CN115216618B - 一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁路钢轨技术领域，涉及一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法及装置，方法包括：1)收集铁路钢轨焊缝区域线路运营条件及现场资料，测试焊缝附近轨面硬度，并识别焊接区、热影响区以及基材；2)分别从钢轨焊接区、热影响区以及基材区取样，进行轮轨对磨试验，获得不同硬度对应钢轨磨耗速率；3)对不同硬度钢轨试件进行层流等离子淬火处理，获得不同硬度层流等离子强化试件磨耗速率；进而得到层流等离子淬火减缓不同硬度钢轨试件磨耗速率倍数n；4)基于钢轨磨耗速率，结合钢轨表面淬火强化处理材料磨耗特性，匹配设计焊缝段钢轨选区强化参数；5)对焊缝接头处进行强化处理。本发明能较佳地控制钢轨磨耗。

Description

一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及铁路钢轨技术领域，具体地说，涉及一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法及装置。
背景技术
铁路钢轨通过焊接连接在一起后，由于焊接工艺的原因，在焊接接头处会存在焊接区与热影响区，并且和基材之间存在明显的硬度梯度。列车经过焊缝时，由于硬度不均匀导致焊接区、热影响区和基材之间存在不均匀磨耗，进而发展成显著的几何不平顺。
目前主要通过钢轨打磨来消除这种不平顺现象，但是对于材质硬度不均匀这一根本原因缺少必要的控制方法。并且钢轨打磨只能在短时间内改善钢轨焊缝处不均匀磨耗情况，但是由于焊接区、热影响区以及基材之间的硬度不均匀，随着运营时间延长，钢轨焊缝处不均匀磨耗将会重新发生发展。
发明内容
本发明的内容是提供一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法及装置，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法，其包括以下步骤：
(1)收集铁路钢轨焊缝区域线路运营条件及现场资料，测试焊缝附近轨面硬度，并根据轨面硬度分布识别焊接区、热影响区以及基材；
(2)分别从钢轨焊接区、热影响区以及基材区取样，进行轮轨对磨试验，获得不同硬度对应钢轨磨耗速率；
(3)对基材钢轨试件做层流等离子强化处理，然后对试件做对磨试验，获得层流等离子强化试件磨耗速率；通过与普通试件磨耗速率对比，得到层流等离子强化减缓钢轨磨耗速率倍数n；
(4)基于钢轨磨耗速率，结合钢轨表面淬火强化处理材料磨耗特性，匹配设计焊缝段钢轨选区强化参数，包括强化斑尺寸、深度及间距；
(5)对焊缝接头处进行强化处理。
作为优选，步骤(1)中，无缝钢轨通过铝热焊连接在一起后，利用维氏硬度计在钢轨焊缝处每隔0.01m测量一次钢轨表面硬度；利用线性内插的方法得到整个焊缝段的钢轨表面硬度分布，根据硬度拐点识别钢轨接头处焊接区、热影响区以及基材。
作为优选，步骤(2)中，根据(1)中测得的硬度分布，在钢轨接头处插值，并在插值位置在钢轨上取样，制成轮轨对磨中钢轨试件；同时从该条线路运营车辆车轮中取材制成轮轨对磨中车轮试件，将不同硬度钢轨试件与车轮试件进行对磨试验，获得不同硬度钢轨材料的磨耗速率v：
v＝f(H) (1)
H代表硬度。
作为优选，步骤(3)中，
n＝ξ(d,h,D) (2)
式中d为硬化层直径，h为硬化层深度，D为硬化层间距，n与d、h正相关，与D负相关。
作为优选，步骤(4)中，强化参数的设计方法如下：利用步骤(1)钢轨接头硬度测试方法，测得拟强化接头附近钢轨表面硬度分布；利用步骤(2)的方法计算出焊缝接头不同位置处的磨耗速率；
v＝g(x) (3)
式中x为焊缝接头处，钢轨表面横坐标x∈[-1,1]；
通过使焊缝处钢轨磨耗速率变成常数，即式(4)成立，从根本上避免不均匀磨耗导致焊缝不平顺问题的发生；
m＝g(x)·n＝g(x)·ξ(d,h,D) (4)
式中m为常数，为焊缝处v的最小值，即min(v)；通过式(4)成立，反解出硬化层直径d，硬化层深度h，硬化层间距D。
作为优选，步骤(5)中，利用步骤(4)中获得的参数d，h，D对焊缝接头处进行强化处理。
本发明还提供了一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制装置，其采用上述的一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法。
本发明中，针对焊缝接头处硬度不均匀导致磨耗不均匀问题，通过钢轨表面选区淬火强化技术，对钢轨焊缝接头焊接区和热影响区进行选区强化处理，减小焊接区与热影响区以及基材之间的磨耗相对速率比值，从而抑制钢轨焊缝不平顺的发展。本发明不改变钢轨强度，显著提升焊接区材料耐磨性能，大幅提升钢轨服役寿命，且成本较钢轨打磨大幅降低。
附图说明
图1为实施例1中一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法的流程图；
图2为实施例1中通过硬度识别焊缝不同区域示意图；
图3为实施例1中钢轨选区强化示意图；
图4为实施例1中磨耗均匀化原理图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法，其包括以下步骤：
(1)收集铁路钢轨焊缝区域线路运营条件及现场资料，测试焊缝附近轨面硬度，并根据轨面硬度分布识别焊接区、热影响区以及基材；
无缝钢轨通过铝热焊连接在一起后，利用维氏硬度计在钢轨焊缝处每隔 0.01m测量一次钢轨表面硬度；利用线性内插的方法得到整个焊缝段的钢轨表面硬度分布，根据硬度拐点识别钢轨接头处焊接区、热影响区以及基材。如图2 所示为通过硬度识别焊缝不同区域示意图。
(2)分别从钢轨焊接区、热影响区以及基材区取样，进行轮轨对磨试验，获得不同硬度对应钢轨磨耗速率；
根据(1)中测得的硬度分布，在钢轨接头处插值(每个区域插值数量不低于10)，并在插值位置在钢轨上取样，制成轮轨对磨中钢轨试件；同时从该条线路运营车辆车轮中取材制成轮轨对磨中车轮试件，将不同硬度钢轨试件与车轮试件进行对磨试验，获得不同硬度钢轨材料的磨耗速率v：
v＝f(H) (5)
H代表硬度。
(3)对基材钢轨试件做层流等离子强化处理(不局限于层流等离子选区强化)，然后对试件做对磨试验，获得层流等离子强化试件磨耗速率；通过与普通试件磨耗速率对比，得到层流等离子强化减缓钢轨磨耗速率倍数n；
n＝ξ(d,h,D) (6)
式中d为硬化层直径，h为硬化层深度，D为硬化层间距，n与d、h正相关，与D负相关。
(4)基于钢轨磨耗速率，结合钢轨表面淬火强化处理材料磨耗特性，匹配设计焊缝段钢轨选区强化参数，包括强化斑尺寸、深度及间距；使得焊缝不同区域磨耗速率匹配，从根本上避免焊缝接头不平顺的产生。
强化参数的设计方法如下：利用步骤(1)钢轨接头硬度测试方法，测得拟强化接头附近(左右各1m)钢轨表面硬度分布；利用步骤(2)的方法计算出焊缝接头不同位置处的磨耗速率；
v＝g(x) (7)
式中x为焊缝接头处，钢轨表面横坐标x∈[-1,1]；
通过使焊缝处钢轨磨耗速率变成常数，即式(4)成立，从根本上避免不均匀磨耗导致焊缝不平顺问题的发生；
m＝g(x)·n＝g(x)·ξ(d,h,D) (8)
式中m为常数，为焊缝处v的最小值，即min(v)；通过式(4)成立，反解出硬化层直径d，硬化层深度h，硬化层间距D。
钢轨选区强化示意图见图3，磨耗均匀化原理见图4；原始钢轨磨耗速率为 v＝g(x)，为图4中虚线所示；分别在不同位置进行强化，使其磨耗速率分别提高n倍，提高后磨耗速率如图4中实线所示。使焊缝处钢轨磨耗速率变成常数，避免不均匀磨耗产生。
(5)利用步骤(4)中获得的参数d，h，D对焊缝接头处进行强化处理。
本实施例还提供了一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制装置，其采用上述的一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法。
本实施例在钢轨焊接后立即进行选区强化处理，使焊缝处钢轨磨耗速率成为定值，从根本上避免焊缝处钢轨不均匀磨耗；
本实施例不改变钢轨强度，显著提升焊接区材料耐磨性能，大幅提升钢轨服役寿命，且成本较钢轨打磨大幅降低。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)收集铁路钢轨焊缝区域线路运营条件及现场资料，测试焊缝附近轨面硬度，并根据轨面硬度分布识别焊接区、热影响区以及基材；
(2)分别从钢轨焊接区、热影响区以及基材区取样，进行轮轨对磨试验，获得不同硬度对应钢轨磨耗速率；
(3)对基材钢轨试件做层流等离子强化处理，然后对试件做对磨试验，获得层流等离子强化试件磨耗速率；通过与普通试件磨耗速率对比，得到层流等离子强化减缓不同硬度钢轨磨耗速率倍数n；
(4)基于钢轨磨耗速率，结合钢轨表面淬火强化处理材料磨耗特性，匹配设计焊缝段钢轨选区强化参数，包括强化斑尺寸、深度及间距；
(5)对焊缝接头处进行强化处理。
2.根据权利要求1所述的一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法，其特征在于：步骤(1)中，无缝钢轨通过铝热焊连接在一起后，利用维氏硬度计在钢轨焊缝处每隔0.01m测量一次钢轨表面硬度；利用线性内插的方法得到整个焊缝段的钢轨表面硬度分布，根据硬度拐点识别钢轨接头处焊接区、热影响区以及基材。
3.根据权利要求2所述的一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法，其特征在于：步骤(2)中，根据(1)中测得的硬度分布，在钢轨接头处插值，并在插值位置在钢轨上取样，制成轮轨对磨中钢轨试件；同时从该条线路运营车辆车轮中取材制成轮轨对磨中车轮试件，将不同硬度钢轨试件与车轮试件进行对磨试验，获得不同硬度钢轨材料的磨耗速率v：
v＝f(H) (1)
H代表硬度。
4.根据权利要求3所述的一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法，其特征在于：步骤(3)中，
n＝ξ(d,h,D) (2)
式中d为硬化层直径，h为硬化层深度，D为硬化层间距，n与d、h正相关，与D负相关。
5.根据权利要求4所述的一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法，其特征在于：步骤(4)中，强化参数的设计方法如下：利用步骤(1)钢轨接头硬度测试方法，测得拟强化接头附近钢轨表面硬度分布；利用步骤(2)的方法计算出焊缝接头不同位置处的磨耗速率；
v＝g(x) (3)
式中x为焊缝接头处，钢轨表面横坐标x∈[-1,1]；
通过使焊缝处钢轨磨耗速率变成常数，即式(4)成立，从根本上避免不均匀磨耗导致焊缝不平顺问题的发生；
m＝g(x)·n＝g(x)·ξ(d,h,D) (4)
式中m为常数，为焊缝处v的最小值，即min(v)；通过式(4)成立，反解出硬化层直径d，硬化层深度h，硬化层间距D。
6.根据权利要求5所述的一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法，其特征在于：步骤(5)中，利用步骤(4)中获得的参数d，h，D对焊缝接头处进行强化处理。
7.一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制装置，其特征在于：其采用如权利要求1-6中任意一项所述的一种铁路钢轨焊缝接头磨耗的控制方法。
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