坡道/彎道鋼軌—道岔、平直道鋼軌—道岔的組合雷射強化方法
2023-08-12 14:45:51 1
專利名稱：坡道/彎道鋼軌—道岔、平直道鋼軌—道岔的組合雷射強化方法
技術領域：
本發明涉及鐵路軌道零部件的雷射強化加工技術領域。
背景技術：
軌道與道岔是支撐、引導列車運行的零部件，其服役壽命及可靠性，關係鐵路運輸經濟性和列車服役安全性、乘坐舒適性和環境噪音。在列車運行過程中，承受複雜的輪軌/道岔滾動接觸衝擊力作用，會出現輪-軌/道岔衝擊及滑移噪音等環境問題，其表面剝離與磨耗等損傷問題，以及疲勞斷裂帶來的安全問題。同時，為提高列車綜合運行性能，對軌道與道岔有低噪音、長壽命、高可靠性與安全性的苛刻科技要求。依照世界鐵路鋼軌與道岔的製造技術特點，鐵路鋼軌與道岔可區分為基體材料鋼 軌-道岔和雷射處理鋼軌-道岔基體材料鋼軌-道岔，主要由優質碳素鋼、優質低合金鋼、貝氏體鋼和低碳馬氏體鋼等，製造一般採用連軋工藝，包含鋼水精煉-坯鍛軋-熱處理/表面強化-精加工等過程；熱處理/表面強化工藝包括調質、表面淬火等，由於材料組織結構沒有發生實質性轉變，材料服役能力幾乎達到製造能力的極限，但能力仍然有限硬度一般為Hv320 390 ;磨損速度快，僅中國國鐵的鋼軌-道岔年維修費用就達十多億人民幣；嚴重影響鐵路運輸安全。因此，現有鋼軌-道岔在服役中磨損快，不均勻性損傷大，導致輪軌衝擊載荷與衝擊噪音增力口，服役壽命短。雷射處理鋼軌-道岔，在基體材料鋼軌-道岔與車輪可能接觸的區域，實施雷射表層強化加工，使表層材料微觀組織結構微納米化，抗磨與抗滾動接觸疲勞性能獲得大幅度提聞。雷射踏面車輪，上世紀90年代後期，俄羅斯機器製造科學研究院聯合高爾基鐵路局，率先應用CO 2雷射器直接熔凝輪-軌/道岔接觸面基體材料(未添加耐磨顆粒)，獲得了微納米化的表層微觀組織結構，取得了延長鋼軌壽命O. 8 I. O的效果[ChkalovLA. Laser strengthening of wheel and rail. Railway Transport,1988, (2) :31-36]。歐洲自2000年起啟動了「基礎之星」研究計劃，DUROC公司應用雷射熔凝技術強化處理鋼軌-道岔，獲得了高硬度、高屈服應力極限和低摩擦力的鋼軌-道岔表面，大幅度降低了磨耗速度與噪音，可延長滾動接觸疲勞壽命一倍以上；鄭州大學物理工程學院研究了 U74鋼軌雷射淬火工藝及效果，揭示使材料晶粒細化及馬氏體，表面硬度和耐磨性呈現明顯提高；北京工業大學雷射工程研究院開展了雷射熔凝U74鋼軌表面基體材料的相變強化工藝及效果，揭不提高表面硬度 3 4 倍；2005 年 Favilli [FAVILLI Sandro. Hardening processusinglaser in railway applications and relative equipment. PCI/IT 2005/000092,W02005/080686 Al, World Intellectual Property Organization, I Sept. 2005]公開了一種雷射凝鋼軌表面材料的強化技術及自行軌道小車；華中科技大學的曾曉雁聯合武漢鐵路局科學技術研究所，先後公開了若干用於鋼軌表面強韌化處理的在線雷射加工設備，實現鋼軌表面雷射淬火、合金化、熔凝強化處理及毛化與衝擊強化處理；中科院長春光學精密機械與物理研究所的張志軍等公開了一種利用大功率半導體雷射熔凝鋼軌表面的可攜式裝置；張俊等公開了一種利用可攜式雷射熔覆方法修復了受損鋼軌表面的裝置；張準勝先後公開了利用雷射合金化、熔凝技術強化鋼軌表面的方法，同時還公開了雷射強化道岔轍叉與尖軌的方法；瀋陽大陸雷射成套設備有限公司的陶興啟等先後公開了道岔表面雷射合金化強化工藝與道岔滑床板表面雷射熔覆工藝。但是，現有鋼軌-道岔雷射表面強化方法，沒有與鐵路線路地理環境相關的綠色科技需要結合，沒有把加工方法及強化深度與鋼軌-道岔的壽命要求及失效機制有機結合，主要存在如下問題I、鋼軌和道岔分別在不同的工廠或車間進行強化，強化的方法和深度不同，導致二者的使用壽命不匹配，嚴重影響整個軌道的使用壽命。並且現有 的強化方法不考慮雷射強化的深度，也沒有雷射強化深度的概念。各處的鋼軌、道岔強化後對材料表層組織發生相變的厚度影響不一，導致各處鋼軌、道岔對輪軌滾動接觸疲勞產生的亞表面剝離損傷失效的抵抗作用差異大，服役壽命不均，影響了全路段軌道的整體使用壽命，也使維護修理極為不方便。2、鋼軌-道岔雷射表面強化方法與鐵路線路地理環境的匹配性問題現有基體材料鋼軌-道岔技術和鋼軌-道岔雷射強化技術，沒有區別坡道、彎道和平道在強化組織方法的差異。用同樣的方法對各種路段進行強化，坡道/彎道鋼軌-道岔磨耗更嚴重，使用壽命短，也使兩種鋼軌-道岔的壽命不匹配，全路段鋼軌與岔道的使用壽命有待提高；且坡道/彎道處與平直處的鋼軌-道岔粘著力相同，坡道/彎道處的鋼軌-道岔與車輪的粘著力不夠，限制了列車驅動牽引能力的提高，而平直處的鋼軌-道岔與車輪之間的粘著力偏高，更加了列車運行時的摩擦阻力，提高了列車運行的能耗。
發明內容
本發明的目的是提供一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合雷射強化方法，由該方法強化後的整個路段的鋼軌、道岔的強化壽命匹配，從而使整個路段的鋼軌與道岔的使用壽命長，可靠性強，使用維護更方便；且能提高列車的驅動牽引能力，降低列車運行的能耗。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是對坡道/彎道鋼軌-道岔各處進行等強化深度的增粘強化；對平直道鋼軌-道岔各處進行等強化深度的降粘強化；且增粘強化和降粘強化的強化深度也相等，並大於等於輪-軌滾動接觸疲勞影響深度；所述的強化深度是雷射強化使材料表層組織發生相變的厚度，即相變組織與基體組織界面到表面的距離。與現有技術相比，本發明的有益效果是一、提出雷射強化深度的概念，並對坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔各種路段中的的鋼軌和道岔進行同樣強度的雷射強化，也即各處的鋼軌與道岔雷射強化後，材料表層組織發生相變的厚度一致，從而使全路段軌道的壽命匹配一致。並且強化深度大於等於輪-軌滾動接觸疲勞影響深度。可以很好的消除輪-軌滾動接觸疲勞載荷對各段軌道造成內部起裂而導致的亞表面剝離失效，更好的保證其服役壽命。從而有效提高了全路段鋼軌與岔道的使用壽命，增強了全路段鋼軌與岔道的可靠性。需維修時對全路段統一進行維修，其使用維護更方便。二、對坡道/彎道鋼軌-道岔進行增粘的雷射強化，增強了坡道/彎道行駛時車輪與軌道的粘著力，減少了坡道/彎道運行時車輪與軌道之間的打滑現象，增加了彎道運行時的向心力，提高了對平直道鋼軌-道岔進行降粘強化。相反，列車在平直鋼軌-道岔運行時，鋼軌-道岔的負荷小，因此對平直道鋼軌-道岔進行降粘的雷射強化，可以降低平直軌道與車輪的粘著力，即減少了二者的接觸摩擦力，從而減少列車運行的能耗。上述對坡道/彎道鋼軌-道岔進行雷射強化的具體做法是通過蠕滑磨耗比較實驗，根據磨耗損傷最小的原則，確定採用雷射熔凝或雷射熔覆或雷射熔注方法中的一種方法並按消除輪-軌滾動接觸疲勞載荷對軌道造成內部起裂的統一深度對坡道/彎道鋼軌-道岔進行雷射強化。這樣，通過試驗比較，確定出與坡道/彎道軌道-道岔適配的最佳的強化方法，能更好的降低表面磨耗，保障其服役壽命。·上述的對平直道鋼軌-道岔進行雷射強化的具體做法是通過蠕滑磨耗比較實驗，根據磨耗損傷最小的原則，確定採用雷射熔凝或雷射熔覆或雷射熔注方法中的一種方法對平直道鋼軌-道岔進行雷射強化。這樣，通過試驗比較，確定出與平直軌道-道岔適配的最佳的強化方法，能更好的降低表面磨耗，保障其服役壽命。下面結合具體實施方式
對本發明做進一步的詳細說明。
具體實施例方式實施例一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合雷射強化方法，其做法是對坡道/彎道鋼軌-道岔各處進行等強化深度的增粘強化；對平直道鋼軌-道岔各處進行等強化深度的降粘強化；且增粘強化和降粘強化的強化深度也相等，並大於等於輪-軌滾動接觸疲勞影響深度；所述的強化深度是雷射強化使材料表層組織發生相變的厚度，即相變組織與基體組織界面到表面的距離。本例中，對坡道/彎道鋼軌-道岔進行雷射強化的具體做法是通過蠕滑磨耗比較實驗，根據磨耗損傷最小的原則，確定採用雷射熔凝或雷射熔覆或雷射熔注方法中的一種方法並按消除輪-軌滾動接觸疲勞載荷對軌道造成內部起裂的統一深度對坡道/彎道鋼軌-道岔進行雷射強化。本例中，對平直道鋼軌-道岔進行雷射強化的具體做法是通過蠕滑磨耗比較實驗，根據磨耗損傷最小的原則，確定採用雷射熔凝或雷射熔覆或雷射熔注方法中的一種方法並按消除輪-軌滾動接觸疲勞載荷對軌道造成內部起裂的統一深度對平直道鋼軌一道岔進行雷射強化。
權利要求
1.一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合雷射強化方法，其做法是對坡道/彎道鋼軌-道岔各處進行等強化深度的增粘強化；對平直道鋼軌-道岔各處進行等強化深度的降粘強化；且增粘強化和降粘強化的強化深度也相等，並大於等於輪-軌滾動接觸疲勞影響深度；所述的強化深度是雷射強化使材料表層組織發生相變的厚度，即相變組織與基體組織界面到表面的距離。
2.根據權利要求I所述的一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合雷射強化方法，其特徵在於，所述的對坡道/彎道鋼軌-道岔進行雷射強化的具體做法是通過蠕滑磨耗比較實驗，根據磨耗損傷最小的原則，確定採用雷射熔凝或雷射熔覆或雷射熔注方法中的一種方法並按消除輪-軌滾動接觸疲勞載荷對軌道造成內部起裂的統一深度對坡道/彎道鋼軌-道岔進行雷射強化。
3.根據權利要求I所述的一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合雷射強化方法，其特徵在於，所述的對平直道鋼軌-道岔進行雷射強化的具體做法是通過蠕滑磨耗比較實驗，根據磨耗損傷最小的原則，確定採用雷射熔凝或雷射熔覆或雷射熔注方法 中的一種方法並按消除輪-軌滾動接觸疲勞載荷對軌道造成內部起裂的統一深度對平直道鋼軌-道岔進行雷射強化。
全文摘要
一種坡道/彎道鋼軌-道岔、平直道鋼軌-道岔的組合雷射強化方法，其做法是對坡道/彎道鋼軌-道岔各處進行等強化深度的增粘強化；對平直道鋼軌-道岔各處進行等強化深度的降粘強化；且增粘強化和降粘強化的強化深度也相等，並大於等於輪-軌滾動接觸疲勞影響深度；所述的強化深度是雷射強化使材料表層組織發生相變的厚度，即相變組織與基體組織界面到表面的距離。由該方法強化後的全路段的鋼軌和道岔的使用壽命匹配性好，整個路段的鋼軌與道岔的使用壽命長，可靠性強，使用維護更方便；且能提高列車的驅動牽引能力，降低列車運行的能耗。
文檔編號E01B31/18GK102953302SQ20111023814
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月18日 優先權日2011年8月18日
發明者趙永翔, 堵彬斌, 胡基士 申請人:西南交通大學