（材料加工工程专业论文）分体式捣镐镐靴复合界面及耐磨性研究.pdf

昆明理工大学硕士学位论文摘要 摘要 采用大型养路机械进行铁路线路养护及维修对我国铁路交通的发展产生了深 远的影响，然而因进1 2 1 大型养路机械及其配件使用成本过高，限制了大型养路机 械在我国的应用，因此进行大型养路机械及其配件的国产化研究就显得极其重要。 捣镐是大型养路机械捣固车中重要的零件，属磨损易耗件，大量依赖进口使 用成本过高。国产化研究虽然已取得一定成果，但仍基本上采用传统制造工艺， 即同进口捣镐一样采用整体毛坯锻造或铸造成型，然后在镐掌易磨损部位堆焊耐 磨合金。本论文研究是基于课题组“分体式捣镐”这一实用新型专利，采用分体 式结构制造捣镐的工艺有许多传统工艺无法比拟的优点。 本论文主要分析讨论采用分体式结构制造捣镐这一工艺的可行性。通过对捣 镐的失效分析和磨损对比试验，选择合适的镐靴耐磨材料：通过焊接及焊后的性 能试验，从合理选择焊接材料和制定焊接工艺着手，判断所选镐靴耐磨材料与镐 体材料之间的焊接是否可行? 焊接质量如何? 本论文采用冲击磨料磨损试验和异种钢焊接试验为主要试验方法，筛选出耐 磨性能最优的镐靴耐磨材料以及探讨镐靴耐磨材料与镐体材料的焊接问题。应用 金相显微镜、扫描电镜、能谱仪等材料分析手段以及m l d 一1 0 动载磨料磨损试验 机、j b 一3 6 型三用冲击试验机等试验设备，对所选材料的耐磨性能和焊接试件的 焊接质量进行分析测试，以确定分体式结构制造捣镐的工艺中最佳镐靴耐磨材料 及其与镐体材料焊接过程中的最佳焊接材料和焊接工艺。 冲击磨料磨损试验结果表明，所选编号为1 8 、2 ”和3 。的三种耐磨材料，耐磨 性能最好的是2 。材料在球化退火后，进行8 5 0 油淬，3 0 0 回火2 小时的试样( 2 c 试样) 。焊接试验结果表明，通过选择合适的焊接材料以及制定合理的焊接工艺， 能够获得所选镐靴耐磨性能最好的2 c 试样与镐体材料优质的焊接接头。 磨损试验和焊接试验结果表明，采用分式体结构制造捣镐这一工艺理论上是 可行的，所选镐靴耐磨材料在试验条件下未见脆性剥落，而且性价比较高；焊接 接头在试验条件下没有明显的焊接缺陷，焊缝金属断裂方式主要是韧性断裂，而 且所选焊接材料工艺性能良好，所制定焊接工艺切实可行。 关键词：大型养路机械分体式捣镐冲击磨料磨损异种钢焊接 昆明理工大学硕士学位论文a b s t a c t a b s t a c t i ti st h e a d o p t i o no fl a r g e s c a l em a i n t a i n i n gr o a dm a c h i n e r yt op r o t e c ta n d m a i n t a i nr a i l r o a dt h a t g e n e r a t e t h e p r o f o u n d i n f l u e n c et oo u rc o u n t r yr a i l c o m m u n i c a t i o n d e v e l o p m e n t h o w e v e r ，i t c o n f i n e st h ee x e r t i o no f l a r g e - s c a l e m a i n t a i n i n gr o a dm a c h i n e r yi no u rc o u n t r yb e c a u s eu s a g ec o s to fi m p o r tl a r g e s c a l e m a i n t a i n i n gr o a dm a c h i n e r ya n di t sf i t t i n g si st o oh i g h s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o c a r r yo nt h er e s e a r c ho fl a r g e s c a l em a i n t a i n i n gr o a dm a c h i n e r ya n di t sf i t t i n g si n o u rc o u n t y t h et a m p i n gp i c ki sav e r yi m p o r t a n ta c c e s s o r yi n t a m p i n gs t o p f e x p r e s so f l a r g e s c a l em a i n t a i n i n gr o a dm a c h i n e r y i ti sw e a r a b l ea n de a s yw a s t i n gp a r t s t h e u s a g ec o s ti st o oh i g hi fi td e p e n d so nv o l u m ei m p o r t a l t h o u g ht h er e s e a r c h e so f h o m e m a d et a m p i n gp i c kh a v ea l r e a d yo b t a i n e dt h ec e r t a i nf r u i t ，i ts t i l lm o s t l ya d o p t t h et r a d i t i o np r o d u c t i o nc r a f t n a m e l yi t a d o p tt h ew h o l es e m i f i n i s h e dp r o d u c t f o r g i n g o rc a s t i n g st om o d e la n dt h e n h a r d f a c i n gw e a r a b l ea l l o y i nt h e p i c k m e t a c a r p u se a s ya b r a s i o np a r ts i m i l a ri m p o r t i n gt a m p i n gp i c k t h i sp a p e rr e s e a r c hi s b a s e do no u rt a s kg r o u pt h ep r a c t i c a ln e wp a t e n to f “t h ep a r t e dt y p e t a m p i n gp i c k ” t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e st h a tt r a d i t i o n a lp r o d u c et e c h n i c sd o n th a v ei nm a k i n g t a m p i n gp i c kt oa d o p tp a r t e dt y p es t r u c t u r e t h er e s e a r c hp u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oa n a l y s e sa n dd i s c u s s e sp o s s i b i l i t yo f t h i sc r a f to fa d o p t i o np a r t e dt y p es t r u c t u r et om a k et a m p i n gp i c k t h r o u g ht h ef a i l u r e a n a l y s i so ft a m p i n gp i c ka n da b r a s i o nc o n t r a s tt e s t ，w es e l e c tt h ef i tp i c k a xs h o e w e a r a b l em a t e r i a l ；t h r o u g ht h ew e l d i n ga n dp e r f o r m a n c et e s t ，w es e ta b o u tf r o m s e l e c t i n gw e l d i n gr o da n de s t a b l i s h i n gw e l d e dc r a f tw i t hr e a s o nt oj u d g ew h e t h e rt h e w e l d i n gb e t w e e nt h ep i c k a xs h o ew e a r a b l em a t e r i a lw h i c hw eh a v es e l e c t e da n dt h e p i c k a xb o d ym a t e r i a lo rn o t ? h o wi st h ew e l dq u a l i t y ? t h i sp a p e ra d o p ti m p a c tp a r t i c l ea b r a s i o nt e s ta n dd i s s i m i l a rs t e e lw e l d i n gt e s t a sm a i n l yt r i a lm e t h o dt os c r e e no u tt h es u p e r i o rw e a r a b l em a t e r i a lo fp i c k a xb o o t a n dd i s c u s st h eq u e s t i o no ft h ew e l d i n gb e t w e e nw e a r a b l em a t e r i a lo fp i c k a xb o o t a n dt h ep i c k a xb o d ym a t e r i a l a p p l yt h em e t a l l o s c o p e ，t h es c a n n i n ge l e c t r i cm i r r o r 3 昆明理工大学硕士学位论文 a b s t a c t a n de n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i si n s t r u m e n te t c m a t e r i a la n a l y s i sw a ya n dm l d 一10 d y n a m i cl o a da b r a s i o nt e s t e r ，j b 一3 6t h r e eu s et h ei m p a c tt e s t e re t c t e s te q u i p m e n tt o a n a l y s i sa n dt e s tt h ew e a r a b l ep e r f o r m a n c eo fs e l e c t e dm a t e r i a la n dw e l d i n gq u a l i t y o fw e l d i n gs a m p l e s oa st om a k ec e r t a i nt h e b e s tw e l d i n gm a t e r i a la n dw e l d i n g c r a f t sb e t w e e nt h ew e l d i n go fp i c k a xb o o tw e a r a b l em a t e r i a la n dp i c k a xb o d y m a t e r i a li nm a k i n gt a m p i n gp i c ka d o p t i n gp a r t e dt y p es t r u c t u r e t h er e s u l to fi m p a c tp a r t i c l ea b r a s i o nt e s ts h o wt h a tt h eb e s tw e a r a b l em a t e r i a l i s2 cs a m p l et h r o u g hg l o m e r a t i o na n n e a l ，8 5 0 o i lq u e n c h i n ga n d2h o u r s 3 0 0 t e m p e r si ns e l e c t e d1 。2 4a n d3 4w e a r a b l em a t e r i a l s t h er e s u l to fw e l d i n gt e s ts h o w t h a tw ec a na c q u i r ea 1 1w o o la n day a r dw i d ew e l d i n gj o i n tb e t w e e nt h ep i c k a xb o o t w e a r a b l em a t e r i a l s ( 2 c ) a n dp i c k a xb o d ym a t e r i a l st h r o u g hs e l e c t i n gf i tw e l d i n g m a t e r i a la n dd r a w i n gu pt h er e a s o n a b l ew e l d i n gc r a f t t h er e s u l to fa b r a s i o nt e s ta n dw e l d i n gt e s t ss h o w ，t h ec r a f t so fa d o p t i n gp a r t e d t y p es t r u c t u r et om a k et a m p i n gp i c ki sv i a b l et h e o r e t i c a l l y ，t h ep i c k a xb o o tw e a r a b l e m a t e r i a lw eh a v es e l e c t e dh a v e n t a p p e a rb r i t t l e n e s sd e s q u a m a t i o n u n d e rt h e c o n d i t i o no ft e s t ，a n dt h er a t i oo fp e r f o r m a n c ea n dp r i c eo ft h em a t e r i a li sh i g h e r ； t h ew e l d i n gj o i n th a sn oo b v i o u sw e l d i n gb u gu n d e rt h ec o n d i t i o no ft e s t ，t h eb r e a k m o d eo fw e l d i n gs l o tm e t a li sm a i n l yt o u g h n e s sb r e a k ，a n dt h ec r a f tp e r f o r m a n c eo f t h ew e l dm a t e r i a lw eh a v es e l e c t e di s a l l r i g h t t h ew e l d i n g c r a f tw eh a v e e s t a b l i s h e di ss u i t a b l et ot h eo c c a s i o na n df e a s i b l e k e y w o r d ：l a r g e s c a l em a i n t a i n i n gr o a dm a c h i n e r y ，p a r t e dt y p et a m p i n gp i c k ， i m p a c tp a r t i c l ea b r a s i o n ，d i s s i m i l a rs t e e lw e l d i n g 4 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：国立謦 日期：硝年r 月，j 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 铁路的电气化和快速化是发达国家交通的一个重要标志。快速铁路技术是 项多学科多专业的综合技术，是当今世界铁路的牵头技术，它代表了一个国家的 铁路在机车车辆、工务工程、通信信号、运输组织等方面的技术水平。多年来， 我国由于对铁路建设资金投入较少，使铁路长期陷入应付简单再生产的困境，铁 路技术发展严重滞后，与世界先进国家差距在3 0 年以上1 1 l 。为了扭转我国铁路被 动落后的局面，只有不失时机地抓住代表世界铁路发展方向的快速铁路，并有计 划、有步骤地实现，才是解决我国铁路长期被动落后局面的根本出路。 快速铁路的最大特点是：速度快、运能大、安全准时、污染小、占地少。要 保证以上特点的实旌，除了有集各种高科技于一身的快速列车以及运行控制系统、 供电系统、运营管理系统、土建工程系统和安全保障系统以外，对快速铁路的养 护维修系统也提出了更高的要求f 2 】。这不仅在发达国家得到证明【3 ，而且在我国 的发展过程中也得到证明i “。从行车条件看，由于列车速度加快，行车密度加大， 采用小型养路机械和人工利用行车间隙养护已很难进行正常作业，造成行车安全 隐患较大，而且，即使采用“开天窗”作业的方式，也不能满足作业质量和效率 的要求；从轨道结构上来看，小型养路机械或人工作业对重型轨道结构不能起到 预期的效果，相反，由于其经常扰动道床会破坏线路原有的稳定性；从运输安全 上看，小型养路机械和人工作业使用的设备数量多，作业面分散，管理难，不仅 人身安全存在隐患，而且一旦疏忽，就会造成机械挡道事故，据统计哺j ，由养路 作业造成的各种行车事故，在全部行车事故中占有很大的比例。为了做出高质量 轨道结构，适应提高行车速度、高运量、高密度和安全的要求，唯一的办法就是 改善养路作业手段，采用高效的大型养路机械和相应的检测设备。 我国铁路采用大型养路机械进行线路养护及维修的实践证明【6 】【”，大型养路 机械不但解决了繁忙线路小型养路机械无法上道进行养护维修的问题，而且提高 了线路养护维修质量，保证了铁路运输安全，并为实施干线提速、开行重载列车 及加大列车运行密度等工作创造了条件。大型养路机械作业能够大量减少线路养 护维修用工，减少线路临修工作量，延长线路养护维修周期，减少施工封锁天数， 节约道碴，缩短或取消施工后慢行，改善养路工恶劣的工作条件，减轻劳动强度， 稳定工务职工队伍等，经济及社会效益显著。 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 我国铁路在装备大型养路机械的同时，大型养路机械国产化工作也取得了长 足的进展，其遵循的方针是高起点、高标准，把目光瞄准代表当今世界养路机械 发展水平的奥地利普拉塞公司，采取的策略是技贸结合引进技术促进国产化，使 用的手段是充分发挥路内科研与制造单位的优势，联合协作攻关。 几年来，铁道部先后从奥地利p l a s s e r & t h e u r e r 公司引进了0 8 、0 9 系列捣固 车( 如图1 1 ) 及其制造技术，这对于推动我国铁路养路机械的发展产生深远的 影响，但由于零配件完全依赖进口，致使使用成本过高，因此，在引进消化吸收 的同时，养路机械及其配件的国产化工作也逐渐展开。 图卜l ：从奥地利普拉塞公司引进的0 8 、0 9 系列捣固车 大型养路机械国产化工作不仅推动了我国养路机械的技术进步，锻炼出一支 高水平的养路机械研制队伍，而且对降低大型养路机械的购置费用和使用成本也 起到了积极的作用f 8 。铁道部提出了加快路网建设，深化企业改革的战略部署和 干线提速等加快铁路现代化进程的重大举措。新形势为大型养路机械的发展提供 了一个极好的机遇，其发展前景将更为广阔。 1 1 课题研究背景 1 1 1 快速化铁路的安全保障及养路机械国产化 安全是铁路的生命线，是铁路运输永恒的主题。快速铁路由于速度快，安全 问题显得尤为重要。快速铁路不允许发生重大事故，其原因是处于快速移动状态 下的列车，一旦发生设备异常和违章操作，可供纠正和避免事故的时间很短，可 供选择的方式也很有限，而且由于机车、车辆等硬件成本极高，加之列车具有运 送大批人员或大量货物的能力，列车一旦失控，极易引起巨大的财产损失和人员 伤亡。 国外铁路的研究及经验证明一i ：在线路方面直接影响行车速度的主要因素是 2 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 线路的平、纵断面和线路的平顺性。因此，国外铁路近年来特别重视轨道管理标 准和对轨道的诊断监测、高机械化的维修以及自动化的科学管理，以使轨道始终 保持平顺状态。 线路养护与维修，是铁路安全运输的重要保证。当前国外铁路维修大体分为 周期性有计划的全面维修和有针对性的重点维修两种制式。线路维修主要有人工、 小型机械、大型养路机械三种方式。一些工业较发达的国家，线路维修基本上实 现了大型养路机械化。多年以来，我国铁道线路的维修工作主要依靠手工和小型 机械、非标准自制设备维持。这些修理手段作业质量差、效率低，不能适应铁路 运输发展的需要。特别是繁忙线路，由于小型机械已无法利用列车间隔时间上道 作业，从而导致线路失修，危及行车安全。目前我国大部分线路维修仍然采用人 工和小型机械，利用列车间隙时间进行。只有少部分繁忙电气化双线采用大型养 路机械进行线路维修。因此，引进国外先进技术，采用高效的大型养路机械开“天 窗”进行线路养护维修作业，是我国铁路线路养护维修工作的根本出路。 1 9 8 8 年，铁道部办公会议专题研究了发展大型养路机械，提高和改善线路养 护维修质量方面的问题，明确提出了“发展大型养路机械，要贯彻国产与引进相 结合，以国产为主的原则，要大中小相结合，繁忙线路以大型机械为主”的发展 方针 10 1 。同年，铁道部发布的“铁路主要技术政策”首次确定了“繁忙于线要采 用高效配套的大型养路机械”。十多年来，在铁道部领导的关怀下，在全路各部门 的大力支持和配合下，特别是在铁路工务部门的努力下，我国的大型养路机械得 以迅速发展，现已成为我国铁路线路养护维修工作中不可缺少的重要手段。 在我国，大型养路机械在铁路建设中发挥了重要作用，取得了很大的成绩， 但发展仍不平衡，在思想观念、设备管理、设备配置、应用组织、国产化等方面 还存在程度不同的不足，这是需要我们进一步研究解决的，因为它关系到提高铁 路质量和运输能力。“九五”期问铁路发展的关键，在一定程度上取决于大型养路 机械化的发展速度能否跟上现在的形势，例如：现有的大型养路机械还不能完全 满足线路的需要，大型养路机械在重载、提速道岔区的维修、大修作业的应用还 需要加强等等。因此，我们需要进一步引进、吸收国外的先进技术，研制出具有 高技术水准的新机型和新产品，更好地发挥大型养路机械在铁路发展中的作用。 然而，由于种种原因，机械配件的供应往往不能保证，影响了机械的正常使 用，这样，进口机械配件国产化的问题便提出了。 在铁道部工务局等有关部门的组织下，由中国铁道建筑总公司昆明机械厂为 3 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 主导厂，铁道部科学研究院、铁道部专业设计院、铁道部戚墅堰机车车辆工艺研 究所、铁道部株洲电力机车研究所组成的大型养路机械国产化联合体具体实旌大 型养路机械国产化的方案。 近几年来国家对铁路的多次提速、对铁路的电气化改造以及各种新型高性能 机车的投入使用，大大提高了铁路运输的能力和技术水平。为了保证铁路运输的 可靠性，对铁路的维护是极为重要的。清筛机、配碴车、捣固车和稳定车是铁路 线路维修、大中修必备的主要机械，而我国生产的非连续性捣固车以及国内按传 统技术工艺进行的铁路线路维修和大中修己远远不能适应铁路快速、重载的要求。 所以目前这些机器及其配件基本上完全依赖进口。 大型养路机械配件的供应必须立足于国内，必须大力开展配件国产化，实践 表明，配件国产化是大型养路机械长期生存发展的唯一途径，是降低使用成本的 可靠办法。 铁路向着电气化和快速化发展，是为了满足国民经济和社会发展的需要。快 速化铁路的养护维修系统是决定列车安全运行关键环节之一，作为大型养路机械 捣固车中重要零件的捣镐，完全依赖于进口是行不通的，原有的国产化捣镐在使 用性能和经济性能上都己不能满足要求，开发高性能、低价格的捣镐具有重大的 现实意义。 1 1 2 捣镐的市场应用前景 捣镐是捣固车上消耗量大、更换频繁的部件，直接影响着铁路的运营成本， 进行该产品的开发有广阔的市场前景。 其一：“十五”期间我国将加大铁路基础建设力度，预计投资3 5 0 0 亿元用于 铁路建设，快速铁路的建设更是今后发展的重点。大型养路机械在新线建设和旧 线维修中都发挥着及其重要的作用。铁路基本建设，带动相关零部件产业的迅速 发展，进行捣镐的开发符合市场需求。 其二；为适应国民经济迅猛发展的需要，我国铁路列车己进行了五次大提速。 为适应列车提速要求，必须进行相关的技术改造，大型养路机械维修作业是今后 我国铁路维修的基本趋势，作为捣固车中重要零部件的捣镐，国产化是必然趋势， 原有国产化捣镐己不能满足技术要求和成本要求，急需要开发种新型替代产品 来满足技改要求。我国现在繁忙线路基本上都采用大型养路机械进行维修作业， 捣镐技术改造项目具有广阔的市场前景和巨大的经济效益。 其三：作为易耗常备件进行日常维护与更换将带来长期稳定的市场需求。当 4 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 最大磨损量达到20m m ( & p 镐掌高度的20 ) 时，进1 5 1 捣固作业距离一般为1 0 1 2 k i n 【6 ，按0 9 3 2 捣固车( 一次安装3 2 根捣镐) 计算，平均作业1 1 0 公里就要更 换3 2 0 根捣镐。 其四：地铁、城市轻轨等新型交通工具的逐渐增加将带来新的市场需求。大 型养路机械也将在地铁、城市轻轨等新型交通工具的建设和维修中发挥重要作用， 捣镐的需求会进一步加大。通过对该产品的研制开发可以扩展到与此相关的耐磨 材料领域的相似产品。 1 2 大型养路机械捣固车捣镐 捣固车用在铁道线路的新线建设、旧线大修清筛和运营线路维修作业中，对 轨道进行拨道、起道抄平、石碴捣固及道床肩部石碴的夯实作业，使轨道方向、 左右水平和前后高低均达到线路设计标准或线路维修规则的要求，提高道床石碴 的密实度，增加轨道的稳定性，保证列车安全运行。 新线建设中，在铺枕铺轨之后分层补碴、利用大型机械起、拨、捣、动力稳 定道床，如此重复数次，直到使道床达到稳定、密实程度。然后进行单元轨节的 工地焊接及探伤，在形成单元轨节之后进行应力放散、钢轨的最终焊接以及无缝 线路锁定。无缝线路锁定之后还要进行线路补碴、起拨捣固、动力稳定、轨道几 何形态的精调整及钢轨的预打磨等，以便尽快提高道床纵、横向阻力，提高轨道 稳定性。这是开通运营时速要求达到3 0 0 公里的最基本条件1 5 】。 铁道线路在使用过程中会出现部分石渣陷入路基，使钢轨的一侧或两侧下沉， 形成小坑及三角坑，出现线路纵断面高低不平顺和线路平面内直线曲折或曲线不 圆顺的变化，影响列车的安全运行。为了保持两股钢轨正常的几何尺寸，就必须 进行起、拨道作业，将凹下去的轨面重新抬至原有的高度，校正线路纵断面和水 平面的位置后，在轨枕底部补充新石渣，并利用捣固车将其夯实打紧，以保证其 承载能力。 捣镐( 如图1 2 所示) 是用于铁道线路的新线建设、旧线大修和运营线路维 修作业的捣固车中的一个重要零件。为了保证列车的安全运行，对钢轨下的道床 有很高的要求，要求道床石碴不能结板，使轨道有一定的弹性，同时又要求道床 石碴不能疏松，要有一定的密实度，保证轨道的稳定性。捣镐就是在捣固车中用 来密实道床石碴的零件。 5 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 图卜2 ：捣固车上的重要零件一一捣镐 1 2 1 捣镐工作原理及失效分析儿1 2 】 1 2 1 1 工作原理 表1 1 ：d 0 93 2 型捣固装置主要技术参数 捣镐数量3 2 把( 左、右2 台捣固装置) 振动轴最大输入功率 振动轴最大输入转速 捣镐振动频率 内镐镐掌部位振幅 成对的内、外捣镐间最大距离( 可调) 成对的内、外捣镐间最小距离 同一镐臂上2 个外镐最大夹持力 同一镐臂上2 个内镐最大夹持力 最大捣固深度 最高作业效率 5 4 k w 2 1 0 0 r m i n 3 5 h z 6 6 m m 4 9 0 5 6 0 m m 1 3 5 m m 1 5 2 k n 1 3 6k n 轨顶面以下5 8 5 m m 1 8 k m h 一台捣固车( 0 9 3 2 捣固车) 共装有32 把捣镐，成对排列在轨枕的两边。捣 固装置主要技术参数见表1 1 。捣固作业时，依靠捣固装置快速下降的惯性冲力 和升降油缸的下插力，将所有捣镐插入道床。通过高频振动，使石碴向较稳定的 方向移动，增加道床的密实度；利用捣镐的夹持作用，把轨枕间隔中的石碴向枕 底挤压，使枕底石碴更加密实，提高轨道的稳定性。捣固作业时，捣镐插入道床 的瞬间要承受很大的冲击力，在振动夹持过程中要承受振动力和夹持弯矩，同时 还伴有镐掌与石碴的强烈摩擦。由于道床是散粒结构，因此，作用于捣镐的力很 复杂，不仅有交变应力，而且有冲击磨损和滑动磨料磨损，这就要求捣镐有足够 6 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 的抗疲劳能力、较高的耐磨性。 1 2 1 2 失效分析 捣镐的失效主要表现为磨损和疲劳断裂。磨损最严重的地方在镐掌前端与侧 面圆角处，其次在镐掌的前端，如图1 3 所示。 图l 一3 ：磨损失效后的捣镐 断裂一般发生在圆柱面与锥面交界处。无论磨损还是断裂，内镐较外镐严重。 图1 4 ：捣固作业时，捣镐插入道床道碴 磨损机理：捣固作业时，捣镐首先以一定的速度撞击石碴，随后插入道床( 图 1 4 所示) 。石碴棱角在镐掌上滑动，随着捣镐的振动和夹持，带有锐利棱角的石 碴切削镐掌而形成显微切屑，比较圆滑的石碴造成镐掌表面塑性变形或产生擦伤。 金属经多次碾压变形使变形度超过材料允许的延伸极限而产生裂纹，继续与石碴 相互作用，裂纹扩展。由于镐掌的前端较薄，又先碰到石碴，受到作用力也最大， 7 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 因而局部因磨损而变成近似抛物线形状。磨损随着作业里程增加而加剧。因此， 捣镐的磨损是受冲击的滑动磨料磨损，镐掌高度方向的磨损速度远大于厚度方向 的磨损速度。由于磨料为各种岩石，硬度不一，道床情况也各不相同，对于疏松 的石碴道床，捣镐所受作用力较小，磨损就少。对于密实的花岗岩石碴的道床， 捣镐磨损就严重。另外，对于潮湿的道床，因水的腐蚀作用，也会降低捣镐的耐 磨性。除此之外，因作业时各镐所处位置不同( 见图1 5 ) ，所受的阻力有较大差 异。两侧的外镐，单个插入轨枕道床内，较容易把石碴排开，所受阻力较小；中 间的内镐，成对插入轨枕道床内，石碴挤得较紧，难以排开，捣镐所受阻力较大， 因此，内镐比外镐磨损快。但外镐磨损情况也不相同，从前进方向来看，前外镐 插入的是未经作业的轨枕道床，而后外镐，一般插入的是经过前一次捣固作业的 轨枕道床，道床较松，故前面的捣镐比后面的磨损快。 内镐侧面磨损较严重的原因，是作业时相邻内镐间隙较大，石碴较易挤入两 镐之间；外镐相邻捣镐间隙较小，石碴不易挤入，造成内镐侧面磨损严重。因此， 捣镐的磨损不仅与捣镐的材质和受力有关，而且还与石碴的硬度、粒度、形状以 及道床条件、环境等因素有关。 图1 5 ：作业时各捣镐的位置 断裂机理：捣固作业时，捣镐承受交变应力作用，捣镐的断裂失效方式是疲 劳断裂。正常工作下，这些周期性变化应力远低于材料的屈服强度，然而因偶然 的过载，如操作不慎捣镐击打在水泥枕上，或因线路多年失修道床变得硬实等， 可能使捣镐应力集中区的实际应力超过材料的屈服强度，发生局部塑性变形，萌 8 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 生微裂纹。在继续过载时，形成多源性的断裂源，当裂源发展到一定程度时，这 些交变应力将诱发疲劳裂纹扩展，最终导致断裂。此外，在作业时，由于不同位 置的各镐受力情况不同，两侧的捣镐所受阻力较小，中间的捣镐所受阻力较大， 因此，内镐的断裂失效比外镐的多。 由此可见，捣镐的断裂不仅取决于捣镐的材质和加工质量，而且与受力状态、 线路条件、工人操作水平等多种因素有关。 1 2 1 3 捣固车捣镐性能要求 作业时，捣固装置的3 2 把有规律排布的捣镐承受全部的下插力、振动力及夹 持力，通过反复与道床冲击完成对线路的捣固作用。因此，捣镐直接和道床接触， 在下插过程中受力复杂，每一瞬间都承受冲击力、振动力和夹持弯矩，工作环境 又很差，容易造成磨损和折断等损伤而失效，这就要求捣镐必须具有高强度、耐 冲击、耐磨损的性能。 现场使用情况表明，一把进口捣镐作业1 0 1 2 k m 后，镐掌会发生严重磨损 ( 磨损量达到镐掌高度的20 ) ，需要更换焊修。而断裂则一般发生在多次焊修 以后，属正常的疲劳断裂，因此捣镐的失效主要是磨损。故对捣镐国产化的研制， 应在保证不出现疲劳断裂的前提下，尽量提高其耐磨性。 1 2 2 捣镐国内外研究现状及发展动态 8 0 年代我国从奥地利p l a s s e r 公司引进的0 8 3 2 型正线捣固车是一种对铁 路正线进行养护、维修的大型养路机械；8 0 年代末我国又引进其制造技术，在铁 道部的统一组织下，由昆明机械厂、株洲电力机车研究所、戚墅堰机车车辆工艺 研究所组成的大型养路机械联合体成功地对其进行了国产化，同时主要由这三个 单位对其配件捣镐进行国产化研究。 在捣镐国产化时，常用的方法是同进口捣镐一样采用整体毛坯锻造或铸造成 型，然后在镐掌易磨损部位堆焊或喷焊耐磨合金。如戚墅堰机车车辆工艺研究所 翁敏红1 选用具有强韧化组织的低合金钢精铸捣镐毛坯，采用局部堆焊耐磨合金 的方法研制出一种捣镐，其性能达到甚至超过进口同类产品。中国铁道建筑总公 司昆明机械厂熊泽民【l3 】选用低碳低合金钢，进行妥善的熔炼、热处理，可获得良 好的强度和韧性，镐头堆焊耐磨焊条，其性能达到国内有关捣镐资料水平。洛阳 工务段刘丰萌，梅修章【1 4 1 采用热喷涂工艺的喷焊( 溶) 工艺方法，用不锈钢型自溶 合金f e 6 0 ，作为制备涂层粉未对镐头进行喷焊，取得较为满意的效果。济南铁路 物资工业总公司采用合金结构钢模锻成型，经调质热处理及其他表面处理后，综 9 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 合机械性能优良；对镐掌耐磨层采用特殊工艺和材料进行堆焊，使其获得高硬度 和焊接牢固的双重效果。该产品具有强度高、韧性好、耐冲击、不断镐和高耐磨 等特点，使用寿命是普通捣镐的3 倍多，如图卜6 所示。贵州三占集团采用优质 合金钢和特殊的热处理工艺制造，质量达到国外同类产品水平，已替代进1 2 1 ”】。 图1 6 ：济南铁路物资工业公司生产的捣镐 国外研究捣镐的主要有奥地利( p l a s s e r t h e u r e r ) 弗兰茨普拉塞铁路机械工 业股份有限公司。 2 图1 7 ：约瑟夫陶依尔和弗里德里克佩特尔发明的捣镐 奥地利( p l a s s e r & t h e u r e r ) 弗兰茨普拉塞铁路机械工业股份有限公司约瑟 夫陶依尔和弗里德里克佩特尔发明一种捣镐【l 刚( 如图1 7 ) ，它具有一个平 的捣镐斜面，该斜面与镐掌的正面形成一锐角d 。捣镐斜面沿捣镐的纵向一方面 由镐掌下边缘，另一方面由该斜面与镐体整个后部相切所形成的镐体交截线所限 定。位于捣镐斜面上的基准线与镐体端线之间的距离小于该基准线与捣镐斜面上 距镐掌下边缘最远的终点之间的距离。这样既能保证捣镐易于捣入道碴，又能保 1 0 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 证更好地固定硬质合金片。 奥地利( p l a s s e r & t h e u r e r ) 弗兰茨普拉塞铁路机械工业股份有限公司约瑟 夫陶依尔和弗里德里克佩特尔还发明一种捣镐n 7 1 ，这种捣镐在捣镐的镐掌中 镶有一些圆柱形硬质台金镶入块，它们分别以一限界面与一镐掌侧面邻接。由此 可提高这个侧面的耐磨强度( 如图1 8 ) 。 图1 8 ：约瑟夫陶依尔和弗里德里克佩特尔发明的捣镐 p a n d r o lj a c k s o n 公司发明一种碳化物捣镐( c t - 5 00k 捣镐) 【1 8 i ：c t - 5 00k 捣镐己经在坚硬的花岗岩道碴上进行了5 0 多万次的插入试验。该捣镐有一个实 心的整体锻造的柄，在其浆叶的所有面上都镀覆了一层碳化物。p a n d r o lj a c k s o n 公司介绍，该捣镐寿命长，其耐承重的表面能够抵抗持续的道碴冲击而引起的掉 屑、开裂及断镐。 1 3 国内外耐磨材料研究发展动向【1 9 】 0 l 【2 l 】1 2 2 】 近年来，针对设备磨损的具体工况和资源情况，研制出多种新型耐磨材料。 主要有改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢系列，高、中、低碳耐磨合金钢系列，铬 系抗磨白v i 铸铁系列，锰系、硼系抗磨白口铸铁及马氏体、贝氏体抗磨球墨铸铁， 不同方法生产的双金属复合耐磨材料，表面技术处理的耐磨材料等。 由于磨料磨损是冶金、电力、矿山、建材和农业机械等部门造成大量经济损 失的主要原因，因此各工业部门都将提高易损件的使用寿命、改善和发展新型耐 磨材料作为重点研究课题，所以耐磨材料发展是与工业的发展紧密相连的，是长 昆明理工大学硕士学位论文第一幸绪论 期以来研究和实践的综合结果。 1 3 1 高锰钢研究和发展 自从1 8 8 2 年h a d f i e l d 发现高锰钢以后，高锰钢就被广泛应用于冶金机械、 工程机械、矿山机械中制成各种耐磨零件，高锰钢的主要特点是在较大的冲击或 接触应力作用下，表面层将迅速产生加工硬化，其加工硬化指数比其它钢种高出 5 - 6 倍，且马氏体和e 相沿滑移面易发生晶格畸变，形成耐磨的表面层，而其内。 层仍保持冲击韧性好的奥氏体组织。 虽然，高锰钢的加工硬化程度很高，但是其耐磨件在使用初期，其磨损量相 当严重。为了进一步改善高锰钢的机械性能，可以通过加入m o 、c r 、t i 、n i 、w 等合金元素，形成合金高锰钢，来强化固溶体，减少晶界上碳化物的析出，改变 碳化物的形状和分布，细化奥氏体晶粒，改善奥氏体的加工硬化性能，使奥氏体 在冲击力韵作用下易向马氏体转变，加快硬化速度，以提高表面硬度，从而达到 提高其表面耐磨性的目的。 但是，近些年来，由于低合金钢和白口铸铁性能的不断提高，对其的研究和 实践有了很大进步，而高锰钢在冲击负荷不大的高应力研磨条件下，因不能得到 充分的加工硬化而其耐磨性不高，所以在制作球磨机衬板等零件时，己逐渐采用 其它材料来代替高锰钢，即使是一些冲击负荷较大的凿削磨损件如锤头、铲齿等 也开始采用白口铸铁和低合金铸钢件。 1 3 2 白口铸铁研究和发展 作为耐磨材料，白口铸铁占有重要地位，我国早在战国时期就已经应用耐磨 的白口铸铁来制造耕地用的犁铧，只是因为韧性较差，所以得不到广泛的应用。 近几十年来，由于研究工作的进展，白口铸铁的韧性不断得到提高，目前已发展 成为一种重要的耐磨材料，受到国内外的重视。按其合金元素的加入量可分为低 合金自口铸铁，镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁。 ( 1 ) 低合金白口铸铁，这类材料包括低碳白口铸铁、高碳低硅白口铸铁及可锻 白口铸铁。其铸态组织由珠光体和渗碳体型碳化物组成，渗碳体以连续片状形态 分布。由于渗碳体硬度较高( h v 8 0 0 9 0 0 ) ，所以具有一定的耐磨性。但是渗碳体 很脆，且呈连续分布，在硬的磨料作用下会产生微观裂纹而增加磨损。另外，对 于较硬的磨料，由于m 3 c 型碳化物相对来说硬度较低而容易磨损，因此这种铸铁 只篚用于承受较低载荷和磨损作用不很强的场合，但生产工艺简单，成本低廉。 ( 2 ) 镍硬铸铁，这类铸铁的铸态组织为( f e c r ) 3 c + 马氏体+ 奥氏体，在含c r 1 2 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 量较高的镍硬型铸铁中碳化物呈针状，且多半不连续或近于不连续，从而改善 了韧性。这类铸铁在强度，硬度和耐磨性等方面都比珠光体的非合金白口铸铁强。 但由于采用较高的镍、铬含量，生产成本高，特别是在我国，不宜采用大量的镍 等贵金属元素，所以限制了它的使用。 ( 3 ) 高铬白口铸铁，高铬白口铸铁是耐磨料磨损最好的一种铸铁，其耐磨性取 决于碳和合金元素的含量、基体组织及碳化物的种类以及形态分布等。通常认为 在具有一定的韧性的较硬的基体上，均匀分布有孤立的硬块状一次碳化物和一定 量的弥散分布的二次碳化物的组织，具有较强的抗磨料磨损性能。因此，合金元 素的加入及相应的铸造和热处理工艺都是为了得到这种形态分布的合金碳化物及 马氏体加一定量的残余奥氏体。 高铬白口铸铁的抗磨性在风类耐磨材料中居于领先地位，然而脆性也较大， 因此应用受到很大限制。高铬白口铸铁的铸态组织中碳化物呈网状分布，包围金 属基体，因此裂纹极易沿脆性相扩展，是白口铸铁韧性低的根本原因，而且也严 重影响了材料的抗磨性。由于白口铸铁的抗磨性与其断裂韧性成正比，所以改变 碳化物的分布和形貌已成为当前铸铁研究的焦点。 1 3 3 低合金钢研究和发展 低合金耐磨钢具有良好的耐磨性与韧性的综合性能，低合金耐磨钢含有一定 量的合金元素，具有良好的淬透性，而且生产成本不高，适于生产各类磨料磨损 件。抗磨低合金钢按照含碳量可分为低碳( 0 1 8 0 ，3 0 ) ，中碳( o 3 0 5 0 ) 和 高碳( o 5 0 1 o ) 三类，合金元素主要有c r ，m n ，s i ，m o 等。 国外低合金耐磨钢主要用于承受中