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摘 要：铁路货物运输在整个运输领域中发挥着重要作用，但列车运行中车轮磨损大大降低了轮对的使用寿命。本研究以C80货车车轮作为研究对象，研究豪克能金属强化技术对车轮耐磨性方面的影响。研究结果表明：豪克能加工后的货车车轮表面晶粒更加均匀细化、硬度提高15%以上，加工区域预置了较高的压应力。经豪克能工艺强化后，列车轮表面形成了超过1mm的强化层，列车行驶19.84万km后，踏面圆周磨耗减磨比例达12.2%。
关键词：轮对;磨耗;超声滚压;硬度;残余应力
中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）10-0185-04
Comprehensive Research on Strengthening and Anti-wear Technology of C80 Freight Car Wheels
Dong Xiao1， Jin Teng2， Li Jilei2， Li Hongxia2
（1. Shenhua Railway Equipment Co.， Ltd.， Beijing 100120， China; 2.Shandong Huayun Electromechanical Science and Technology Co.， Ltd.， Ji nan 250000， China）
Abstract：Railway freight transportation plays an important role in the entire transportation field， however， the wheel-rail wear during train operation greatly reduces the service life of the wheelset. In this study， C80 freight car wheels were used as the research object to study the influence of Hawking metal strengthening technology on the wear resistance of wheels. The results show that after Hawking processing， the grains of the wheel surface are more uniform and refined， and the hardness increased by more than 15% the residual tensile stress on the surface is completely eliminated， and processing area is preset with a higher compressive stress. After being strengthened by Hawking， the surface of the train wheel has formed a strengthened layer of more than 1mm，after the train traveled 198，400 kilometers， the circumferential abrasion of the tread has been reduced by 12.2%.
Key words：wheelset; wear; ultrasonic rolling; hardness; residual stress
車轮是铁路货车的重要行走部件，承载着列车的全部重量，在行驶过程中与钢轨持续作用而产生磨损。车轮磨损主要表现为踏面垂直磨耗，磨耗超限则会影响正常的轮轨关系，需要进行镟修[1]。重载和提速是当今铁路货运的发展趋势，随着铁路货车载重量、运输量的增加，货车车轮磨耗速率加快，镟修周期逐渐缩短[2]。据调研，神华C80货车车轮平均约每40万km镟修1次。神华货车公司现有各类铁路货车近50000辆，通过新型技术手段减缓车轮磨耗，延长车轮镟修周期具有极高的学术研究价值和经济价值。
豪克能技术是利用法向静压力、滚压力及20～40kHz冲击力在常温工况下对金属材料进行表面强化加工形成改质层，利用材料的流动塑性变形能力使表层金属晶粒细化、位错增殖、硬度提升，同时在表层产生高值残余压应力以提高材料抗疲劳性能。该技术已广泛应用于航空航天、高速列车等行业中机械加工工件抗疲劳制造中[3]。高军、赵显华等人对机车车轮试样进行豪克能强化试验，得出降低车轮试样磨损率64%的豪克能加工工艺[4]。
本研究以C80重载货车轮对为研究对象，利用豪克能强化技术对80条镟修后的货车车轮进行表面强化加工，提高表面硬度和耐磨性，并在朔黄铁路进行20万km的搭载试验、线路考核以评价豪克能强化对车轮的减磨作用。
1 车轮强化加工与检测
1.1 豪克能强化
利用合适的工装将豪克能强化执行器安装在CK61100×3000数控机床上分别对车轮的踏面和轮缘进行强化加工，豪克能强化装备结构如图1所示。
采用豪克能加工装置对神华货车公司提供80条C80货车轮踏面及轮缘进行强化加工。豪克能强化工艺参数设置如表1所示。
1.2 车轮表面强化效果
通过控制豪克能超声滚压工艺实现了车轮踏面强化后表面粗糙度与镟修表面粗糙度相近，满足《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》中对维修车轮表面粗糙度的要求，可以上线运行[5]。豪克能加工后表面形貌，如图2所示。
采用TH110硬度检测仅对车轮强化前后的踏面硬度进行检测，随机抽取20组试样。硬度检测数据表明，车轮豪克能强化后，车轮表面硬度明显提升均在15%以上，如图3所示。 在镟修过程中，生成的切削力会直接影响加工变形，与此同时，切削热会作用在工件内部的热膨胀冷缩过程，产生加工残余拉应力，因此镟修车轮（即非强化轮）表面存在较高的残余拉应力。残余拉应力的存在会加速裂纹的萌生和扩展，进而引起车轮材料剥离。为研究车轮豪克能强化前后，残余应力真实的分布情况，本项研究采用山东华云机电科技有限公司提供的21A盲孔法残余应力检测仪，分别对镟修车轮、豪克能车轮的踏面表面残余应力进行检测。残余应力检测数据如图4所示，结果表明：豪克能加工前，车轮表面存有较高的残余拉应力，强化加工后，第一主应力和第二主应力变化明显，车轮表面残余拉应力被消除并预置了较高的压应力。
1.3 晶粒细化效果
通过对比镟修后及豪克能超声滚压强化车轮的扫描电镜图片，如图5所示，经镟修后的车轮，表面凹凸不平，形成了大量的沟痕，在车痕峰的位置容易形成应力集中，从而促进疲劳裂纹萌生;而车轮经过豪克能加工后，表面比较平整，并出现了一定厚度的细晶层，晶粒细化层深度约为400μm。
2 列车运行跟踪检测
神华货车公司将54辆车编入测试列第18列中，其中有20辆车安装了豪克能强化轮（以下称“强化轮”），34辆车安装了普通镟修轮做对比（以下称“非强化轮”）。期间进行了6次車轮磨耗数据检测，包含强化轮和非强化轮的踏面圆周磨耗、轮缘厚度，各检测时间及行驶里程如表2所示。
强化轮和非强化轮的踏面圆周磨耗如图6和图7所示。
从图6中可以看出，车轮累计磨耗总体呈现线性增长，强化轮的累计磨耗量低于非强化轮，表明经豪克能强化后车轮磨耗速率低。从图7中可以看出，非强化轮累计磨耗和强化轮累计磨耗差值在7.7万km左右达到最高大值，表明在7.7万km之前豪克能强化轮的减磨效果一直是增加的，随后减磨效果稍有降低。强化轮19.84万km累计磨耗量1.65mm，非强化轮累计磨耗量1.88mm，减磨差0.23mm，减磨比例达12.2%。
以万公里平均磨耗量表征车轮的磨耗速率如图8所示。
从图8中可以看出：列车在运行初期（运行里程0～5万km），车轮踏面磨耗较快，这是因为新镟修车轮投入运行，轮轨面未形成较好的型面匹配，车轮踏面与钢轨表面磨合，因此车轮踏面在初期磨耗较快，约为0.2～0.26mm/万km;列车在运行里程超过5万km后，车轮踏面经过前期磨合，已基本与钢轨型面形成良好的配合，因此车轮踏面磨耗率减小，约为0.11～0.18mm/万km;经豪克能加工强化后的列车轮，表层金属晶粒更加细化，形成改质层，硬度提升，车轮磨耗速率波动不大，强化车轮减磨效果随行驶里程增加而逐渐减弱，在7.71万km后，磨耗速率增快，并超过非强化轮，之后磨耗速率下降趋于稳定。强化车轮在行驶7.71万km时，累计磨耗0.89mm。因此，经豪克能强化后，在列车轮表面形成了不超过1mm的强化层。
3 结果与讨论
（1）豪克能超声滚压工艺强化加工后，车轮表面晶粒具更加均匀细化，车轮表面硬度明显提升均在15%以上，彻底消除踏面残余拉应力，并预置了较高的压应力。后期跟踪结果表明，经豪克能强化后，列车轮减磨比例达12.2%，若想获得更低磨耗，可进一步提高车轮硬度、层深及预置压应力大小等方面进行研究。
（2）经豪克能强化后，在列车轮表面形成了不超过1mm的强化层。新镟修车轮（即非强化轮）在0～5万km处于快速磨耗期，此后车轮轮磨耗速率趋于稳定;豪克能强化后的车轮没有快速磨耗期，车轮磨耗速率波动不大。在货车运行7.7万km之后，强化轮的车轮磨耗速率加快并超过非强化轮，之后磨耗速率下降趋于稳定。
参考文献
[1]郭玉华.高速铁路发展与中国铁路货运[J].铁道经济研究，2010（6）：27-31.
[2]陆正刚，王文斌.轨道车辆设计[M].上海： 同济大学出版社，2015.
[3]刘园.液体对轮轨滚动接触疲劳作用下的钢轨表面裂纹扩展机理的影响[J].上海海事大学学报，2011，32（1）：65-69.
[4]肖楠，谢基龙，周素霞.地铁车轮踏面制动疲劳强度评价方法及应用[J].工程力学，2010，27（9）：234-239.
[5]中华人民共和国铁道部.铁路货车轮轴组装检修及管理规则[M].北京：中国铁道出版社，2016.
关键词：轮对;磨耗;超声滚压;硬度;残余应力
中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）10-0185-04
Comprehensive Research on Strengthening and Anti-wear Technology of C80 Freight Car Wheels
Dong Xiao1， Jin Teng2， Li Jilei2， Li Hongxia2
（1. Shenhua Railway Equipment Co.， Ltd.， Beijing 100120， China; 2.Shandong Huayun Electromechanical Science and Technology Co.， Ltd.， Ji nan 250000， China）
Abstract：Railway freight transportation plays an important role in the entire transportation field， however， the wheel-rail wear during train operation greatly reduces the service life of the wheelset. In this study， C80 freight car wheels were used as the research object to study the influence of Hawking metal strengthening technology on the wear resistance of wheels. The results show that after Hawking processing， the grains of the wheel surface are more uniform and refined， and the hardness increased by more than 15% the residual tensile stress on the surface is completely eliminated， and processing area is preset with a higher compressive stress. After being strengthened by Hawking， the surface of the train wheel has formed a strengthened layer of more than 1mm，after the train traveled 198，400 kilometers， the circumferential abrasion of the tread has been reduced by 12.2%.
Key words：wheelset; wear; ultrasonic rolling; hardness; residual stress
車轮是铁路货车的重要行走部件，承载着列车的全部重量，在行驶过程中与钢轨持续作用而产生磨损。车轮磨损主要表现为踏面垂直磨耗，磨耗超限则会影响正常的轮轨关系，需要进行镟修[1]。重载和提速是当今铁路货运的发展趋势，随着铁路货车载重量、运输量的增加，货车车轮磨耗速率加快，镟修周期逐渐缩短[2]。据调研，神华C80货车车轮平均约每40万km镟修1次。神华货车公司现有各类铁路货车近50000辆，通过新型技术手段减缓车轮磨耗，延长车轮镟修周期具有极高的学术研究价值和经济价值。
豪克能技术是利用法向静压力、滚压力及20～40kHz冲击力在常温工况下对金属材料进行表面强化加工形成改质层，利用材料的流动塑性变形能力使表层金属晶粒细化、位错增殖、硬度提升，同时在表层产生高值残余压应力以提高材料抗疲劳性能。该技术已广泛应用于航空航天、高速列车等行业中机械加工工件抗疲劳制造中[3]。高军、赵显华等人对机车车轮试样进行豪克能强化试验，得出降低车轮试样磨损率64%的豪克能加工工艺[4]。
本研究以C80重载货车轮对为研究对象，利用豪克能强化技术对80条镟修后的货车车轮进行表面强化加工，提高表面硬度和耐磨性，并在朔黄铁路进行20万km的搭载试验、线路考核以评价豪克能强化对车轮的减磨作用。
1 车轮强化加工与检测
1.1 豪克能强化
利用合适的工装将豪克能强化执行器安装在CK61100×3000数控机床上分别对车轮的踏面和轮缘进行强化加工，豪克能强化装备结构如图1所示。
采用豪克能加工装置对神华货车公司提供80条C80货车轮踏面及轮缘进行强化加工。豪克能强化工艺参数设置如表1所示。
1.2 车轮表面强化效果
通过控制豪克能超声滚压工艺实现了车轮踏面强化后表面粗糙度与镟修表面粗糙度相近，满足《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》中对维修车轮表面粗糙度的要求，可以上线运行[5]。豪克能加工后表面形貌，如图2所示。
采用TH110硬度检测仅对车轮强化前后的踏面硬度进行检测，随机抽取20组试样。硬度检测数据表明，车轮豪克能强化后，车轮表面硬度明显提升均在15%以上，如图3所示。 在镟修过程中，生成的切削力会直接影响加工变形，与此同时，切削热会作用在工件内部的热膨胀冷缩过程，产生加工残余拉应力，因此镟修车轮（即非强化轮）表面存在较高的残余拉应力。残余拉应力的存在会加速裂纹的萌生和扩展，进而引起车轮材料剥离。为研究车轮豪克能强化前后，残余应力真实的分布情况，本项研究采用山东华云机电科技有限公司提供的21A盲孔法残余应力检测仪，分别对镟修车轮、豪克能车轮的踏面表面残余应力进行检测。残余应力检测数据如图4所示，结果表明：豪克能加工前，车轮表面存有较高的残余拉应力，强化加工后，第一主应力和第二主应力变化明显，车轮表面残余拉应力被消除并预置了较高的压应力。
1.3 晶粒细化效果
通过对比镟修后及豪克能超声滚压强化车轮的扫描电镜图片，如图5所示，经镟修后的车轮，表面凹凸不平，形成了大量的沟痕，在车痕峰的位置容易形成应力集中，从而促进疲劳裂纹萌生;而车轮经过豪克能加工后，表面比较平整，并出现了一定厚度的细晶层，晶粒细化层深度约为400μm。
2 列车运行跟踪检测
神华货车公司将54辆车编入测试列第18列中，其中有20辆车安装了豪克能强化轮（以下称“强化轮”），34辆车安装了普通镟修轮做对比（以下称“非强化轮”）。期间进行了6次車轮磨耗数据检测，包含强化轮和非强化轮的踏面圆周磨耗、轮缘厚度，各检测时间及行驶里程如表2所示。
强化轮和非强化轮的踏面圆周磨耗如图6和图7所示。
从图6中可以看出，车轮累计磨耗总体呈现线性增长，强化轮的累计磨耗量低于非强化轮，表明经豪克能强化后车轮磨耗速率低。从图7中可以看出，非强化轮累计磨耗和强化轮累计磨耗差值在7.7万km左右达到最高大值，表明在7.7万km之前豪克能强化轮的减磨效果一直是增加的，随后减磨效果稍有降低。强化轮19.84万km累计磨耗量1.65mm，非强化轮累计磨耗量1.88mm，减磨差0.23mm，减磨比例达12.2%。
以万公里平均磨耗量表征车轮的磨耗速率如图8所示。
从图8中可以看出：列车在运行初期（运行里程0～5万km），车轮踏面磨耗较快，这是因为新镟修车轮投入运行，轮轨面未形成较好的型面匹配，车轮踏面与钢轨表面磨合，因此车轮踏面在初期磨耗较快，约为0.2～0.26mm/万km;列车在运行里程超过5万km后，车轮踏面经过前期磨合，已基本与钢轨型面形成良好的配合，因此车轮踏面磨耗率减小，约为0.11～0.18mm/万km;经豪克能加工强化后的列车轮，表层金属晶粒更加细化，形成改质层，硬度提升，车轮磨耗速率波动不大，强化车轮减磨效果随行驶里程增加而逐渐减弱，在7.71万km后，磨耗速率增快，并超过非强化轮，之后磨耗速率下降趋于稳定。强化车轮在行驶7.71万km时，累计磨耗0.89mm。因此，经豪克能强化后，在列车轮表面形成了不超过1mm的强化层。
3 结果与讨论
（1）豪克能超声滚压工艺强化加工后，车轮表面晶粒具更加均匀细化，车轮表面硬度明显提升均在15%以上，彻底消除踏面残余拉应力，并预置了较高的压应力。后期跟踪结果表明，经豪克能强化后，列车轮减磨比例达12.2%，若想获得更低磨耗，可进一步提高车轮硬度、层深及预置压应力大小等方面进行研究。
（2）经豪克能强化后，在列车轮表面形成了不超过1mm的强化层。新镟修车轮（即非强化轮）在0～5万km处于快速磨耗期，此后车轮轮磨耗速率趋于稳定;豪克能强化后的车轮没有快速磨耗期，车轮磨耗速率波动不大。在货车运行7.7万km之后，强化轮的车轮磨耗速率加快并超过非强化轮，之后磨耗速率下降趋于稳定。
参考文献
[1]郭玉华.高速铁路发展与中国铁路货运[J].铁道经济研究，2010（6）：27-31.
[2]陆正刚，王文斌.轨道车辆设计[M].上海： 同济大学出版社，2015.
[3]刘园.液体对轮轨滚动接触疲劳作用下的钢轨表面裂纹扩展机理的影响[J].上海海事大学学报，2011，32（1）：65-69.
[4]肖楠，谢基龙，周素霞.地铁车轮踏面制动疲劳强度评价方法及应用[J].工程力学，2010，27（9）：234-239.
[5]中华人民共和国铁道部.铁路货车轮轴组装检修及管理规则[M].北京：中国铁道出版社，2016.