Tóm tắt: Trong quá trình bảo dưỡng và sử dụng trục, hư hỏng trục chủ yếu bao gồm hư hỏng do chuyển động vi mô do ma sát ở thành trong trong quá trình lắp ráp, hư hỏng và bong tróc liên tục sau khi bị xói mòn và ăn mòn bởi trầm tích, hư hỏng do mỏi do tải uốn quay trong quá trình vận hành và hư hỏng bề mặt trục trong quá trình kiểm tra và dỡ tải, điều này sẽ khiến trục bị loại bỏ do hỏng bề mặt. Để ứng phó với những vấn đề này, bột thép hợp kim CRRC-SP-13 do Viện nghiên cứu CRRC phát triển đã được lựa chọn để thực hiện xử lý phủ laser trên trục EA1N bị hỏng và một kế hoạch quy trình phủ laser chi tiết đã được xây dựng để kiểm soát chặt chẽ quy trình sửa chữa trục từ ba khía cạnh: trước khi phủ, trong khi phủ và sau khi phủ. Kết quả cho thấy trục có hiệu quả tốt sau xử lý ốp bằng laser, và không tạo ra khuyết tật mới như lỗ rỗng và tạp chất xỉ. Việc hoàn thành thành công nghiên cứu quy trình phủ laser trên trục EA1N có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc kéo dài tuổi thọ của trục và giảm tỷ lệ phế liệu của trục.
Từ khóa: trục EA1N; tái sản xuất; ốp laze; bột thép hợp kim

Lời nói đầu 1

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành vận tải đường sắt trong nước, thiết bị vận tải đường sắt về cơ bản đã đạt được sản xuất độc lập và quy mô lớn. Tuy nhiên, làm thế nào để ngành vận tải đường sắt có thể đạt được sự phát triển xanh và ít carbon là một đề xuất mới mà xã hội đưa ra cho tất cả những người làm việc trong ngành thiết bị vận tải đường sắt. Phát triển xanh và ít carbon là yêu cầu tất yếu đối với đất nước để xây dựng hệ thống sản xuất xanh, đi theo con đường phát triển của nền văn minh sinh thái, đạt được “đỉnh carbon và trung hòa carbon”, và “công nghệ tái chế và sửa chữa” là một trong những cách hiệu quả nhất để đạt được tái chế tài nguyên. “Công nghệ tái chế và sửa chữa” có thể kéo dài toàn bộ chuỗi vòng đời của sản phẩm (sản xuất, sử dụng, loại bỏ, tái chế, tái sử dụng và loại bỏ), kéo dài tuổi thọ của sản phẩm, cải thiện hiệu suất kỹ thuật của sản phẩm và giá trị gia tăng, đồng thời cung cấp thông tin để thiết kế, sửa đổi và bảo trì sản phẩm. Cuối cùng, toàn bộ vòng đời của sản phẩm có thể được hoàn thành với chi phí thấp nhất và tiêu thụ ít tài nguyên nhất, giá trị tiềm năng của sản phẩm có thể được tối đa hóa, mang lại lợi ích kinh tế và xã hội cực kỳ cao. Do đó, việc triển khai công tác nghiên cứu có liên quan trong ngành vận tải đường sắt và hiện thực hóa ứng dụng sâu rộng “công nghệ tái chế và sửa chữa” trong ngành sản xuất thiết bị vận tải đường sắt là hết sức cấp thiết.

Là một trong những thành phần chính của phương tiện vận tải đường sắt, trục xe đòi hỏi rất nhiều nhân lực và nguồn tài chính trong quá trình sản xuất. Vì hiệu suất của trục xe có tác động đáng kể đến sự an toàn của toàn bộ phương tiện, nên có những yêu cầu cực kỳ nghiêm ngặt đối với các thông số khác nhau của trục xe. Tuy nhiên, trong quá trình lắp đặt và tháo dỡ trục xe, không thể tránh khỏi việc va đập, căng thẳng và các vấn đề khác sẽ xảy ra, khiến số lượng trục xe bị loại bỏ cao quanh năm, gây ra tổn thất kinh tế lớn. Hình 1 là hình ảnh vật lý về việc tháo và căng trục xe. Vào thời điểm này, nếu áp dụng “công nghệ sửa chữa tái chế” vào việc sửa chữa trục xe, tỷ lệ phế liệu của trục xe có thể giảm đáng kể. Trong số đó, công nghệ ốp laser là một ứng dụng tiêu biểu của “công nghệ sửa chữa tái chế”.

Nghiên cứu nước ngoài về công nghệ sửa chữa lớp phủ trục bằng laser đã bắt đầu từ sớm. Năm 2013, SOODI và cộng sự đã sử dụng thép không gỉ 420 thương mại và bột 17CrMoV5 để sửa chữa các mẫu trục có khía. Thử nghiệm mỏi uốn quay đã xác nhận rằng bột CRMoVe có hiệu quả sửa chữa tốt hơn. Tuy nhiên, các khuyết tật mới như lỗ rỗng phát sinh trong quá trình sửa chữa đã khiến độ phân tán của các kết quả thử nghiệm tăng lên.

Trong lĩnh vực công nghiệp vận tải đường sắt nội địa, nhiều công ty con của CRRC, như Công ty TNHH CRRC Sifang, Công ty TNHH CRRC Qiji và Công ty TNHH CRRC Shijiazhuang đã tiến hành nghiên cứu về ứng dụng công nghệ tái chế. Qi Xiansheng và cộng sự [7] đã đề xuất tính khả thi của việc sửa chữa lớp phủ laser cho trục EA4T. Năm 2020, Hou Youzhong và cộng sự [8] của Công ty TNHH Qingdao Sifang đã sử dụng thép trục CRH380A/AL EMU EA4T làm nền và hợp kim NiCrMo làm vật liệu phụ gia, đồng thời sử dụng phương pháp quy trình lớp phủ laser chọn lọc để sửa chữa và đánh giá quy trình. Kết quả cho thấy hiệu quả lớp phủ laser là tốt.

Trước thực tế là nghiên cứu về quy trình ốp laser trục EA1N trong và ngoài nước chưa đủ hoàn thiện, đồng thời lượng phế liệu trục EA1N hàng năm rất lớn, bài báo này tiến hành nghiên cứu về quy trình ốp laser trục EA1N, nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ của trục EA1N và giảm tỷ lệ phế liệu của chúng.

2 Đặc điểm và ưu điểm của công nghệ sửa chữa phụ gia laser

Jiang Jibin và cộng sự đã giải thích nguyên lý hoạt động nạp bột của lớp phủ laser. Theo sự tích hợp của đầu phun bột và đầu làm việc laser, phương pháp nạp bột được chia thành phương pháp nạp bột đồng trục và phương pháp nạp bột ngang. Sửa chữa phụ gia laser của trục nên áp dụng phương pháp nạp bột đồng trục. Hình 2 và Hình 3 lần lượt là sơ đồ thành phần hệ thống phụ gia laser và sơ đồ tạo hình sửa chữa phụ gia laser.

Các công nghệ sửa chữa chủ đạo hiện nay là công nghệ sửa chữa phụ gia laser, công nghệ sửa chữa hàn và công nghệ sửa chữa phun nhiệt. So với công nghệ sửa chữa hàn và công nghệ sửa chữa phun nhiệt, công nghệ sửa chữa phụ gia laser có những ưu điểm sau.

(1) Mật độ năng lượng cao Chùm tia laser có đặc điểm là mật độ năng lượng cao, nhiệt lượng đầu vào thấp và vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, tức là tác động nhiệt lên chất nền nhỏ. Do mật độ năng lượng cao và thời gian gia nhiệt ngắn nên ứng suất dư giữa lớp sửa chữa và chất nền nhỏ.

(2) Cường độ cao của lớp sửa chữa Lớp sửa chữa có mật độ cao, và có liên kết kim loại giữa lớp sửa chữa và chất nền. Tỷ lệ pha loãng thấp và cường độ liên kết cao. Nó có thể được sử dụng để sửa chữa các bộ phận trong điều kiện tải nặng.

(3) Tính linh hoạt sửa chữa cao Có thể đạt được lớp phủ laser có độ dày lớn và diện tích lớn trên bề mặt phôi, đáp ứng các yêu cầu sửa chữa bề mặt của các bộ phận trục có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau, đồng thời thực hiện tái sản xuất “gần như hình dạng lưới” đối với các khu vực được chọn của các bộ phận bị lỗi, với dung sai xử lý tiếp theo nhỏ.

3 Kế hoạch quy trình

Bài báo này lấy trục đầu máy xe lửa điện HXD2 cải tiến công nghệ làm ví dụ để xác minh. Thành phần hóa học cụ thể và các yêu cầu hiệu suất chính của thép hợp kim trục EA1N được thể hiện trong Bảng 1 và Bảng 2.

Để giải quyết vấn đề ốp laser trục EA1N, bột thép hợp kim CRRC-SP-13 do Viện nghiên cứu CRRC phát triển đã được lựa chọn để ốp laser trục EA1N. Ba khía cạnh của ốp trước, quá trình ốp và xử lý sau ốp đã được kiểm soát. Quá trình ốp laser trục cụ thể được thể hiện trong Hình 4.

3.1 Chuẩn bị trước khi ốp lát

(1) Xử lý bột Theo kết quả thực nghiệm trước đó, theo yêu cầu về thành phần và hiệu suất của thép hợp kim EA1N, bột thép hợp kim có kích thước hạt 53-150μm đã được lựa chọn để phủ laser. Trước khi phủ, bột cần được sàng bằng sàng bột lưới 80 (khẩu độ khoảng 178μm) để đảm bảo không có tạp chất và bột kết tụ trong bột, sau đó sấy khô trong lò sấy chân không ở 80℃ trong 30 phút.

(2) Gia công để loại bỏ khuyết tật Để loại bỏ khuyết tật bề mặt của ổ trục bánh xe, vị trí cần được gia công. Hoạt động gia công phải đáp ứng các nguyên tắc sau:
1) Dựa trên các khảo sát trước đây và kết quả thống kê, tổng độ sâu cắt gia công phải lớn hơn hoặc bằng 95% độ sâu khuyết tật.
2) Đối với từng chi tiết riêng lẻ, đảm bảo ổ trục sau khi gia công không có khuyết tật.
3) Mặc dù hình thái khuyết tật của mỗi trục là khác nhau, tất cả các trục của một mô hình duy nhất phải chia sẻ một bộ quy trình gia công. Dựa trên các nguyên tắc trên, toàn bộ bề mặt ghế bánh xe của trục được quay đồng đều và đường kính giảm 2mm. Không có yêu cầu cụ thể nào được đưa ra đối với độ nhám gia công.
(3) Xử lý bề mặt trục Vì bề mặt trục sau khi gia công có các chất gây ô nhiễm như chất lỏng cắt và dầu chống gỉ nên trục cần được tẩy gỉ và tẩy dầu mỡ để đảm bảo chất lượng sửa chữa bề mặt ốp laser. Đầu tiên, kiểm tra trực quan trục cần sửa chữa và sử dụng máy mài góc để mài và loại bỏ các bộ phận bị gỉ. Đồng thời, đảm bảo rằng quá trình mài không gây ra các vết mài quá sâu hoặc có các cạnh dốc trên bề mặt và không làm hỏng các bộ phận chưa sửa chữa. Sau khi mài, hãy đo đường kính của bộ phận cần sửa chữa và sử dụng cồn để vệ sinh toàn bộ bề mặt cần sửa chữa để loại bỏ hoàn toàn các vết dầu còn sót lại. Sau khi vệ sinh, tránh tiếp xúc lại với bề mặt cần sửa chữa để tránh nhiễm bẩn thứ cấp.

3.2 Sửa chữa tấm ốp laze

(1) Thiết bị phủ laser và các thông số quy trình Dựa trên dữ liệu tích lũy trước đó và các đặc điểm của vật liệu trục, các thông số quy trình phủ laser đã được xác minh được sử dụng để thực hiện sửa chữa phủ laser các khuyết tật bề mặt trục. Cần lưu ý rằng, xét đến sự khác biệt giữa các phần cứng khác nhau, các thông số quy trình bị giới hạn trong việc sử dụng nền tảng thử nghiệm chuyên dụng sửa chữa bổ sung laser. Các thông số thiết bị và quy trình cụ thể được thể hiện trong Bảng 3.

(2) Lập kế hoạch đường đi của lớp phủ laser Xét thấy trục cần sửa chữa là bề mặt hình trụ đơn giản, như thể hiện trong Hình 5 (phần màu đỏ), đường đi của lớp phủ laser được lập kế hoạch bằng cách lập trình thủ công. Trình tự cụ thể như sau:

1) Bắt đầu ốp từ mép khu vực sửa trục, sử dụng chiến lược ốp thông thường theo một đường xoắn ốc duy nhất.

2) Sau khi sửa chữa đến mép trong của vùng màu đỏ, hãy thực hiện thêm 1 đến 2 vòng tròn để đảm bảo không bỏ sót bất kỳ vùng nào.

3) Sau khi phần màu đỏ được bọc, tiến hành bọc cạnh ở cạnh ngoài cùng của trục và các cạnh ở cả hai bên rãnh then. Lúc này, đầu bọc có thể nghiêng một cách thích hợp để đảm bảo không có phần thịt nào bị thiếu trong quá trình gia công.
4) Sau khi hoàn thành lớp ốp đơn, toàn bộ lớp ốp được đánh bóng bằng máy mài góc để loại bỏ đều các phần bề mặt không bằng phẳng và khôi phục độ bóng kim loại của bề mặt. Độ sâu mài khoảng 0.3mm.
5) Sau khi đánh bóng xong, lặp lại 4 bước trước cho đến khi hoàn thành lớp ốp thứ hai. Lúc này, phải đảm bảo đường kính sau khi ốp lớn hơn đường kính ban đầu ít nhất 2mm. Khi ốp lớp thứ hai, phải đảm bảo đường ray ốp trên và dưới so le nhau.

3.3 Xử lý sau khi ốp

(1) Xử lý nhiệt cục bộ Sau khi hoàn thành sửa chữa phụ gia laser, trục được xử lý nhiệt cục bộ. Xem xét các yêu cầu về kịch bản ứng dụng của bảo trì tại chỗ, dưới tiền đề đảm bảo rằng đầu vào nhiệt gây ra ít thiệt hại nhiệt nhất cho chất nền, một ống sưởi ấm tùy chỉnh được chọn để thực hiện xử lý nhiệt trong môi trường không khí. Nhiệt độ sưởi ấm là 500 ~ 550 ℃ và thời gian cách nhiệt là 2 ~ 3 giờ. Trong quá trình làm nóng và làm mát, bộ phận sưởi ấm được bọc bằng bông cách nhiệt để tăng tốc độ sưởi ấm và giảm tốc độ làm mát. Trong quá trình làm nóng, một máy ảnh nhiệt được sử dụng để theo dõi nhiệt độ để đảm bảo nhiệt độ sưởi ấm là chính xác.
(2) Kiểm tra không phá hủy các bộ phận đã sửa chữa của lớp ốp Để đảm bảo chất lượng sửa chữa lớp ốp, theo tiêu chuẩn GB/T 18851.1-2012 “Kiểm tra không phá hủy Kiểm tra chất thẩm thấu Phần 1: Nguyên tắc chung”, chất thẩm thấu huỳnh quang và đèn ánh sáng đen được sử dụng để thực hiện kiểm tra không phá hủy các bộ phận đã sửa chữa. Sau khi phát hiện ra khuyết tật, chất thẩm thấu được rửa sạch bằng nước sạch và các bộ phận được sấy khô nhanh chóng để tránh rỉ sét.
(3) Kiểm tra độ cứng của các bộ phận đã sửa chữa của lớp ốp Bề mặt của lớp ốp được đánh bóng nhẹ bằng máy mài góc để tạo thành một mặt phẳng sáng có kích thước ít nhất là 1 cm2. Độ cứng của kết cấu ốp được đo và giũa bằng máy kiểm tra độ cứng siêu âm.
(4) Đóng gói để chống gỉ và ăn mòn Trục đã sửa chữa được làm sạch và đánh dấu trước khi đóng gói, và thực hiện xử lý chống gỉ và chống ăn mòn. Sau đó, nó được đóng gói và niêm phong trong một túi nhựa trung tính chắc chắn, không thấm nước.

4 Xác minh thực nghiệm

Lấy trục đầu máy xe lửa điện HXD2 để cải tiến kỹ thuật làm ví dụ, bằng cách chuẩn bị một bộ trục thử nghiệm đã hoàn thiện, trục ốp laze công tác chuẩn bị được thực hiện theo quy trình bọc trục bằng laser ở trên, và hoàn thành xử lý bột, gia công ổ bánh xe để loại bỏ khuyết tật, loại bỏ gỉ trục và loại bỏ dầu; sau đó xác định các thông số thiết bị và quy trình, và lập kế hoạch đường bọc trục bằng laser. Hình 6 là hình ảnh vật lý của bọc trục bằng laser. Sau khi hoàn thành bọc trục bằng laser, trục được xử lý nhiệt cục bộ, thử nghiệm không phá hủy các bộ phận đã sửa chữa bọc và thử độ cứng các bộ phận đã sửa chữa bọc. Kết quả cho thấy hiệu quả bọc trục bằng laser tốt và không phát sinh khuyết tật mới như lỗ rỗng và tạp chất xỉ sau khi sửa chữa.

Hiện nay, đã tiến hành gia công trục phủ laser, phát hiện ứng suất dư, thử nghiệm không phá hủy và thử nghiệm ép bộ bánh xe, tất cả đều đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn tương ứng. Hình 7 và Hình 8 lần lượt là hình ảnh thực tế của trục sau khi phủ laser và hình ảnh thử nghiệm ép bộ bánh xe. Nó có tác dụng nhất định trong việc xác minh hiệu suất của trục tái chế phủ laser và có thể tránh hiệu quả các tai nạn an toàn lớn do trục đã sửa chữa gây ra sau khi đưa vào sử dụng.

Kết luận 5

Nhằm giải quyết các vấn đề về phương pháp gia công phủ laser trục không hoàn hảo và thiếu nghiên cứu về quy trình gia công phủ laser trục EA1N, bài báo này chọn bột thép hợp kim CRRC-SP-13 do Viện nghiên cứu CRRC phát triển để gia công phủ laser trục EA1N và kiểm soát ba khía cạnh của quá trình gia công trước, quá trình gia công phủ và xử lý sau gia công phủ. Kết quả cho thấy hiệu quả gia công phủ laser trục rất tốt và không tạo ra khuyết tật mới như lỗ rỗng và tạp chất xỉ sau khi sửa chữa. Nghiên cứu về quy trình gia công phủ laser trục EA1N đã hoàn thành thành công. Việc xác minh ứng dụng kỹ thuật của sửa chữa trục hiện đang được tiến hành và kết quả của thử nghiệm này cũng cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc phát triển các quy trình sửa chữa trục tiếp theo.