列车车轮组合激光强化方法
阅读：163发布：2020-07-16
专利汇可以提供列车车轮组合激光强化方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种列车 车轮 组合激光强化方法，其做法是：既对车轮踏面进行激光强化，又对车轮非踏面部位进行激光强化；且对车轮踏面进行激光强化时，对驱动车轮进行增粘强化，对拖车车轮进行降粘强化。由该方法强化后的车轮与轨道磨损的匹配性好，车轮踏面部分的强化寿命与车轮非踏面的强化寿命匹配，车轮的使用寿命长，可靠性强；列车使用该方法强化后的车轮，牵引驱 动能 力 强，运行能耗低。，下面是列车车轮组合激光强化方法专利的具体信息内容。
1.一种列车车轮组合激光强化方法，其做法是：既对车轮踏面进行激光强化，又对车轮非踏面部位进行激光强化；且对车轮踏面进行激光强化时，对驱动车轮踏面进行增粘强化，提高了驱动车轮与轨道的粘着力；对拖车车轮踏面进行降粘强化，降低了拖车车轮与轨道接触摩擦力；
所述的对车轮踏面进行激光强化的具体做法是：通过轨道磨耗比较实验，根据磨耗速度最低的原则，确定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法中的一种方法对车轮踏面进行激光强化。
2.根据权利要求1所述的一种列车车轮组合激光强化方法，其特征在于，所述的对车轮踏面进行激光强化的强化深度≥轮-轨滚动接触疲劳影响深度；且对车轮踏面进行激光强化的强化深度和对车轮非踏面进行激光强化的强化深度满足：强化后的非踏面部位疲劳寿命≥强化后的踏面部位磨耗寿命的条件；所述的强化深度是激光强化后使材料表层组织发生相变的厚度，即相变组织与基体组织界面到表面的距离。
3.根据权利要求1所述的一种列车车轮组合激光强化方法，其特征在于，所述的对车轮非踏面部位进行激光强化的具体做法是：采用激光喷丸加工方法进行激光强化。
列车车轮组合激光强化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及列车零部件及激光加工组织技术领域。
背景技术
[0002] 车轮是关系列车服役经济性、安全性、乘坐舒适性和环境噪音的关键部件，与车轴、轴承等部件组装在一起后组成轮对，在复杂轮轨滚动接触冲击力作用下，会出现了冲击、滑动噪音等环境问题；其踏面部位承受复杂滚动接触疲劳载荷，出现剥离与磨耗等损伤问题；而其非踏面部位承受复杂三维交变疲劳载荷，呈现疲劳累积损伤问题。同时，为提高列车综合运行性能，对车轮提出了低质量、低噪音、长寿命、高可靠性与安全性的苛刻科技要求。
[0003] 依照世界列车车轮制造技术特点，列车车轮可区分为整体车轮、弹性组合车轮和激光踏面车轮：
[0004] 整体车轮，现有材料主要有优质碳素钢和优质低合金钢两种，制造工艺分为连铸工艺和连轧工艺，包含钢水精炼-轮坯锻轧/铸造-热处理/表面强化-精加工等过程；热处理/表面强化工艺包括调质、表面淬火、表面喷丸等，由于材料组织结构没有发生实质性转变，材料服役能力几乎达到制造能力的极限，但能力仍然有限：车轮踏面的磨损速度达0.2～2[g/cm2·10km/h]；西欧高铁低合金钢车轮，抗断裂韧度在50～80MPa.m0.5(标准EN 13262)，对应疲劳寿命N＝107cycles的疲劳强度仅为300MPa左右；美国优质碳素钢车轮，其断裂韧度值仅为50～100MPa.m0.5，对应疲劳寿命N＝107cycles的拉压疲劳强度约为
270MPa，扭转载荷状态则为170MPa；车轮踏面亚表层裂纹(a，c≤5mm)扩展寿命仅约2×
105cycles。因此，列车服役中车轮踏面磨损快，不均匀性损伤大，导致轮轨冲击载荷与冲击噪音增加快，维修寿命与总体服役寿命短。
270MPa，扭转载荷状态则为170MPa；车轮踏面亚表层裂纹(a，c≤5mm)扩展寿命仅约2×
105cycles。因此，列车服役中车轮踏面磨损快，不均匀性损伤大，导致轮轨冲击载荷与冲击噪音增加快，维修寿命与总体服役寿命短。
[0005] 弹性组合车轮，把整体车轮的轮辋区域与轮幅及轮毂区域分离成为轮箍，在轮箍与轮辐之间填装弹性吸振元件，组装在一起成为弹性车轮。具有吸振降噪功能。规范对各部位的强度能力要求与整体车轮基本一致，但由于造成TGV高速列车车轮疲劳裂纹，导致1998年6月3日德国TGV高速列车脱轨，酿成101人遇难、200多人重伤事故的车轮，正是弹性车轮，证明：组装结构，带来了轮箍与轮辐结合部疲劳裂纹萌生。该技术是在整体车轮技术方法基础上的结构改进技术，但对如何解决弹性组合车轮的疲劳断裂安全问题的途径尚未解决，世界各国基本上不再使用该类车轮。
[0006] 激光踏面车轮，上世纪90年代后期，俄罗斯机器制造科学研究院联合高尔基铁路局，率先应用CO 2激光器直接熔炼轮-轨接触面基体材料(未添加耐磨颗粒)，获得相变强化轮轨接触面，使材料微观组织微纳米化，取得了车轮踏面磨损速度降低67％～80％、延长钢轨寿命0.8～1.0的效果[Chkalov LA.Laser strengthening of wheel and rail.Railway Transport，1988，(2)：31-36]。Lennart OJ(1995)、刘豫等(2006)和Timakova等(2008)各自公开了车轮踏面的激光相变强化方法，即激光熔凝方法专利。张准胜(2001)公开了车轮踏面激光组合强化方法专利。浙江大学生产工程研究所对机车车轮轮缘开展了激光淬火工艺强化机车车轮轮缘，使磨耗率降低70％[李凤旺.机车车轮轮缘强化技术.金属热处理，1997，(10)：41-42]；济钢第一炼钢厂对行车车轮踏面进行相变激光硬化处理，提高车轮磨耗寿命达6倍[吕秀萍，徐红艳，王世勇.应用激光相变硬化技术提高天车车轮的使用寿命.设备管理与维修，2008，(10)：37]；沈阳大陆激光技术有限公司开展了CL60碾钢车轮辐板孔边裂纹进行了激光熔覆修复方法，使材料延伸率提高90％、疲劳强度提高2倍[陈常义，陈江.铁路货车轮辐板孔裂纹激光再制造.中国表面工程，2011，24(2)：92-96]，是在现有整体车轮技术上的改进技术。
[0007] 但是，现有车轮激光表面强化方法，仅针对车轮踏面和车轮辐板孔局部；匹配和解决列车综合性能(牵引能力、节能、运行冲击噪音、乘坐舒适性)、踏面磨耗、运行疲劳安全等科学问题，尚有许多不完善和需要改进之处：
[0008] 1、现有的强化方法不考虑激光强化的深度，也没有激光强化深度的概念。但，车轮踏面的失效形式是与轨道接触部分的磨耗失效，属于滚动接触疲劳损伤累积后果，具有亚表面损伤的特征；不考虑亚表面最大剥离切应力范围的强化，不能有效的消除亚表面剥离损伤，从而其强化效果差。
[0009] 2、非踏面部分的科学强化方法问题
[0010] 车轮非踏面部位的失效形式是疲劳断裂失效，属于复杂三维交变疲劳应力的累积损伤后果，符合失效物理机制的科学强化方法是抑制疲劳裂纹萌生，并需要根据损伤控制需求科学确定抑制指标，现有车轮辐板孔局部激光熔覆修复方法，其原理不是抑制疲劳裂纹萌生，而是增强局部疲劳强度，会使车轮薄弱部位发生转移，增强的局部疲劳强度也不是车轮的疲劳强度。
[0011] 3、踏面强化寿命与非踏面强化寿命的匹配性问题
[0012] 根据“最弱链失效原理”，车轮踏面强化而其它部位先于踏面磨耗寿命失效，踏面强化的效果将部分或全部丧失；非踏面局部强化如现有车轮辐板孔局部激光熔覆修复方法，其它部位先于该局部强化处失效，该强化效果也将部分或全部丧失。因此，车轮踏面强化寿命与非踏面强化寿命必须尽可能匹配一致，强化才有科学意义与实际生产意义。而实现这一目的方法现有方法无法自然达到的，必须有意识经过科学试验、计算与分析才能实现。
[0013] 4、车轮强化与列车运行牵引扩容节能问题
[0014] 列车运行的牵引驱动极限能力由驱动车轮与轨道的粘着力决定，在轨道湿滑环境，列车容易出现速度不听指挥、车轮打滑的现象，粘着力不够，使列车的牵引能力降低。在另一方面，列车运行主要能耗来自拖车车轮与轨道接触摩擦力。这说明，科学的车轮踏面强化，从列车运行牵引扩容节能角度，依其服役功能的不同，具有不同的要求，现有强化方法没有注意到这一点，也无法自然实现这一目的。
[0015] 因此，现有车轮踏面强化方法没有与科学的强化深度、与轨道磨耗性能的匹配性、牵引能力的扩容或节能相结合；非踏面部位的强化方法没有与科学的防疲劳断裂机制相匹配，其强化寿命也没有与车轮踏面的强化寿命相匹配。国际上需要发展与失效机制匹配、与服役功能匹配、踏面强化寿命与非踏面强化寿命匹配的高性能绿色车轮组合激光强化方法。
发明内容
[0016] 本发明的目的是提供一种列车车轮组合激光强化方法，由该方法强化后的车轮与轨道磨损的匹配性好，车轮踏面部分的强化寿命与车轮非踏面的强化寿命匹配，车轮的使用寿命长，可靠性强；列车使用该方法强化后的车轮，牵引驱动能力强，运行能耗低。
[0017] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种列车车轮组合激光强化方法，其做法是：既对车轮踏面进行激光强化，又对车轮非踏面部位进行激光强化；且对车轮踏面进行激光强化时，对驱动车轮进行增粘强化，对拖车车轮进行降粘强化。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0019] 一、既对车轮踏面进行激光强化，又对车轮非踏面部位进行激光强化，既使车轮踏面部位的寿命增长，又使车轮非踏面部位的寿命增长，车轮踏面部分的强化寿命与车轮非踏面的强化寿命匹配，从而有效的延缓了整个车轮的失效周期，提高了整个车轮的使用寿命，增强了车轮的可靠性。
[0020] 二、对不同车轮的塔面进行不同的强化处理：对驱动车轮踏面进行增粘强化，提高了驱动车轮与轨道的粘着力，减少了车轮打滑现象，从而提高了列车运行的牵引驱动能力；而对于拖车车轮踏面进行降粘强化，降低了拖车车轮与轨道接触摩擦力，也减少了列车运行的能耗。
[0021] 上述的对车轮踏面进行激光强化的强化深度≥轮-轨滚动接触疲劳影响深度；且对车轮踏面进行激光强化的强化深度和对车轮非踏面进行激光强化的强化深度满足：强化后的非踏面部位疲劳寿命≥强化后的踏面部位磨耗寿命的条件；所述的强化深度是激光强化后使材料表层组织发生相变的厚度，即相变组织与基体组织界面到表面的距离。
[0022] 首次提出激光强化深度的概念，强化深度是激光强化后使材料表层组织发生相变的厚度，即相变组织与基体组织界面到表面的距离，强化时保证使车轮踏面激光强化深度≥轮-轨滚动接触疲劳影响深度，能很好的消除轮-轨滚动接触疲劳载荷造成的车轮踏面内部起裂而导致的亚表面剥离失效。而强化后的非踏面部位疲劳寿命≥强化后的踏面部位磨耗寿命，则能够较好的满足非踏面部位与踏面部位的寿命匹配，同时，由于踏面部位可通过车削进行维修，维修更方便，其寿命略短，能降低整个车轮后期的维护成本。
[0023] 上述的对车轮踏面进行激光强化的具体做法是：通过轨道磨耗比较实验，根据磨耗速度最低的原则，确定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法中的一种方法对车轮踏面进行激光强化。
[0024] 这样，本发明方法不仅考虑了车轮踏面的损耗，而且考虑了车轮对轨道磨损的匹配性；强化后的车轮踏面对轨道的磨损最低，降低了整个铁路运行的维护成本，提高了铁路的安全性和可靠性。
[0025] 上述的对车轮非踏面部位进行激光强化的具体做法是：采用激光喷丸加工方法经行激光强化。
[0026] 由于车轮非踏面部位的失效形式是疲劳断裂失效，属于复杂三维交变疲劳应力的累积损伤，采用激光喷丸加工方法能抑制疲劳裂纹萌生，其抑制失效的效果好。
[0027] 下面结合具体实施方式对本发明作一步说明。
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