專利名稱：坡道/彎道鋼軌—道岔、平直道鋼軌—道岔的組合激光強(qiáng)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵路軌道零部件的激光強(qiáng)化加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
軌道與道岔是支撐、引導(dǎo)列車運(yùn)行的零部件，其服役壽命及可靠性，關(guān)系鐵路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性和列車服役安全性、乘坐舒適性和環(huán)境噪音。在列車運(yùn)行過(guò)程中，承受復(fù)雜的輪軌/道岔滾動(dòng)接觸沖擊力作用，會(huì)出現(xiàn)輪-軌/道岔沖擊及滑移噪音等環(huán)境問(wèn)題，其表面剝離與磨耗等損傷問(wèn)題，以及疲勞斷裂帶來(lái)的安全問(wèn)題。同時(shí)，為提高列車綜合運(yùn)行性能，對(duì)軌道與道岔有低噪音、長(zhǎng)壽命、高可靠性與安全性的苛刻科技要求。依照世界鐵路鋼軌與道岔的制造技術(shù)特點(diǎn)，鐵路鋼軌與道岔可區(qū)分為基體材料鋼 軌-道岔和激光處理鋼軌-道岔基體材料鋼軌-道岔，主要由優(yōu)質(zhì)碳素鋼、優(yōu)質(zhì)低合金鋼、貝氏體鋼和低碳馬氏體鋼等，制造一般采用連軋工藝，包含鋼水精煉-坯鍛軋-熱處理/表面強(qiáng)化-精加工等過(guò)程；熱處理/表面強(qiáng)化工藝包括調(diào)質(zhì)、表面淬火等，由于材料組織結(jié)構(gòu)沒(méi)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，但能力仍然有限硬度一般為Hv320 390 ;磨損速度快，僅中國(guó)國(guó)鐵的鋼軌-道岔年維修費(fèi)用就達(dá)十多億人民幣；嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸安全。因此，現(xiàn)有鋼軌-道岔在服役中磨損快，不均勻性損傷大，導(dǎo)致輪軌沖擊載荷與沖擊噪音增力口，服役壽命短。激光處理鋼軌-道岔，在基體材料鋼軌-道岔與車輪可能接觸的區(qū)域，實(shí)施激光表層強(qiáng)化加工，使表層材料微觀組織結(jié)構(gòu)微納米化，抗磨與抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能獲得大幅度提聞。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激光器直接熔凝輪-軌/道岔接觸面基體材料(未添加耐磨顆粒)，獲得了微納米化的表層微觀組織結(jié)構(gòu)，取得了延長(zhǎng)鋼軌壽命O. 8 I. O的效果[ChkalovLA. Laser strengthening of wheel and rail. Railway Transport,1988, (2) :31-36]。歐洲自2000年起啟動(dòng)了“基礎(chǔ)之星”研究計(jì)劃，DUROC公司應(yīng)用激光熔凝技術(shù)強(qiáng)化處理鋼軌-道岔，獲得了高硬度、高屈服應(yīng)力極限和低摩擦力的鋼軌-道岔表面，大幅度降低了磨耗速度與噪音，可延長(zhǎng)滾動(dòng)接觸疲勞壽命一倍以上；鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院研究了 U74鋼軌激光淬火工藝及效果，揭示使材料晶粒細(xì)化及馬氏體，表面硬度和耐磨性呈現(xiàn)明顯提高；北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院開展了激光熔凝U74鋼軌表面基體材料的相變強(qiáng)化工藝及效果，揭不提高表面硬度 3 4 倍；2005 年 Favilli [FAVILLI Sandro. Hardening processusinglaser in railway applications and relative equipment. PCI/IT 2005/000092,W02005/080686 Al, World Intellectual Property Organization, I Sept. 2005]公開了一種激光凝鋼軌表面材料的強(qiáng)化技術(shù)及自行軌道小車；華中科技大學(xué)的曾曉雁聯(lián)合武漢鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，先后公開了若干用于鋼軌表面強(qiáng)韌化處理的在線激光加工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鋼軌表面激光淬火、合金化、熔凝強(qiáng)化處理及毛化與沖擊強(qiáng)化處理；中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的張志軍等公開了一種利用大功率半導(dǎo)體激光熔凝鋼軌表面的便攜式裝置；張俊等公開了一種利用便攜式激光熔覆方法修復(fù)了受損鋼軌表面的裝置；張準(zhǔn)勝先后公開了利用激光合金化、熔凝技術(shù)強(qiáng)化鋼軌表面的方法，同時(shí)還公開了激光強(qiáng)化道岔轍叉與尖軌的方法；沈陽(yáng)大陸激光成套設(shè)備有限公司的陶興啟等先后公開了道岔表面激光合金化強(qiáng)化工藝與道岔滑床板表面激光熔覆工藝。但是，現(xiàn)有鋼軌-道岔激光表面強(qiáng)化方法，沒(méi)有與鐵路線路地理環(huán)境相關(guān)的綠色科技需要結(jié)合，沒(méi)有把加工方法及強(qiáng)化深度與鋼軌-道岔的壽命要求及失效機(jī)制有機(jī)結(jié)合，主要存在如下問(wèn)題I、鋼軌和道岔分別在不同的工廠或車間進(jìn)行強(qiáng)化，強(qiáng)化的方法和深度不同，導(dǎo)致二者的使用壽命不匹配，嚴(yán)重影響整個(gè)軌道的使用壽命。并且現(xiàn)有 的強(qiáng)化方法不考慮激光強(qiáng)化的深度，也沒(méi)有激光強(qiáng)化深度的概念。各處的鋼軌、道岔強(qiáng)化后對(duì)材料表層組織發(fā)生相變的厚度影響不一，導(dǎo)致各處鋼軌、道岔對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞產(chǎn)生的亞表面剝離損傷失效的抵抗作用差異大，服役壽命不均，影響了全路段軌道的整體使用壽命，也使維護(hù)修理極為不方便。2、鋼軌-道岔激光表面強(qiáng)化方法與鐵路線路地理環(huán)境的匹配性問(wèn)題現(xiàn)有基體材料鋼軌-道岔技術(shù)和鋼軌-道岔激光強(qiáng)化技術(shù)，沒(méi)有區(qū)別坡道、彎道和平道在強(qiáng)化組織方法的差異。用同樣的方法對(duì)各種路段進(jìn)行強(qiáng)化，坡道/彎道鋼軌-道岔磨耗更嚴(yán)重，使用壽命短，也使兩種鋼軌-道岔的壽命不匹配，全路段鋼軌與岔道的使用壽命有待提高；且坡道/彎道處與平直處的鋼軌-道岔粘著力相同，坡道/彎道處的鋼軌-道岔與車輪的粘著力不夠，限制了列車驅(qū)動(dòng)牽引能力的提高，而平直處的鋼軌-道岔與車輪之間的粘著力偏高，更加了列車運(yùn)行時(shí)的摩擦阻力，提高了列車運(yùn)行的能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合激光強(qiáng)化方法，由該方法強(qiáng)化后的整個(gè)路段的鋼軌、道岔的強(qiáng)化壽命匹配，從而使整個(gè)路段的鋼軌與道岔的使用壽命長(zhǎng)，可靠性強(qiáng)，使用維護(hù)更方便；且能提高列車的驅(qū)動(dòng)牽引能力，降低列車運(yùn)行的能耗。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔各處進(jìn)行等強(qiáng)化深度的增粘強(qiáng)化；對(duì)平直道鋼軌-道岔各處進(jìn)行等強(qiáng)化深度的降粘強(qiáng)化；且增粘強(qiáng)化和降粘強(qiáng)化的強(qiáng)化深度也相等，并大于等于輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞影響深度；所述的強(qiáng)化深度是激光強(qiáng)化使材料表層組織發(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。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是一、提出激光強(qiáng)化深度的概念，并對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔各種路段中的的鋼軌和道岔進(jìn)行同樣強(qiáng)度的激光強(qiáng)化，也即各處的鋼軌與道岔激光強(qiáng)化后，材料表層組織發(fā)生相變的厚度一致，從而使全路段軌道的壽命匹配一致。并且強(qiáng)化深度大于等于輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞影響深度?？梢院芎玫南?軌滾動(dòng)接觸疲勞載荷對(duì)各段軌道造成內(nèi)部起裂而導(dǎo)致的亞表面剝離失效，更好的保證其服役壽命。從而有效提高了全路段鋼軌與岔道的使用壽命，增強(qiáng)了全路段鋼軌與岔道的可靠性。需維修時(shí)對(duì)全路段統(tǒng)一進(jìn)行維修，其使用維護(hù)更方便。二、對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔進(jìn)行增粘的激光強(qiáng)化，增強(qiáng)了坡道/彎道行駛時(shí)車輪與軌道的粘著力，減少了坡道/彎道運(yùn)行時(shí)車輪與軌道之間的打滑現(xiàn)象，增加了彎道運(yùn)行時(shí)的向心力，提高了對(duì)平直道鋼軌-道岔進(jìn)行降粘強(qiáng)化。相反，列車在平直鋼軌-道岔運(yùn)行時(shí)，鋼軌-道岔的負(fù)荷小，因此對(duì)平直道鋼軌-道岔進(jìn)行降粘的激光強(qiáng)化，可以降低平直軌道與車輪的粘著力，即減少了二者的接觸摩擦力，從而減少列車運(yùn)行的能耗。上述對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是通過(guò)蠕滑磨耗比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)磨耗損傷最小的原則，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并按消除輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞載荷對(duì)軌道造成內(nèi)部起裂的統(tǒng)一深度對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化。這樣，通過(guò)試驗(yàn)比較，確定出與坡道/彎道軌道-道岔適配的最佳的強(qiáng)化方法，能更好的降低表面磨耗，保障其服役壽命?！ど鲜龅膶?duì)平直道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是通過(guò)蠕滑磨耗比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)磨耗損傷最小的原則，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)平直道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化。這樣，通過(guò)試驗(yàn)比較，確定出與平直軌道-道岔適配的最佳的強(qiáng)化方法，能更好的降低表面磨耗，保障其服役壽命。下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合激光強(qiáng)化方法，其做法是對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔各處進(jìn)行等強(qiáng)化深度的增粘強(qiáng)化；對(duì)平直道鋼軌-道岔各處進(jìn)行等強(qiáng)化深度的降粘強(qiáng)化；且增粘強(qiáng)化和降粘強(qiáng)化的強(qiáng)化深度也相等，并大于等于輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞影響深度；所述的強(qiáng)化深度是激光強(qiáng)化使材料表層組織發(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。本例中，對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是通過(guò)蠕滑磨耗比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)磨耗損傷最小的原則，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并按消除輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞載荷對(duì)軌道造成內(nèi)部起裂的統(tǒng)一深度對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化。本例中，對(duì)平直道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是通過(guò)蠕滑磨耗比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)磨耗損傷最小的原則，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并按消除輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞載荷對(duì)軌道造成內(nèi)部起裂的統(tǒng)一深度對(duì)平直道鋼軌一道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化。
權(quán)利要求
1.一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合激光強(qiáng)化方法，其做法是對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔各處進(jìn)行等強(qiáng)化深度的增粘強(qiáng)化；對(duì)平直道鋼軌-道岔各處進(jìn)行等強(qiáng)化深度的降粘強(qiáng)化；且增粘強(qiáng)化和降粘強(qiáng)化的強(qiáng)化深度也相等，并大于等于輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞影響深度；所述的強(qiáng)化深度是激光強(qiáng)化使材料表層組織發(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。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合激光強(qiáng)化方法，其特征在于，所述的對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是通過(guò)蠕滑磨耗比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)磨耗損傷最小的原則，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并按消除輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞載荷對(duì)軌道造成內(nèi)部起裂的統(tǒng)一深度對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合激光強(qiáng)化方法，其特征在于，所述的對(duì)平直道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化的具體做法是通過(guò)蠕滑磨耗比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)磨耗損傷最小的原則，確定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法 中的一種方法并按消除輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞載荷對(duì)軌道造成內(nèi)部起裂的統(tǒng)一深度對(duì)平直道鋼軌-道岔進(jìn)行激光強(qiáng)化。
全文摘要
一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合激光強(qiáng)化方法，其做法是對(duì)坡道/彎道鋼軌-道岔各處進(jìn)行等強(qiáng)化深度的增粘強(qiáng)化；對(duì)平直道鋼軌-道岔各處進(jìn)行等強(qiáng)化深度的降粘強(qiáng)化；且增粘強(qiáng)化和降粘強(qiáng)化的強(qiáng)化深度也相等，并大于等于輪-軌滾動(dòng)接觸疲勞影響深度；所述的強(qiáng)化深度是激光強(qiáng)化使材料表層組織發(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。由該方法強(qiáng)化后的全路段的鋼軌和道岔的使用壽命匹配性好，整個(gè)路段的鋼軌與道岔的使用壽命長(zhǎng)，可靠性強(qiáng)，使用維護(hù)更方便；且能提高列車的驅(qū)動(dòng)牽引能力，降低列車運(yùn)行的能耗。
文檔編號(hào)E01B31/18GK102953302SQ20111023814
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, 堵彬斌, 胡基士 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)