安 濤，黃孝卿，肖 峰，鄒 強(qiáng)，劉 智

(1.馬鋼軌道交通裝備有限公司 安徽省馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心 安徽省馬鞍山 243000)

車輪淬火冷卻過(guò)程中，輪輞外部由于踏面噴水激冷而收縮，壓縮輪輞內(nèi)部和輻板，由于輪輞內(nèi)部和輻板溫度較高，其屈服強(qiáng)度較低，在這種壓縮下發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形，輻板形位相對(duì)于車輪輪轂或輪輞發(fā)生變化[1]、[2]，從而產(chǎn)生車輪輻板沉降。實(shí)際生產(chǎn)中，部分客戶對(duì)車輪輪輞強(qiáng)硬度指標(biāo)要求較高，常規(guī)的踏面單面淬火方式難以滿足客戶強(qiáng)硬度指標(biāo)求，為此，開發(fā)了輪輞兩面和三面淬火方式。淬火方式的改變會(huì)造成輻板沉降發(fā)生相應(yīng)的改變。此外，車輪自身的輻板形狀也是影響沉降的重要因素之一。如不掌握車輪輻板沉降規(guī)律進(jìn)而優(yōu)化車輪的軋鋼工藝，則會(huì)造成成材率的降低和生產(chǎn)成本的提高，因?yàn)闉楸ＷC成品車輪的尺寸，勢(shì)必采取增大車輪輻板軋制余量的方法以消除輻板沉降對(duì)車輪加工的影響。

熱處理過(guò)程中車輪殘余應(yīng)力和變形都有相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]、[4]分析了熱處理工藝參數(shù)對(duì)車輪輪輞殘余應(yīng)力的影響，文獻(xiàn)[5]分析了熱處理工藝參數(shù)對(duì)車輪輻板殘余應(yīng)力的影響，文獻(xiàn)[6]分析了熱處理過(guò)程中的變形。這些文章都圍繞熱處理工藝參數(shù)，研究具體的熱處理工藝參數(shù)對(duì)車輪殘余應(yīng)力及變形的影響，而淬火方式對(duì)車輪輻板沉降規(guī)律和沉降效果的影響研究尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道；文獻(xiàn)[7]、[8]分析了不同輻板形狀對(duì)車輪熱處理殘余應(yīng)力的影響，并未考慮輻板形狀對(duì)輻板沉降的影響。因此淬火方式和輻板形狀對(duì)車輪輻板沉降的影響值得深入研究。

本文運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)車輪熱處理過(guò)程進(jìn)行熱力耦合模擬，系統(tǒng)研究了不同淬火方式和輻板形狀對(duì)車輪輻板沉降的影響。

1 模型及計(jì)算方案

以直徑1066 mm機(jī)車輪為基礎(chǔ)，分別設(shè)計(jì)了S形、雙S形、盆形和直線形4種輻板形狀?？紤]輪型、邊界條件和載荷的軸對(duì)稱性，建立了4種輻板車輪的二維軸對(duì)稱模型，見圖1。模擬計(jì)算時(shí)，依照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)車輪輪輞的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定約束。

車輪熱處理工藝為：淬火溫度850 ℃(視為均勻分布)，熱處理加熱后在空氣中停留50 s，然后噴水淬火240 s，淬火后停留600 s進(jìn)行回火，回火溫度480℃，回火時(shí)間4 h，最后空冷至室溫。

對(duì)4種輻板車輪在常規(guī)踏面淬火方式下的熱處理過(guò)程進(jìn)行模擬，以研究輻板形狀對(duì)車輪輻板沉降的影響。

對(duì)S形和雙S形輻板車輪在踏面淬火、雙面淬火和三面淬火3種淬火方式下的熱處理過(guò)程進(jìn)行模擬，以研究淬火方式對(duì)車輪輻板沉降的影響。

圖1 車輪有限元模型

2 結(jié)果分析

圖2為常規(guī)踏面淬火方式下熱處理結(jié)束后4種輻板車輪的塑性變形云圖?？梢钥闯觯?種輪型輻板區(qū)域均發(fā)生了塑性變形。雙S形輻板車輪輻板主要變形區(qū)位于輻板中段和輻板外側(cè)靠近輪輞處，S形，盆形和直線形輻板車輪輻板主要變形區(qū)位于輻板外側(cè)靠近輪轂區(qū)域和輻板內(nèi)側(cè)靠近輪輞區(qū)域。

圖2 踏面淬火方式下4種輪型車輪的等效塑性變形

圖3為4種輪型在熱處理過(guò)程中輻板塑形變形最大位置處塑性變形變化情況。塑性變形開始于68 s-100 s，結(jié)束于320 s-350 s，說(shuō)明輻板塑性變形主要發(fā)生在熱處理過(guò)程中的淬火冷卻階段；與文獻(xiàn)[1]、[2]中淬火過(guò)程中輪輞壓縮輻板，使輻板發(fā)生了塑性變形的結(jié)論一致。

圖4為4種輪型在常規(guī)踏面淬火方式下輻板不同位置的沉降情況。可以看出：在約束輪輞部位的條件下，雙S形輻板車輪的輻板沉降表現(xiàn)為輪轂上移，S形，盆形和直線形輻板車輪則表現(xiàn)為輪轂下沉。從絕對(duì)沉降量看，直線型輻板車輪絕對(duì)沉降量最大，其次是盆形和S形輻板車輪，雙S形輻板車輪的絕對(duì)沉降量最小。

圖5為S形輻板車輪在3種淬火方式下車輪輻板沉降情況。可以看出，S形輻板車輪在三面淬火、雙面淬火和踏面淬火3種淬火方式下輻板最大絕對(duì)沉降量分別為4.6 mm、4.3 mm和2.5 mm。三面淬火方式下車輪輻板的沉降量最大，雙面淬火方式的輻板絕對(duì)沉降量略小于三面淬火方式的沉降量，踏面淬火方式的輻板絕對(duì)沉降量最小。3種淬火方式輻板最大沉降量差為2.1 mm。從輻板沉降的表現(xiàn)形式看，S形輻板車輪的輻板絕對(duì)沉降量從輪轂到輪輞為逐步減小的過(guò)程。

圖3 輻板塑形變形最大位置處塑性變形變化情況

圖4 踏面淬火方式下4種輪型車輪的輻板沉降

圖5 3種淬火方式下，S形車輪的輻板沉降情況

總體看，三面淬火方式對(duì)車輪輻板沉降的影響最大。

圖6為雙S形輻板車輪在3種淬火方式下車輪輻板沉降情況，可以看出，雙S形輻板車輪在三面淬火、雙面淬火和踏面淬火3種淬火方式下輻板最大絕對(duì)沉降量分別為3.2 mm、1.6 mm和2.0 mm。三面淬火方式下車輪輻板的沉降量最大，雙面淬火和踏面淬火方式的輻板最大絕對(duì)沉降量相差不大，踏面淬火方式的絕對(duì)沉降量略大于雙面淬火方式的輻板沉降量。3種淬火方式輻板最大沉降量差為1.6 mm。從輻板沉降的表現(xiàn)形式看，雙S形輻板車輪的輻板絕對(duì)沉降量在從輪轂到輻板中間圓弧段之間基本不變，在從輻板中間圓弧段到輪輞之間逐步減小。

根據(jù)車輪輻板沉降研究得到的結(jié)果，對(duì)車輪軋鋼工藝進(jìn)行了優(yōu)化，重點(diǎn)是對(duì)壓彎模相應(yīng)位置進(jìn)行車削，以抵消淬火過(guò)程中的輻板沉降，通過(guò)優(yōu)化，車輪成材率得以提高。數(shù)據(jù)顯示，雙S形輻板車輪成材率較軋鋼工藝優(yōu)化前提高約1.9%。

圖6 3種淬火方式下，雙S形車輪的輻板沉降情況

3 結(jié)論

輻板沉降主要發(fā)生在車輪淬火冷卻階段；

雙S形輻板車輪主要變形區(qū)位于輻板中段和輻板外側(cè)靠近輪輞處，輻板沉降表現(xiàn)為輪轂上移；S形，盆形和直線形輻板車輪主要變形區(qū)位于輻板外側(cè)靠近輪轂區(qū)域和輻板內(nèi)側(cè)靠近輪輞區(qū)域，輻板沉降表現(xiàn)為輪轂下沉；

從絕對(duì)沉降量看，直線型輻板車輪絕對(duì)沉降量最大，其次是盆形和S形輻板車輪，雙S形輻板車輪的絕對(duì)沉降量最小；

三面淬火方式對(duì)車輪輻板沉降的影響最大。