專利名稱：列車車輪組合激光強(qiáng)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及列車零部件及激光加工組織技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
車輪是關(guān)系列車服役經(jīng)濟(jì)性、安全性、乘坐舒適性和環(huán)境噪音的關(guān)鍵部件，與車軸、軸承等部件組裝在一起后組成輪對(duì)，在復(fù)雜輪軌滾動(dòng)接觸沖擊力作用下，會(huì)出現(xiàn)了沖擊、滑動(dòng)噪音等環(huán)境問題；其踏面部位承受復(fù)雜滾動(dòng)接觸疲勞載荷，出現(xiàn)剝離與磨耗等損傷問題；而其非踏面部位承受復(fù)雜三維交變疲勞載荷，呈現(xiàn)疲勞累積損傷問題。同時(shí)，為提高列車綜合運(yùn)行性能，對(duì)車輪提出了低質(zhì)量、低噪音、長壽命、高可靠性與安全性的苛刻科技要求。依照世界列車車輪制造技術(shù)特點(diǎn)，列車車輪可區(qū)分為整體車輪、彈性組合車輪和 激光踏面車輪整體車輪，現(xiàn)有材料主要有優(yōu)質(zhì)碳素鋼和優(yōu)質(zhì)低合金鋼兩種，制造工藝分為連鑄工藝和連軋工藝，包含鋼水精煉-輪坯鍛軋/鑄造-熱處理/表面強(qiáng)化-精加工等過程；熱處理/表面強(qiáng)化工藝包括調(diào)質(zhì)、表面淬火、表面噴丸等，由于材料組織結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變，材料服役能力幾乎達(dá)到制造能力的極限，但能力仍然有限車輪踏面的磨損速度達(dá)
O.2 2[g/cm2 · 10km/h];西歐高鐵低合金鋼車輪，抗斷裂韌度在50 80MPa. m°_5(標(biāo)準(zhǔn)EN 13262)，對(duì)應(yīng)疲勞壽命N = IO7Cycles的疲勞強(qiáng)度僅為300MPa左右；美國優(yōu)質(zhì)碳素鋼車輪，其斷裂韌度值僅為50 100MPa.m°_5，對(duì)應(yīng)疲勞壽命N= IO7Cycles的拉壓疲勞強(qiáng)度約為270MPa，扭轉(zhuǎn)載荷狀態(tài)則為170MPa ;車輪踏面亞表層裂紋(a，c ( 5mm)擴(kuò)展壽命僅約2X 105cycles。因此，列車服役中車輪踏面磨損快，不均勻性損傷大，導(dǎo)致輪軌沖擊載荷與沖擊噪音增加快，維修壽命與總體服役壽命短。彈性組合車輪，把整體車輪的輪輞區(qū)域與輪幅及輪轂區(qū)域分離成為輪箍，在輪箍與輪輻之間填裝彈性吸振元件，組裝在一起成為彈性車輪。具有吸振降噪功能。規(guī)范對(duì)各部位的強(qiáng)度能力要求與整體車輪基本一致，但由于造成TGV高速列車車輪疲勞裂紋，導(dǎo)致1998年6月3日德國TGV高速列車脫軌，釀成101人遇難、200多人重傷事故的車輪，正是彈性車輪，證明組裝結(jié)構(gòu)，帶來了輪箍與輪輻結(jié)合部疲勞裂紋萌生。該技術(shù)是在整體車輪技術(shù)方法基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)，但對(duì)如何解決彈性組合車輪的疲勞斷裂安全問題的途徑尚未解決，世界各國基本上不再使用該類車輪。激光踏面車輪，上世紀(jì)90年代后期，俄羅斯機(jī)器制造科學(xué)研究院聯(lián)合高爾基鐵路局，率先應(yīng)用CO 2激光器直接熔煉輪-軌接觸面基體材料(未添加耐磨顆粒)，獲得相變強(qiáng)化輪軌接觸面，使材料微觀組織微納米化，取得了車輪踏面磨損速度降低67% 80%、延長鋼軌壽命 O. 8 I. O 的效果[Chkalov LA. Laser strengthening of wheel and rail.Railway Transport, 1988, (2) :31_36]。Lennart 0J(1995)、劉豫等(2006)和 Timakova 等(2008)各自公開了車輪踏面的激光相變強(qiáng)化方法，即激光熔凝方法專利。張準(zhǔn)勝(2001)公開了車輪踏面激光組合強(qiáng)化方法專利。浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所對(duì)機(jī)車車輪輪緣開展了激光淬火工藝強(qiáng)化機(jī)車車輪輪緣，使磨耗率降低70% [李鳳旺.機(jī)車車輪輪緣強(qiáng)化技術(shù).金屬熱處理，1997，(10) 41-42];濟(jì)鋼第一煉鋼廠對(duì)行車車輪踏面進(jìn)行相變激光硬化處理，提高車輪磨耗壽命達(dá)6倍[呂秀萍，徐紅艷，王世勇.應(yīng)用激光相變硬化技術(shù)提高天車車輪的使用壽命.設(shè)備管理與維修，2008，(10) 37];沈陽大陸激光技術(shù)有限公司開展了CL60碾鋼車輪輻板孔邊裂紋進(jìn)行了激光熔覆修復(fù)方法，使材料延伸率提高90%、疲勞強(qiáng)度提高2倍[陳常義，陳江.鐵路貨車輪輻板孔裂紋激光再制造.中國表面工程，2011，24(2)92-96]，是在現(xiàn)有整體車輪技術(shù)上的改進(jìn)技術(shù)。但是，現(xiàn)有車輪激光表面強(qiáng)化方法，僅針對(duì)車輪踏面和車輪輻板孔局部；匹配和解決列車綜合性能(牽引能力、節(jié)能、運(yùn)行沖擊噪音、乘坐舒適性)、踏面磨耗、運(yùn)行疲勞安全等科學(xué)問題，尚有許多不完善和需要改進(jìn)之處I、現(xiàn)有的強(qiáng)化方法不考慮激光強(qiáng)化的深度，也沒有激光強(qiáng)化深度的概念。但，車輪踏面的失效形式是與軌道接觸部分的磨耗失效，屬于滾動(dòng)接觸疲勞損傷累積后果，具有亞表面損傷的特征；不考慮亞表面最大剝離切應(yīng)力范圍的強(qiáng)化，不能有效的消除亞表面剝離損傷，從而其強(qiáng)化效果差。2、非踏面部分的科學(xué)強(qiáng)化方法問題車輪非踏面部位的失效形式是疲勞斷裂失效，屬于復(fù)雜三維交變疲勞應(yīng)力的累積損傷后果，符合失效物理機(jī)制的科學(xué)強(qiáng)化方法是抑制疲勞裂紋萌生，并需要根據(jù)損傷控制需求科學(xué)確定抑制指標(biāo)，現(xiàn)有車輪輻板孔局部激光熔覆修復(fù)方法，其原理不是抑制疲勞裂紋萌生，而是增強(qiáng)局部疲勞強(qiáng)度，會(huì)使車輪薄弱部位發(fā)生轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)的局部疲勞強(qiáng)度也不是車輪的疲勞強(qiáng)度。3、踏面強(qiáng)化壽命與非踏面強(qiáng)化壽命的匹配性問題根據(jù)“最弱鏈?zhǔn)г怼?，車輪踏面?qiáng)化而其它部位先于踏面磨耗壽命失效，踏面強(qiáng)化的效果將部分或全部喪失；非踏面局部強(qiáng)化如現(xiàn)有車輪輻板孔局部激光熔覆修復(fù)方法，其它部位先于該局部強(qiáng)化處失效，該強(qiáng)化效果也將部分或全部喪失。因此，車輪踏面強(qiáng)化壽命與非踏面強(qiáng)化壽命必須盡可能匹配一致，強(qiáng)化才有科學(xué)意義與實(shí)際生產(chǎn)意義。而實(shí)現(xiàn)這一目的方法現(xiàn)有方法無法自然達(dá)到的，必須有意識(shí)經(jīng)過科學(xué)試驗(yàn)、計(jì)算與分析才能實(shí)現(xiàn)。4、車輪強(qiáng)化與列車運(yùn)行牽引擴(kuò)容節(jié)能問題列車運(yùn)行的牽引驅(qū)動(dòng)極限能力由驅(qū)動(dòng)車輪與軌道的粘著力決定，在軌道濕滑環(huán)境，列車容易出現(xiàn)速度不聽指揮、車輪打滑的現(xiàn)象，粘著力不夠，使列車的牽引能力降低。在另一方面，列車運(yùn)行主要能耗來自拖車車輪與軌道接觸摩擦力。這說明，科學(xué)的車輪踏面強(qiáng)化，從列車運(yùn)行牽引擴(kuò)容節(jié)能角度，依其服役功能的不同，具有不同的要求，現(xiàn)有強(qiáng)化方法沒有注意到這一點(diǎn)，也無法自然實(shí)現(xiàn)這一目的。因此，現(xiàn)有車輪踏面強(qiáng)化方法沒有與科學(xué)的強(qiáng)化深度、與軌道磨耗性能的匹配性、牽引能力的擴(kuò)容或節(jié)能相結(jié)合；非踏面部位的強(qiáng)化方法沒有與科學(xué)的防疲勞斷裂機(jī)制相匹配，其強(qiáng)化壽命也沒有與車輪踏面的強(qiáng)化壽命相匹配。國際上需要發(fā)展與失效機(jī)制匹配、與服役功能匹配、踏面強(qiáng)化壽命與非踏面強(qiáng)化壽命匹配的高性能綠色車輪組合激光強(qiáng)化方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種列車車輪組合激光強(qiáng)化方法，由該方法強(qiáng)化后的車輪與軌道磨損的匹配性好，車輪踏面部分的強(qiáng)化壽命與車輪非踏面的強(qiáng)化壽命匹配，車輪的使用壽命長，可靠性強(qiáng)；列車使用該方法強(qiáng)化后的車輪，牽引驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，運(yùn)行能耗低。本發(fā)明解決 其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種列車車輪組合激光強(qiáng)化方法，其做法是既對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化，又對(duì)車輪非踏面部位進(jìn)行激光強(qiáng)化；且對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪進(jìn)行增粘強(qiáng)化，對(duì)拖車車輪進(jìn)行降粘強(qiáng)化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是一、既對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化，又對(duì)車輪非踏面部位進(jìn)行激光強(qiáng)化，既使車輪踏面部位的壽命增長，又使車輪非踏面部位的壽命增長，車輪踏面部分的強(qiáng)化壽命與車輪非踏面的強(qiáng)化壽命匹配，從而有效的延緩了整個(gè)車輪的失效周期，提高了整個(gè)車輪的使用壽命，增強(qiáng)了車輪的可靠性。二、對(duì)不同車輪的塔面進(jìn)行不同的強(qiáng)化處理對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪踏面進(jìn)行增粘強(qiáng)化，提高了驅(qū)動(dòng)車輪與軌道的粘著力，減少了車輪打滑現(xiàn)象，從而提高了列車運(yùn)行的牽引驅(qū)動(dòng)能力；而對(duì)于拖車車輪踏面進(jìn)行降粘強(qiáng)化，降低了拖車車輪與軌道接觸摩擦力，也減少了列車運(yùn)行的能耗。上述的對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的強(qiáng)化深度>輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞影響深度；且對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的強(qiáng)化深度和對(duì)車輪非踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的強(qiáng)化深度滿足強(qiáng)化后的非踏面部位疲勞壽命 > 強(qiáng)化后的踏面部位磨耗壽命的條件；所述的強(qiáng)化深度是激光強(qiáng)化后使材料表層組織發(fā)生相變的厚度，即相變組織與基體組織界面到表面的距離。首次提出激光強(qiáng)化深度的概念，強(qiáng)化深度是激光強(qiáng)化后使材料表層組織發(fā)生相變的厚度，即相變組織與基體組織界面到表面的距離，強(qiáng)化時(shí)保證使車輪踏面激光強(qiáng)化深度>輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞影響深度，能很好的消除輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞載荷造成的車輪踏面內(nèi)部起裂而導(dǎo)致的亞表面剝離失效。而強(qiáng)化后的非踏面部位疲勞壽命>強(qiáng)化后的踏面部位磨耗壽命，則能夠較好的滿足非踏面部位與踏面部位的壽命匹配，同時(shí)，由于踏面部位可通過車削進(jìn)行維修，維修更方便，其壽命略短，能降低整個(gè)車輪后期的維護(hù)成本。上述的對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是通過軌道磨耗比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)磨耗速度最低的原則，確定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法中的一種方法對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化。這樣，本發(fā)明方法不僅考慮了車輪踏面的損耗，而且考慮了車輪對(duì)軌道磨損的匹配性；強(qiáng)化后的車輪踏面對(duì)軌道的磨損最低，降低了整個(gè)鐵路運(yùn)行的維護(hù)成本，提高了鐵路的安全性和可靠性。上述的對(duì)車輪非踏面部位進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是采用激光噴丸加工方法經(jīng)行激光強(qiáng)化。由于車輪非踏面部位的失效形式是疲勞斷裂失效，屬于復(fù)雜三維交變疲勞應(yīng)力的累積損傷，采用激光噴丸加工方法能抑制疲勞裂紋萌生，其抑制失效的效果好。下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作一步說明。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一種列車車輪組合激光強(qiáng)化方法，其做法是既對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化，又對(duì)車輪非踏面部位進(jìn)行激光強(qiáng)化；且對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪進(jìn)行增粘強(qiáng)化，對(duì)拖車車輪進(jìn)行降粘強(qiáng)化。本實(shí)施例中，對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的強(qiáng)化深度>輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞影響深度；且對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的強(qiáng)化深度和對(duì)車輪非踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的強(qiáng)化深度滿足強(qiáng)化后的非踏面部位疲勞壽命>強(qiáng)化后的踏面部位磨耗壽命的條件；所述的強(qiáng)化深度是激光強(qiáng)化后使材料表層組織發(fā)生相變的厚度，即相變組織與基體組織界面到表面的距離。本實(shí)施例中，對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是通過軌道磨耗比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)磨耗速度最低的原則，確定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法中的一種方法對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化。本實(shí)施例中，對(duì)車輪非踏面部位進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是采用激光噴丸加工·方法經(jīng)行激光強(qiáng)化。
權(quán)利要求
1.一種列車車輪組合激光強(qiáng)化方法，其做法是既對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化，又對(duì)車輪非踏面部位進(jìn)行激光強(qiáng)化；且對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪進(jìn)行增粘強(qiáng)化，對(duì)拖車車輪進(jìn)行降粘強(qiáng)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種列車車輪組合激光強(qiáng)化方法，其特征在于，所述的對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的強(qiáng)化深度>輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞影響深度；且對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的強(qiáng)化深度和對(duì)車輪非踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的強(qiáng)化深度滿足強(qiáng)化后的非踏面部位疲勞壽命 > 強(qiáng)化后的踏面部位磨耗壽命的條件；所述的強(qiáng)化深度是激光強(qiáng)化后使材料表層組織發(fā)生相變的厚度，即相變組織與基體組織界面到表面的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種列車車輪組合激光強(qiáng)化方法，其特征在于，所述的對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是通過軌道磨耗比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)磨耗速度最低的原則，確定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法中的一種方法對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種列車車輪組合激光強(qiáng)化方法，其特征在于，所述的對(duì)車輪非踏面部位進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是采用激光噴丸加工方法經(jīng)行激光強(qiáng)化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種列車車輪組合激光強(qiáng)化方法，其做法是既對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化，又對(duì)車輪非踏面部位進(jìn)行激光強(qiáng)化；且對(duì)車輪踏面進(jìn)行激光強(qiáng)化時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪進(jìn)行增粘強(qiáng)化，對(duì)拖車車輪進(jìn)行降粘強(qiáng)化。由該方法強(qiáng)化后的車輪與軌道磨損的匹配性好，車輪踏面部分的強(qiáng)化壽命與車輪非踏面的強(qiáng)化壽命匹配，車輪的使用壽命長，可靠性強(qiáng)；列車使用該方法強(qiáng)化后的車輪，牽引驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，運(yùn)行能耗低。
文檔編號(hào)C21D9/00GK102953056SQ20111023811
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者趙永翔, 蔡慧, 胡基士 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)