[实用新型]一种激光强化的铁道车辆车轮

说明书

本实用新型涉及一种铁道车辆车轮，特别是涉及一种激光强化的铁道车辆车轮。

我国铁道上现在运行着约60万辆客货车、机车和各种工程车辆，约有500万只使用着的车辆车轮。车辆车轮在使用中产生许多病害，这些病害在铁路提速后表现的更加严重和突出。

目前车轮的主要损伤是轮缘磨耗、踏面磨耗以及因与铸铁闸瓦和合成闸瓦接触而引起的金属表面缺陷。轮轨磨耗是个古老的问题，目前这种磨耗的原因已经清楚，减少这些磨耗的措施目前有采用润滑材料来降低摩擦系数、改变车轮与钢轨接触设计减小侧向单位压力、对车轮材料进行热处理、车轮采用新材料等方法。

对车辆车轮进行定期的检查维修，已经是一个很庞大的工业部门。现有的车轮磨耗面进行机械旋切工艺可以消除缺陷层，但工作量很大，轮对的使用寿命缩短。为了延长轮对的使用寿命，现在有的一些方法例如低合金钢焊丝埋弧焊，可以在车轮磨耗面上形成新的硬化层；但这种硬化层与基体的结合和强度并不令人满意，在我国未推广使用。为了延长车轮的使用寿命，我国规定新车轮出厂必须经过热处理；在使用中，除了旋削车轮外，目前尚无好的维修措施。

有调查表明，就踏面磨损而言，远在车轮有效使用寿命被利用完之前，大部分车轮却因有缺陷而报废。据美国铁路协会列车修理记录数据库称，在每年报废的100万件车轮中，其中16％的因轮轨接触面磨损而淘汰，36％经旋削车轮修复后再投人使用，余下的48％因有缺陷存在而过早报废；由剥落、滑动扁平、热裂纹和踏面堆积等缺陷造成的车轮报废总数超过车轮磨损而淘汰的数量。消除或从根本上减少车轮缺陷不仅是使车轮耐磨，这对列车安全运行是很重要的。从经济上看，当一个车轮有缺陷而未到使用的极限，末损坏的那个配对车轮也可能因此而废弃，这样就造成额外的经济损失。

从早期状况来看，剥落是车轮报废的一个次要因素，而现在却逐年在增加。据美国铁路资料，因剥落和起疤缺陷而报废的车轮在1997年就超过因磨损而淘汰的车轮。产生起疤的原因是，轮缘接触应力增加，或因轮对转向不对称而使粘附力增大；另一方面，剥落是由于车轮滑动引起的，因为车轮滑动在踏面表面产生足够高的温度，从冶金学上看，将薄表面层转变成一种不同组织结构的钢。这种末经回火的马氏体结构具有易脆性，它拥有比原珠光体结构大4％左右的晶体结构。这样导致非常大的残余拉应力，故产生大约0.5--5毫米厚的表面马氏体块。热传递计算和实验室对车轮钢的淬火研究表明，马氏体转变发生在几分之一秒以内；当车轮滑动时，由于摩擦而出现快速加热，因形成马氏体结构而失去一小块踏面材料，便出现剥落。

车轮剥落量与车辆的重量成反比。有多种可变因素会使车轮产生滑动：空车时可能出现的极频繁的制动和不希望的紧急刹车；车轮与钢轨粘附力低；钢轨表面凸凹不平，比如有波纹；由于驶过急弯，车轮打滑等；而这样的滑动将为马氏体结构的形成产生足够大的能量；当车轮滑动不足一秒到长达45秒时，已经表明车轮出现剥落而形成马氏体结构。因此，引起车轮滑动的任何一种条件都有可能产生剥落。

有多种因素有可能便车轮表面形成平面。一旦有平面或剥落形成，车轮将失去连续性而变成椭圆形。有试验表明，椭圆形车轮对钢轨产生的冲击比平面或剥落产生的冲击要大。

像起疤一样，轮箍和轮副破裂是由车轮中的杂质或孔隙诱发的滚动接触疲劳缺陷所致。这些缺陷主要受车轮负载的影响。美国铁路协会的车轮事故数据库表明，大部分轮箍和轮副破坏发生在相当新的车轮中。我国铁路部门的研究认为，当铸钢车轮承受27吨轴载荷与锻钢车轮承受20吨轴载荷时，铸钢车轮中的孔隙或锻钢车轮中的非金属杂质超过直径1毫米，就会使轮副产生破裂。新车轮中的杂质或孔隙的预防，目前只有严格执行国家铁路的出厂验收标准，在使用中仍无好的办法。对北美铁路车轮的严重破裂所作大量研究表明，当一个原有裂纹区域内的材料受到过大拉负荷的作用时，会突然产生破裂，裂纹生长极为迅速；由于车轮破裂成数块，有可能导致列车立即脱轨。

为了解决上述的车轮病害，世界各国有多个研究小组在这方面工作，其技术路线有两条：1.从制造、维修的角度寻找延长车轮使用寿命、避免车轮提早报废的方法，如我国，俄国，美国；2.从材料角度寻找更好的钢种，如欧洲铁路研究所正在开发出一种强度更好贝氏体钢，它将代替目前正在使用的珠光体车轮钢。

本实用新型用一种新的思路来解决铁道车辆车轮问题。激光技术是一项迅速发展的高新技术，激光材料强化技术是激光应用的一个分支，目前已成为材料表面强化与基体强化的最有效的手段之一。激光强化技术很适宜于铁道车辆车轮表面硬化，剥落掉块的熔覆，裂纹熔凝消除，表面合金强化，材料冶金净化及局部冶金缺陷的修理。