关键词:
车轮多边形
轮轨材料匹配
热处理
激光淬火
滚动摩擦磨损
摘要:
近年来车轮多边形磨损问题日益凸显,严重影响列车行驶的稳定性和安全性。车轮多边形为踏面的不均匀磨损,而轮轨硬度匹配是提高车轮的抗磨损性能的重要手段,因此开展轮轨硬度匹配对车轮多边形磨损与损伤行为影响研究,对减缓多边形磨损具有重要意义。
本论文从轮轨硬度匹配关系入手,在钢轨硬度不变的情况下,通过不同轮轨材料匹配和车轮热处理两个途径开展了不同轮轨硬度匹配下(其中材料匹配实现轮轨硬度比范围分别为0.649~0.853和0.976~1.263,车轮热处理实现轮轨硬度比范围为0.589~1.093)的滚动磨损试验,观察车轮多边形磨损形成与演变行为,探明轮轨硬度匹配对车轮多边形磨损形成与演变的影响规律;分析了不同轮轨硬度匹配下多边形车轮损伤行为,并由此提出了轮轨硬度匹配方案。同时,激光淬火技术可以更大幅度提高金属材料硬度,进而实现轮轨硬度匹配,因此本文通过激光技术对车轮表面进行不同淬火方式的强化处理,阐释了激光表面淬火对车轮多边形磨损的影响。
论文研究的主要结论如下:
(1)车轮多边形磨损的产生与发展受轮轨硬度比影响显著,当钢轨硬度一定时,随着轮轨硬度比的增大,车轮越难产生多边形且多边形发展越慢。通过综合分析多边形磨损情况和车轮损伤行为,发现不同轮轨材料匹配试验中,轮轨硬度比HW/HR为1.263时,多边形磨损得到有效抑制;在热处理车轮滚动磨损试验中,轮轨硬度比HW/HR为1.093时,既能抑制车轮多边形的产生,又保持了较好的抗疲劳损伤性能。
(2)车轮未产生多边形时,在同一深度下硬度变化较为均匀;在产生多边形磨损后,车轮沿滚动方向硬度分布曲线与多边形廓形相反(即波谷处硬度最大,平均硬度为560±27 HV0.1,波峰处硬度最小,平均硬度为438±24 HV0.1)。疲劳损伤方面,以空冷车轮为例,波峰处疲劳裂纹平均长度为55.81μm,平均扩展角度为11.32°,波谷处疲劳裂纹平均长度为44.26μm,平均扩展角度为12.04°,可以发现同一多边形车轮上,波峰处裂纹普遍较长,裂纹扩展角度较小,更倾向于向表面扩展;波谷处裂纹长度更小而扩展角度相对更大一些,更易向材料内部扩展。
(3)在车轮表面进行全表面淬火处理时,车轮表面硬度提高至平均865 HV0.5且分布均匀,抑制了车轮多边形的产生。对已经形成多边形(6万转)的车轮试样波谷区进行淬火强化,多边形发展表现出先放缓后加快的现象,波谷转变为波峰,多边形波深先变小后变大,平均波深由6万转时的0.070 mm明显下降到9万转时的0.053 mm,之后波深又迅速增大,发展到15万转时的0.097 mm。