高速鐵路車輪鋼磨損和滾動(dòng)接觸疲勞性能的改善方法研究.pdf

1、車輪是鐵路車輛關(guān)鍵部件之一。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，我國(guó)在高速列車的研究和開(kāi)發(fā)方面取得了很大進(jìn)步。2016年已成功研發(fā)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，且動(dòng)車組的大部分部件已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。但是，目前所有的動(dòng)車組車輪依然依賴進(jìn)口。鐵路車輪是損耗件，高鐵車輪的使用壽命約為3年，每片車輪的費(fèi)用高達(dá)2萬(wàn)人民幣。如果實(shí)現(xiàn)高鐵車輪國(guó)產(chǎn)化，其使用費(fèi)用將大幅下降。車輪損傷主要可分為:磨損、機(jī)械應(yīng)力引起的滾動(dòng)接觸疲勞和熱疲勞?？紤]到鋼軌波磨和車輪不圓度，輪軌接觸力隨著列車速

2、度的增加而顯著增加。這導(dǎo)致車輪發(fā)生源于次表面夾雜物接觸疲勞的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。此外，車輪踏面發(fā)生馬氏體相變的可能性隨著列車運(yùn)行速度的增加而增加，這可能導(dǎo)致車輪發(fā)生熱疲勞損傷。因此，有必要對(duì)高速鐵路車輪鋼磨損和滾動(dòng)接觸疲勞性能的改善方法進(jìn)行研究。研究成果對(duì)我國(guó)高速列車的車輪材料開(kāi)發(fā)和可靠性設(shè)計(jì)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
　　受高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金(U1134202)、長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1178)、2014年西南交通大學(xué)博士研

3、究生創(chuàng)新基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助，本論文研究了一種改進(jìn)型高速鐵路車輪鋼的磨損和接觸疲勞性能，分析了組織和表面處理對(duì)車輪鋼磨損和滾動(dòng)接觸疲勞性能的影響。同時(shí)，提出了車輪中夾雜物尺寸對(duì)車輪次表面疲勞和深層疲勞影響的定量評(píng)估方法。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和獲得的結(jié)論如下:
　　(1)改進(jìn)型HiSi車輪鋼強(qiáng)韌匹配的研究
　　最近，科研人員在傳統(tǒng)ER8車輪鋼的基礎(chǔ)上通過(guò)合金化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出一種改進(jìn)型的HiSi車輪鋼。本研究調(diào)查

4、了HiSi車輪鋼在不同輪輞深度下組織和力學(xué)性能。與傳統(tǒng)ER8車輪鋼相比，HiSi車輪鋼在提高強(qiáng)度的同時(shí)不降低沖擊韌性。HiSi車輪鋼通過(guò)固溶強(qiáng)化和細(xì)化珠光體片層距提高其強(qiáng)度，通過(guò)增加鐵素體含量提高其沖擊韌性。遠(yuǎn)離車輪表面材料的珠光體片層距較大，鐵素體含量較高，因此材料的硬度較低;遠(yuǎn)離車輪表面材料的珠光體片層距和球團(tuán)尺寸均較大，因此材料的沖擊韌性較低。
　　(2)HiSi車輪鋼磨損和接觸疲勞性能研究
　　與ER8車輪鋼相比，E

5、R9車輪鋼、HiSi車輪鋼和0.07V車輪鋼分別通過(guò)加碳、固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化提高材料強(qiáng)度。本研究調(diào)查了不同強(qiáng)化機(jī)制對(duì)車輪鋼抗磨損性能的影響。研究結(jié)果表明，加碳和固溶強(qiáng)化都能提高車輪鋼的抗磨損性能，而析出強(qiáng)化導(dǎo)致車輪鋼抗磨損性能下降。車輪鋼的抗磨損性能由磨損面硬度決定，而磨損面硬度受材料基體硬度和應(yīng)變硬化行為共同影響。按照提高基體硬度的程度對(duì)三種強(qiáng)化機(jī)制按從大到小進(jìn)行排序，依次為固溶強(qiáng)化、加碳和析出強(qiáng)化。加碳可提高材料應(yīng)變硬化程度，而固溶

6、強(qiáng)化和析出強(qiáng)化均降低材料的應(yīng)變硬化程度，其中析出強(qiáng)化車輪鋼的應(yīng)變硬化程度下降最明顯。固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化提高了車輪鋼的先共析鐵素體含量，降低了先共析鐵素體的延展性，從而降低了磨損面的應(yīng)變硬化程度。
　　本研究還調(diào)查了HiSi車輪鋼的表面接觸疲勞和熱疲勞性能。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬車輪和鋼軌的滑動(dòng)過(guò)程，成功在車輪試樣表面生成馬氏體白層，然后從材料相變的角度對(duì)比分析了HiSi和ER8車輪鋼的抗白層形成能力。結(jié)果表明，HiSi車輪鋼通過(guò)提

7、高Si含量，提高了材料的相變點(diǎn)，從而改善了材料的抗白層形成能力。通過(guò)滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)和有限元分析，調(diào)查了含有白層和未含白層的HiSi和ER8車輪鋼的抗接觸疲勞性能。結(jié)果表明，馬氏體白層顯著降低車輪鋼的抗接觸疲勞性能。無(wú)論車輪鋼的表面是否存在白層，HiSi車輪鋼的抗接觸疲勞性能均優(yōu)于ER8車輪鋼。
　　(3)激光離散處理對(duì)車輪鋼磨損和表面接觸疲勞性能影響的研究
　　本研究使用激光離散處理提高車輪鋼的抗磨損和抗表面接觸疲勞性能。

8、激光離散處理可在材料表面加工出離散的硬化點(diǎn)，硬化點(diǎn)由細(xì)晶馬氏體和殘余奧氏體組成，其平均硬度為762HV。本研究調(diào)查了激光離散處理后，車輪鋼的抗磨損和抗表面接觸疲勞性能。結(jié)果表明，激光處理區(qū)抑制了車輪試樣表面的塑性變形，從而抑制了剝層磨損，延遲了滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的萌生。激光離散處理后，車輪鋼的抗磨損性能提高了3倍，抗疲勞性能提高了2倍。
　　(4)微觀夾雜物對(duì)車輪次表面疲勞和深層疲勞的影響研究
　　次表面疲勞和深層疲勞是鐵路車

9、輪最危險(xiǎn)的兩種損傷形式。這兩種損傷均與車輪內(nèi)部的最大夾雜物密切相關(guān)。因此，本研究提出一種評(píng)估車輪鋼內(nèi)部最大微觀夾雜物的新方法，并分析微觀夾雜物對(duì)車輪次表面疲勞和深層疲勞的影響。本研究通過(guò)在水冷條件下對(duì)預(yù)處理后的具有較大危險(xiǎn)體積的試樣進(jìn)行超聲疲勞試驗(yàn)，成功在斷口上獲取試樣內(nèi)部的最大夾雜物尺寸。分析表明，與傳統(tǒng)鏡檢法相比，該方法速度快精度高?；诒狙芯刻岢龅膴A雜物評(píng)估方法和極值統(tǒng)計(jì)法，預(yù)測(cè)了車輪危險(xiǎn)體積內(nèi)的最大夾雜物尺寸。在此基礎(chǔ)上，基于斷