激光熔覆再制造車輪損傷及壽命評估研究

華 亮,田 威

(1.南京鐵道職業技術學院機車車輛學院,江蘇 南京 210031;2.南京航空航天大學機電學院,江蘇 南京 210016)

1 引 言

伴隨著我國軌道交通行業的快速發展,軌道交通移動裝備的需求日益增多。高速重載情況下,鐵道機車車輛車輪和鋼軌間的磨耗更為嚴重,由之造成大量車輪產生疲勞裂紋、踏面擦傷等損傷,大大增加了軌道裝備企業檢修工作量。車輪磨耗到限后,一般是將其高溫回爐重新冶煉,既浪費了能源,又造成了不必要的環境污染,故而若能利用“加材料”的方式修復磨耗到限的車輪,恢復其原有形貌及性能,并重新使用,則可減少污染、節約能源、大量節省時間和人工成本。

激光熔覆技術已經在機械[1]、航空航天[2]領域取得了較為廣泛的應用,亦有不少科研工作者在軌道交通領域做出了有益嘗試。Wang W J等人[3]將激光熔覆技術應用于輪軌材料的修復,重點研究激光熔覆后試件的硬度及耐磨性,研究結果表明激光熔覆后的車輪和鋼軌試件的顯微硬度顯著提高40 %以上,且耐磨性能達到輪軌基體材料的4倍。丁陽喜等人[4]對激光熔覆修復高速列車輪對磨耗問題進行了研究,確定了正交試驗最優工藝參數,研究表明熔覆試件硬度及耐磨性均有較大幅度提升。慕鑫鵬等人[5]在輪軌材料上分別熔覆鈷基和鐵基合金,研究了熔覆涂層微觀組織結構、硬度及殘余應力分布,滾動接觸疲勞試驗發現兩類涂層試件的磨損性能均有較大提升,相對而言鈷基涂層的性能更好。

侯有忠等人[6]對激光熔覆再制造動車組車軸的可行性進行了研究,選定了熔覆材料、確定了再制造工藝,再制造試件壓裝試驗表明再制造車軸滿足動車組輪對壓裝要求。P.Lu等人[7]對激光熔覆鋼軌的磨耗特性進行了研究,發現在R200鋼上熔覆馬氏體不銹鋼粉末后,其磨損特性較單純使用R260鋼有較大提升。

科研工作者在軌道交通領域的研究成果對激光熔覆再制造機車車輛關鍵零部件的研究很有借鑒意義,不過現有研究成果多處于試驗室階段,還沒有科研工作者將激光熔覆技術直接應用于機車車輛輪對的修復。本文直接對損傷車輪進行了激光熔覆再制造,建立了激光熔覆車輪磨耗損傷及壽命評估模型,并對激光熔覆車輪損傷及壽命進行了定量評估。

2 激光熔覆再制造車輪

機車車輛輪對常見損傷主要有車輪踏面擦傷與剝離、輪緣或輪輞疲勞裂紋及裂損等。修復損傷車輪的主要方法是璇修,即實際應用中一般采用“減材料”的方式加工損傷車輪,無形中會造成材料的極大浪費。如果能夠采用激光熔覆技術對損傷部位進行修復,即采用“加材料”的方式修復損傷輪對,則可大幅減少材料的浪費,亦對節約能源、降低環境污染有明顯成效。

本文采用激光熔覆技術對踏面擦傷車輪(圖1)進行再制造。熔覆前采用丙酮清洗車輪踏面擦傷部位,并對熔覆粉末進行烘干處理。熔覆再制造車輪采用功率2000 W光纖激光器,電流I=210 A,脈寬τ=3.5 ms,頻率f=15 Hz,熔覆掃描速度v=180 mm/min,送粉速率為6 g/s,激光光斑直徑為2 mm,離焦量為+1.5 mm。再制造后的車輪如圖2所示。

圖1 車輪踏面擦傷Fig.1 Wheel tread abrasion

圖2 熔覆再制造車輪Fig.2 Wheel remanufactured using laser cladding

3 再制造車輪損傷評估

現有評估車輪接觸及磨耗損傷的模型主要有安定圖評估模型和損傷函數評估模型兩大類,但安定圖評估模型沒有考慮輪軌接觸蠕滑率及磨耗與接觸疲勞之間的相互影響,精度相對較低,故而本文采用基于磨耗數的損傷函數評估模型來評估車輪的損傷。

損傷函數評估模型既能考慮磨耗與接觸疲勞損傷間的相互關系,又可以考慮蠕滑力和蠕滑率對車輪滾動接觸疲勞損傷的影響,磨耗及疲勞損傷之和即為車輪轉動一周引起的損傷。磨耗數Tγ按下式進行計算[8]:

Tγ=Txγx+Tyγy

(1)

式中,T和γ分別表示蠕滑力及蠕滑率,可由車輛動力學軟件SIMPACK計算得出,縱向和橫向分別用x、y表示。

車輪滾動接觸疲勞損傷函數曲線如圖3所示,損傷函數相關參數見表1。

圖3 車輪滾動接觸疲勞損傷函數[8]Fig.3 Damage function for rolling contact fatigue of the wheel[8]

現有研究成果表明損傷函數中的裂紋起始值與材料剪切屈服強度成正比[3],再制造車輪熔覆材料的剪切屈服強度約為473 MPa,車輪鋼材料剪切屈服強度為300 MPa,熔覆再制造車輪裂紋起始值按比例關系可取為32 N。

疲勞裂紋擴展速度直接影響構件的疲勞壽命,故可依據基體與熔覆件疲勞之比來修正損傷函數中的裂紋速度參數。依據基體壽命和熔覆件壽命之比[9],再制造車輪裂紋速度可取為5.6×10-4r/N。

西南交大陶功權研究表明損傷函數中的耐磨系數和機械零部件硬度之間存在近似的線性關系[8],車輪鋼平均硬度約為280 HV,本文再制造車輪熔覆層的顯微硬度約為800HV,按硬度與磨耗數間的線性關系式可得激光熔覆車輪的磨耗起始值為285 N,磨耗速度為-1.9×10-6r/N。

由此,再制造車輪損傷函數各參數已確定,基體車輪及再制造車輪損傷函數參數見表1。

表1 車輪滾動接觸疲勞損傷函數參數Tab.1 Parameters of the wheel′s rolling contact fatigue damage function

依據修正后的再制造車輪損傷函數參數值,即可計算出再制造車輪的磨耗數,進而可以確定熔覆車輪每滾動一周的復合損傷,據之即可計算出熔覆車輪全壽命周期的總損傷,其中熔覆再制造車輪的蠕滑率和和橫縱向蠕滑力利用動力學仿真軟件SIMPACK計算得出。

SIMPACK 軟件輪軌模塊經過大量鐵路車輛試驗驗證,具有很高的仿真精度和效率,是全球鐵路車輛系統動力學仿真的標準開發工具。仿真計算時以CRH2動車組為研究對象建立動力學模型,熔覆車輪踏面為LMA踏面,CN60鋼軌,輪對內側距1353 mm,建模時選用動車組前進方向、平行于軌道平面向右、垂直于軌道平面向下分別作為x軸、y軸和z軸,動力學模型如圖4所示。動車組車體、構架(2個)、牽引拉桿(2個)、輪對(4個)均取縱向、橫向、垂向、側滾、點頭、搖頭等6個自由度；轉臂(8個)取點頭1個自由度,整個動車組系統動力學模型共有62個自由度。

動車組系統動力學方程的一般形式為[10]:

(2)

式中,u表示廣義速度列陣；q表示廣義坐標列陣；G表示廣義速度的代數方程列陣；φ表示約束的代數方程列陣；λ表示約束力及作用力列陣；F表示系統力學微分方程。

圖4 仿真計算用動力學模型Fig.4 Dynamic model for simulation

由于引起車輪磨耗及疲勞的主要原因是車輛頻繁通過曲線,故而本文重點研究對象為曲線通過時車輛的動力學性能,以京津線實測數據作為軌道激勵,動車組時速按200 km/h計算,輪徑以新輪直徑860 mm計算,曲線選用右曲線,仿真計算時間20秒,具體見表2。

表2 仿真計算選用的線路條件[9]Tab.2 Line conditions for the simulation[9]

仿真計算得到的縱橫向蠕滑力及蠕滑率曲線如圖5～8所示(輪對1內側車輪)。

從圖5～8展示的計算結果可以看出輪對內側車輪的縱向和橫向蠕滑力較大,其合力即輪軌切向力也較大,容易造成輪對踏面產生裂紋,且輪對內側車輪縱向蠕滑力的方向與動車組運行方向相反,使得裂紋進入接觸斑前處于張開狀態,輪軌表面的液體如雨水等就可浸入裂紋中,由于液體的不可壓縮性,會使得裂紋更容易擴展。

圖5 車輪縱向蠕滑力Fig.5 Longitudinal creep force of the wheel

圖6 車輪橫向蠕滑力Fig.6 Lateral creep force of the wheel

圖7 車輪縱向蠕滑率Fig.7 Longitudinal creep rate of the wheel

由于線路曲線有左曲線和右曲線之分,線路亦有上行線和下行線之分,故而每個車輪都有機會處于內側,因此,當運行里程達到一定限度后在動車組各個車輪上均易出現疲勞裂紋以及剝離現象,進而是輪對失效。

圖8 車輪橫向蠕滑率Fig.8 Lateral creep rate of the wheel

依據公式(1)計算可得熔覆車輪磨耗數的平均值為364 N。故經過本文給出的這段線路后激光熔覆再制造車輪產生的損傷Dw為:

Dw=[(364-32)×5.6×10-4-(364-285)×

1.9×10-6]×120/3.14/0.86=8.27×10-3

(3)

4 再制造鐵路車輪壽命評估

Chaboche針對單軸疲勞問題提出了損傷與疲勞壽命之間的關系式[11]:

dD=[1-(1-D)β+1]α

(4)

式中,D表示損傷變量;N表示疲勞壽命;σa表示應力幅;σm表示平均應力;β,M0,b是由材料性質決定的參數;α是由損傷及載荷共同決定的參數,其表達式為[12-13]:

(5)

式中,如果x>0,則〈x〉=x；如果x≤0,則有〈x〉=0。表示最大應力;σR表示對應應力比R下的材料疲勞極限;σb表示材料強度極限;H和a均是實驗常數,Dattoma等[12-13]建議金屬材料H=0.0801,a=0.434。

已有研究表明,殘余拉應力及裂紋閉合效應[14]均會對機械產品的疲勞壽命產生不容忽視的影響,故在評估激光熔覆損傷時考慮殘余拉應力及裂紋閉合效應的影響,可以提高損傷模型精度。計入殘余拉應力及裂紋閉合效應后,式(4)修正為:

dDcξ=[1-(1-ξDc)β+1]αc

(6)

式中,dDcξ表示計入裂紋閉合效應后的損傷;ξ為裂紋閉合有效因子。式中平均應力可修正為[15]:

σm=σm0+σrmax

(7)

式中,σm0為不計入殘余拉應力時的平均應力。

不同應力比R所對應的裂紋閉合有效因子ξ可按下式計算[16]:

ξ=0.75+0.3R+0.15R2(-1≤R≤1)

(8)

設熔覆車輪的初始損傷為Dct,則有0

(9)

式中,材料常數取值為[9]:β=5.003,M0=3985.423,b=0.001。

車輪壽命評估時假定應力比R為-1,列車直線運行時車輪無損傷、輪軌接觸斑面積為100mm2、運行線路中小曲線半徑線路長度占線路總長的1 %。將式(2)計算得到的接觸疲勞損傷作為熔覆再制造車輪初始損傷,代入公式(9)可得本文試驗條件下再制造車輪可運行里程約164萬千米,比車輪規定的200萬km服役壽命略小,原因主要有兩點:一是本文仿真計算采用的曲線半徑較為苛刻,實際線路的曲線半徑遠大于文中選用的曲線半徑,故而再制造車輪在實際線路上運行時損傷較小,運行里程更接近于車輪設計壽命；二是計算模型中的部分參數受激光熔覆工藝條件的影響較大,不同工藝參數再制造的車輪壽命也會有差異。

5 結 論

本文采用激光熔覆再制造技術修復了踏面擦傷車輪,結合車輛動力學分析,對現有鐵路車輪損傷評估模型進行了修正,并以CRH2型動車組車輪為研究對象,建立了熔覆再制造車輪服役過程損傷及壽命評估模型。評估模型計算結果滿足車輪設計要求,為鐵路車輪的運用維修提供了一種新的思路,對鐵路相關產業的發展有一定促進作用,亦為完善再制造工程理論體系提供了有益補充,具備較明顯的科學意義和工程應用價值。