C80貨車車輪強化減磨技術綜合研究

董曉 金騰 李紀磊 李紅霞

摘 要：鐵路貨物運輸在整個運輸領域中發揮著重要作用，但列車運行中車輪磨損大大降低了輪對的使用壽命。本研究以C80貨車車輪作為研究對象，研究豪克能金屬強化技術對車輪耐磨性方面的影響。研究結果表明：豪克能加工后的貨車車輪表面晶粒更加均勻細化、硬度提高15%以上，加工區域預置了較高的壓應力。經豪克能工藝強化后，列車輪表面形成了超過1mm的強化層，列車行駛19.84萬km后，踏面圓周磨耗減磨比例達12.2%。

關鍵詞：輪對;磨耗;超聲滾壓;硬度;殘余應力

中圖分類號：TG404 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0185-04

Comprehensive Research on Strengthening and Anti-wear Technology of C80 Freight Car Wheels

Dong Xiao1， Jin Teng2， Li Jilei2， Li Hongxia2

（1. Shenhua Railway Equipment Co.， Ltd.， Beijing 100120， China; 2.Shandong Huayun Electromechanical Science and Technology Co.， Ltd.， Ji nan 250000， China）

Abstract：Railway freight transportation plays an important role in the entire transportation field， however， the wheel-rail wear during train operation greatly reduces the service life of the wheelset. In this study， C80 freight car wheels were used as the research object to study the influence of Hawking metal strengthening technology on the wear resistance of wheels. The results show that after Hawking processing， the grains of the wheel surface are more uniform and refined， and the hardness increased by more than 15% the residual tensile stress on the surface is completely eliminated， and processing area is preset with a higher compressive stress. After being strengthened by Hawking， the surface of the train wheel has formed a strengthened layer of more than 1mm，after the train traveled 198，400 kilometers， the circumferential abrasion of the tread has been reduced by 12.2%.

Key words：wheelset; wear; ultrasonic rolling; hardness; residual stress

車輪是鐵路貨車的重要行走部件，承載著列車的全部重量，在行駛過程中與鋼軌持續作用而產生磨損。車輪磨損主要表現為踏面垂直磨耗，磨耗超限則會影響正常的輪軌關系，需要進行鏇修[1]。重載和提速是當今鐵路貨運的發展趨勢，隨著鐵路貨車載重量、運輸量的增加，貨車車輪磨耗速率加快，鏇修周期逐漸縮短[2]。據調研，神華C80貨車車輪平均約每40萬km鏇修1次。神華貨車公司現有各類鐵路貨車近50000輛，通過新型技術手段減緩車輪磨耗，延長車輪鏇修周期具有極高的學術研究價值和經濟價值。

豪克能技術是利用法向靜壓力、滾壓力及20～40kHz沖擊力在常溫工況下對金屬材料進行表面強化加工形成改質層，利用材料的流動塑性變形能力使表層金屬晶粒細化、位錯增殖、硬度提升，同時在表層產生高值殘余壓應力以提高材料抗疲勞性能。該技術已廣泛應用于航空航天、高速列車等行業中機械加工工件抗疲勞制造中[3]。高軍、趙顯華等人對機車車輪試樣進行豪克能強化試驗，得出降低車輪試樣磨損率64%的豪克能加工工藝[4]。

本研究以C80重載貨車輪對為研究對象，利用豪克能強化技術對80條鏇修后的貨車車輪進行表面強化加工，提高表面硬度和耐磨性，并在朔黃鐵路進行20萬km的搭載試驗、線路考核以評價豪克能強化對車輪的減磨作用。

1 車輪強化加工與檢測

1.1 豪克能強化

利用合適的工裝將豪克能強化執行器安裝在CK61100×3000數控機床上分別對車輪的踏面和輪緣進行強化加工，豪克能強化裝備結構如圖1所示。

采用豪克能加工裝置對神華貨車公司提供80條C80貨車輪踏面及輪緣進行強化加工。豪克能強化工藝參數設置如表1所示。

1.2 車輪表面強化效果

通過控制豪克能超聲滾壓工藝實現了車輪踏面強化后表面粗糙度與鏇修表面粗糙度相近，滿足《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規則》中對維修車輪表面粗糙度的要求，可以上線運行[5]。豪克能加工后表面形貌，如圖2所示。

采用TH110硬度檢測僅對車輪強化前后的踏面硬度進行檢測，隨機抽取20組試樣。硬度檢測數據表明，車輪豪克能強化后，車輪表面硬度明顯提升均在15%以上，如圖3所示。

在鏇修過程中，生成的切削力會直接影響加工變形，與此同時，切削熱會作用在工件內部的熱膨脹冷縮過程，產生加工殘余拉應力，因此鏇修車輪（即非強化輪）表面存在較高的殘余拉應力。殘余拉應力的存在會加速裂紋的萌生和擴展，進而引起車輪材料剝離。為研究車輪豪克能強化前后，殘余應力真實的分布情況，本項研究采用山東華云機電科技有限公司提供的21A盲孔法殘余應力檢測儀，分別對鏇修車輪、豪克能車輪的踏面表面殘余應力進行檢測。殘余應力檢測數據如圖4所示，結果表明：豪克能加工前，車輪表面存有較高的殘余拉應力，強化加工后，第一主應力和第二主應力變化明顯，車輪表面殘余拉應力被消除并預置了較高的壓應力。

1.3 晶粒細化效果

通過對比鏇修后及豪克能超聲滾壓強化車輪的掃描電鏡圖片，如圖5所示，經鏇修后的車輪，表面凹凸不平，形成了大量的溝痕，在車痕峰的位置容易形成應力集中，從而促進疲勞裂紋萌生;而車輪經過豪克能加工后，表面比較平整，并出現了一定厚度的細晶層，晶粒細化層深度約為400μm。

2 列車運行跟蹤檢測

神華貨車公司將54輛車編入測試列第18列中，其中有20輛車安裝了豪克能強化輪（以下稱“強化輪”），34輛車安裝了普通鏇修輪做對比（以下稱“非強化輪”）。期間進行了6次車輪磨耗數據檢測，包含強化輪和非強化輪的踏面圓周磨耗、輪緣厚度，各檢測時間及行駛里程如表2所示。

強化輪和非強化輪的踏面圓周磨耗如圖6和圖7所示。

從圖6中可以看出，車輪累計磨耗總體呈現線性增長，強化輪的累計磨耗量低于非強化輪，表明經豪克能強化后車輪磨耗速率低。從圖7中可以看出，非強化輪累計磨耗和強化輪累計磨耗差值在7.7萬km左右達到最高大值，表明在7.7萬km之前豪克能強化輪的減磨效果一直是增加的，隨后減磨效果稍有降低。強化輪19.84萬km累計磨耗量1.65mm，非強化輪累計磨耗量1.88mm，減磨差0.23mm，減磨比例達12.2%。

以萬公里平均磨耗量表征車輪的磨耗速率如圖8所示。

從圖8中可以看出：列車在運行初期（運行里程0～5萬km），車輪踏面磨耗較快，這是因為新鏇修車輪投入運行，輪軌面未形成較好的型面匹配，車輪踏面與鋼軌表面磨合，因此車輪踏面在初期磨耗較快，約為0.2～0.26mm/萬km;列車在運行里程超過5萬km后，車輪踏面經過前期磨合，已基本與鋼軌型面形成良好的配合，因此車輪踏面磨耗率減小，約為0.11～0.18mm/萬km;經豪克能加工強化后的列車輪，表層金屬晶粒更加細化，形成改質層，硬度提升，車輪磨耗速率波動不大，強化車輪減磨效果隨行駛里程增加而逐漸減弱，在7.71萬km后，磨耗速率增快，并超過非強化輪，之后磨耗速率下降趨于穩定。強化車輪在行駛7.71萬km時，累計磨耗0.89mm。因此，經豪克能強化后，在列車輪表面形成了不超過1mm的強化層。

3 結果與討論

（1）豪克能超聲滾壓工藝強化加工后，車輪表面晶粒具更加均勻細化，車輪表面硬度明顯提升均在15%以上，徹底消除踏面殘余拉應力，并預置了較高的壓應力。后期跟蹤結果表明，經豪克能強化后，列車輪減磨比例達12.2%，若想獲得更低磨耗，可進一步提高車輪硬度、層深及預置壓應力大小等方面進行研究。

（2）經豪克能強化后，在列車輪表面形成了不超過1mm的強化層。新鏇修車輪（即非強化輪）在0～5萬km處于快速磨耗期，此后車輪輪磨耗速率趨于穩定;豪克能強化后的車輪沒有快速磨耗期，車輪磨耗速率波動不大。在貨車運行7.7萬km之后，強化輪的車輪磨耗速率加快并超過非強化輪，之后磨耗速率下降趨于穩定。

參考文獻

[1]郭玉華.高速鐵路發展與中國鐵路貨運[J].鐵道經濟研究，2010（6）：27-31.

[2]陸正剛，王文斌.軌道車輛設計[M].上海： 同濟大學出版社，2015.

[3]劉園.液體對輪軌滾動接觸疲勞作用下的鋼軌表面裂紋擴展機理的影響[J].上海海事大學學報，2011，32（1）：65-69.

[4]肖楠，謝基龍，周素霞.地鐵車輪踏面制動疲勞強度評價方法及應用[J].工程力學，2010，27（9）：234-239.

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規則[M].北京：中國鐵道出版社，2016.