軌道列車防爬器刃具材料的選擇及熱處理工藝研究目錄10427第1章緒論 頁緒論被動防護裝置在這個科技飛速發(fā)展的新時代，軌道交通技術(shù)變的愈發(fā)的成熟。但是在細節(jié)方面難免還會有一定的不足，需要我們站在前人的肩膀上進行深度改進。隨著軌道交通技術(shù)的發(fā)展，鐵路交通事故的發(fā)生也造成了一定程度上的人員傷亡以及經(jīng)濟損失。使國家、使人民逐漸意識到列車被動安全防護技術(shù)的重要性，所以對列車被動安全防護技術(shù)的重視也越來越高。尤其是近幾年，鐵路交通事故的發(fā)生使得軌道列車被動安全防護技術(shù)已經(jīng)成為了國內(nèi)外的焦點，越來越多的人注意到這個問題，使得人們逐漸將焦點轉(zhuǎn)移到這一領(lǐng)域。軌道列車的安全防護就是通過列車前端的吸能結(jié)構(gòu)來吸收列車碰撞時所產(chǎn)生的沖擊動能，通過吸能裝置來降低軌道列車在碰撞時所產(chǎn)生的作用力?，F(xiàn)如今的軌道列車應(yīng)用了多級能量吸收系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以讓列車碰撞時達到降低能量的目的。它總分為四個階段：第一階段是用車鉤緩沖器和緩沖裝置一起作用來達到吸能的作用，第二階段是用防爬吸能器來達到降低能量的作用、第三階段是用中心鋁蜂窩吸能器來進行吸收能量，降低能量；第四階段則是依靠車體的大變形來進行吸能、緩解碰撞時所帶來的巨大能量。車鉤車鉤的主要作用就是用于連接兩個相鄰的軌道列車，這是在列車的連接的基本連接裝置的托架的機械組件。聯(lián)接器的主要功能是減輕和傳送由操作期間火車和所產(chǎn)生的沖擊力到下一個隔室中產(chǎn)生的牽引力，從而達到軌道列車牽引和緩沖，使列車運行順利。軌道列車的耦合器系統(tǒng)由耦合器前端耦合器，所述緩沖裝置和牽引裝置組成的，如圖1.2所述的耦合器緩沖系統(tǒng)由兩個部分組成，它們分別由兩個部分組成：在所述耦合器的前端的緩沖器和緩沖裝置。當列車運行正常在軌道上或列車的速度小于5公里每小時，主要是由在以吸收由兩輛車產(chǎn)生的能量耦合器的前端聯(lián)接器的緩沖器中，并且降低由所產(chǎn)生的振動軌道的行駛時的火車的反應(yīng)。如果當軌道列車遇到突發(fā)情況出現(xiàn)碰撞或者列車的行進速度為達到5～15km/h的時候，此時所產(chǎn)生的能量已經(jīng)遠遠大于車鉤前端耦合器中的緩沖器的吸能上限，不能對多余的能量進行吸收，此時則需要依靠緩沖裝置來進行吸能，從而降低兩節(jié)車廂間所產(chǎn)生的能量。車鉤緩沖器車鉤緩沖器通常是可以在列車上重復(fù)利用的，目前經(jīng)常使用的車鉤緩沖器一般可以將緩沖器劃分為：摩擦式緩沖器、橡膠式緩沖器和液壓緩沖器等。緩沖器就是用來緩和列車在運行的過程中由于列車的牽引力變化或在起動的時候、制動的時候以及調(diào)車作業(yè)的時候車輛相互碰撞所導(dǎo)致的縱向沖擊和振動。緩沖器有消耗兩節(jié)車廂之間的沖擊能量和振動的作用，從而緩解沖擊能量對整個車體結(jié)構(gòu)和在車廂里裝載的貨物和人所造成的巨大破壞。緩沖器主要是通過壓縮彈性元件來緩解列車在碰撞過程中所產(chǎn)生的巨大沖擊力，同時在彈性元件發(fā)生變形的過程中利用在碰撞過程中產(chǎn)生的摩擦和產(chǎn)生的阻尼吸收沖擊時所產(chǎn)生的能量。摩擦緩沖器摩擦緩沖器主要是由機械摩擦副和彈性元件這兩部分。普通的機械摩擦副經(jīng)過特殊設(shè)計后，在正常運行時能產(chǎn)生非常大的摩擦力，但在卸載時產(chǎn)生的摩擦力又非常小。因此，摩擦緩沖器工作時會產(chǎn)生特別大的阻抗，由于機械摩擦的作用，將大部分的動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達到緩沖器超高容量的目的。摩擦緩沖器可以分為兩類：分別是橡膠摩擦緩沖器和彈簧摩擦緩沖器。如果從吸收沖擊動能的效率上來劃分，摩擦緩沖器也可以可分為外摩擦式摩擦緩沖器和內(nèi)摩擦式摩擦緩沖器兩大類。彈簧們都是內(nèi)摩擦式緩沖器的一種體現(xiàn)。橡膠緩沖器橡膠緩沖器就是將行車過程中由振動產(chǎn)生的沖擊能量將橡膠沖擊變形，從而將沖擊能轉(zhuǎn)化成為橡膠的變形能。橡膠緩沖器具有很多優(yōu)點，例如：其吸收能量的性能好、吸收能量的效率高、結(jié)構(gòu)比較簡單明了、質(zhì)量相對來說比較輕、成本比較低等。其廣泛地應(yīng)用于各種軌道交通列車。橡膠摩擦緩沖器所形成的緩沖力與列車的沖擊速度有直接的關(guān)系，緩沖力雖則沖擊速度的增大而增大，減小而減小，隨著緩沖力時刻變化。橡膠緩沖器主要采用彈性高分子材料作為緩沖材料吸收能量，將產(chǎn)生的大部分沖擊動能轉(zhuǎn)化為能量的另一種形式的彈性勢能，與此同時依靠高分子材料之間所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦，將其余少部分的動能轉(zhuǎn)化為消耗能量需要的熱能。如圖1.2.3就是橡膠緩沖器的零件示意圖。由于橡膠分子與分子之間存在內(nèi)摩擦，在內(nèi)摩擦的作用下橡膠緩沖器吸收能量的吸收率要比彈簧緩沖器吸收能量的吸收率要高一些。但是由于它的彈性變形量比較小，所以吸收到的動能就比較少，因此它的緩沖能力也有了一定的限制，只能適用于一些沖擊載荷比較小、緩沖容量比較小的地方。而且由于橡膠本身的材質(zhì)問題使得它很容易老化，它的機械性能也很大的程度上受到溫度的影響，所以在用到橡膠緩沖器的時候在緩沖行程以及緩沖容量等方面都有一定的限制與要求。現(xiàn)如今很多的鐵路交通客車和城市輕軌列車在列車上安裝的緩沖器都為橡膠緩沖器…...等等。它在很多的領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。液氣緩沖器液氣緩沖器其實就是由液壓緩沖器演變而來的，液壓緩沖器主要是通過活塞來壓縮介質(zhì)液體時產(chǎn)生的巨大阻尼，當外力的作用消失不見的時候．活塞在復(fù)位彈簧的作用下推動下最終又回到活塞所在的初始位置。液壓緩沖器的容量比其他緩沖器的大、反應(yīng)速度比較靈敏、性能相對來說比較穩(wěn)定、可靠性能在一定的程度上很高，這些都是它的優(yōu)點但是由于液壓緩沖器主要是依靠復(fù)位彈簧最終回到初始位置，并且各種軌道列車以及高速行駛的大客車會經(jīng)常產(chǎn)生一些往復(fù)性的沖擊動能，所以有可能會導(dǎo)致復(fù)位彈簧使用過度，從而在使用過程中發(fā)生疲勞受損最終失效。液氣緩沖器和液壓緩沖器的區(qū)別是液氣緩沖器是將氣體和液壓油兩種不同的物質(zhì)分別填充在緩沖器前端的氣腔以及后方的油腔中，如圖1.2.4所示，通過壓縮氣體所產(chǎn)生的膨脹來達到讓活塞復(fù)位的目的，避免了在液壓緩沖器中復(fù)位彈簧產(chǎn)生疲勞磨損導(dǎo)致失效的現(xiàn)象，大大的減少了需要維修保養(yǎng)的機率與時間，大大的改善了緩沖器的使用壽命。液氣緩沖器對列車形成沖擊時的速度比較敏感，當沖擊速度達到一定限度時，它會在一個很短的時間內(nèi)產(chǎn)生比較巨大的緩沖力，這種緩沖力甚至有可能大于車體本身的強度，從而導(dǎo)致車體在沖擊過程中受到破壞。所以液氣緩沖器一般會被用于在列車的車端，當形成的緩沖力超過限度時，安裝的過載保護裝置就開始工作，而車鉤緩沖器也將不再吸收沖擊時所產(chǎn)生的列車前端能量，讓列車前端安裝的防爬器以及其他吸能裝置作業(yè)從而吸收沖擊時產(chǎn)生的能量。車鉤緩沖裝置車鉤緩沖器吸收能量的能力畢竟是有限的，其主要應(yīng)用于緩沖以及降低列車在正常運行的過程中或者在低速行駛的過程中由于產(chǎn)生沖擊時所形成的振動，當列車遇到突發(fā)事故發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的沖擊能量遠遠的超過緩沖器吸收能量的有效能力時，這時在車鉤系統(tǒng)中的緩沖裝置就開始工作，從而吸收在運動過程中產(chǎn)生的巨大能量。現(xiàn)如今在軌道列車上安裝的車鉤緩沖裝置就是比較常見的壓潰管式緩沖結(jié)構(gòu)，壓潰管式緩沖結(jié)構(gòu)主要就是由脹管式、折疊式、收縮式和刨削式這四種類型組成的。例如：脹管式顧名思義就是通過管徑內(nèi)部的擴大來吸收能量的方式，經(jīng)過大量的試驗以及研究最終發(fā)現(xiàn)，脹管的變形不是隨機的，而是有一定的規(guī)律是可以人為預(yù)測及設(shè)定的，所以在軌道列車等方面應(yīng)用極為廣泛。錐管與膨脹管共同構(gòu)成膨脹管的吸能結(jié)構(gòu)。錐管外徑大于內(nèi)部直徑管擴張,在訓練的過程中碰撞,錐管通過外部力量的作用伸縮管,管擴張開始擴大變形,將動能的影響到材料的彈塑性變形能量和管和錐管之間的摩擦產(chǎn)生的熱能,因此我們可以達到目標的緩沖能量吸收。管式膨脹吸能器結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，工作能力可靠，對載荷的方向不敏感。防爬吸能器列車發(fā)生碰撞的速度超過一定的限度時會產(chǎn)生一種加速度極其高的脈沖，從而造成列車的車廂堆積在一起、后車廂爬在前一節(jié)車廂上邊、甚至造成列車的車廂發(fā)生翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象等，造成一系列的嚴重破壞，從而導(dǎo)致發(fā)生碰撞的列車或者高速行駛的大客車的車體發(fā)嚴重的大變形，由于車體發(fā)生嚴重的變形所以在車廂內(nèi)留給乘客的生存空間將大大的減小，為了降低在發(fā)生事故時產(chǎn)生的破壞以及損傷程度，在車體的前端安裝防爬吸能器，在列車遇突發(fā)事故發(fā)生碰撞時，車鉤緩沖系統(tǒng)開始工作立即開始進行吸能作業(yè)，在其吸能結(jié)束后，車端的車鉤過載保護裝置機會開始進行作業(yè)，使車鉤與車身之間的連接斷開，讓車廂的防爬器與防爬器相互接觸，從而吸收在碰撞過程中產(chǎn)生的沖擊動能，避免列車發(fā)生攀爬、拱起、翻車。車體變形等現(xiàn)象。壓潰式防爬器壓潰式防爬器是通過薄壁金屬破碎發(fā)生在外力的作用下,塑性變形來吸收能量,薄壁金屬材料可以是鋁蜂窩或金屬泡沫和薄壁管等,根據(jù)不同規(guī)格的火車和能量吸收效率的要求,可以使用不同類型的薄壁金屬制作壓潰式防爬器爬器。脹破式防爬器脹破式防爬器工作原理比較簡單，和車鉤緩沖裝置系統(tǒng)中的脹管式吸能結(jié)構(gòu)非常相似，當兩節(jié)列車遇到突發(fā)事故發(fā)生碰撞時，防爬器結(jié)構(gòu)部位受到橫向沖擊力的作用從而推動錐環(huán)沿著撞擊的方向運動，此時脹環(huán)在錐環(huán)的影響下開始發(fā)生擴徑塑性變形，將沖擊動能轉(zhuǎn)化為脹管材料的彈塑性變形能以及脹環(huán)與錐環(huán)之發(fā)生摩擦產(chǎn)生的熱能，從而起到緩沖吸能的作用。脹破式防爬器的吸能原理與脹管式的車鉤緩沖裝置相同，脹管的變形不是隨機的，而是有一定的規(guī)律是可以人為預(yù)測及設(shè)定的，由于這種可預(yù)測還有可設(shè)定的特點，脹破式防爬器發(fā)生變形時比較穩(wěn)定，緩沖力沖擊時比較平穩(wěn)，能量吸收易于控制。脹管式防爬器具有結(jié)構(gòu)十分簡單、便于加工、工作比較可靠以及對載荷方向不敏感等優(yōu)點。切削式防爬器切削式防爬吸能器在發(fā)生碰撞時將沖擊動能轉(zhuǎn)化為切削能，達到緩沖吸能的目的，圖1.3.3就是切削式防爬吸能器的結(jié)構(gòu)原理示意圖。由圖可以看到，切削式防爬吸能器主要就是由防爬齒、防爬板、吸能管、刀具及安裝法蘭組成的。在動車遇到突發(fā)事故發(fā)生碰撞的過程時，刀具與吸能管開始進行相對運動從而切削吸能管，吸能管在外力的作用下發(fā)生塑性變形甚至被外力撕裂，與此同時刀具與工件之間發(fā)生摩擦，由于摩擦的作用將沖擊動能轉(zhuǎn)換為摩擦熱能，達到緩沖吸能的目的。切削式防爬器對吸能管的要求比較高，要求其具有良好的切削性能以及超高的剛度來達到抗彎和緩沖吸能的作用，在進行切削的過程中刀具與吸能管接觸會產(chǎn)生大量的熱能，從而使接觸點附近的溫度特別高，所以切削式防爬吸能器對刀具的材料要求極其的高。切削式防爬器的吸能效率良好、體積不大、結(jié)構(gòu)又比較簡單、切削性能十分良好、垂向承載能力較強，這些都是它的優(yōu)點。因此它在軌道列車上得到了廣泛的應(yīng)用。如北京地鐵6號線、哈爾濱地鐵1號線、香港地鐵等軌道列車等都使用了性能良好的切削式防爬吸能器。主吸能器主吸能器是緩沖吸收能量的一部分，在列車碰撞中起著主要作用。它需要吸收大部分由碰撞所產(chǎn)生的沖擊能量的，因此主要的能量吸收器的能量吸收能力和能量吸收效率必須特別優(yōu)異。切削式吸能器以及脹管式吸能結(jié)構(gòu)的吸能能力十分有限，有時不能滿足主吸能器所需要達到的吸能要求。鋁蜂窩緩沖器在工作時十分可靠，并且鋁蜂窩緩沖器的質(zhì)量比較輕、壓縮變形能力大而且其發(fā)生變形的范圍可以控制等優(yōu)點，所以被廣泛應(yīng)用于列車主吸能器的構(gòu)成材料，為軌道列車的發(fā)展做出了極大的貢獻。普通車體防爬吸能區(qū)簡介由于全球軌道交通技術(shù)的高速發(fā)展以及各國對城市軌道列車的需求不斷上升，所以在軌道列車的安全性防護能方面也隨著科技的上升不斷提高，尤其是在列車遇到突發(fā)事故發(fā)生碰撞時，司乘人員以及車體主結(jié)構(gòu)等方面的安全保護問題也越來越得到重視，由于科技的飛速發(fā)展之前的普通防爬器已不能適用于新的軌道列車，所以需要采用具有吸能功能的新型防爬器。全球在城市軌道列車的被動安全保護問題方面提出了一定的要求：當列車在一定的速度下發(fā)生碰撞時，必須將司乘人員有可能受到的傷害降到最低，盡可能的讓車體的主結(jié)構(gòu)不受到損壞，在發(fā)生碰撞事件之后不需要在其他方面耗材耗力，只需要拆卸和更換預(yù)先在列車前端安裝好的吸能器件，就可以讓列車繼續(xù)回到軌道上行駛，沒有其他的任何影響。因此，在城市軌道列車前端的吸能作用的設(shè)計中加入了刨削式吸能防爬器。刨削式防爬吸能器是每輛列車安裝的所有吸能結(jié)構(gòu)中的核心吸能器件，刨削式防爬吸能器是根據(jù)軌道列車在發(fā)生碰撞的時候，兩列車的防爬齒開始碰撞嚙合，帶動防爬板開始向后運動，從而通過刀具切削吸能管的方法來吸收碰撞所產(chǎn)生的巨大能量，最終達到在碰撞過程中緩沖吸能的目的，這就是它的工作原理。防爬器結(jié)構(gòu)本實驗設(shè)計的就是刨削式防爬吸能器，其主要由防爬齒板、吸能管、刀具和安裝法蘭4部分組成的，在發(fā)生碰撞時它們將會起到不同的作用例如：防爬齒板：防爬齒板就是在平板上開設(shè)溝槽，當車輛發(fā)生碰撞時，兩車之間的防爬齒能夠相互嚙合，從而達到限制兩車之間的相對高度的目的，這樣能夠阻止碰撞中某一節(jié)車廂車離開軌面騎爬到另一節(jié)車廂上的現(xiàn)象。吸能管：在工作中主要有兩方面的作用，首先是導(dǎo)向作用，承受在碰撞中的垂向和側(cè)向載荷力，保證吸能過程中防爬裝置的穩(wěn)定工作；其次是吸能作用，工作時部分金屬材料從金屬管上剝離，將沖擊動能轉(zhuǎn)化為熱能，吸收能量。刀具：是防爬吸能裝置中的核心元件，不僅要能夠承受高溫和重載作用，而且還要有一定的剛度不折斷，使得在碰撞時刀具可以刨削吸能管，從而讓金屬材料剝離，吸收產(chǎn)生的碰撞能量。安裝法蘭：用于安裝刀具，同時還起到吸能管的運動導(dǎo)向作用，限制吸能管的運動方向。刨削式防爬吸能器在城市軌道列車上的設(shè)計與應(yīng)用由于普通的防爬吸能裝置和車體吸能區(qū)承受垂向載荷力的能力比較差，開始變形吸能時力值浮動的范圍比較大，這是很容易造成防爬能量吸收裝置的故障和車身的吸能區(qū)的預(yù)設(shè)邊緣的損傷，這是不容易修復(fù)，浪費了大量的財力和物力，所以在城市軌道交通的設(shè)計思路高性能刨防爬能量吸收已經(jīng)出臺。刨削式防爬吸能器安裝起來比較簡單，防爬和抗偏載的能力比較強，吸能后的變形模式不僅穩(wěn)定而且可以控制，在發(fā)生碰撞后還易于維修。刨削式防爬吸能器的吸能原理及特點在車輛發(fā)生碰撞時，刨削式防爬吸能器的刨刀與刨削筒開始產(chǎn)生相對運動，刨刀與刨削筒壁貼合在一起，使得刨刀開始刨削筒壁，逐漸的刨削下條狀的金屬。如圖1.6.2所顯現(xiàn)的就是被刨削前與刨削后的形態(tài)。刨削式防爬吸能器經(jīng)過一系列的測試后發(fā)現(xiàn)它碰撞力十分穩(wěn)定、抗偏載的能力極強、重量比較輕、有效的行程比例高等特點。（1）碰撞力穩(wěn)定刨削式防爬吸能器的碰撞力主要就是由刨刀與刨削筒的筒壁在列車發(fā)生碰撞后開始形成相對運動而產(chǎn)生的，而刨刀從刨削筒刨削下來的金屬條的寬度和厚度對碰撞力的大小起到了決定性作用，因為在整個相對運動的過程中，被刀具所刨削來的金屬條的寬度和厚度都是完全相同的，所以刨削時碰撞力的力值浮動范圍與其他形式的吸能元件相比來看更為穩(wěn)定。穩(wěn)定的碰撞力可以讓整車在設(shè)計時盡可能的將碰撞力接近車體的強度而不會對車體造成損壞，用以提高整個車體的吸能效率。（2）抗偏載能力強在抗偏載能力方面將刨削式防爬吸能器和其他類型的防爬器相比，刨削式防爬吸能器抗偏載的能力最強，而且在偏向載荷力的作用下它的刨削力不會發(fā)生變。這主要是因為刨削式防爬吸能器中刨刀從刨削筒刨削下來的金屬條的厚度和寬度決定了刨削力的大小，偏向載荷的存在與否不會影響到刨刀所刨削得到的金屬條的厚度和寬度（3）結(jié)構(gòu)緊湊由于刨削式防爬吸能器的有效行程主要是根據(jù)刨削筒的長度所確定的，而刨削筒的總長度比較短，整個防爬吸能器只比刨削筒幾乎沒有大太多。因此近似的將長筒的長度當做其有效行程。所以刨削式防爬吸能器的有效行程要比其他類型的防爬器短很多。由于刨削式防爬吸能器的長度比較短，重量也比其他類型的防爬器輕，所以有利于實現(xiàn)城市軌道列車的輕量化設(shè)計。軌道車輛耐撞性研究的背景及現(xiàn)狀隨著全球科技的飛速發(fā)展，城市軌道列車的研發(fā)也隨著科技的上升而飛速的開始發(fā)展，又因為軌道列車的安全防護問題已經(jīng)受到全球的高度重視，各國都將焦點放在如何加強軌道列車在運行過程中的安全防護問題。雖然城市軌道列車發(fā)生意外碰撞事故的機率十分的小，但是由于軌道列車一般都是多節(jié)車廂托在一起運行，而一旦開始高速運行的列車將會具有十分巨大的初動能，如果發(fā)生意外碰撞事故，列車無法在瞬間將由碰撞所產(chǎn)生的巨大沖擊能量耗散掉時，就會造成嚴重的人員傷亡和不可估計的經(jīng)濟損失。國內(nèi)外列車發(fā)生意外碰撞的事故還有很多，下面就近幾年國內(nèi)外所發(fā)生的其他碰撞事2014年5月26日，一特快列車與一靜止的貨運列車在印度北部地區(qū)碰撞，導(dǎo)致40多人死亡，100多人受傷。2016年2月9日，德國發(fā)生特大火車相撞事故。事故發(fā)生地位于巴伐利亞州BadAibling，兩列客運火車在單軌上相向而行，迎面相撞，造成12人死亡，89人受傷2019年5月18日晚間，菲律賓首都馬尼拉城市輕軌二號線發(fā)生一起列車相撞事件。截至2019年5月18日，該事件已造成29人受傷。近幾年來，不時有軌道列車碰撞事故的發(fā)生，不光是國內(nèi)，國外也同樣發(fā)生了不少的事件。都造成了大量的人員傷亡以及經(jīng)濟損失。所以我們需要在未來很長的一段時間內(nèi)將目光都放在如何提升軌道列車的安全防護問題之上，盡最大的可能保護公民的人生安全，保護人民不會受到傷害。研究軌道車輛耐撞性問題時所采用的方法隨著科技的不斷上升，全球各國在研究軌道列車耐撞性這一研究課題時主要采用了以下的幾種方法：（1）理論研究法理論研究法就是在對車體的結(jié)構(gòu)進行一系列的簡化和預(yù)設(shè)后，利用有限元理論推理逐漸的建立其理論分析模型，根據(jù)理論模型從而計算出在發(fā)生碰撞時車輛各部件或整車所受到的碰撞力、變形及其各部分零件的吸能等情況。由于理論研究法在比較合理的范圍內(nèi)可以十分有效的預(yù)測出單體車輛在發(fā)生碰撞時的碰撞特性，從而為耐碰撞軌道車輛的設(shè)計與改進工作提供了重要的理論依據(jù)，因此，是解決軌道列車在研究耐撞性問題極其有效的方法。（2）試驗研究法研究實驗方法是最客觀、最直接的研究方法之一。同時，實驗數(shù)據(jù)具有較強的說服力，可以驗證理論模型和數(shù)值模擬算法的有效性。車輛沖擊試驗通常包括部件沖擊試驗和實車沖擊試驗。由于汽車部件沖擊試驗成本較低，可以通過對某一部件的不同設(shè)計方案進行多次試驗，并將不同設(shè)計方案的試驗結(jié)果進行比較，得出最優(yōu)設(shè)計方案。然而，實際的汽車碰撞試驗具有破壞性，每次試驗后重復(fù)使用的可能性很小，而且成本昂貴，時間消耗長，因此這種方法在實際的汽車碰撞抗力研究中很少使用（3）數(shù)值仿真法數(shù)值模擬方法不僅解決了實驗研究的破壞性,可重復(fù)性差,缺點是昂貴的,耗費時間,也可以代表碰撞場景,可重復(fù)性和比較,包含大量的信息,可以很容易地得到了車輛在不同工況下的各種組件的碰撞變形,力量,速度,加速度,能量吸收,等等,從而改進了原結(jié)構(gòu)設(shè)計。目前，研究鐵路車輛耐撞性的數(shù)值模擬方法主要有非線性有限元法和多剛體動力學方法。實驗材料、設(shè)備與內(nèi)容實驗材料(1)W18Cr4V高速鋼化學成分為C:0.70~0.80%，Si≤0.40%，Mn:≤0.40%，V:≤1.00~1.40%，Cr≤3.80~4.40%，Mo:≤0.30%，S≤0.03%，P≤0.03%。(2)T10鋼化學成分為C0.95%~1.04%、Si≤0.35%、Mn≤0.40%、P≤0.035%、S≤0.030%。實驗設(shè)備(1)擺錘沖擊試驗機：萬測沖擊試驗機用于進行金屬夏比沖擊試驗，求出金屬試樣的沖擊吸收功，最大沖擊能量750J（2.2.6）(2)掃描電子顯微電鏡：JSM-5500LV型(2.2.2),由日本制造，加速電壓0~30KV,分辨率3.0nm，放大倍數(shù)30~35萬倍。(3)200HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計,優(yōu)化設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)，鉆石型的外觀設(shè)計。在進行試驗的過程中是全程自動化的，不會存在人為的操作失誤。主要用于測量金屬材料以及非金屬材料的洛氏硬度；適用于淬火、調(diào)質(zhì)等熱處理材料的洛氏硬度測量；（4）熱處理爐1300℃熱處理爐。由于高速鋼需要經(jīng)過高達1280℃的淬火，所以必須使用額定溫度能加熱到1300℃的箱式熱處理爐。它的內(nèi)部有溫度很高且優(yōu)質(zhì)的硅碳棒來進行加熱。（5）顯微硬度計簡明介紹FM700顯微硬度計主要就是用來測量一些式樣比較小、比較薄并且易脆的一些試件的顯微硬度，該顯微硬度計擁有一套超高清的數(shù)碼圖像收集系統(tǒng)?？梢詫Ω鞣N材料的金相組織、氧化層、玻璃、鍍層、瑪瑙、金屬淬火件、人造寶石、陶瓷等脆硬材料進行顯微硬度的測量。本實驗主要技術(shù)參數(shù)：實驗力：50kgf保載時間：15s照明亮度：7檔放大倍率：物鏡40x目鏡10x。（6）金相顯微鏡（型號：PM1300M制造商：德國蔡司)金相顯微鏡主要被用來研究材料的顯微組織和缺陷，它在材料的研究史中必不可少，發(fā)揮了極其重要的作用。待觀察的樣品的微結(jié)構(gòu)可通過金相顯微鏡被放大100至1500倍。這種分析方法被稱為金相顯微分析法，主要的作用就是研究和觀察試樣的顯微組織和各種缺陷。金相顯微分析法是研究材料微觀結(jié)構(gòu)最基本最有效的一種實驗方法。顯微分析法可以系統(tǒng)的研究材料內(nèi)部的顯微組織以及和組成此種試樣的化學成分之間的聯(lián)系；根據(jù)觀察，可以得到不同的處理和熱處理后的方法的各種材料的微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)量和各種非金屬夾雜物如在微觀結(jié)構(gòu)中的氧化物和硫化物的分布，也可以在微觀結(jié)構(gòu)中看出這種情況和晶粒尺寸的大小。實驗內(nèi)容與設(shè)計方案實驗內(nèi)容防爬吸能裝置基本參數(shù)要求刨削吸能行程300mm（暫定）塑性變形力370±30kN完全壓潰時能量吸收約111kJ能承受的側(cè)向力（不影響能量吸收特性）≥50kN能承受的垂向力（不影響能量吸收特性）≥50kN安裝面到最前端長度440mm安裝面尺寸140x280mm防爬面尺寸130x280mm（暫定）本實驗主要研究的是刨削式防爬吸能器中刀具的研究及對其熱處理工藝的研究本實驗選用T10鋼以及W18Cr4V高速鋼為刀具。本實驗的主要內(nèi)容為：（1）對切削件T10鋼及W18Cr4V高速鋼進行熱處理（2）對切削件T10鋼及W18Cr4V高速鋼的硬度分析（3）對切削件T10鋼及W18Cr4V高速鋼的金相組織分析（4）對切削件T10鋼的沖擊試驗分析（6）對切削件T10鋼的斷口分析實驗步驟與方法對切削件T10鋼的熱處理T10鋼經(jīng)過退火、淬火、回火后，想要觀察了解他的顯微組織需要運用Fe-Fe3C平衡相圖以及等溫轉(zhuǎn)變曲線圖一C曲線等方面來進行系統(tǒng)的專業(yè)的分析，鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律是可以從C曲線的變化上觀察到的。所以，現(xiàn)如今通常以C曲線為理論依據(jù)來研究金屬在經(jīng)過熱處理后的顯微組織。經(jīng)過不同的冷卻條件，過冷奧氏體就會在不同程度的溫度范圍內(nèi)發(fā)生不同類型的奧氏體轉(zhuǎn)變。應(yīng)用金相顯微鏡觀察分析，就可以由顯微組織的分布發(fā)現(xiàn)過冷奧氏體經(jīng)過不同種類型的轉(zhuǎn)變后所形成的的產(chǎn)物，還可以看到經(jīng)過不同種類型的轉(zhuǎn)變之后其顯微組織的大小、數(shù)量以及分布各不相同。T10鋼是過共析鋼的一種，過共析鋼的C曲線與亞共析鋼的尤為相似，經(jīng)過熱處理后首先析出的是滲碳體。隨著溫度的降低、冷卻速度不斷的增大，T10鋼的顯微組織發(fā)生了如下的變化:首先由滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體和珠光體，然后在轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體和索氏體，下一階段轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體和，然后轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w、馬氏體和殘余的奧氏體，最終轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和殘余奧氏體。為了使T10鋼內(nèi)的滲碳體呈球墨狀并且在鋼件內(nèi)均勻分布，從而可以達到改善工件切削性能的目的，為下一次的熱處理做好準備，所以碳素工具鋼必須先進行球化退火。碳素工具鋼經(jīng)過不完全淬火和中溫回火后，其洛氏硬度的范圍在50~55HRC，可作為低切削的刃具。T10是一種碳素工具鋼，強度和耐磨性能比T8和T9較好，但熱硬性比較低，淬透性不高且經(jīng)過淬火后產(chǎn)生的變形量比較大，晶粒十分細小，在經(jīng)過淬火加熱的時候不能過熱，這樣就可以組織的晶粒比較細?。淮慊鸷箐撝袝粲幸恍┦Ｓ嗟奶蓟?，所以上述材料的耐磨性能比較優(yōu)良，用于制造具有鋒利刀口和有少許韌性的工具。特性：T10是最常見的碳素工具鋼，它的韌性和生產(chǎn)成本都比較低。經(jīng)過簡單的熱處理后，硬度可以達到高于60HRC。然而，這種鋼的淬透性十分低，耐熱性能又有點差（250℃），這是不容易進行淬火的。當開始加熱時如果溫度過熱，并仍保持細晶粒的韌性是可接受的，則強度和耐磨性比T7-T9高，但熱硬性和淬透性仍然不高，經(jīng)過淬火后材料的變形比較大。適用范圍：適用于制造切削條件較比較差、耐磨性能要求較高且并且不會受到突然和劇烈沖擊振動而需要一定的韌性及具有鋒利刃口的各種工具，如車刀、刨刀、鉆頭、絲錐、擴孔刀具、螺絲板牙、銑刀手鋸鋸條等。本實驗切削件T10鋼理想硬度60HRC，熱處理工藝曲線（）：圖T10鋼熱處理工藝曲線對W18Cr4V高速鋼的熱處理高速鋼中含有大量Cr、W、Mo、V、Co等合金元素，一方面這些合金元素可以起到二次硬化的作用；另一方面也起固溶強化的作用，也就是高速鋼中的α-Fe在高速鋼具有由位錯的組合形成的溶質(zhì)原子，并且進一步防止變形從程序由所述第二相粒子和所述錯位氣體質(zhì)量，以確保α-的強熱鐵基。鉻能提高淬透性和磨損，并且還可以提高切割期間高速鋼的抗氧化性，形成更致密的氧化膜，并降低粘附現(xiàn)象，從而使切割工具耐磨。性和切削加工性能改善。圖等溫球化退火圖分級淬火圖三次回火等溫球化退火：W18Cr4V高速鋼的原始硬度值特別高，只有經(jīng)過等溫球化退火后，降低其硬度后才能進行下一步的切削加工。一般采用球化退火降低硬度，消除鍛造應(yīng)力。分級淬火：淬火有助于Cr、Mn、Si元素和少量V、W元素的溶解以及共晶碩化物的溶解，提高淬透性，改善回火穩(wěn)定性。分級淬火是為了減少殘余奧氏體，穩(wěn)定組織，消除應(yīng)力，提高紅硬性。3、回火：W18Cr4V鋼淬火后殘余奧氏體量較多可達30%,為了減少殘余奧氏體的數(shù)量，消除內(nèi)應(yīng)力,穩(wěn)定材料的組織性能，提高力學性能，淬火后要在560℃進行回火,高速鋼回火時會產(chǎn)生“二次硬化”現(xiàn)象,使硬度得到提高。觀察T10鋼與W18Cr4V高速鋼的金相組織1、試樣制備:（1）試樣截取的方向，垂直于徑向，長度不跨過8mm。（2）可以使用手鋸等一些切割方法切取試樣，但是無論用什么方法都需要將切割的速度放慢，防止溫度過高形成熱影響區(qū)，如果需要的話，用水冷卻，以防止正式樣品改變其結(jié)構(gòu)由于過熱。2.試樣的研磨：（1）首先將準備好的試樣，先在粗砂輪上將待觀察的一面磨平，磨痕均勻一面后，緊接著將試樣轉(zhuǎn)移至細砂輪上開始研磨，磨時必須用水不時的冷卻試樣，一方面為了防止金屬的組織不因受熱而發(fā)生變化，另一方面防止因摩擦產(chǎn)生的熱將手燒傷。（2）研磨，洗滌，可以先通過砂輪將表面的銹層打磨掉，然后依次在砂紙上研磨從粗到細，由粗砂紙細砂紙研磨后的樣品。，然后使用不一樣的砂紙時，必須將樣品旋轉(zhuǎn)90度和老研磨成垂直方向。（3）當試樣經(jīng)過砂紙的研磨后，然后在拋光機上進行拋光，直到拋光面看起來就像一面鏡子并且表面上沒有一點劃痕然后進行下一項腐蝕，即粗糙度為Ra0.04以下。3.金相顯微組織查驗（1）想使用儀器的時候應(yīng)該嚴格按照說明書使用儀器。（2）分別對T10鋼和W18Cr4V高速鋼進行顯微組織的觀察以及分析4.運用金相顯微鏡留心事項:（1）取用鏡頭時，應(yīng)防止手指接觸到鏡頭的表面，目鏡在不使用的時候應(yīng)當放在專有的保護盒當中進行存放。（2）物鏡與試樣表面挨近時，調(diào)節(jié)時勿使物鏡頭與試樣接觸。（3）當在顯微鏡不使用時，它需要使用一個防塵蓋。金相顯微鏡金相程序顯微鏡被歸因于精細的光學儀器。這個程序是專門開發(fā)以保證金相顯微鏡系統(tǒng)的正常性能。5.顯微鏡使用方法（1）去掉防塵蓋，翻開電源。（2）將試樣置于載物臺上，調(diào)整粗/微調(diào)旋鈕進行調(diào)焦，直到在目鏡中可以觀察到材料的組織形貌時。（3）調(diào)整載物臺方位，找到視野比較清楚，組織便于觀察的地方，進行金組分析。T10及W18Cr4V高速鋼硬度試驗硬度是指金屬材料軟硬程度的一種表現(xiàn)材料性能的形式，它既可當做材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可當做材料在抵抗殘余變形和反破壞的能力。硬度不是一個簡單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合性指標。T10鋼及W18Cr4V力學性能1.切削件T10鋼的沖擊試驗（）該材料的沖擊載荷期間的塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力被稱為該材料的沖擊韌性。將樣品放置在試驗機的兩個座椅之間的凹口處，所述凹口被放置背靠擊打面，并且將樣品通過擺錘撞擊一次以測量樣品的吸收能量。實驗步驟：（1）測量試件尺寸。（2）檢查機器，校正零點。校零點用空擺實驗進行。（3）將試驗片插入卡爪基部和使用該模板來校正對準葉片的位置。（4）按下“沖擊”按鈕進行沖擊實驗。T10鋼掃描電鏡斷口分析掃描電子顯微鏡（SEM）是一個電子顯示裝置放大和觀察由采集信號例如二次電子，并通過電子束和樣品的作用而產(chǎn)生的反向散射電子的材料的表面形貌和斷裂。SEM的重要特點是觀察景深大(是光學顯微鏡的100-500倍，透射電鏡的10倍)，顯微圖像立體感強，形態(tài)真實?？煞治鰤K狀材料形貌和納米到毫米范圍的粉體材料幾何形貌、大小及分布狀態(tài)。利用型號為JSM-5500LV(2.2.4)、加速電壓為0~30KV、分辨率為3.0nm、放大倍數(shù)為30~35萬倍的掃描電子顯微鏡對Q345B鋼進行表面微觀形貌的觀察及斷口分析，保存圖片，進行對比，做出總結(jié)實驗結(jié)果與分析列車防爬器T10鋼與被W18Cr4V高速鋼硬度試驗結(jié)果與分析根據(jù)不同種熱處理方法方法分別測出T10鋼的五種熱處理（油冷淬火、水冷淬火、水冷淬火+150℃回火、水冷淬火+210℃回火、水淬+270℃回火）所得硬度如表所示：圖表1T10鋼硬度數(shù)據(jù)油淬/HRC40.339.240.2水淬/HRC7065.864.866.864.668.6水淬+150℃回火/HRC66.566.566.464.565.961.1水淬+210℃回火/HRC57.661.759.363.165.956.8水淬+270℃回火/HRC59.560.360.459.458.159.1T10鋼油冷淬火的硬度平均值為39.9HRC,水冷淬火硬度平均值66.7RHC，水冷+150℃的硬度平均值為65.15HRC，水淬+210℃回火的硬度平均值60.7HRC，水淬+270℃回火的硬度平均值為59.5HRC通過硬度平均值可清晰地看出油淬冷卻速度較慢，硬度較低。經(jīng)過水淬后得到的硬度最高，硬度隨著回火溫度的升高而降低。由圖可知，水淬+210℃回火的硬度與水淬+270℃回火的硬度均符合防爬器所需硬度。通過不同種熱處理工藝得出W18Cr4V高速鋼通過不同熱處理得到硬度如表3.1.3所示：圖表2SEQ圖表\*ARABIC1W18Cr4V高速鋼硬度數(shù)據(jù)實驗材料淬火溫度/℃回火溫度/℃硬度/HRCW18Cr4V128058056.7列車防爬器T10鋼與及W18Cr4V高速鋼顯微觀察結(jié)果與分析對列車防爬器T10鋼與及W18Cr4V高速鋼鋼進行金相分析T10含碳量1%左右，屬于過共析鋼，碳鋼的機械性能主要是由其組織所決定的，組織的分布取決于含碳量的多少，當試樣內(nèi)的含碳量比較高的時候，碳化物越多，從而脆性越大硬度就越高。T10鋼經(jīng)過正火后的組織是珠光體和滲碳體。淬火后組織為馬氏體和碳化物以及殘余奧氏體?；鼗鸷蠼M織為回火馬氏體和碳化物和殘余奧氏體。(c)T10鋼水淬+150℃回火500x(d)T10鋼水淬+210℃回火500X(e)T10鋼水淬+270℃回火500XW18Cr4V中碳的質(zhì)量分數(shù)為0.70%～0.80%,高速鋼一方面要保證能與鎢、鉻、釩等合金元素形成足夠的合金碳化物,又要有一定的碳溶于奧氏體中,在經(jīng)過淬火后該種材料可以獲得碳含量過飽和的馬氏體,既可以保證高速鋼的高硬度和高耐磨性,以及良好的熱硬性。高速鋼在經(jīng)過退火后的組織為索氏體和均勻分布的合金碳化物，經(jīng)過淬火后的組織為貝氏體和大量的殘余奧氏體，經(jīng)過三次回火后的組織為回火馬氏體、少量殘余奧氏體、塊狀合金碳化物。W18Cr4V高速鋼淬經(jīng)過火后殘余奧氏體的體積能達到30%左右,為了減少殘余奧氏體的數(shù)量,消除組織中的內(nèi)應(yīng)力,穩(wěn)定組織的性能,提高材料的力學性能,淬火后需要要在580℃進行回火,這種材料在回火時會產(chǎn)生“二次硬化”現(xiàn)象,從而使得材料的硬度得到提升。由于高速鋼在經(jīng)過淬火后殘余奧氏體量高達30%,經(jīng)過一次回火后是不能完全消除的,因此要在580℃進行三次回火?；鼗鸷蟮慕M織由回火馬氏體、少量殘余奧氏體、塊狀合金碳化物組成,硬度達到65HRC以上。列車防爬器T10鋼力學性能結(jié)果與分析T10鋼沖擊試驗結(jié)果分析T10鋼由于含碳量較高，沖擊韌性較差。由吸收功折線圖可知：T10鋼水淬沖擊韌性最差，沖擊韌性在150℃-270℃的范圍內(nèi)睡著回火溫度的上升而上升。油淬的沖擊韌性最高，但硬度下降明顯，從沖擊韌性方面分析T10鋼水淬+270℃回火優(yōu)勢明顯。圖3.3.