基于滾壓的車輪多邊形抑制機(jī)理與試驗(yàn)研究*

劉 闖，韓俊臣，宋春元，韓慶利

（中車長春軌道客車股份有限公司, 長春 130062）

車輪多邊形對高速動(dòng)車組舒適度與安全性具有嚴(yán)重的影響，宋春元［1］對車輪多邊形的形成機(jī)理和發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出車輪硬度偏低和周向硬度分布不均勻是影響車輪多邊形產(chǎn)生的重要因素之一，并提出通過車輪滾壓提高車輪硬度。沈文林［2］進(jìn)行了車輪輪輞切片和硬度檢測，對硬度分布做了細(xì)致的研究。陳水友［3］對車輪材料特性對輪軌磨損與疲勞性能的影響做了細(xì)致的研究，結(jié)論表明車輪的硬度增大，輪軌表面的疲勞裂紋長度會(huì)減小，但對鋼軌表面狀態(tài)不利。劉吉華［4］研究了幾種車輪材料與U71Mn 熱軋鋼軌匹配特性，發(fā)現(xiàn)輪軌材料的硬度比值決定輪軌的主要磨損機(jī)制。趙吉中［5］建立了滾壓輪—車輪—鋼軌三維滾動(dòng)接觸有限元模型，得出在最佳滾壓方式作用下，車輪踏面的疲勞裂紋萌生壽命提升約58%。周韶博［6］研究了國內(nèi)外高速鐵路輪軌硬度匹配關(guān)系。文中在總結(jié)了滾壓車輪運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了車輪滾壓后的踏面硬度、表面狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的變化情況，并跟蹤測試了滾壓車輪的運(yùn)用情況。

1 滾壓對車輪硬度提升

1.1 輪軌硬度

我國鐵路所用鋼軌主要有U71MnG 和U75VG這2 種 材 質(zhì)［6］，U71MnG 主 要 用 于 客 運(yùn) 專 線，U75VG 主要用于客貨混運(yùn)線路。2 種材質(zhì)鋼軌硬度見表1。

表1 鋼軌硬度

國外輪軌硬度調(diào)查［7］見表2，日本高速鐵路輪軌匹配中車輪采用高強(qiáng)度材質(zhì)，車輪硬度較高，輪軌硬度比達(dá)到1.3∶1 以上，車輪未大量出現(xiàn)失圓的問題，車輪總的使用壽命長。德國和法國的鋼軌硬度較車輪大，輪軌硬度比0.9∶1，車輪存在失圓問題。

表2 國外輪軌硬度調(diào)查

國內(nèi)輪軌硬度調(diào)查見表3，CRH2 型系列動(dòng)車組采用了2 種材質(zhì)的車輪：SSW-Q3R 材質(zhì)車輪（311～363 HB）和ER8 材質(zhì)車輪（其踏面以下35 mm處最小硬度要求為245 HB，輪輞表面硬度可達(dá)260～302 HB）；CRH3 型系列動(dòng)車組采用的是ER8材質(zhì)車輪；CRH5 型系列動(dòng)車組采用的是ER8C 材質(zhì)車輪。從調(diào)研情況來看，車輪硬度大于鋼軌硬度的車組未發(fā)現(xiàn)對鋼軌造成損傷或增大鋼軌磨耗（根據(jù)鐵科院數(shù)據(jù)，鋼軌在2 次預(yù)打磨期間，鋼軌的垂直磨耗量在0.2 mm 左右）［8］。

表3 國內(nèi)輪軌硬度調(diào)查

國內(nèi)動(dòng)車組車輪多為ER8 材質(zhì)，規(guī)定其踏面以下35 mm 處最小硬度245 HB，而實(shí)際上車輪踏面初始硬度均有差別，且通過運(yùn)營一段時(shí)間后，踏面表面經(jīng)輪軌擠壓會(huì)發(fā)生表層硬化，對大量車組進(jìn)行研究統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)車輪踏面硬度隨車輪直徑減小而逐漸降低，如圖1 所示。

圖1 車輪硬度調(diào)查

1.2 滾壓力的影響

試驗(yàn)中滾壓裝置為直徑55 mm、圓角R4 mm的滾輪，施加120 kg 的滾壓力對車輪進(jìn)行滾壓試驗(yàn)，在車輪周向平均選取10 個(gè)點(diǎn)做標(biāo)記，記錄滾壓前后車輪硬度變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，滾壓前車輪平均硬度278 HB，第1 次滾壓后車輪硬度達(dá)到了333 HB，上升了55 HB，且車輪滾壓后的周向均勻性有所改善。

圖2 滾壓對車輪硬度影響

1.3 滾壓次數(shù)影響

第2 次滾壓后，車輪踏面硬度結(jié)果如圖3 所示，踏面平均硬度達(dá)到了338 HB，在第1 次滾壓后的基礎(chǔ)上提高了5 HB，分析滾壓硬化原理認(rèn)為，通過1 次滾壓后車輪硬度就會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，多次滾壓對車輪踏面硬度提升影響不大。

圖3 多次滾壓后車輪硬度對比

2 滾壓對車輪表面狀態(tài)影響

2.1 滾壓后踏面顯微組織

利用超景深顯微鏡對滾壓前后車輪表面的顯微組織進(jìn)行檢測，研究滾壓前后車輪顯微組織的變化。

2.1.1 舊輪顯微組織

檢測運(yùn)營240 萬km 后的輪對，如圖4 所示，旋修前車輪表面顯微組織不均勻；旋修后的車輪珠光體與鐵素體分布均勻，鐵素體呈網(wǎng)狀分布；滾壓后的車輪顯微組織相比旋修后的顯微組織得到細(xì)化，但局部分布不均勻，且在視野內(nèi)可看見零落的鐵素體組織，可能是由于滾壓過程中局部鐵素體破裂，但并不影響車輪的正常使用。

圖4 舊輪顯微組織

2.1.2 新輪顯微組織

新輪表面顯微組織分布均勻，而在1 次滾壓與2 次滾壓后，表面顯微組織局部均勻性降低，局部組織得到細(xì)化，在視野中可見少量零落的鐵素體組織，且1 次滾壓與2 次滾壓顯微組織區(qū)別不明顯，如圖5 所示。

復(fù)合法即將兩個(gè)獨(dú)立的詞合成為一個(gè)詞，該詞成為復(fù)合詞。復(fù)合詞在科技詞匯中占有很大比例。科技詞匯中，復(fù)合法主要用于構(gòu)成復(fù)合名詞，其次是構(gòu)成復(fù)合形容詞。下面以復(fù)合名詞為例，說明其主要復(fù)合類型。

圖5 新輪顯微組織

2.2 車輪表面狀態(tài)

為了研究滾壓是否對車輪踏面廓形有影響，對比測試了新輪滾壓前后的廓形，結(jié)果如圖6 所示，滾壓前后車輪踏面廓形基本吻合。

圖6 新輪滾壓后踏面廓形

由于車輪滾壓原理是通過滾壓裝置滾輪周期性旋轉(zhuǎn)，將壓力施加到車輪踏面表面，因此為了防止周期性的滾壓引起車輪周向周期性的徑向跳動(dòng)，試驗(yàn)測試了4 片滾壓后車輪的不圓度，如圖7所示，滾壓后的車輪1～40 階不圓度粗糙度幅值符合運(yùn)用維護(hù)要求。需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，要定期對小滾輪的表面精度和不圓度進(jìn)行及時(shí)合理的養(yǎng)護(hù)。

圖7 滾壓后車輪多邊形測試結(jié)果

分別測試了新輪、運(yùn)營后車輪和旋修后車輪滾壓前后車輪踏面粗糙度，見表4，旋修后車輪踏面粗糙度最大，達(dá)到了6.5 μm，運(yùn)營后的車輪踏面粗糙度為2.1 μm，新輪踏面粗糙度2.4 μm，3 個(gè)車輪滾壓后的踏面粗糙度的比運(yùn)營后的車輪踏面粗糙度稍小，在1.0～2.0 μm 之間。

表4 滾壓前后車輪踏面粗糙度 單位：μm

3 滾壓對車輪應(yīng)力狀態(tài)影響

為研究滾壓工藝對車輪殘余應(yīng)力的影響，掌握車輪表面材質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)變化，采用u-x360 應(yīng)力測量儀對滾壓前、后的車輪進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試，每個(gè)車輪在圓周方向取3 個(gè)點(diǎn)取均值。

3.1 車輪殘余應(yīng)力

分別對920 mm 的新輪和輪徑860 mm 的舊輪旋修前、旋修后滾壓前和滾壓后的車輪殘余應(yīng)力進(jìn)行測試，結(jié)果如圖8 所示，旋修前（車輪運(yùn)營后狀態(tài)）車輪殘余應(yīng)力-469 MPa，為壓應(yīng)力，旋修后車輪殘余應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，舊輪為335 MPa，新輪為455 MPa。經(jīng)滾壓后，應(yīng)力再次由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，舊輪為-325 MPa，新輪為-491 MPa，可見，滾壓改善了車輪應(yīng)力狀態(tài)，將旋修所引起的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，改善了車輪旋修初期的車輪表面應(yīng)力狀態(tài)。

圖8 殘余應(yīng)力測試

3.2 應(yīng)力層分布

新輪滾壓后在深度為0、0.5、1 mm 時(shí)的應(yīng)力值如圖9 所示，殘余應(yīng)力隨應(yīng)力層深度增加不斷降低，呈階梯式變化，滾壓引起的壓應(yīng)力深度超過了1 mm。

圖9 新輪滾壓后應(yīng)力層分布

4 應(yīng)用效果

對滾壓后車輪進(jìn)行應(yīng)用對比分析，為了保證運(yùn)用工況的一致性，選取一列長編組動(dòng)車組，其中1～8 車的車輪進(jìn)行滾壓處理，涵蓋了動(dòng)車、拖車、頭車、受電弓車、變壓器車，其余車輪作為對照，進(jìn)行旋修周期內(nèi)應(yīng)用研究。

4.1 車輪硬度

圖10 車輪硬度測試結(jié)果

4.2 車輪多邊形

對在線運(yùn)用車輛進(jìn)行車輪滾壓處理，跟蹤測試車輪多邊形變化情況，累計(jì)測試374 個(gè)車輪，結(jié)果見表5，滾壓后車輪多邊形發(fā)生概率約為未滾壓車輪的40%。

表5 車輪多邊形測試結(jié)果

4.3 車輪磨耗

根據(jù)UIC 519 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輪對等效錐度計(jì)算，車輪等效錐度及踏面磨耗見表6，在運(yùn)行7.8 萬km 和12.2 萬km 后，滾壓車輪和未滾壓車輪的等效錐度及滾動(dòng)圓處踏面磨耗量基本相當(dāng)，無明顯差別。

表6 車輪等效錐度及踏面磨耗

4.4 車輪探傷

為確定滾壓車輪運(yùn)行后車輪踏面及近表層的缺陷情況，在旋修后走行7.8 萬km 和13 萬km 時(shí)，采用渦流探傷儀對車輪踏面表面及近表面（0～3 mm）進(jìn)行探傷，2 次探傷均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

5 結(jié) 語

滾壓工藝改善了車輪應(yīng)力狀態(tài)，將旋修引起的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，改善了車輪旋修初期的車輪表面應(yīng)力狀態(tài)，降低車輪表面粗糙度。且圓周方向硬度均勻性有所改善，顯微組織得到細(xì)化，2 次滾壓對車輪狀態(tài)影響不大，運(yùn)用結(jié)果表明，滾壓可在一定程度上抑制車輪多邊形的產(chǎn)生和發(fā)展。