合金鋼轍叉3D打印修復(fù)技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)分析

岳崢 龍作虹

摘要：隨著高速重載鐵路的發(fā)展，磨耗成為降低合金鋼轍叉使用壽命的主要因素，當(dāng)轍叉?zhèn)麚p到一定程度就需要更換，通過3D打印修復(fù)技術(shù)可以得到形貌接近原樣的修復(fù)樣品，這將極大的提升合金鋼轍叉的使用壽命，顯著降低鐵路運(yùn)營(yíng)成本。對(duì)于合金鋼轍叉可以在叉心深度一定范圍內(nèi)采用耐磨性更好的材料，3D打印的核心原理是分層制造、逐層疊加，這為轍叉深度范圍內(nèi)采取不同材料提供了有效手段。本文分析了合金鋼轍叉的薄弱斷面，結(jié)合有限元理論，建立了道岔區(qū)合金鋼轍叉和LM型踏面接觸的三維彈塑性有限元模型，分析了不同軸重下薄弱斷面接觸應(yīng)力、von mises等效應(yīng)力、塑性應(yīng)變分布，為合金鋼轍叉3D打印修復(fù)技術(shù)提供了理論支撐。

Abstract： With the development of high-speed and heavy-load railways， wear has become a major factor in reducing the service life of alloy steel frogs. When the frogs are damaged to a certain extent， they need to be replaced. Through 3D printing repair technology， repair samples with nearly the same shape can be obtained， which will greatly increase the service life of alloy steel frogs and significantly reduce railway operating costs. For alloy steel frogs， materials with better wear resistance can be used within a certain depth of the fork core. The core principle of 3D printing is layered manufacturing and layer-by-layer stacking， which provides an effective means for adopting different materials within the depth of the frog. In this paper， the weak section of alloy steel frog is analyzed， combined with the finite element theory， a three-dimensional elastoplastic finite element model of the contact between the alloy steel frog and the LM tread in the turnout area is established， and the distribution of contact stress， von mises equivalent stress and plastic strain distribution under different axial loads are analyzed， which provides theoretical support for the 3D printing repair technology of alloy steel frogs.

關(guān)鍵詞：合金鋼轍叉;3D打印;修復(fù)技術(shù);力學(xué)參數(shù)

Key words： alloy steel frog;3D printing;repair technology;mechanical parameters

中圖分類號(hào)：U213.62? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）20-0199-04

1? 既有道岔使用現(xiàn)狀

轍叉是使車輪由一股鋼軌通過另一股鋼軌的軌線平面交叉設(shè)備[1]，按照構(gòu)造類型分，有固定轍叉和可動(dòng)心軌轍叉;鐵路轍叉主要使用珠光體鋼軌鋼、高錳鋼、貝氏體鋼和馬氏體時(shí)效鋼這些材料[2]。目前，我國(guó)既有線道岔廣泛使用奧氏體高錳鋼材質(zhì)，其特點(diǎn)是高的沖擊韌性和較低的屈服強(qiáng)度[3]。不可否認(rèn)高錳鋼具有良好的沖擊韌性，在承受強(qiáng)烈沖擊或重力碾壓下，材料表面迅速硬化，而心部還保持著良好的韌性。然而高錳鋼轍叉的硬度值在經(jīng)過水韌處理后降低到僅有220HB左右，故高錳鋼耐磨性能在初始服役階段不高，且產(chǎn)生一定的塑性變形導(dǎo)致其使用壽命大大縮減[4]。此外，在高錳鋼整體鑄造時(shí)，由于其本身的流動(dòng)性差以及轍叉體積較大，內(nèi)部容易產(chǎn)生鑄造缺陷，且在列車頻繁的沖擊下導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生并向外擴(kuò)展。由于裂紋的出現(xiàn)，使得相當(dāng)數(shù)量的高錳鋼轍叉在沒有達(dá)到磨耗限度之前就提前達(dá)到傷損標(biāo)準(zhǔn)，不得不更換下線。在重載列車試驗(yàn)中，高錳鋼強(qiáng)度的不足夠?qū)е赂咤i鋼轍叉由于變形引起的高度損傷和疲勞裂紋需要頻繁焊補(bǔ)來恢復(fù)[5]。并且高錳鋼轍叉的使用壽命離散性很大，如：1992年，原鐵道部工務(wù)局對(duì)全路近10萬(wàn)組道岔的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，寶雞廠生產(chǎn)高錳鋼轍叉通過總重最低為3281萬(wàn)t，而最高的卻達(dá)到3.4億t，相差達(dá)十倍以上。近年來，高錳鋼澆注技術(shù)和提高和制造工藝的改進(jìn)，大大提高了高錳鋼整鑄轍叉的使用壽命。到目前為止，盡管我國(guó)高錳鋼整鑄轍叉的平均使用壽命已提高至近1億t，但其使用壽命離散性由于其結(jié)構(gòu)特性仍較大。

合金鋼道岔作為鐵路道岔近年來快速發(fā)展的一種新結(jié)構(gòu)形式，且具有強(qiáng)度高、韌性高、硬度高以及耐磨性高等特征[6]。貝氏體合金鋼作為制作鐵路轍叉的理想材料，所展現(xiàn)出的優(yōu)良的抗接觸疲勞和耐磨性能，均由于其具有高的強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)捻g度（韌性是珠光體鋼軌的2～3倍）和硬度，特別是其優(yōu)異的焊接工藝性能[7]。1980年，英國(guó)開始將貝氏體鋼用于鐵路轍叉的研究，隨后代號(hào)為J9的貝氏體鋼鐵路轍叉于1995年在美國(guó)和俄國(guó)的合作下成功研制。Bhadeshia教授作為英國(guó)劍橋大學(xué)著名的國(guó)際貝氏體相變研究專家，于1999年發(fā)明了鐵路轍叉用貝氏體鋼的專利技術(shù)，隨后其他國(guó)家也相繼開展關(guān)于貝氏體鐵路鋼軌及轍叉材料的研究。在2009年，BWG公司通過實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際鐵路線路試驗(yàn)得出一個(gè)結(jié)果，即在鐵路轍叉領(lǐng)域中高強(qiáng)度貝氏體鋼完全適合使用[7]。

較高的抗拉強(qiáng)度與硬度為合金鋼轍叉提供了良好的耐磨性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表明，抗拉強(qiáng)度每提高200MPa，其磨損可減少一半，鋼軌的使用壽命則可提高一倍，而當(dāng)貝氏體鋼的質(zhì)量穩(wěn)定時(shí)，其鐵路轍叉壽命是高錳鋼的2～4倍[4]。因此，在高速鐵路道岔中使用合金鋼，可大大提高道岔的抗疲勞性和耐磨性，在地鐵中使用合金鋼轍叉可提高其耐磨性，但在出廠時(shí)仍需進(jìn)行加工硬化，以減少道岔的初期磨耗。延長(zhǎng)鋼軌使用壽命將有效降低運(yùn)營(yíng)成本，本文基于有限元理論，建立了道岔區(qū)合金鋼轍叉和LM型踏面接觸的三維彈塑性有限元模型，分析了不同軸重下20mm斷面應(yīng)力-應(yīng)變分布，為合金鋼轍叉3D打印修復(fù)技術(shù)提供關(guān)鍵參數(shù)。

2? 岔區(qū)輪軌接觸三維彈塑性有限元模型

由于轍岔部位存在變截面鋼軌，其三維模型建立較為困難，故本文綜合運(yùn)用三維造型設(shè)計(jì)軟件PRO/E和有限元通用軟件ANSYS建立岔區(qū)輪軌接觸三維有限元模型，即利用PRO/E軟件建立道岔鋼軌的三維實(shí)體模型;利用ANSYS軟件對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元模型，然后利用ANSYS軟件功能強(qiáng)大的接觸分析模塊對(duì)岔區(qū)輪軌接觸狀態(tài)進(jìn)行分析。

2.1 車輪模型

車輪踏面需要斜度，其原因在于：首先離心力作用會(huì)使得在曲線運(yùn)行中的車輛輪對(duì)偏向外軌，故外軌滾動(dòng)的車輪與鋼軌接觸部分與內(nèi)軌相比其外軌接觸直徑較大而內(nèi)軌接觸直徑較小，使得外軌車輪行走路程長(zhǎng)而內(nèi)軌短，與曲線區(qū)間線路外長(zhǎng)內(nèi)短相匹配，所以當(dāng)車輪踏面具有一定斜度時(shí)可以減少車輪在鋼軌上的滑行而順利通過曲線;其次當(dāng)車輛直線運(yùn)行時(shí)，若車輛中心線與軌道中心線不一致，可自動(dòng)調(diào)中使得輪對(duì)在行進(jìn)過程中糾正偏離的位置;最后踏面磨耗沿寬度方向會(huì)比較均勻。綜上可知，車輪踏面的斜度是所需要的，由于車輪踏面斜度的存在，也導(dǎo)致了輪對(duì)或者整個(gè)車輛發(fā)生自激蛇行運(yùn)動(dòng)[8]。

錐形踏面由1：20和1：10兩條斜直線組成，1：20的斜直線作為輪軌的主要接觸部分位于輪緣內(nèi)側(cè)45-100mm范圍內(nèi)，1：10的斜直線則是離內(nèi)側(cè)100mm以外的部分。實(shí)踐證明，最新踏面車輪的初始形狀會(huì)在運(yùn)行過程中很快磨耗到一定形狀，此后車輛和鋼軌的磨耗都趨于緩慢且踏面形狀將維持穩(wěn)定，故在研究和改進(jìn)錐形踏面的基礎(chǔ)上慢慢發(fā)展起來磨耗型踏面，該踏面可明顯減少輪軌磨耗、材料消耗、檢修工作量、輪軌接觸力以及延長(zhǎng)使用壽命，保證車輛運(yùn)行的平穩(wěn)且有有助于曲線通過。踏面的形狀各種各樣，但總的來說需要滿足抗蛇行運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、防脫軌的安全性以及易于通過曲線等條件[8]。

我國(guó)LM型踏面外形尺寸如圖1示，它的特點(diǎn)是：輪緣高度為32mm，高度為27mm。輪緣內(nèi)側(cè)面有R16的導(dǎo)角，以便引導(dǎo)車輪順利通過護(hù)軌。如圖2所示為workbench中整個(gè)車輪的模型圖。

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2.2 合金鋼轍叉模型

不同于整鑄式高錳鋼轍叉，合金鋼轍叉翼軌和心軌不是一個(gè)整體，如圖3所示為心軌頂寬20mm、50mm的斷面圖。

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本文運(yùn)用workbench軟件創(chuàng)建二維草圖、三維零件實(shí)體及曲面設(shè)計(jì)模塊，結(jié)合其與生俱來的曲面實(shí)體集成的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)建了道岔實(shí)體模型，如圖4所示為心軌部分模型。

2.3 計(jì)算模型的邊界條件

由軸重引起的作用在輪軸中心線位置的外載荷，是由車輛作用在輪對(duì)上的。作用力圖如圖5所示，將軌道底面所有節(jié)點(diǎn)的三個(gè)方向的線位移以及車軸兩端面所有節(jié)點(diǎn)的X和Z方向全部約束[8]。

2.4 輪軌接觸模型建立

本報(bào)告利用大型有限元軟件ANSYS（workbench），建立輪軌接觸的三維有限元模型。輪對(duì)與道岔接觸部分的網(wǎng)格劃分較密是由于輪軌接觸區(qū)面積小于接觸表面的曲率半徑，故接觸區(qū)應(yīng)力遠(yuǎn)大于非接觸區(qū)即接觸區(qū)存在明顯的應(yīng)力集中，因此遠(yuǎn)離接觸的部分網(wǎng)格劃分逐漸稀疏[9]。這樣既能滿足接觸計(jì)算精度的要求，又能節(jié)省計(jì)算時(shí)間;此外，為了降低網(wǎng)格數(shù)量車輪僅選取一部分，鋼軌選取軌頭部分，接觸模型圖6所示。

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高錳鋼材料與合金鋼材料模型均為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，其中參考《Effect of microstructure on the very high cycle fatigue behavior of a bainite/martensite multiphase steel》合金鋼屈服強(qiáng)度為1226MPa，彈性模量均為2.1GPa;針對(duì)車輪采用線彈性材料，彈性模量為2.1GPa。

3? 計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)軸重分別為21t和16t兩種工況，參考文獻(xiàn)《高速車輪與高錳鋼轍叉間沖擊問題特性分析》可知，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在心軌斷面20mm處，如圖7為該文獻(xiàn)轍叉及研究位置示意圖，不同于本報(bào)告的靜力學(xué)，該文獻(xiàn)采用的是顯式動(dòng)力學(xué)，各個(gè)位置在100km/h、150km/h、200km/h的速度下等效應(yīng)力如表1所示，其中心軌20mm斷面處的最大等效應(yīng)力分別為946MPa、972MPa和997MPa，因此在靜力學(xué)分析中針對(duì)心軌頂寬20mm展開分析。

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3.1 合金鋼轍叉靜力計(jì)算結(jié)果

結(jié)合上述分析得到的參數(shù)，建立輪軌接觸有限元模型。計(jì)算了叉心20mm斷面處應(yīng)力應(yīng)變分布情況，結(jié)果如圖8所示為21t、16t軸重下接觸應(yīng)力、von mises等效應(yīng)力、塑性應(yīng)變分布。

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由圖8可知，兩種軸重下，鋼軌表面接觸應(yīng)力最大值分別為2004MPa和1831.4MPa，隨著輪載的增大接觸應(yīng)力也增大，最大值相差約10%。

由圖9、圖10可知，兩種軸重下，鋼軌表面等效應(yīng)力最大值分別為658MPa和600MPa，隨著輪載的增大等效應(yīng)力最大值也增大，最大值相差約10%;截面等效應(yīng)力最大分別是1147MPa和1034MPa，隨著輪載的增大等效應(yīng)力最大值也增大，最大值相差約11%。另外，由圖9和3D打印材料力學(xué)參數(shù)，考慮一定的安全余量，3D打印修復(fù)的范圍可確定為軌頂以下15mm。

3.2 塑性應(yīng)變

由圖11、圖12可知，兩種軸重下，鋼軌表面塑性應(yīng)變最大值分別為0.0296和0.0272，隨著輪載的增大塑性應(yīng)變最大值也增大，最大值相差約9%;截面塑性應(yīng)變最大值分別是0.050和0.045，隨著輪載的增大塑性應(yīng)變最大值也增大，最大值相差約11%。

4? 結(jié)論

本文利用大型有限元軟件ansys（workbench）建立了合金鋼轍叉的有限元模型，并分析了在21t、16t軸重下心軌頂寬20mm處的接觸應(yīng)力、等效應(yīng)力和塑性應(yīng)變，為合金鋼轍叉3D打印修復(fù)技術(shù)提供了理論支撐，具體結(jié)論如下：

①隨著軸重的增加，合金鋼轍叉的接觸應(yīng)力、等效應(yīng)力和塑性應(yīng)變最大值均增大;

②合金鋼轍叉的等效應(yīng)力和塑性應(yīng)變最大值均在鋼軌內(nèi)部，不在轍叉鋼軌表面;

③建議對(duì)合金鋼轍叉進(jìn)行3D打印修復(fù)時(shí)，采取分層修復(fù)，靠近叉心頂面部分采取耐磨性更好的材料，應(yīng)力水平和塑性應(yīng)變較小的部分采用和基體相同的材料，考慮一定的安全余量，3D打印修復(fù)的范圍可確定為軌頂以下15mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐵道部工務(wù)局組織編寫.鐵路工務(wù)技術(shù)書冊(cè)·道岔[M].中國(guó)鐵道出版社，2005.

[2]陳朝陽(yáng).道岔用空冷貝氏體軌鋼的研究[D].鐵道部科學(xué)研究院，2001.

[3]陸有，孫大仁.提高高錳鋼鑄件的使用方法與途徑[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，1996，036（003）：129-130.

[4]康杰.鐵路轍叉用合金鋼的組織和性能研究[D].燕山大學(xué)， 2016.

[5]Davis D， Scholl M， Sehitoglu H. Development of bainitic frogs for HAL service[J]. Railway Track & Structures， 1997， 35（12）： 14-16.

[6]朱廣山.合金貝氏體鋼在鐵路道岔生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].甘肅科技，2012，5：63-64.

[7]張福成，楊志南，康杰.鐵路轍叉用貝氏體鋼研究進(jìn)展[J]. 燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，37（1）：1-7.

[8]張書文.城軌車輛輪對(duì)與轍叉接觸的有限元研究[D].大連交通大學(xué)，2007.

[9]袁雨青，李強(qiáng)，劉偉.踏面磨耗對(duì)輪軌接觸特性影響研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（12）：103-108.