mm和2.0 mm。三面淬火方式下車輪輻板的沉降量最大，雙面淬火和踏面淬火方式的輻板最大絕對沉降量相差不大，踏面淬火方式的絕對沉降量略大于雙面淬火方式的輻板沉降量。3種淬火方式輻板最大沉降量差為1.6 mm。從輻板沉降的表現(xiàn)形式看，雙S形輻板車輪的輻板絕對沉降量在從輪轂到輻板中間圓弧段之間基本不變，在從輻板中間圓弧段到輪輞之間逐步減小。

根據(jù)車輪輻板沉降研究得到的結(jié)果，對車輪軋鋼工藝進(jìn)行了優(yōu)化，重點(diǎn)是對壓彎模相應(yīng)位置進(jìn)行車削，以抵消淬火過程中的輻板沉降，通過優(yōu)化，車輪成材率得以提高。數(shù)據(jù)顯示，雙S形輻板車輪成材率較軋鋼工藝優(yōu)化前提高約1.9%。

圖6 3種淬火方式下，雙S形車輪的輻板沉降情況

3 結(jié)論

輻板沉降主要發(fā)生在車輪淬火冷卻階段；

雙S形輻板車輪主要變形區(qū)位于輻板中段和輻板外側(cè)靠近輪輞處，輻板沉降表現(xiàn)為輪轂上移；S形，盆形和直線形輻板車輪主要變形區(qū)位于輻板外側(cè)靠近輪轂區(qū)域和輻板內(nèi)側(cè)靠近輪輞區(qū)域，輻板沉降表現(xiàn)為輪轂下沉；

從絕對沉降量看，直線型輻板車輪絕對沉降量最大，其次是盆形和S形輻板車輪，雙S形輻板車輪的絕對沉降量最小；

三面淬火方式對車輪輻板沉降的影響最大。