改善地鐵車輪多邊形問題的生產(chǎn)實(shí)踐

華 磊 林章敏 國(guó)新春 楊曉東 劉 剛 劉海波

(1、寶武集團(tuán)馬鋼軌交材科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000 2、安徽馬鋼表面技術(shù)股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000）

1 概述

近年來,車輪多邊形磨問題在地鐵車輪運(yùn)用過程中表現(xiàn)的越發(fā)突出,也是待予解決難題之一。車輪多邊形磨損是車輪出現(xiàn)周向不均勻磨損的現(xiàn)象。其危害在于加劇輪軌間作用力,增加車內(nèi)噪音和車輛異常振動(dòng)[1-3]。一般情況下車輪輕微的多邊形不會(huì)影響乘客的舒適度和車輛整體性能,只有當(dāng)車輪的輪緣、踏面磨耗到一定程度時(shí),采用鏇修的方法予以改善。車輪多邊形磨損的引起因素很多,如車輪硬度偏低、周向硬度不均勻、線路彎道多、車輛狀態(tài)等。本文從車輪制造研究出發(fā),改進(jìn)車輪的原始性能,進(jìn)而改善車輪服役表現(xiàn),對(duì)同行業(yè)具有指導(dǎo)性的意義[4-6]。

2 地鐵車輪多邊形的特征分析

針對(duì)某地鐵線路服役車輪跟蹤測(cè)量,具體運(yùn)營(yíng)里程與多邊形特征見表1。5列車所有車輪的平均階次、車輪偏心和11～16邊形磨損平均粗糙度水平隨車輛運(yùn)營(yíng)里程的規(guī)律如圖1、圖2所示。從圖中分析可見,車輪偏心磨損和11～16邊形磨損都有一個(gè)相對(duì)較快的發(fā)展期,運(yùn)營(yíng)里程在2萬公里時(shí),車輪偏心磨損發(fā)展相對(duì)較快;運(yùn)營(yíng)里程在8～12萬公里時(shí),車輪11～16邊形磨損發(fā)展較快。

圖1 各測(cè)試車輛車輪平均階次圖

圖2 各測(cè)試車輛偏心和11～16階多邊形平均粗糙度水平

表1 各測(cè)量車輛運(yùn)營(yíng)里程

3 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

為驗(yàn)證車輪多邊形磨耗與車輪硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)未發(fā)生多邊形的車輪與多邊形磨耗的車輪進(jìn)行硬度檢測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn),未出現(xiàn)多邊形與多邊形磨耗嚴(yán)重車輪的踏面下35mm硬度低約10HBW,且周向硬度均勻性波動(dòng)較小,說明提高車輪硬度和硬度均勻性是抑制多邊形發(fā)生、發(fā)展的措施之一。

3.1 地鐵車輪材質(zhì)鋼合金化設(shè)計(jì)

根據(jù)固溶強(qiáng)化的規(guī)律,間隙原子C是車輪鋼中最重要的強(qiáng)化元素,對(duì)強(qiáng)、硬度貢獻(xiàn)最大,其次是Si。

但提高C、Si含量提高車輪強(qiáng)度和硬度的同時(shí),將顯著降低材料的韌性和抗冷疲勞性能,C、Si含量的合理設(shè)計(jì)直接決定車輪綜合性能匹配,從圖3看,總體評(píng)估C、Si對(duì)各項(xiàng)性能的影響,碳含量在0.6 -0.65 %范圍選擇是較佳,Si含量選擇在0.4 %以下有利于車輪鋼的加工性能[9-10]。Al是鋼中常用的脫氧劑,用作煉鋼時(shí)的脫氧定氫劑,煉鋼完成時(shí)鋼中的Al除在鋼中形成極少量的Al2O3外,其余是固溶在鋼中的酸溶鋁,這部分Al在鋼中通過影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為而對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生影響,細(xì)化奧氏體晶?？稍诓挥绊憦?qiáng)度的同時(shí)明顯提高韌性,從圖4看,當(dāng)Als含量超過0.010%后,會(huì)產(chǎn)生明顯的晶粒細(xì)化作用,對(duì)提高綜合性能是有利的[10]。

圖3 C、Si含量的綜合影響

圖4 Als和奧氏體晶粒尺寸的關(guān)系

3.2 熱處理加熱工藝

從圖5-圖6,可以看出,奧氏體晶粒的大小和均勻性直接影響車輪鋼的塑性和韌性,為進(jìn)一步提高車輪的塑韌性,需在合金成分優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱處理工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 車輪對(duì)應(yīng)不同塑性水平的顯微組織

圖6 車輪對(duì)應(yīng)不同低溫韌性水平的顯微組織

在軋態(tài)車輪上取樣進(jìn)行了粗化溫度試驗(yàn),重點(diǎn)研究原始組織、加熱溫度、加熱時(shí)間對(duì)粗化溫度的影響,見圖7,從試驗(yàn)結(jié)果看:(1)軋態(tài)組織的車輪鋼奧氏體晶粒在800℃～900℃據(jù)有較好的穩(wěn)定性,但晶粒度6.5 級(jí)較大,不利于車輪鋼的塑性和韌性;(2)正火有效細(xì)化了車輪鋼奧氏體晶粒,且不同正火溫度獲得的晶粒細(xì)化效果不同,由此,車輪熱處理加熱工藝方法、控制參數(shù)得以確定。

圖7 軋態(tài)車輪、正火態(tài)車輪奧氏體晶粒度隨溫度變化情況

3.3 淬火工藝

采用弱冷+強(qiáng)冷組合淬火的方式,弱冷車輪踏面時(shí),使踏面近表層15mm以內(nèi)發(fā)生完全細(xì)珠光體+少量鐵素體(即F-P)組織轉(zhuǎn)變,但此時(shí)輪輞內(nèi)部金屬溫度仍然處于Ac3溫度以上,尚未發(fā)生冷卻轉(zhuǎn)變。而后,大流量噴眼噴射車輪踏面,噴射冷卻時(shí)間取決于輪輞厚度,使輪輞/輻板過渡處“發(fā)暗”,完成F-P轉(zhuǎn)變。

取地鐵車輪用鋼的化學(xué)成分見表2,按850℃正火后冷卻,再以820-880℃加熱后,分別采用弱冷+強(qiáng)冷組合淬火和直接強(qiáng)冷淬火,再經(jīng)回火。所得車輪輪輞的四分之一,從端部(默認(rèn)為0°)起再沿周向每隔10°取一片斷面硬度塊,按圖8所示進(jìn)行網(wǎng)格硬度測(cè)試,并分析沿輪輞徑向、軸向硬度的最大值、最小值及平均值,結(jié)果表明,采用弱冷+強(qiáng)冷組合淬火,車輪的徑向、軸向硬度梯度均低于15HB,而直接強(qiáng)冷淬火,車輪的徑向、軸向硬度梯度均在25HB以上,如圖9所示。

表2 車輪用鋼化學(xué)成分

圖8 網(wǎng)格硬度

圖9 車輪輪輞斷面硬度沿周向分布

結(jié)束語

本文通過地鐵車輪所用材質(zhì)的合金化設(shè)計(jì)和熱處理工藝研究方面,提高鐵路車輪輪輞的硬度和硬度均勻性,對(duì)改善車輪的使用性能,尤其是預(yù)防或減緩車輪的失圓(多邊形)、偏磨等使用問題的發(fā)生,提高全壽命周期內(nèi)磨耗的均勻性起到一定的改善作用。