激光熔覆再制造車輪損傷及壽命評(píng)估研究

華 亮,田 威

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院,江蘇 南京 210031;2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016)

1 引 言

伴隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展,軌道交通移動(dòng)裝備的需求日益增多。高速重載情況下,鐵道機(jī)車車輛車輪和鋼軌間的磨耗更為嚴(yán)重,由之造成大量車輪產(chǎn)生疲勞裂紋、踏面擦傷等損傷,大大增加了軌道裝備企業(yè)檢修工作量。車輪磨耗到限后,一般是將其高溫回爐重新冶煉,既浪費(fèi)了能源,又造成了不必要的環(huán)境污染,故而若能利用“加材料”的方式修復(fù)磨耗到限的車輪,恢復(fù)其原有形貌及性能,并重新使用,則可減少污染、節(jié)約能源、大量節(jié)省時(shí)間和人工成本。

激光熔覆技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械[1]、航空航天[2]領(lǐng)域取得了較為廣泛的應(yīng)用,亦有不少科研工作者在軌道交通領(lǐng)域做出了有益嘗試。Wang W J等人[3]將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于輪軌材料的修復(fù),重點(diǎn)研究激光熔覆后試件的硬度及耐磨性,研究結(jié)果表明激光熔覆后的車輪和鋼軌試件的顯微硬度顯著提高40 %以上,且耐磨性能達(dá)到輪軌基體材料的4倍。丁陽(yáng)喜等人[4]對(duì)激光熔覆修復(fù)高速列車輪對(duì)磨耗問(wèn)題進(jìn)行了研究,確定了正交試驗(yàn)最優(yōu)工藝參數(shù),研究表明熔覆試件硬度及耐磨性均有較大幅度提升。慕鑫鵬等人[5]在輪軌材料上分別熔覆鈷基和鐵基合金,研究了熔覆涂層微觀組織結(jié)構(gòu)、硬度及殘余應(yīng)力分布,滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩類涂層試件的磨損性能均有較大提升,相對(duì)而言鈷基涂層的性能更好。

侯有忠等人[6]對(duì)激光熔覆再制造動(dòng)車組車軸的可行性進(jìn)行了研究,選定了熔覆材料、確定了再制造工藝,再制造試件壓裝試驗(yàn)表明再制造車軸滿足動(dòng)車組輪對(duì)壓裝要求。P.Lu等人[7]對(duì)激光熔覆鋼軌的磨耗特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在R200鋼上熔覆馬氏體不銹鋼粉末后,其磨損特性較單純使用R260鋼有較大提升。

科研工作者在軌道交通領(lǐng)域的研究成果對(duì)激光熔覆再制造機(jī)車車輛關(guān)鍵零部件的研究很有借鑒意義,不過(guò)現(xiàn)有研究成果多處于試驗(yàn)室階段,還沒有科研工作者將激光熔覆技術(shù)直接應(yīng)用于機(jī)車車輛輪對(duì)的修復(fù)。本文直接對(duì)損傷車輪進(jìn)行了激光熔覆再制造,建立了激光熔覆車輪磨耗損傷及壽命評(píng)估模型,并對(duì)激光熔覆車輪損傷及壽命進(jìn)行了定量評(píng)估。

2 激光熔覆再制造車輪

機(jī)車車輛輪對(duì)常見損傷主要有車輪踏面擦傷與剝離、輪緣或輪輞疲勞裂紋及裂損等。修復(fù)損傷車輪的主要方法是璇修,即實(shí)際應(yīng)用中一般采用“減材料”的方式加工損傷車輪,無(wú)形中會(huì)造成材料的極大浪費(fèi)。如果能夠采用激光熔覆技術(shù)對(duì)損傷部位進(jìn)行修復(fù),即采用“加材料”的方式修復(fù)損傷輪對(duì),則可大幅減少材料的浪費(fèi),亦對(duì)節(jié)約能源、降低環(huán)境污染有明顯成效。

本文采用激光熔覆技術(shù)對(duì)踏面擦傷車輪(圖1)進(jìn)行再制造。熔覆前采用丙酮清洗車輪踏面擦傷部位,并對(duì)熔覆粉末進(jìn)行烘干處理。熔覆再制造車輪采用功率2000 W光纖激光器,電流I=210 A,脈寬τ=3.5 ms,頻率f=15 Hz,熔覆掃描速度v=180 mm/min,送粉速率為6 g/s,激光光斑直徑為2 mm,離焦量為+1.5 mm。再制造后的車輪如圖2所示。

圖1 車輪踏面擦傷Fig.1 Wheel tread abrasion

圖2 熔覆再制造車輪Fig.2 Wheel remanufactured using laser cladding

3 再制造車輪損傷評(píng)估

現(xiàn)有評(píng)估車輪接觸及磨耗損傷的模型主要有安定圖評(píng)估模型和損傷函數(shù)評(píng)估模型兩大類,但安定圖評(píng)估模型沒有考慮輪軌接觸蠕滑率及磨耗與接觸疲勞之間的相互影響,精度相對(duì)較低,故而本文采用基于磨耗數(shù)的損傷函數(shù)評(píng)估模型來(lái)評(píng)估車輪的損傷。

損傷函數(shù)評(píng)估模型既能考慮磨耗與接觸疲勞損傷間的相互關(guān)系,又可以考慮蠕滑力和蠕滑率對(duì)車輪滾動(dòng)接觸疲勞損傷的影響,磨耗及疲勞損傷之和即為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周引起的損傷。磨耗數(shù)Tγ按下式進(jìn)行計(jì)算[8]:

Tγ=Txγx+Tyγy

(1)

式中,T和γ分別表示蠕滑力及蠕滑率,可由車輛動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK計(jì)算得出,縱向和橫向分別用x、y表示。

車輪滾動(dòng)接觸疲勞損傷函數(shù)曲線如圖3所示,損傷函數(shù)相關(guān)參數(shù)見表1。

圖3 車輪滾動(dòng)接觸疲勞損傷函數(shù)[8]Fig.3 Damage function for rolling contact fatigue of the wheel[8]

現(xiàn)有研究成果表明損傷函數(shù)中的裂紋起始值與材料剪切屈服強(qiáng)度成正比[3],再制造車輪熔覆材料的剪切屈服強(qiáng)度約為473 MPa,車輪鋼材料剪切屈服強(qiáng)度為300 MPa,熔覆再制造車輪裂紋起始值按比例關(guān)系可取為32 N。

疲勞裂紋擴(kuò)展速度直接影響構(gòu)件的疲勞壽命,故可依據(jù)基體與熔覆件疲勞之比來(lái)修正損傷函數(shù)中的裂紋速度參數(shù)。依據(jù)基體壽命和熔覆件壽命之比[9],再制造車輪裂紋速度可取為5.6×10-4r/N。

西南交大陶功權(quán)研究表明損傷函數(shù)中的耐磨系數(shù)和機(jī)械零部件硬度之間存在近似的線性關(guān)系[8],車輪鋼平均硬度約為280 HV,本文再制造車輪熔覆層的顯微硬度約為800HV,按硬度與磨耗數(shù)間的線性關(guān)系式可得激光熔覆車輪的磨耗起始值為285 N,磨耗速度為-1.9×10-6r/N。

由此,再制造車輪損傷函數(shù)各參數(shù)已確定,基體車輪及再制造車輪損傷函數(shù)參數(shù)見表1。

表1 車輪滾動(dòng)接觸疲勞損傷函數(shù)參數(shù)Tab.1 Parameters of the wheel′s rolling contact fatigue damage function

依據(jù)修正后的再制造車輪損傷函數(shù)參數(shù)值,即可計(jì)算出再制造車輪的磨耗數(shù),進(jìn)而可以確定熔覆車輪每滾動(dòng)一周的復(fù)合損傷,據(jù)之即可計(jì)算出熔覆車輪全壽命周期的總損傷,其中熔覆再制造車輪的蠕滑率和和橫縱向蠕滑力利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK計(jì)算得出。

SIMPACK 軟件輪軌模塊經(jīng)過(guò)大量鐵路車輛試驗(yàn)驗(yàn)證,具有很高的仿真精度和效率,是全球鐵路車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具。仿真計(jì)算時(shí)以CRH2動(dòng)車組為研究對(duì)象建立動(dòng)力學(xué)模型,熔覆車輪踏面為L(zhǎng)MA踏面,CN60鋼軌,輪對(duì)內(nèi)側(cè)距1353 mm,建模時(shí)選用動(dòng)車組前進(jìn)方向、平行于軌道平面向右、垂直于軌道平面向下分別作為x軸、y軸和z軸,動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。動(dòng)車組車體、構(gòu)架(2個(gè))、牽引拉桿(2個(gè))、輪對(duì)(4個(gè))均取縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭等6個(gè)自由度；轉(zhuǎn)臂(8個(gè))取點(diǎn)頭1個(gè)自由度,整個(gè)動(dòng)車組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型共有62個(gè)自由度。

動(dòng)車組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的一般形式為[10]:

(2)

式中,u表示廣義速度列陣；q表示廣義坐標(biāo)列陣；G表示廣義速度的代數(shù)方程列陣；φ表示約束的代數(shù)方程列陣；λ表示約束力及作用力列陣；F表示系統(tǒng)力學(xué)微分方程。

圖4 仿真計(jì)算用動(dòng)力學(xué)模型Fig.4 Dynamic model for simulation

由于引起車輪磨耗及疲勞的主要原因是車輛頻繁通過(guò)曲線,故而本文重點(diǎn)研究對(duì)象為曲線通過(guò)時(shí)車輛的動(dòng)力學(xué)性能,以京津線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為軌道激勵(lì),動(dòng)車組時(shí)速按200 km/h計(jì)算,輪徑以新輪直徑860 mm計(jì)算,曲線選用右曲線,仿真計(jì)算時(shí)間20秒,具體見表2。

表2 仿真計(jì)算選用的線路條件[9]Tab.2 Line conditions for the simulation[9]

仿真計(jì)算得到的縱橫向蠕滑力及蠕滑率曲線如圖5～8所示(輪對(duì)1內(nèi)側(cè)車輪)。

從圖5～8展示的計(jì)算結(jié)果可以看出輪對(duì)內(nèi)側(cè)車輪的縱向和橫向蠕滑力較大,其合力即輪軌切向力也較大,容易造成輪對(duì)踏面產(chǎn)生裂紋,且輪對(duì)內(nèi)側(cè)車輪縱向蠕滑力的方向與動(dòng)車組運(yùn)行方向相反,使得裂紋進(jìn)入接觸斑前處于張開狀態(tài),輪軌表面的液體如雨水等就可浸入裂紋中,由于液體的不可壓縮性,會(huì)使得裂紋更容易擴(kuò)展。

圖5 車輪縱向蠕滑力Fig.5 Longitudinal creep force of the wheel

圖6 車輪橫向蠕滑力Fig.6 Lateral creep force of the wheel

圖7 車輪縱向蠕滑率Fig.7 Longitudinal creep rate of the wheel

由于線路曲線有左曲線和右曲線之分,線路亦有上行線和下行線之分,故而每個(gè)車輪都有機(jī)會(huì)處于內(nèi)側(cè),因此,當(dāng)運(yùn)行里程達(dá)到一定限度后在動(dòng)車組各個(gè)車輪上均易出現(xiàn)疲勞裂紋以及剝離現(xiàn)象,進(jìn)而是輪對(duì)失效。

圖8 車輪橫向蠕滑率Fig.8 Lateral creep rate of the wheel

依據(jù)公式(1)計(jì)算可得熔覆車輪磨耗數(shù)的平均值為364 N。故經(jīng)過(guò)本文給出的這段線路后激光熔覆再制造車輪產(chǎn)生的損傷Dw為:

Dw=[(364-32)×5.6×10-4-(364-285)×

1.9×10-6]×120/3.14/0.86=8.27×10-3

(3)

4 再制造鐵路車輪壽命評(píng)估

Chaboche針對(duì)單軸疲勞問(wèn)題提出了損傷與疲勞壽命之間的關(guān)系式[11]:

dD=[1-(1-D)β+1]α

(4)

式中,D表示損傷變量;N表示疲勞壽命;σa表示應(yīng)力幅;σm表示平均應(yīng)力;β,M0,b是由材料性質(zhì)決定的參數(shù);α是由損傷及載荷共同決定的參數(shù),其表達(dá)式為[12-13]:

(5)

式中,如果x>0,則〈x〉=x；如果x≤0,則有〈x〉=0。表示最大應(yīng)力;σR表示對(duì)應(yīng)應(yīng)力比R下的材料疲勞極限;σb表示材料強(qiáng)度極限;H和a均是實(shí)驗(yàn)常數(shù),Dattoma等[12-13]建議金屬材料H=0.0801,a=0.434。

已有研究表明,殘余拉應(yīng)力及裂紋閉合效應(yīng)[14]均會(huì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的疲勞壽命產(chǎn)生不容忽視的影響,故在評(píng)估激光熔覆損傷時(shí)考慮殘余拉應(yīng)力及裂紋閉合效應(yīng)的影響,可以提高損傷模型精度。計(jì)入殘余拉應(yīng)力及裂紋閉合效應(yīng)后,式(4)修正為:

dDcξ=[1-(1-ξDc)β+1]αc

(6)

式中,dDcξ表示計(jì)入裂紋閉合效應(yīng)后的損傷;ξ為裂紋閉合有效因子。式中平均應(yīng)力可修正為[15]:

σm=σm0+σrmax

(7)

式中,σm0為不計(jì)入殘余拉應(yīng)力時(shí)的平均應(yīng)力。

不同應(yīng)力比R所對(duì)應(yīng)的裂紋閉合有效因子ξ可按下式計(jì)算[16]:

ξ=0.75+0.3R+0.15R2(-1≤R≤1)

(8)

設(shè)熔覆車輪的初始損傷為Dct,則有0

(9)

式中,材料常數(shù)取值為[9]:β=5.003,M0=3985.423,b=0.001。

車輪壽命評(píng)估時(shí)假定應(yīng)力比R為-1,列車直線運(yùn)行時(shí)車輪無(wú)損傷、輪軌接觸斑面積為100mm2、運(yùn)行線路中小曲線半徑線路長(zhǎng)度占線路總長(zhǎng)的1 %。將式(2)計(jì)算得到的接觸疲勞損傷作為熔覆再制造車輪初始損傷,代入公式(9)可得本文試驗(yàn)條件下再制造車輪可運(yùn)行里程約164萬(wàn)千米,比車輪規(guī)定的200萬(wàn)km服役壽命略小,原因主要有兩點(diǎn):一是本文仿真計(jì)算采用的曲線半徑較為苛刻,實(shí)際線路的曲線半徑遠(yuǎn)大于文中選用的曲線半徑,故而再制造車輪在實(shí)際線路上運(yùn)行時(shí)損傷較小,運(yùn)行里程更接近于車輪設(shè)計(jì)壽命；二是計(jì)算模型中的部分參數(shù)受激光熔覆工藝條件的影響較大,不同工藝參數(shù)再制造的車輪壽命也會(huì)有差異。

5 結(jié) 論

本文采用激光熔覆再制造技術(shù)修復(fù)了踏面擦傷車輪,結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)分析,對(duì)現(xiàn)有鐵路車輪損傷評(píng)估模型進(jìn)行了修正,并以CRH2型動(dòng)車組車輪為研究對(duì)象,建立了熔覆再制造車輪服役過(guò)程損傷及壽命評(píng)估模型。評(píng)估模型計(jì)算結(jié)果滿足車輪設(shè)計(jì)要求,為鐵路車輪的運(yùn)用維修提供了一種新的思路,對(duì)鐵路相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有一定促進(jìn)作用,亦為完善再制造工程理論體系提供了有益補(bǔ)充,具備較明顯的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。