合金钢辙叉3D打印修复技术关键参数分析

岳峥 龙作虹

摘要：随着高速重载铁路的发展，磨耗成为降低合金钢辙叉使用寿命的主要因素，当辙叉伤损到一定程度就需要更换，通过3D打印修复技术可以得到形貌接近原样的修复样品，这将极大的提升合金钢辙叉的使用寿命，显著降低铁路运营成本。对于合金钢辙叉可以在叉心深度一定范围内采用耐磨性更好的材料，3D打印的核心原理是分层制造、逐层叠加，这为辙叉深度范围内采取不同材料提供了有效手段。本文分析了合金钢辙叉的薄弱断面，结合有限元理论，建立了道岔区合金钢辙叉和LM型踏面接触的三维弹塑性有限元模型，分析了不同轴重下薄弱断面接触应力、von mises等效应力、塑性应变分布，为合金钢辙叉3D打印修复技术提供了理论支撑。

Abstract： With the development of high-speed and heavy-load railways， wear has become a major factor in reducing the service life of alloy steel frogs. When the frogs are damaged to a certain extent， they need to be replaced. Through 3D printing repair technology， repair samples with nearly the same shape can be obtained， which will greatly increase the service life of alloy steel frogs and significantly reduce railway operating costs. For alloy steel frogs， materials with better wear resistance can be used within a certain depth of the fork core. The core principle of 3D printing is layered manufacturing and layer-by-layer stacking， which provides an effective means for adopting different materials within the depth of the frog. In this paper， the weak section of alloy steel frog is analyzed， combined with the finite element theory， a three-dimensional elastoplastic finite element model of the contact between the alloy steel frog and the LM tread in the turnout area is established， and the distribution of contact stress， von mises equivalent stress and plastic strain distribution under different axial loads are analyzed， which provides theoretical support for the 3D printing repair technology of alloy steel frogs.

關键词：合金钢辙叉;3D打印;修复技术;力学参数

Key words： alloy steel frog;3D printing;repair technology;mechanical parameters

中图分类号：U213.62                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）20-0199-04

1  既有道岔使用现状

辙叉是使车轮由一股钢轨通过另一股钢轨的轨线平面交叉设备[1]，按照构造类型分，有固定辙叉和可动心轨辙叉;铁路辙叉主要使用珠光体钢轨钢、高锰钢、贝氏体钢和马氏体时效钢这些材料[2]。目前，我国既有线道岔广泛使用奥氏体高锰钢材质，其特点是高的冲击韧性和较低的屈服强度[3]。不可否认高锰钢具有良好的冲击韧性，在承受强烈冲击或重力碾压下，材料表面迅速硬化，而心部还保持着良好的韧性。然而高锰钢辙叉的硬度值在经过水韧处理后降低到仅有220HB左右，故高锰钢耐磨性能在初始服役阶段不高，且产生一定的塑性变形导致其使用寿命大大缩减[4]。此外，在高锰钢整体铸造时，由于其本身的流动性差以及辙叉体积较大，内部容易产生铸造缺陷，且在列车频繁的冲击下导致裂纹的产生并向外扩展。由于裂纹的出现，使得相当数量的高锰钢辙叉在没有达到磨耗限度之前就提前达到伤损标准，不得不更换下线。在重载列车试验中，高锰钢强度的不足够导致高锰钢辙叉由于变形引起的高度损伤和疲劳裂纹需要频繁焊补来恢复[5]。并且高锰钢辙叉的使用寿命离散性很大，如：1992年，原铁道部工务局对全路近10万组道岔的调查发现，宝鸡厂生产高锰钢辙叉通过总重最低为3281万t，而最高的却达到3.4亿t，相差达十倍以上。近年来，高锰钢浇注技术和提高和制造工艺的改进，大大提高了高锰钢整铸辙叉的使用寿命。到目前为止，尽管我国高锰钢整铸辙叉的平均使用寿命已提高至近1亿t，但其使用寿命离散性由于其结构特性仍较大。

合金钢道岔作为铁路道岔近年来快速发展的一种新结构形式，且具有强度高、韧性高、硬度高以及耐磨性高等特征[6]。贝氏体合金钢作为制作铁路辙叉的理想材料，所展现出的优良的抗接触疲劳和耐磨性能，均由于其具有高的强度、适当的韧度（韧性是珠光体钢轨的2～3倍）和硬度，特别是其优异的焊接工艺性能[7]。1980年，英国开始将贝氏体钢用于铁路辙叉的研究，随后代号为J9的贝氏体钢铁路辙叉于1995年在美国和俄国的合作下成功研制。Bhadeshia教授作为英国剑桥大学著名的国际贝氏体相变研究专家，于1999年发明了铁路辙叉用贝氏体钢的专利技术，随后其他国家也相继开展关于贝氏体铁路钢轨及辙叉材料的研究。在2009年，BWG公司通过实验室和实际铁路线路试验得出一个结果，即在铁路辙叉领域中高强度贝氏体钢完全适合使用[7]。

较高的抗拉强度与硬度为合金钢辙叉提供了良好的耐磨性，根据经验表明，抗拉强度每提高200MPa，其磨损可减少一半，钢轨的使用寿命则可提高一倍，而当贝氏体钢的质量稳定时，其铁路辙叉寿命是高锰钢的2～4倍[4]。因此，在高速铁路道岔中使用合金钢，可大大提高道岔的抗疲劳性和耐磨性，在地铁中使用合金钢辙叉可提高其耐磨性，但在出厂时仍需进行加工硬化，以减少道岔的初期磨耗。延长钢轨使用寿命将有效降低运营成本，本文基于有限元理论，建立了道岔区合金钢辙叉和LM型踏面接觸的三维弹塑性有限元模型，分析了不同轴重下20mm断面应力-应变分布，为合金钢辙叉3D打印修复技术提供关键参数。

2  岔区轮轨接触三维弹塑性有限元模型

由于辙岔部位存在变截面钢轨，其三维模型建立较为困难，故本文综合运用三维造型设计软件PRO/E和有限元通用软件ANSYS建立岔区轮轨接触三维有限元模型，即利用PRO/E软件建立道岔钢轨的三维实体模型;利用ANSYS软件对三维实体模型进行网格划分，生成有限元模型，然后利用ANSYS软件功能强大的接触分析模块对岔区轮轨接触状态进行分析。

2.1 车轮模型

车轮踏面需要斜度，其原因在于：首先离心力作用会使得在曲线运行中的车辆轮对偏向外轨，故外轨滚动的车轮与钢轨接触部分与内轨相比其外轨接触直径较大而内轨接触直径较小，使得外轨车轮行走路程长而内轨短，与曲线区间线路外长内短相匹配，所以当车轮踏面具有一定斜度时可以减少车轮在钢轨上的滑行而顺利通过曲线;其次当车辆直线运行时，若车辆中心线与轨道中心线不一致，可自动调中使得轮对在行进过程中纠正偏离的位置;最后踏面磨耗沿宽度方向会比较均匀。综上可知，车轮踏面的斜度是所需要的，由于车轮踏面斜度的存在，也导致了轮对或者整个车辆发生自激蛇行运动[8]。

锥形踏面由1：20和1：10两条斜直线组成，1：20的斜直线作为轮轨的主要接触部分位于轮缘内侧45-100mm范围内，1：10的斜直线则是离内侧100mm以外的部分。实践证明，最新踏面车轮的初始形状会在运行过程中很快磨耗到一定形状，此后车辆和钢轨的磨耗都趋于缓慢且踏面形状将维持稳定，故在研究和改进锥形踏面的基础上慢慢发展起来磨耗型踏面，该踏面可明显减少轮轨磨耗、材料消耗、检修工作量、轮轨接触力以及延长使用寿命，保证车辆运行的平稳且有有助于曲线通过。踏面的形状各种各样，但总的来说需要满足抗蛇行运动的稳定性、防脱轨的安全性以及易于通过曲线等条件[8]。

我国LM型踏面外形尺寸如图1示，它的特点是：轮缘高度为32mm，高度为27mm。轮缘内侧面有R16的导角，以便引导车轮顺利通过护轨。如图2所示为workbench中整个车轮的模型图。

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2.2 合金钢辙叉模型

不同于整铸式高锰钢辙叉，合金钢辙叉翼轨和心轨不是一个整体，如图3所示为心轨顶宽20mm、50mm的断面图。

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本文运用workbench软件创建二维草图、三维零件实体及曲面设计模块，结合其与生俱来的曲面实体集成的优点，创建了道岔实体模型，如图4所示为心轨部分模型。

2.3 计算模型的边界条件

由轴重引起的作用在轮轴中心线位置的外载荷，是由车辆作用在轮对上的。作用力图如图5所示，将轨道底面所有节点的三个方向的线位移以及车轴两端面所有节点的X和Z方向全部约束[8]。

2.4 轮轨接触模型建立

本报告利用大型有限元软件ANSYS（workbench），建立轮轨接触的三维有限元模型。轮对与道岔接触部分的网格划分较密是由于轮轨接触区面积小于接触表面的曲率半径，故接触区应力远大于非接触区即接触区存在明显的应力集中，因此远离接触的部分网格划分逐渐稀疏[9]。这样既能满足接触计算精度的要求，又能节省计算时间;此外，为了降低网格数量车轮仅选取一部分，钢轨选取轨头部分，接触模型图6所示。

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高锰钢材料与合金钢材料模型均为双线性随动强化模型，其中参考《Effect of microstructure on the very high cycle fatigue behavior of a bainite/martensite multiphase steel》合金钢屈服强度为1226MPa，弹性模量均为2.1GPa;针对车轮采用线弹性材料，弹性模量为2.1GPa。

3  计算结果

设计轴重分别为21t和16t两种工况，参考文献《高速车轮与高锰钢辙叉间冲击问题特性分析》可知，最大等效应力出现在心轨断面20mm处，如图7为该文献辙叉及研究位置示意图，不同于本报告的静力学，该文献采用的是显式动力学，各个位置在100km/h、150km/h、200km/h的速度下等效应力如表1所示，其中心轨20mm断面处的最大等效应力分别为946MPa、972MPa和997MPa，因此在静力学分析中针对心轨顶宽20mm展开分析。

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3.1 合金钢辙叉静力计算结果

结合上述分析得到的参数，建立轮轨接触有限元模型。计算了叉心20mm断面处应力应变分布情况，结果如图8所示为21t、16t轴重下接触应力、von mises等效应力、塑性应变分布。

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由图8可知，两种轴重下，钢轨表面接触应力最大值分别为2004MPa和1831.4MPa，随着轮载的增大接触应力也增大，最大值相差约10%。

由图9、图10可知，两种轴重下，钢轨表面等效应力最大值分别为658MPa和600MPa，随着轮载的增大等效应力最大值也增大，最大值相差约10%;截面等效应力最大分别是1147MPa和1034MPa，随着轮载的增大等效应力最大值也增大，最大值相差约11%。另外，由圖9和3D打印材料力学参数，考虑一定的安全余量，3D打印修复的范围可确定为轨顶以下15mm。

3.2 塑性应变

由图11、图12可知，两种轴重下，钢轨表面塑性应变最大值分别为0.0296和0.0272，随着轮载的增大塑性应变最大值也增大，最大值相差约9%;截面塑性应变最大值分别是0.050和0.045，随着轮载的增大塑性应变最大值也增大，最大值相差约11%。

4  结论

本文利用大型有限元软件ansys（workbench）建立了合金钢辙叉的有限元模型，并分析了在21t、16t轴重下心轨顶宽20mm处的接触应力、等效应力和塑性应变，为合金钢辙叉3D打印修复技术提供了理论支撑，具体结论如下：

①随着轴重的增加，合金钢辙叉的接触应力、等效应力和塑性应变最大值均增大;

②合金钢辙叉的等效应力和塑性应变最大值均在钢轨内部，不在辙叉钢轨表面;

③建议对合金钢辙叉进行3D打印修复时，采取分层修复，靠近叉心顶面部分采取耐磨性更好的材料，应力水平和塑性应变较小的部分采用和基体相同的材料，考虑一定的安全余量，3D打印修复的范围可确定为轨顶以下15mm。

参考文献：

[1]铁道部工务局组织编写.铁路工务技术书册·道岔[M].中国铁道出版社，2005.

[2]陈朝阳.道岔用空冷贝氏体轨钢的研究[D].铁道部科学研究院，2001.

[3]陆有，孙大仁.提高高锰钢铸件的使用方法与途径[J].试验技术与试验机，1996，036（003）：129-130.

[4]康杰.铁路辙叉用合金钢的组织和性能研究[D].燕山大学， 2016.

[5]Davis D， Scholl M， Sehitoglu H. Development of bainitic frogs for HAL service[J]. Railway Track & Structures， 1997， 35（12）： 14-16.

[6]朱广山.合金贝氏体钢在铁路道岔生产中的应用[J].甘肃科技，2012，5：63-64.

[7]张福成，杨志南，康杰.铁路辙叉用贝氏体钢研究进展[J]. 燕山大学学报，2013，37（1）：1-7.

[8]张书文.城轨车辆轮对与辙叉接触的有限元研究[D].大连交通大学，2007.

[9]袁雨青，李强，刘伟.踏面磨耗对轮轨接触特性影响研究[J]. 科学技术与工程，2015，15（12）：103-108.