C80貨車車輪強(qiáng)化減磨技術(shù)綜合研究

董曉 金騰 李紀(jì)磊 李紅霞

摘 要：鐵路貨物運(yùn)輸在整個(gè)運(yùn)輸領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，但列車運(yùn)行中車輪磨損大大降低了輪對(duì)的使用壽命。本研究以C80貨車車輪作為研究對(duì)象，研究豪克能金屬?gòu)?qiáng)化技術(shù)對(duì)車輪耐磨性方面的影響。研究結(jié)果表明：豪克能加工后的貨車車輪表面晶粒更加均勻細(xì)化、硬度提高15%以上，加工區(qū)域預(yù)置了較高的壓應(yīng)力。經(jīng)豪克能工藝強(qiáng)化后，列車輪表面形成了超過1mm的強(qiáng)化層，列車行駛19.84萬km后，踏面圓周磨耗減磨比例達(dá)12.2%。

關(guān)鍵詞：輪對(duì);磨耗;超聲滾壓;硬度;殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TG404 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）10-0185-04

Comprehensive Research on Strengthening and Anti-wear Technology of C80 Freight Car Wheels

Dong Xiao1， Jin Teng2， Li Jilei2， Li Hongxia2

（1. Shenhua Railway Equipment Co.， Ltd.， Beijing 100120， China; 2.Shandong Huayun Electromechanical Science and Technology Co.， Ltd.， Ji nan 250000， China）

Abstract：Railway freight transportation plays an important role in the entire transportation field， however， the wheel-rail wear during train operation greatly reduces the service life of the wheelset. In this study， C80 freight car wheels were used as the research object to study the influence of Hawking metal strengthening technology on the wear resistance of wheels. The results show that after Hawking processing， the grains of the wheel surface are more uniform and refined， and the hardness increased by more than 15% the residual tensile stress on the surface is completely eliminated， and processing area is preset with a higher compressive stress. After being strengthened by Hawking， the surface of the train wheel has formed a strengthened layer of more than 1mm，after the train traveled 198，400 kilometers， the circumferential abrasion of the tread has been reduced by 12.2%.

Key words：wheelset; wear; ultrasonic rolling; hardness; residual stress

車輪是鐵路貨車的重要行走部件，承載著列車的全部重量，在行駛過程中與鋼軌持續(xù)作用而產(chǎn)生磨損。車輪磨損主要表現(xiàn)為踏面垂直磨耗，磨耗超限則會(huì)影響正常的輪軌關(guān)系，需要進(jìn)行鏇修[1]。重載和提速是當(dāng)今鐵路貨運(yùn)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著鐵路貨車載重量、運(yùn)輸量的增加，貨車車輪磨耗速率加快，鏇修周期逐漸縮短[2]。據(jù)調(diào)研，神華C80貨車車輪平均約每40萬km鏇修1次。神華貨車公司現(xiàn)有各類鐵路貨車近50000輛，通過新型技術(shù)手段減緩車輪磨耗，延長(zhǎng)車輪鏇修周期具有極高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

豪克能技術(shù)是利用法向靜壓力、滾壓力及20～40kHz沖擊力在常溫工況下對(duì)金屬材料進(jìn)行表面強(qiáng)化加工形成改質(zhì)層，利用材料的流動(dòng)塑性變形能力使表層金屬晶粒細(xì)化、位錯(cuò)增殖、硬度提升，同時(shí)在表層產(chǎn)生高值殘余壓應(yīng)力以提高材料抗疲勞性能。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車等行業(yè)中機(jī)械加工工件抗疲勞制造中[3]。高軍、趙顯華等人對(duì)機(jī)車車輪試樣進(jìn)行豪克能強(qiáng)化試驗(yàn)，得出降低車輪試樣磨損率64%的豪克能加工工藝[4]。

本研究以C80重載貨車輪對(duì)為研究對(duì)象，利用豪克能強(qiáng)化技術(shù)對(duì)80條鏇修后的貨車車輪進(jìn)行表面強(qiáng)化加工，提高表面硬度和耐磨性，并在朔黃鐵路進(jìn)行20萬km的搭載試驗(yàn)、線路考核以評(píng)價(jià)豪克能強(qiáng)化對(duì)車輪的減磨作用。

1 車輪強(qiáng)化加工與檢測(cè)

1.1 豪克能強(qiáng)化

利用合適的工裝將豪克能強(qiáng)化執(zhí)行器安裝在CK61100×3000數(shù)控機(jī)床上分別對(duì)車輪的踏面和輪緣進(jìn)行強(qiáng)化加工，豪克能強(qiáng)化裝備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用豪克能加工裝置對(duì)神華貨車公司提供80條C80貨車輪踏面及輪緣進(jìn)行強(qiáng)化加工。豪克能強(qiáng)化工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示。

1.2 車輪表面強(qiáng)化效果

通過控制豪克能超聲滾壓工藝實(shí)現(xiàn)了車輪踏面強(qiáng)化后表面粗糙度與鏇修表面粗糙度相近，滿足《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》中對(duì)維修車輪表面粗糙度的要求，可以上線運(yùn)行[5]。豪克能加工后表面形貌，如圖2所示。

采用TH110硬度檢測(cè)僅對(duì)車輪強(qiáng)化前后的踏面硬度進(jìn)行檢測(cè)，隨機(jī)抽取20組試樣。硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，車輪豪克能強(qiáng)化后，車輪表面硬度明顯提升均在15%以上，如圖3所示。

在鏇修過程中，生成的切削力會(huì)直接影響加工變形，與此同時(shí)，切削熱會(huì)作用在工件內(nèi)部的熱膨脹冷縮過程，產(chǎn)生加工殘余拉應(yīng)力，因此鏇修車輪（即非強(qiáng)化輪）表面存在較高的殘余拉應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力的存在會(huì)加速裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)而引起車輪材料剝離。為研究車輪豪克能強(qiáng)化前后，殘余應(yīng)力真實(shí)的分布情況，本項(xiàng)研究采用山東華云機(jī)電科技有限公司提供的21A盲孔法殘余應(yīng)力檢測(cè)儀，分別對(duì)鏇修車輪、豪克能車輪的踏面表面殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示，結(jié)果表明：豪克能加工前，車輪表面存有較高的殘余拉應(yīng)力，強(qiáng)化加工后，第一主應(yīng)力和第二主應(yīng)力變化明顯，車輪表面殘余拉應(yīng)力被消除并預(yù)置了較高的壓應(yīng)力。

1.3 晶粒細(xì)化效果

通過對(duì)比鏇修后及豪克能超聲滾壓強(qiáng)化車輪的掃描電鏡圖片，如圖5所示，經(jīng)鏇修后的車輪，表面凹凸不平，形成了大量的溝痕，在車痕峰的位置容易形成應(yīng)力集中，從而促進(jìn)疲勞裂紋萌生;而車輪經(jīng)過豪克能加工后，表面比較平整，并出現(xiàn)了一定厚度的細(xì)晶層，晶粒細(xì)化層深度約為400μm。

2 列車運(yùn)行跟蹤檢測(cè)

神華貨車公司將54輛車編入測(cè)試列第18列中，其中有20輛車安裝了豪克能強(qiáng)化輪（以下稱“強(qiáng)化輪”），34輛車安裝了普通鏇修輪做對(duì)比（以下稱“非強(qiáng)化輪”）。期間進(jìn)行了6次車輪磨耗數(shù)據(jù)檢測(cè)，包含強(qiáng)化輪和非強(qiáng)化輪的踏面圓周磨耗、輪緣厚度，各檢測(cè)時(shí)間及行駛里程如表2所示。

強(qiáng)化輪和非強(qiáng)化輪的踏面圓周磨耗如圖6和圖7所示。

從圖6中可以看出，車輪累計(jì)磨耗總體呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，強(qiáng)化輪的累計(jì)磨耗量低于非強(qiáng)化輪，表明經(jīng)豪克能強(qiáng)化后車輪磨耗速率低。從圖7中可以看出，非強(qiáng)化輪累計(jì)磨耗和強(qiáng)化輪累計(jì)磨耗差值在7.7萬km左右達(dá)到最高大值，表明在7.7萬km之前豪克能強(qiáng)化輪的減磨效果一直是增加的，隨后減磨效果稍有降低。強(qiáng)化輪19.84萬km累計(jì)磨耗量1.65mm，非強(qiáng)化輪累計(jì)磨耗量1.88mm，減磨差0.23mm，減磨比例達(dá)12.2%。

以萬公里平均磨耗量表征車輪的磨耗速率如圖8所示。

從圖8中可以看出：列車在運(yùn)行初期（運(yùn)行里程0～5萬km），車輪踏面磨耗較快，這是因?yàn)樾骆浶捃囕喭度脒\(yùn)行，輪軌面未形成較好的型面匹配，車輪踏面與鋼軌表面磨合，因此車輪踏面在初期磨耗較快，約為0.2～0.26mm/萬km;列車在運(yùn)行里程超過5萬km后，車輪踏面經(jīng)過前期磨合，已基本與鋼軌型面形成良好的配合，因此車輪踏面磨耗率減小，約為0.11～0.18mm/萬km;經(jīng)豪克能加工強(qiáng)化后的列車輪，表層金屬晶粒更加細(xì)化，形成改質(zhì)層，硬度提升，車輪磨耗速率波動(dòng)不大，強(qiáng)化車輪減磨效果隨行駛里程增加而逐漸減弱，在7.71萬km后，磨耗速率增快，并超過非強(qiáng)化輪，之后磨耗速率下降趨于穩(wěn)定。強(qiáng)化車輪在行駛7.71萬km時(shí)，累計(jì)磨耗0.89mm。因此，經(jīng)豪克能強(qiáng)化后，在列車輪表面形成了不超過1mm的強(qiáng)化層。

3 結(jié)果與討論

（1）豪克能超聲滾壓工藝強(qiáng)化加工后，車輪表面晶粒具更加均勻細(xì)化，車輪表面硬度明顯提升均在15%以上，徹底消除踏面殘余拉應(yīng)力，并預(yù)置了較高的壓應(yīng)力。后期跟蹤結(jié)果表明，經(jīng)豪克能強(qiáng)化后，列車輪減磨比例達(dá)12.2%，若想獲得更低磨耗，可進(jìn)一步提高車輪硬度、層深及預(yù)置壓應(yīng)力大小等方面進(jìn)行研究。

（2）經(jīng)豪克能強(qiáng)化后，在列車輪表面形成了不超過1mm的強(qiáng)化層。新鏇修車輪（即非強(qiáng)化輪）在0～5萬km處于快速磨耗期，此后車輪輪磨耗速率趨于穩(wěn)定;豪克能強(qiáng)化后的車輪沒有快速磨耗期，車輪磨耗速率波動(dòng)不大。在貨車運(yùn)行7.7萬km之后，強(qiáng)化輪的車輪磨耗速率加快并超過非強(qiáng)化輪，之后磨耗速率下降趨于穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]郭玉華.高速鐵路發(fā)展與中國(guó)鐵路貨運(yùn)[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究，2010（6）：27-31.

[2]陸正剛，王文斌.軌道車輛設(shè)計(jì)[M].上海： 同濟(jì)大學(xué)出版社，2015.

[3]劉園.液體對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞作用下的鋼軌表面裂紋擴(kuò)展機(jī)理的影響[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（1）：65-69.

[4]肖楠，謝基龍，周素霞.地鐵車輪踏面制動(dòng)疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用[J].工程力學(xué)，2010，27（9）：234-239.

[5]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2016.