热处理工艺对车轮残余应力影响的研究_邓荣杰.pdf

图 1H36 车轮特征节点及路径示意热处理工艺对车轮残余应力影响的研究邓荣杰，国新春，刘智，黄孝卿，翟龙，陶盈龙，张意哲（宝武集团马钢轨交材料科技有限公司，安徽马鞍山243000）摘要：掌握热处理工艺参数及轮型参数对车轮残余应力的影响规律，研究车轮残余应力对车轮辐板疲劳评价的影响，建立车轮残余应力的辐板疲劳评估模型。针对辐板残余应力对车轮强度及疲劳评价的影响研究，深入分析残余应力对辐板疲劳性能的影响，对提高车轮安全性具有非常重要的意义。关键词：残余应力；热处理工艺；疲劳；安全性中图分类号：TG142.1文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0107-030引言国内外在车轮设计以及车轮强度评估中，普遍采取的方法是对车轮在不同静力载荷及热载荷下（对应不同载荷工况）的车轮受力分布进行分析及疲劳性能进行评估。在这些分析方法中没有考虑车轮制造态残余应力的影响，可能会因为忽略车轮残余应力的影响而使得评价结果产生一定风险。韩国学者研究发现考虑辐板残余应力后，车轮的安全系数显著降低1。安全系数降低的幅度取决于车轮形状和制造工艺；而对于对车轮辐板残余应力分布及测试方法在国内外车轮标准则没有明确规定，辐板残余应力的测试方法有待于进一步研究2-5。因此，展开针对辐板残余应力对车轮强度及疲劳评价的影响研究，深入分析抛丸及残余应力对辐板疲劳性能的影响，对提高车轮安全性具有非常重要的意义。1辐板形状对车轮热处理残余应力的影响车轮几何尺寸及热处理过程的载荷边界条件满足轴对称条件，基于 ANSYS 平台建立轴对称模型进行分析。ANSYS 中的轴对称模型要求对称轴位于全局坐标系的 Y 轴，车轮断面位于坐标系的第一象限。热处理过程的热应力计算一般采用顺序耦合法进行分析，即首先通过计算热处理过程的温度，然后将单元类型转变为结构单元，读取冷却过程中温度进行应力计算；回火过程中应力的部分释放可以借助蠕变模型来计算。AAR S-669 标准中对车轮热处理过程残余应力分析所需的材料参数和换热系数进行了规定。为了研究残余应力的分布规律及影响因素，本研究直接采用S-669 标准中的条件进行分析。以 H36 成品车轮的形状尺寸进行建模，模型输入参数采用英制单位。1）变化淬火温度（810、830、850、870、890），进行热处理过程模拟，研究淬火温度对 H36 残余应力的影响。2）变化淬火时间（85、170、255、340 s），进行热处理过程模拟，研究淬火时间对 H36 残余应力的影响。3）变化回火温度（450、470、490、510、530），进行热处理过程模拟，研究回火温度对 H36 残余应力的影响。4）变化回火时间（60、120、180、240 min），进行热处理过程模拟，研究回火时间对 H36 残余应力的影响。模拟采用的网格如图 1 所示。2淬火温度的影响不同淬火温度下 H36 车轮热处理结束后的径向应力分布。辐板特征位置应力列于表 1 中，并绘制下页图 2。可见，随着淬火温度升高，FPH 处应拉应力降低，BPR 处的拉应力升高，FPR 处的压应力增大，BPH 处的压应力减小。在不同淬火温度热处理后的周向应力分布。特征位置的轴向应力列于下页表 2，并绘制下页图 3。周向最大拉应力分布于轮辋心部，最大周向压应力分布于踏面附近靠近轮缘处。随着淬火温度的升收稿日期：2023-01-28第一作者简介：邓荣杰（1974），男，本科，武汉科技大学 工程师，主要研究方向为铁路车轮的研发及制造。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.041表 1辐板特征位置的径向应力MPa淬火温度/辐板外侧靠近轮毂圆弧（FPH）辐板外侧靠近轮辋圆弧（FPR）辐板内侧靠近轮毂圆弧（BPH）辐板内侧靠近轮辋圆弧（BPR）810180.48-120.67-180.56184.21830179.42-123.30-179.41184.72850178.43-125.90-178.22185.21870177.54-128.43-177.24185.69890176.96-130.74-176.45186.12N1120N1164N494N372N18理论研究山西冶金E-mail:第 46 卷-110-120-130-140-150-160-170-180径向压应力/MPa淬火温度/BHRFRP表 4特征位置处的周向应力MPa表 3辐板特征位置处的应力分布MPa图 4淬火时间对热处理后辐板特征位置应力的影响淬火时间/s辐板外侧靠近轮毂圆弧（FPH）辐板外侧靠近轮辋圆弧（FPR）辐板内侧靠近轮毂圆弧（BPH）辐板内侧靠近轮辋圆弧（BPR）85133.58-96.32-105.26175.89170178.43-125.90-178.22185.21255193.16-119.86-185.73184.48340197.28-112.56-188.02182.76图 2淬火温度对热处理后径向应力的影响表 2特征位置周向应力MPa图 3淬火温度对周向应力的影响高，轮辋心部周向拉应力水平增加，踏面附近的周向压应力水平有小幅增加。3淬火时间的影响在不同淬火时间热处理后的径向应力分布。辐板特征位置处的径向应力列于表 3 中，并绘制图 4。可见，随着淬火时间的延长，FPR、BPR 处的应力变化不大，而 BPH 处的径向压应力和 FPH 处的径向拉应力都明显增加。不同淬火时间热处理后的周向应力分布，车轮特征位置的周向应力列于表 4，并绘制下页图 5。随着淬火时间的延长踏面残余压应力以及 CHP 处周向应力稍有增加，而 CR 处周向残余应力在 170s 淬火时有最低值。4回火温度的影响不同回火温度热处理后的 H36 车轮径向应力分2-1拉应力2-2压应力淬火温度/辐板靠近轮辋的圆弧段中间厚度处（CHP）轮辋心部（CR）踏面（Tread）810189.18202.06-201.49830189.37202.33-201.58850189.01202.40-201.66870188.61202.67-201.77890187.87204.34-201.683-1最大周向拉应力3-2最大周向压应力4-1FPR、BPH 处4-2FPH、BRP 处淬火时间/s辐板靠近轮辋的圆弧段中间厚度处（CHP）轮辋心部（CR）踏面（Tread）85183.78211.02-200.10170189.01202.40-201.66255190.72206.54-201.81340190.31206.40-202.56220215210205200195190185180175170165160155150径向拉应力/MPa820840860880900淬火温度/FHRBRP800820840860880900205.8205.5205.2204.9204.6204.3204.0203.7203.4203.1202.8202.5202.2201.9201.6201.3201.0200.7200.4200.1最大周向拉应力/MPa淬火温度/800820840860880900-201.40-201.45-201.50-201.55-201.60-201.65-201.70-201.75-201.80最大周向压应力/MPa淬火温度/800820840860880900-100-120-140-160-180径向应力/MPa淬火时间/sBPHFPR60 80 100120140160180200 220 240 260 280 300 320 340 360200190180170160150140130径向应力/MPa淬火时间/sFHPBRP60 80 100120140160180200 220 240 260 280 300 320 340 3601082023 年第 5 期220210200190180170160径向压应力/MPa回火温度/BRPFHP440460480500520540220215210205200195190185180周向应力/MPa淬火时间/sCHPCR6090120150180210240270300330360表 6特征位置处的周向应力MPa图 7回火温度对特征位置的周向应力的影响回火温度/辐板靠近轮辋的圆弧段中间厚度处（CHP）轮辋心部（CR）踏面（Tread）450220.83226.90-236.61470203.50214.52-217.94490189.01202.40-201.66510178.30192.60-189.74530169.88186.20-182.13表 5辐板特征位置处的径向应力MPa回火温度/辐板外侧靠近轮毂圆弧（FPH）辐板外侧靠近轮辋圆弧（FPR）辐板内侧靠近轮毂圆弧（BPH）辐板内侧靠近轮辋圆弧（BPR）450201.26-139.43-199.59216.70470189.23-133.17-189.10199.87490178.43-125.90-178.22185.21510170.55-120.63-169.68174.85530165.54-117.36-164.06168.44图 5淬火时间对热处理后车轮特征位置周向应力的影响5-1CPH、CR 处布，辐板特征位置的径向应力列于表 5，并绘制图 6。可见，随着回火温度的提高，辐板特征位置的径向应力水平都有显著降低。不同回火温度，对特征位置的周向应力的影响，列于表 6，并绘制图 7。可见，随着回火温度的提高，特征位置处的周向应力显著降低。5结语回火温度是影响车轮辐板残余应力最活跃的工艺因素。回火温度升高，残余应力基本呈线性减小，车轮辐板应力随回火温度升高而减小的幅度基本相当。淬火时间对残余应力的影响也较为明显。淬火时间延长，车轮残余应力有增大趋势。淬火温度对辐板残余应力的影响较弱，大多数情况下，淬火温度升高，残余应力水平有小幅增加。参考文献1郑伟生，刘会英.S 形辐板车轮的研究J.铁道学报，1991，13（3）：12-19.2齐冀，肖峰，任学冲.列车车轮辐板断裂原因分析J.理化检验-物理分册，2015，51（1）：79-83.3时新红，张建宇，鲍蕊，等.材料多轴高低周疲劳失效准则的研究进展J.机械强度，2008，30（3）：515-521.5-2Tread 处图 6回火温度对 H36 车轮径向残余应力的影响6-1FHP、BRP处6-2FPR、BPH 处7-1Tread 处7-2CPH、CR 处-200.0-200.5-201.0-201.5-202.0-202.5-203.0周向应力/MPa淬火时间/sTread6090120150180210240270300330360-110-120-130-140-150-160-170-180-190-200径向压应力/MPa回火温度/BPHFPR440460480500520540230220210200190180170周向应力/MPa回火温度/CRCPH440460480500520540-180-190-200-210-220-230-240径向应力/MPa回火温度/Tread440460480500520540（下转第 112 页）邓荣杰，国新春，刘智，等：热处理工艺对车轮残余应力影响的研究109山西冶金E-mail:第 46 卷要的作用，若能够从数据中找到有用的价值，则可以进一步提高生产系统的效率，减少生产出错的可能性，节约成本。根据现有数据系统，冶金生产中的轧制数据主要集中在订单、产品规范、生产工艺、消耗量和产品详细数据等方面，这些数据直接与质量、成本和精度有关，可以经过分析建立新一代基于数据的轧制模型平台，实现多流程数据板形控制、智能化分析和自动化运营，为企业的管理提供精准的决策。3.3研发高端设备和技术经过上述分析可知，我国的轧制自动化设备主要依赖进口，导致产品的利润率较低，同时，也