CN110777241A - 一种铁路车轮冷却装置、冷却方法和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路车轮冷却装置、冷却方法和制备方法，属于铁路车轮技术领域。该装置包括淬火台和沿其周向均匀布置的多个喷枪，喷枪包括出水面板和进水支管。出水面板上设有直径大小不同的大喷眼和小喷眼，其中，小喷眼单独由一根支管控制出水，大喷眼分上下两部分，分别通过不同的支管控制出水。其可以方便地调节喷射向车轮的冷却水的强弱，改善车轮轮辋在径向和轴向上的冷却均匀性。该冷却方法采用上述冷却装置在制备车轮时对车轮进行热处理冷却，有效地加强了车轮轮辋的硬度均匀性，提高了车轮的使用性能。该制备方法采用上述冷却方法在制备时对车轮进行热处理冷却，可以制备出轮辋硬度均匀性高的车轮。

Description

一种铁路车轮冷却装置、冷却方法和制备方法

技术领域

本发明属于铁路车轮技术领域，更具体地说，涉及一种铁路车轮冷却装置、冷却方法和制备方法。

背景技术

目前，在国内外铁路车轮的制备过程中，踏面连续低压大流量强制喷水冷却是其通用的热处理冷却方式。但是，这种冷却方式的踏面近表层与冷却介质直接接触，瞬时温降极大，而轮辋内部的热量只能依靠热传导至踏面近表层才能被冷却介质带走，冷却速度相比较踏面近表层显著降低。这种踏面近表层与轮辋内部极大的冷速差异，不仅使踏面近表层形成非珠光体的异常组织，还会导致轮辋内部冷却能力的不足，造成轮辋全截面沿径向的冷却不均匀，轮辋性能受到影响。针对于此，现有的铁轮车轮冷却工艺也采取了相应措施。

如中国专利申请号为：CN200810020421.5，公开日为：2008年9月24日的专利文献，公开了一种高碳钢火车车轮轮辋表面的热处理方法，其在冷却过程中，先用小流量水流对火车车轮的车轮踏面进行短时间喷水冷却，然后用大流量水流对车轮踏面进行长时间强制喷水冷却。该发明还公开了实施上述方法的热处理装置，其进水环管分为大流量进水环管和小流量进水环管，大流量进水环管接通多个大流量喷嘴；小流量进水环管接通多个小流量喷嘴。

又如中国专利申请号为：CN201910358140.9，公开日为：2019年7月26日的专利文献，公开了一种铁路车轮的热处理冷却工艺，属于铁路车轮的热处理冷却技术领域。方法步骤包括：先将车轮整体加热至完全奥氏体化；然后转运至淬火台，使车轮处于转动状态，采用压力阶梯递增式气雾两相流喷射车轮踏面；再将车轮整体入回火炉保温，最后取出空冷；压力阶梯递增式气雾两相流喷射车轮踏面依次包括三个阶段，控制三个阶段的车轮转速v1>v2>v3，水压P1<P2<P3，淬火冷却时间T1<T2<T3；三个阶段启动沿车轮周向等间距分布的喷嘴数量依次为M、2M和3M。

针对车轮热处理冷却过程中的车轮踏面近表层和轮辋内部的冷却速率差异过大，导致踏面近表层出现异常组织且轮辋径向冷却不均匀的情况，上述两种方案均采用了先对车轮踏面进行小流量喷射冷却，再采用大流量喷射冷却的方式，使得车轮踏面至轮辋内部的冷却速率区域均匀一致，降低踏面近表层出现异常组织的概率。但是，这两种方案均只考虑到了轮辋沿径向的冷却速度的均匀性，没有考虑轮辋在轴向上的冷却均匀性，而在实际的热处理过程中，冷却介质在重力作用下，集中在车轮下端的轮辋处，导致下端轮辋处的冷区速率明显大于上端轮辋处的冷却速率，从而影响了轮辋在轴向上的冷却均匀性，降低了轮辋性能。

另外，现有技术中的铁路车轮冷却处理装置也没有针对车轮轮辋轴向上的冷却均匀性采取相应措施，如中国专利申请号为：CN201810189670.0，公开日为：2018年7月31日的专利文献，公开了一种车轮淬火专用组合式喷嘴，包括第一套喷嘴和第二套喷嘴，所述第一套喷嘴包括喷嘴壶腔和设在喷嘴壶腔上的喷嘴喷水面板，所述喷嘴壶腔上设有第一套喷嘴进水口，喷嘴喷水面板上设有第一套喷嘴出水孔，所述第二套喷嘴安装在第一套喷嘴的喷嘴喷水面板上，第二套喷嘴的进水管从第一套喷嘴的喷嘴壶腔内部排管。第二套喷嘴的安装合理，两套喷嘴的调节实现标准化，调节操作简单化，降低喷嘴调节强度，大幅缩短调节时间，大幅提高了热处理生产线的生产效率。但是，该方案的第二套小流量喷嘴是集成在第一套大流量喷嘴的喷水面板上，并突出一定长度，受喷射范围的限制，无法全面覆盖整个踏面区域，直接影响到了轮辋断面硬度的均匀性，其无法解决上述提到的轮辋轴向上的冷却均匀性的问题。

由于提高铁路车轮轮辋的冷却均匀性，能够提高轮辋的硬度均匀性，对改善车轮的使用性能，尤其是预防或减缓车轮的失圆(多边形)、偏磨等使用问题的发生，提高全寿命周期内磨耗的均匀性是有利的。因此，为解决现有技术的不足，制造出高硬度均匀性的铁路车轮，提供一种制备方法及装置尤为必要。

发明内容

1、要解决的问题

针对铁轮车轮在制备时，现有的热处理冷却装置很难保证轮辋处的冷却均匀性，影响车轮使用性能的问题，本发明提供一种铁路车轮冷却装置，其可以方便地调节喷射向车轮的冷却水的强弱，改善车轮轮辋在径向和轴向上的冷却均匀性，制备使用性能较高的车轮。

本发明还提供一种铁轮车轮冷却方法，采用上述冷却装置在制备车轮时对车轮进行热处理冷却，有效地加强了车轮轮辋的硬度均匀性，提高了车轮的使用性能。

本发明还提供一种铁轮车轮制备方法，采用上述冷却方法在制备时对车轮进行热处理冷却，可以制备出轮辋硬度均匀性高的车轮。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种铁路车轮冷却装置，包括淬火台和沿其周向均匀布置的多个喷枪，所述喷枪包括出水面板和进水支管；所述出水面板上设有至少一排从上到下排布的大喷眼，所述大喷眼的一侧设有至少一排从上到下排布的小喷眼；所述进水支管包括两根大喷眼支管和一根小喷眼支管，其中一根大喷眼支管连通出水面板上部的大喷眼，另一根大喷眼支管连通出水面板下部的大喷眼，所述小喷眼支管连通小喷眼。

作为冷却装置的进一步改进，所述出水面板上设有从上到下延伸的多条凸体，所述大喷眼和小喷眼均设置在凸体的一侧面上。

作为冷却装置的进一步改进，所述大喷眼和小喷眼所在的凸体的侧面与出水面板的夹角为40～50°。

作为冷却装置的进一步改进，还包括两根大口径环管和一根小口径环管，其中一根大口径环管分别与每根连通出水面板上部大喷眼的大喷眼支管连接，另一根大口径环管分别与每根连通出水面板下部大喷眼的大喷眼支管连接，小口径环管分别与每根小喷眼支管连接。

作为冷却装置的进一步改进，所述大喷眼的直径为4～5mm，所述小喷眼的直径为1.5～2mm。

一种铁路车轮冷却方法，采用上述一种铁轮车轮冷却装置对热处理阶段的车轮进行冷却，包括以下步骤：

一、准备阶段

将待冷却的车轮运至淬火台上，使车轮的侧面朝上，启动淬火台，使车轮处于转动状态；

二、小流量喷射阶段

启动小喷眼支管对车轮进行喷射，喷射时间60～210s，水压为P0；

三、大流量喷射阶段

停止小喷眼支管，启动大喷眼支管对车轮进行喷射，至车轮的轮辋和轮辐的过渡处变暗，停止喷射，其中，连通出水面板上部大喷眼的大喷眼支管的水压为P1，通出水面板下部大喷眼的大喷眼支管的水压为P2；

其中，P1＞P2＞P0。

作为冷却方法的进一步改进，所述步骤二和步骤三中，P0为0.05～0.15MPa，P1为0.35～0.45MPa，P2为0.3～0.4MPa。

作为冷却方法的进一步改进，所述步骤二中，小喷眼的出水速度为3～5m/s，单个喷枪的出水量为4～7m³/h；所述步骤三中，大喷眼的出水速度为7～12m/s，单个喷枪的出水量为20～22m³/h。

作为冷却方法的进一步改进，所述车轮的钢的碳含量为0.50～0.75％，车轮轮径为840～1250mm。

一种铁轮车轮的制备方法，包括切坯、加热、成形、热处理和精加工，其中，热处理包括加热、冷却和回火，所述冷却步骤采用上述一种铁路车轮冷却方法。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明一种铁路车轮冷却装置，通过在出水面板上设置从上到下排布的直径大小不同的两种喷眼，并通过不同大小的进水支管送水，可以方便地控制喷枪对车轮采取先弱后强的喷水冷却方式，提高轮辋在车轮径向上的冷却均匀性，尤其是，该装置还可以分别控制出水面板的上下两部分大喷眼的水压和出水速度，调整喷枪对轮辋在车轮轴向上的喷水量，加强轮辋在车轮轴向上的冷却均匀性，即该装置可以方便地对轮辋在车轮轴向和径向上的冷却速度进行调整，加强轮辋各个位置的硬度均匀性，提高其使用性能；

(2)本发明一种铁路车轮冷却装置，在出水面板上设置多条凸体，再将喷眼设置在凸体侧面上，通过设置侧面相对于出水面板的角度，能够设置喷眼对车轮的喷射角度，通过更换不同角度的出水面板，可以找到最适合于所制备的车轮的喷射角度，提高冷却效果；

(3)本发明一种铁路车轮冷却装置，设置分别与每个喷枪上的进水支管连接的三根环管，使得只需调节每个环管的进水量就可以调节多个喷枪的出水量，一方面调节方便，另一方面也可以保证各个喷枪的出水量一致，提高对车轮踏面的冷却均匀性；

(4)本发明一种铁路车轮冷却装置，可以实现车轮轮缘顶点至踏面拐点之间的整个踏面的全覆盖喷射，保证了冷却效果的稳定性与均匀性，显著改善车轮轮辋沿周向的硬度均匀性，预防或减缓车轮多边形问题的发生；

(5)本发明一种铁路车轮冷却方法，采用上述一种铁路车轮冷却装置，通过对车轮进行先弱后强的冷却方式，能够提高轮辋在车轮径向上的冷却均匀性，显著减少或避免车轮踏面近表层的异常组织的生成，优化轮辋全截面组织结构，不仅可以减少或消除后续切削加工，提高金属利用率，还能显著降低轮辋沿径向的硬度梯度，改善车轮使用时的磨耗的均匀性；

(6)本发明一种铁路车轮冷却方法，通过调整喷眼对车轮轮辋上下两端的喷射水流的压力，能够显著减少或避免因重力作用而使得冷却水积压在轮辋下部造成的轮辋在车轮轴向上的冷却速度不一致，从而提高轮辋在车轮轴向上的冷却均匀性，降低轮辋沿轴向的硬度梯度，减少车轮的轮缘偏磨问题；

(7)本发明一种铁轮车轮的制备方法，采用上述一种铁路车轮冷却方法对车轮进行热处理操作，能够制备出轮辋硬度均匀的车轮，减少车轮的轮缘偏磨问题，降低车轮变为多边形的概率，提高车轮的使用寿命。

附图说明

图1为本发明冷却装置的俯视图；

图2为本发明出水面板的结构示意图；

图3为图2中椭圆虚线处的局部放大图；

图4为喷枪对踏面进行喷水的工作示意图；

图5为车轮轮辋断面网格硬度测试示意图；

图6为实验1中①的车轮轮辋断面硬度沿周向分布；

图7为实验1中②的车轮轮辋断面硬度沿周向分布；

图8为实验2中①的车轮轮辋断面硬度沿周向分布；

图9为实验2中②的车轮轮辋断面硬度沿周向分布；

图10为实验3中①的车轮轮辋断面硬度沿周向分布；

图11为实验3中②的车轮轮辋断面硬度沿周向分布；

图中：1、淬火台；2、喷枪；21、出水面板；22、大喷眼；23、小喷眼；24、大喷眼支管；25、小喷眼支管；26、凸体；3、轮辋；31、踏面；32、轮缘；33、轮缘喉；34、踏面拐点。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

一种铁路车轮冷却装置，用于在铁轮车轮制备时的热处理阶段，对车轮进行冷却处理。如图1所示，该装置包括淬火台1和喷枪2，淬火台1为一个可以自转的轮盘结构，通过电机控制转动，喷枪2具有多个，沿淬火台1的周向均匀分布，具体数目根据车轮的直径大小来定，本实施例为6个喷枪。冷却车轮时，将车轮的侧面放置于淬火台1上，使喷枪2的喷水方向正对车轮的踏面，对车轮的踏面进行喷水冷却。下面对喷枪2的具体结构做出详细描述。

如图1至图3所示，喷枪2包括出水面板21和与出水面板21相连接的进水支管。出水面板21上具有至少一排从上到下等间隔布置的大喷眼22，位于大喷眼22一侧则设有从上到下等间隔布置的至少一排小喷眼23。进水支管包括两根大喷眼支管24和一根小喷眼支管25。其中，与两根大喷眼支管24连接的进水口对称安装在出水面板21的上下两端，一个进水口连通位于出水面板21上半部分的大喷眼22，另一个进水口则连通位于出水面板21下半部分的大喷眼22。与小喷眼支管25连接的进水口设置在两根大喷眼支管24的一侧，高度位于两根大喷眼支管24的中间，该进水口连通所有小喷眼25。具体的，进水口和喷眼之间可以有多种连通方式，如每个喷眼分别设置一条连接进水口的管道，或在出水面板21内设置分别对应上半部分大喷眼22、下半部分大喷眼22和小喷眼23的空腔，每个进水口分别连通一个空腔。

为了调整喷眼的喷水角度，提高对于车轮的冷却效果。本实施例在出水面板21上设有从上到下延伸的多条凸体26，凸体26为三棱柱状结构，喷眼设置在凸体26的其中一侧面上，工作时，喷水面板21正对于车轮的踏面，通过设置喷眼所在的凸体26侧面与出水面板21的夹角，可以确定水流喷向车轮的角度，根据不同厚度和直径的车轮，能够通过更换不同的出水面板21调整水流喷射角度，找到冷却效果最好的喷射角度，通常情况下，喷水面板21与喷眼所在侧面夹角保持在40～50°为优选的喷射角度，本实施例取45°。

本实施例中，出水面板21上从左到右依次设有8条凸体。其中，左侧的6条凸体26上设置6排大喷眼22，相邻的两排大喷眼22之间的位置交错布置，保证对车轮踏面的全覆盖喷射。右侧2条凸体26上则设置两排小喷眼23，两排小喷眼23之间的位置交错布置，保证对车轮踏面的全覆盖喷射。最上端的大喷眼22和最上端的小喷眼23处于同一高度，最下端的大喷眼22和最下端的小喷眼23也处于同一高度，使得只需调整大喷眼22或小喷眼23可以喷射到车轮踏面的最上端和最下端，即可保证二者都可以实现对踏面的全覆盖喷射。如图4所示，即为喷枪2对轮辋3的踏面31进行全覆盖喷射的工作示意图，该工作示意图中的车轮内侧面朝上地放置在淬火台1上，出水面板21最上端的喷眼喷出的水流高度与轮缘32的顶点等高，最下端的喷眼与踏面拐点34等高。

大喷眼22的直径为4～5mm，小喷眼23的直径为1.5～2mm，该直径范围为配合相关冷却工艺而选择的冷却效果较好的范围，本实施例中大喷眼22的直径取4.5mm，小喷眼23的直径取1.7mm。

另外，为了保证各个喷枪2的水量一致，使得车轮各个部位的冷却均匀，该装置还设有两根大口径环管和一根小口径环管，环管环绕着淬火台1设置。其中，一根大口径环管分别与每根连通出水面板21上部大喷眼22的大喷眼支管24连接，另一根大口径环管分别与每根连通出水面板21下部大喷眼22的大喷眼支管24连接，小口径环管分别与每根小喷眼支管25连接。因此，只需调节每根环管的进水量，即可调整该环管所连接的喷眼支管的进水量，从而调整相应部分的喷眼的出水量，控制极为方便。且由于多个出水面板21的相应部分的喷眼由同一根环管进行供水，因此可以很好地保证各个喷枪2的相应部分的出水量一致，提高对车轮的冷却均匀性。

综上所述，本实施例的一种铁路车轮冷却装置，其可以方便地调节喷射向车轮的冷却水的强弱，搭配相应的冷却方法，能够有效地改善车轮轮辋在径向和轴向上的冷却均匀性，制备使用性能较高的车轮。

实施例2

一种铁路车轮冷却方法，采用实施例1的一种铁路车轮冷却装置对待冷却的车轮进行冷却处理，包括以下步骤：

一、准备阶段

将热处理阶段的待冷却的车轮运至淬火台1上，使车轮的侧面朝上，车轮踏面正对于喷枪2的出水面板21，接着，启动淬火台1，使车轮处于转动状态。

二、小流量喷射阶段

启动小喷眼支管25对车轮进行喷射，喷射时间60～210s，水压为P0，该步中，P0为0.05～0.15Mpa，具体喷射时间取决于车轮的轮径和车轮钢的化学成分。当踏面近表层一定深度以内发生完全细珠光体+少量铁素体即F-P组织转变后，停止喷射，此时轮辋内部金属温度仍然处于Ac3温度以上，尚未发生冷却转变。

三、大流量喷射阶段

停止小喷眼支管25，启动大喷眼支管24对车轮进行喷射，直至车轮的轮辋和轮辐的过渡处变暗，实现完全细珠光体+少量铁素体组织转变后，停止喷射。其中，连通出水面板21上部大喷眼22的大喷眼支管24的水压为P1，通出水面板21下部大喷眼22的大喷眼支管24的水压为P2。该步中，P1为0.35～0.45MPa，P2为0.3～0.4Mpa。

喷射时，P1＞P2＞P0。步骤二时，小喷眼23的出水速度为3～5m/s，单个喷枪2的出水量为4～7m³/h；步骤三时，大喷眼22的出水速度为7～12m/s，单个喷枪2的出水量为20～22m³/h。该数值范围是优选的对于车轮冷却效果较好的数值范围，尤其是针对钢的碳含量为0.50～0.75％，车轮轮径为840～1250mm的车轮，冷却效果极佳。

该方法采用先弱后强的喷水冷却方式，可以降低踏面近表层与轮辋内部的冷却速度的差异，提高轮辋在车轮径向上的冷却均匀性，显著减少或避免车轮踏面近表层的异常组织的生成，优化轮辋全截面组织结构，不仅可以减少或消除后续切削加工，提高金属利用率，还能显著降低轮辋沿径向的硬度梯度，改善车轮使用时的磨耗的均匀性。

另外，在对车轮踏面进行喷射时，冷却水在重力作用下会流向并积压在轮辋下端，轮辋下端与冷却水的接触时间和接触面积均大于轮辋上端，导致轮辋上下部分的冷却速度产生差异，即在车轮轴向上的冷却不均匀，破坏轮辋在车轮轴向上的硬度均匀性，从而影响其使用性能。尤其是在如图4所示的轮缘喉33处，由于该处与喷射水流的接触面积较小，其与轮辋下端的冷却速度的差异尤为明显。而本实施例在大流量喷射阶段，通过调整两个大喷眼支管24的水压，使得出水面板21的上半部分的大喷眼22的水压大于下半部分的大喷眼22的水压，显著减少或避免了因重力作用而使得冷却水积压在轮辋下部造成的轮辋在车轮轴向上的冷却速度不一致的情况，提高轮辋在车轮轴向上的冷却均匀性，降低轮辋沿轴向的硬度梯度，减少车轮的轮缘偏磨问题。

尤其是，该冷却方法配合实施例1的一种铁路车轮冷却装置对车轮进行冷却，只需通过调节三根环管的进水量和水压即可同时对多个喷枪2的水压和水量进行调整，调节极其方便，且保证了各个喷枪2的水量和水压一致，提高了对车轮踏面的冷却均匀性。

因此，该冷却装置和冷却方法相配合使用，可以方便地在对车轮进行冷却时进行调节，使得轮辋在车轮的轴向和径向上都冷却均匀，提高轮辋的硬度均匀性，制备出使用性能极佳的铁路车轮。

为了更进一步地说明和体现本发明的改进，下面给出几组对比实验的数据和结果分析。

实验1

①准备一个钢的碳含量为0.50wt％，轮径为1250mm的待冷却毛坯车轮，将其内侧面朝上地放置在淬火台1上，控制出水面板21距车轮踏面的距离为120mm，启动淬火台1控制单元，控制淬火台1以90r/min转动。

先启动小喷眼23喷射车轮踏面，控制小喷眼支管25的水压为0.05MPa，小喷眼23的出水速度为3m/s，喷射冷却时间为60s，使踏面近表层10mm以内发生完全细珠光体+少量铁素体(即F-P)组织转变，但此时轮辋内部金属温度仍然处于Ac3温度以上，尚未发生冷却转变。接着，立即启动大喷眼22喷射车轮踏面，控制与上半部分大喷眼22连通的大喷眼支管24的水压为0.35Mpa，大喷眼22的出水速度为8m/s。控制下半部分大喷眼22连通的大喷眼支管24的水压为0.3Mpa，大喷眼22的出水速度为7m/s。待轮辋和轮辐的过渡处变暗后，停止喷射。接着将冷却后的车轮进行回火和精加工，得到成品车轮。

②准备一个钢的碳含量为0.50wt％，轮径为1250mm的待冷却毛坯车轮，将其内侧面朝上地放置在淬火台1上，控制出水面板21距车轮踏面的距离为120mm，启动淬火台1控制单元，控制淬火台1以90r/min转动。

启动大喷眼22喷射车轮踏面，两根大喷眼支管24的水压均为0.3MPa，大喷眼22的出水速度为7m/s，待轮辋和轮辐的过渡处变暗后，停止喷射。接着将冷却后的车轮进行回火和精加工，得到成品车轮。

如图5所示，将实验1的①和②制得的成品车轮的轮辋沿周向截取四分之一，从边缘的一端至另一端沿周向每隔10°取一片断面硬度块进行网格硬度测试，结果如下表1所示。

表1①、②的断面网格硬度(5/750HBW)

分析沿轮辋径向、轴向硬度的最大值、最小值及平均值，结果表明：轮辋内距踏面的距离相同的部位，①中的硬度梯度均在10HB内，而②中的硬度梯度均在20HB以上，即①的轮辋在车轮轴向上的硬度均匀性明显好于②的轮辋在车轮轴向上的硬度均匀性；所取角度相同的轮辋部位，①中的硬度梯度均在10HB内，而②中的硬度梯度均在20HB以上，即①的轮辋在车轮径向上的硬度均匀性明显好于②的轮辋在车轮径向上的硬度均匀性。

接着沿周向取0～90°的断面块踏面下的不同位置进行硬度分析，如图6和图7所示，①的车轮轮辋沿周向的硬度均匀性明显好于②的车轮轮辋沿周向的硬度均匀性。

实验2

①准备一个钢的碳含量为0.62wt％，轮径为840mm的待冷却毛坯车轮，将其内侧面朝上地放置在淬火台1上，控制出水面板21距车轮踏面的距离为110mm，启动淬火台1控制单元，控制淬火台1以50r/min转动。

先启动小喷眼23喷射车轮踏面，控制小喷眼支管25的水压为0.1MPa，小喷眼23的出水速度为4m/s，喷射冷却时间为140s，使踏面近表层15mm以内发生完全细珠光体+少量铁素体(即F-P)组织转变，但此时轮辋内部金属温度仍然处于Ac3温度以上，尚未发生冷却转变。接着，立即启动大喷眼22喷射车轮踏面，控制与上半部分大喷眼22连通的大喷眼支管24的水压为0.4Mpa，大喷眼22的出水速度为10m/s。控制下半部分大喷眼22连通的大喷眼支管24的水压为0.35Mpa，大喷眼22的出水速度为9m/s。待轮辋和轮辐的过渡处变暗后，停止喷射。接着将冷却后的车轮进行回火和精加工，得到成品车轮。

②准备一个钢的碳含量为0.62wt％，轮径为840mm的待冷却毛坯车轮，将其内侧面朝上地放置在淬火台1上，控制出水面板21距车轮踏面的距离为110mm，启动淬火台1控制单元，控制淬火台1以50r/min转动。

启动大喷眼22喷射车轮踏面，两根大喷眼支管24的水压均为0.35MPa，大喷眼22的出水速度为9m/s，待轮辋和轮辐的过渡处变暗后，停止喷射。接着将冷却后的车轮进行回火和精加工，得到成品车轮。

如图5所示，将实验1的①和②制得的成品车轮的轮辋沿周向截取四分之一，从边缘的一端至另一端沿周向每隔10°取一片断面硬度块进行网格硬度测试，结果如下表2所示。

表2①、②的断面网格硬度(5/750HBW)

分析沿轮辋径向、轴向硬度的最大值、最小值及平均值，结果表明：轮辋内距踏面的距离相同的部位，①中的硬度梯度均在15HB内，而②中的硬度梯度均在25HB以上，即①的轮辋在车轮轴向上的硬度均匀性明显好于②的轮辋在车轮轴向上的硬度均匀性；所取角度相同的轮辋部位，①中的硬度梯度均在15HB内，而②中的硬度梯度均在25HB以上，即①的轮辋在车轮径向上的硬度均匀性明显好于②的轮辋在车轮径向上的硬度均匀性。

接着沿周向取0～90°的断面块踏面下的不同位置进行硬度分析，如图8和图9所示，①的车轮轮辋沿周向的硬度均匀性明显好于②的车轮轮辋沿周向的硬度均匀性。

实验3

①准备一个钢的碳含量为0.75wt％，轮径为950mm的待冷却毛坯车轮，将其内侧面朝上地放置在淬火台1上，控制出水面板21距车轮踏面的距离为100mm，启动淬火台1控制单元，控制淬火台1以70r/min转动。

先启动小喷眼23喷射车轮踏面，控制小喷眼支管25的水压为0.15MPa，小喷眼23的出水速度为5m/s，喷射冷却时间为210s，使踏面近表层20mm以内发生完全细珠光体+少量铁素体(即F-P)组织转变，但此时轮辋内部金属温度仍然处于Ac3温度以上，尚未发生冷却转变。接着，立即启动大喷眼22喷射车轮踏面，控制与上半部分大喷眼22连通的大喷眼支管24的水压为0.45Mpa，大喷眼22的出水速度为12m/s。控制下半部分大喷眼22连通的大喷眼支管24的水压为0.4Mpa，大喷眼22的出水速度为11m/s。待轮辋和轮辐的过渡处变暗后，停止喷射。接着将冷却后的车轮进行回火和精加工，得到成品车轮。

②准备一个钢的碳含量为0.75wt％，轮径为950mm的待冷却毛坯车轮，将其内侧面朝上地放置在淬火台1上，控制出水面板21距车轮踏面的距离为100mm，启动淬火台1控制单元，控制淬火台1以70r/min转动。

启动大喷眼22喷射车轮踏面，两根大喷眼支管24的水压均为0.4MPa，大喷眼22的出水速度为11m/s，待轮辋和轮辐的过渡处变暗后，停止喷射。接着将冷却后的车轮进行回火和精加工，得到成品车轮。

如图5所示，将实验1的①和②制得的成品车轮的轮辋沿周向截取四分之一，从边缘的一端至另一端沿周向每隔10°取一片断面硬度块进行网格硬度测试，结果如下表3所示。

表3①、②的断面网格硬度(5/750HBW)

分析沿轮辋径向、轴向硬度的最大值、最小值及平均值，结果表明：轮辋内距踏面的距离相同的部位，①中的硬度梯度均在17HB内，而②中的硬度梯度均在30HB以上，即①的轮辋在车轮轴向上的硬度均匀性明显好于②的轮辋在车轮轴向上的硬度均匀性；所取角度相同的轮辋部位，①中的硬度梯度均在17HB内，而②中的硬度梯度均在30HB以上，即①的轮辋在车轮径向上的硬度均匀性明显好于②的轮辋在车轮径向上的硬度均匀性。

接着沿周向取0～90°的断面块踏面下的不同位置进行硬度分析，如图10和图11所示，①的车轮轮辋沿周向的硬度均匀性明显好于②的车轮轮辋沿周向的硬度均匀性。

综上所述，从实验1、2和3可以得出，本实施例的一种铁路车轮冷却方法，相较于现有的连续大流量低压喷射冷却方法，对轮辋在车轮轴向、径向和周向上的硬度均匀性都有明显改进，有效地提高了车轮的使用性能。

实施例3

一种铁路车轮制备方法，包括切坯、加热、成形、热处理和精加工，其中，热处理包括加热、冷却和回火，除冷却步骤以外，其余步骤为常规工艺生产中采用的现有技术，在此不做详细描述。冷却步骤采用实施例2的一种铁路车轮冷却方法，能够极大地提高制备出的铁路车轮的轮辋的硬度均匀性，从而提高车轮的使用性能。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铁路车轮冷却装置，包括淬火台(1)和沿其周向均匀布置的多个喷枪(2)，其特征在于：所述喷枪(2)包括出水面板(21)和进水支管；所述出水面板(21)上设有至少一排从上到下排布的大喷眼(22)，所述大喷眼(22)的一侧设有至少一排从上到下排布的小喷眼(23)；所述进水支管包括两根大喷眼支管(24)和一根小喷眼支管(25)，其中一根大喷眼支管(24)连通出水面板(21)上部的大喷眼(22)，另一根大喷眼支管(24)连通出水面板(21)下部的大喷眼(22)，所述小喷眼支管(25)连通小喷眼(23)。

2.根据权利要求1所述的一种铁路车轮冷却装置，其特征在于：所述出水面板(21)上设有从上到下延伸的多条凸体(26)，所述大喷眼(22)和小喷眼(23)均设置在凸体(26)的一侧面上。

3.根据权利要求2所述的一种铁路车轮冷却装置，其特征在于：所述大喷眼(22)和小喷眼(23)所在的凸体(26)的侧面与出水面板(21)的夹角为40～50°。

4.根据权利要求1所述的一种铁路车轮冷却装置，其特征在于：还包括两根大口径环管和一根小口径环管，其中一根大口径环管分别与每根连通出水面板(21)上部大喷眼(22)的大喷眼支管(24)连接，另一根大口径环管分别与每根连通出水面板(21)下部大喷眼(22)的大喷眼支管(24)连接，小口径环管分别与每根小喷眼支管(23)连接。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种铁路车轮冷却装置，其特征在于：所述大喷眼(22)的直径为4～5mm，所述小喷眼(23)的直径为1.5～2mm。

6.一种铁路车轮冷却方法，采用权利要求1-5所述的一种铁轮车轮冷却装置对热处理阶段的车轮进行冷却，包括以下步骤：

一、准备阶段

将待冷却的车轮运至淬火台(1)上，使车轮的侧面朝上，启动淬火台(1)，使车轮处于转动状态；

二、小流量喷射阶段

启动小喷眼支管(25)对车轮进行喷射，喷射时间60～210s，水压为P0；

三、大流量喷射阶段

停止小喷眼支管(25)，启动大喷眼支管(24)对车轮进行喷射，至车轮的轮辋和轮辐的过渡处变暗，停止喷射，其中，连通出水面板(21)上部大喷眼(22)的大喷眼支管(24)的水压为P1，通出水面板(21)下部大喷眼(22)的大喷眼支管(24)的水压为P2；

其中，P1＞P2＞P0。

7.根据权利要求6所述的一种铁路车轮冷却方法，其特征在于：所述步骤二和步骤三中，P0为0.05～0.15MPa，P1为0.35～0.45MPa，P2为0.3～0.4MPa。

8.根据权利要求7所述的一种铁路车轮冷却方法，其特征在于：所述步骤二中，小喷眼(23)的出水速度为3～5m/s，单个喷枪(2)的出水量为4～7m³/h；所述步骤三中，大喷眼(22)的出水速度为7～12m/s，单个喷枪(2)的出水量为20～22m³/h。

9.根据权利要求8所述的一种铁路车轮冷却方法，其特征在于：所述车轮的钢的碳含量为0.50～0.75％，车轮轮径为840～1250mm。

10.一种铁轮车轮的制备方法，包括切坯、加热、成形、热处理和精加工，其中，热处理包括加热、冷却和回火，其特征在于：所述冷却步骤采用权利要求6-9所述的一种铁路车轮冷却方法。

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