高速鐵路車輪鋼磨損和滾動接觸疲勞性能的改善方法研究.pdf

1、車輪是鐵路車輛關鍵部件之一。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，我國在高速列車的研究和開發(fā)方面取得了很大進步。2016年已成功研發(fā)中國標準動車組，且動車組的大部分部件已實現(xiàn)國產(chǎn)化。但是，目前所有的動車組車輪依然依賴進口。鐵路車輪是損耗件，高鐵車輪的使用壽命約為3年，每片車輪的費用高達2萬人民幣。如果實現(xiàn)高鐵車輪國產(chǎn)化，其使用費用將大幅下降。車輪損傷主要可分為:磨損、機械應力引起的滾動接觸疲勞和熱疲勞?？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。這導致車輪發(fā)生源于次表面夾雜物接觸疲勞的風險顯著增加。此外，車輪踏面發(fā)生馬氏體相變的可能性隨著列車運行速度的增加而增加，這可能導致車輪發(fā)生熱疲勞損傷。因此，有必要對高速鐵路車輪鋼磨損和滾動接觸疲勞性能的改善方法進行研究。研究成果對我國高速列車的車輪材料開發(fā)和可靠性設計具有重要現(xiàn)實意義。
　　受高速鐵路基礎研究聯(lián)合基金(U1134202)、長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT1178)、2014年西南交通大學博士研

3、究生創(chuàng)新基金和中央高校基本科研業(yè)務專項資金資助，本論文研究了一種改進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車輪鋼磨損和滾動接觸疲勞性能的影響。同時，提出了車輪中夾雜物尺寸對車輪次表面疲勞和深層疲勞影響的定量評估方法。本論文的主要研究內(nèi)容和獲得的結論如下:
　　(1)改進型HiSi車輪鋼強韌匹配的研究
　　最近，科研人員在傳統(tǒng)ER8車輪鋼的基礎上通過合金化設計，開發(fā)出一種改進型的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性能。與傳統(tǒng)ER8車輪鋼相比，HiSi車輪鋼在提高強度的同時不降低沖擊韌性。HiSi車輪鋼通過固溶強化和細化珠光體片層距提高其強度，通過增加鐵素體含量提高其沖擊韌性。遠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;遠離車輪表面材料的珠光體片層距和球團尺寸均較大，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車輪鋼分別通過加碳、固溶強化和析出強化提高材料強度。本研究調(diào)查了不同強化機制對車輪鋼抗磨損性能的影響。研究結果表明，加碳和固溶強化都能提高車輪鋼的抗磨損性能，而析出強化導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變硬化行為共同影響。按照提高基體硬度的程度對三種強化機制按從大到小進行排序，依次為固溶強化、加碳和析出強化。加碳可提高材料應變硬化程度，而固溶

6、強化和析出強化均降低材料的應變硬化程度，其中析出強化車輪鋼的應變硬化程度下降最明顯。固溶強化和析出強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。通過在實驗室條件下模擬車輪和鋼軌的滑動過程，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比分析了HiSi和ER8車輪鋼的抗白層形成能力。結果表明，HiSi車輪鋼通過提

7、高Si含量，提高了材料的相變點，從而改善了材料的抗白層形成能力。通過滾動接觸疲勞試驗和有限元分析，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。結果表明，馬氏體白層顯著降低車輪鋼的抗接觸疲勞性能。無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，硬化點由細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。因此，本研究提出一種評估車輪鋼內(nèi)部最大微觀夾雜物的新方法，并分析微觀夾雜物對車輪次表面疲勞和深層疲勞的影響。本研究通過在水冷條件下對預處理后的具有較大危險體積的試樣進行超聲疲勞試驗，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雜物評估方法和極值統(tǒng)計法，預測了車輪危險體積內(nèi)的最大夾雜物尺寸。在此基礎上，基于斷