鐵路高速貨車(chē)轉(zhuǎn)向架用耐磨材料試驗(yàn)分析

韓佃鈞

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)鐵路貨車(chē)轉(zhuǎn)向架的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)它的性能提出了更高的要求。由于零部件的耐磨損、抗疲勞性能較差，轉(zhuǎn)向架性能低下，檢修期限長(zhǎng)，投入成本較高。對(duì)組成轉(zhuǎn)向架的各零部件材料及熱處理進(jìn)行了研究，對(duì)摩擦副的耐磨損、抗疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，尋找更好的耐磨材料，對(duì)提高轉(zhuǎn)向架的使用壽命和相關(guān)性能具有重大意義。

關(guān)鍵詞：貨車(chē)轉(zhuǎn)向架；制動(dòng)系統(tǒng)；耐磨材料；車(chē)體

中圖分類(lèi)號(hào)：U272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.130

隨著公路和航空運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，鐵路運(yùn)輸逐漸暴露出較多問(wèn)題，使得鐵路客貨運(yùn)量不斷減少。比如西歐國(guó)家，20世紀(jì)80年代鐵路運(yùn)輸?shù)氖袌?chǎng)運(yùn)輸量開(kāi)始從20世紀(jì)50年代的50%直降到15%左右。20世紀(jì)80年代末以后，世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的力度逐漸加大，各個(gè)國(guó)家的政府注意到鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展前景，加大發(fā)展高速鐵路運(yùn)輸。鐵路運(yùn)輸有許多優(yōu)勢(shì)，比如運(yùn)量多、速度快、穩(wěn)定、高效和對(duì)環(huán)境污染小等，成為重要的交通運(yùn)輸方式之一，對(duì)世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。

在客貨混跑的線路上，加快客車(chē)的速度將會(huì)減少貨車(chē)的運(yùn)量。重載運(yùn)輸已成為世界鐵路貨運(yùn)的一種主要交通方式，各國(guó)重載貨車(chē)轉(zhuǎn)向架的技術(shù)日益完善，因此，鐵路要提高車(chē)速和運(yùn)輸效率，同時(shí)做好貨車(chē)的運(yùn)行安全工作。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，土地遼闊、礦產(chǎn)資源富裕、工業(yè)較發(fā)達(dá)的國(guó)家為了加快運(yùn)輸市場(chǎng)發(fā)展、加大線路運(yùn)輸力度，同時(shí)能夠大大降低運(yùn)輸成本，逐漸采用鐵路重載貨物的運(yùn)輸方式。

1 高速貨車(chē)相關(guān)技術(shù)研究

1.1 轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架軸箱定位剛度值的大小直接影響車(chē)輛的安全性和高效性。要保障車(chē)輛在高速情況下的安全運(yùn)行，軸箱定位的剛度值就要偏大些。為了增加大型設(shè)備運(yùn)輸所用的長(zhǎng)大貨物車(chē)的運(yùn)輸量，我國(guó)鐵路貨車(chē)多軸整體構(gòu)架式的轉(zhuǎn)向架日益完善。但與歐洲國(guó)家相比，我國(guó)的貨車(chē)類(lèi)型過(guò)少，無(wú)法滿足鐵路運(yùn)輸發(fā)展的要求。貨車(chē)轉(zhuǎn)向架的垂向撓度要求極高。從列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)講，這有利于鐵路貨物的運(yùn)輸。因?yàn)樨浳锪熊?chē)一般有編組長(zhǎng)、質(zhì)量重和速度低的優(yōu)勢(shì)。從制動(dòng)距離方面考慮，會(huì)對(duì)制動(dòng)缸充氣過(guò)程造成一定的影響，即使利用如今的貨車(chē)制動(dòng)機(jī)，其制動(dòng)能力也無(wú)法滿足要求。受貨車(chē)部件及生產(chǎn)成本等因素的限制，在車(chē)體和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架處使用液壓式的減振器無(wú)法滿足要求。因此，空重車(chē)需具有較好的動(dòng)力學(xué)性能。主懸掛系統(tǒng)具有兩級(jí)或多級(jí)非線性性能，位于中央的三大件式轉(zhuǎn)向架處，即在側(cè)架與軸箱之間使用的彈性橡膠墊。

在研制高速貨車(chē)轉(zhuǎn)向架時(shí)，必須重視材料和先進(jìn)技術(shù)。三大件式轉(zhuǎn)向架的菱形變位是影響車(chē)輛安全運(yùn)行的重要因素，因此，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，在三大件式結(jié)構(gòu)的高速貨車(chē)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)上，需提高轉(zhuǎn)向架抗菱形變位的性能。在歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，高速貨車(chē)轉(zhuǎn)向架必須減輕簧下質(zhì)量。軸箱彈性懸掛是減輕簧下質(zhì)量的最好方法。軸箱下的部件對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能和輪軌的使用影響較大。簧下質(zhì)量越大，動(dòng)力學(xué)性能越低，輪軌作用力越小。同理，在高速情況下也是這種情況。在車(chē)鉤高和限界的約束下，垂向懸掛的撓度逐漸減小。高速貨車(chē)轉(zhuǎn)向架都選擇不同形狀的軸箱彈性懸掛。當(dāng)速度加快時(shí)，車(chē)輛的橫向承受力增大。

1.2 制動(dòng)系統(tǒng)

制動(dòng)是高速貨車(chē)轉(zhuǎn)向架的重要技術(shù)。由于三大件式轉(zhuǎn)向架本身結(jié)構(gòu)的限制，制動(dòng)系統(tǒng)裝置無(wú)法采用踏面制動(dòng)以及鑄鐵閘瓦或合成閘瓦。從列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)講，這有利于鐵路貨物的運(yùn)輸；但從制動(dòng)距離方面考慮，會(huì)對(duì)制動(dòng)缸充氣過(guò)程帶來(lái)一定的影響，即使利用如今的貨車(chē)制動(dòng)機(jī)，其制動(dòng)能力也無(wú)法滿足要求。如果選擇鑄鐵閘瓦踏面制動(dòng)，它極限軸制動(dòng)功率是240 kW，閘瓦為340 kW，選擇盤(pán)形制動(dòng)可以達(dá)到760 kW。

如今，歐洲國(guó)家使用的時(shí)速約160 km的高速貨車(chē)轉(zhuǎn)向架，其緊急制動(dòng)時(shí)的軸制動(dòng)功率過(guò)大，已超過(guò)踏面制動(dòng)的最大軸制動(dòng)功率，高至350 kW，因此，高速貨車(chē)需要利用盤(pán)形來(lái)制動(dòng)。提高一般的單側(cè)踏面制動(dòng)性能的主要方法是增大閘瓦和踏面之間的摩擦系數(shù)或增大閘瓦壓力。閘瓦壓力的大小隨輪軌間接觸強(qiáng)度及熱應(yīng)力的變化而變化，因此單側(cè)踏面制動(dòng)的制動(dòng)力也受影響。歐洲國(guó)家貨車(chē)轉(zhuǎn)向架通常選擇雙側(cè)踏面制動(dòng)，不僅能夠降低閘瓦的熱負(fù)荷，還能夠提高其制動(dòng)功率。

1.3 車(chē)體

目前，在我國(guó)現(xiàn)有的貨車(chē)中，敞車(chē)為60%，平車(chē)為6.3%，保溫車(chē)為1.4%，罐車(chē)為17.4%，棚車(chē)為15.1%，其他專(zhuān)用車(chē)為2.8%.轉(zhuǎn)向架上通常安裝非接觸式旁承或常接觸彈性旁承，但常接觸彈性旁承受能力過(guò)低，使得回轉(zhuǎn)力矩減弱車(chē)輛的曲線性能。隨著我國(guó)高速貨車(chē)的發(fā)展，需要改善相關(guān)的配套車(chē)體，使得其覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大。為了增加大型設(shè)備運(yùn)輸所用的長(zhǎng)大貨物車(chē)的運(yùn)輸量，我國(guó)鐵路貨車(chē)多軸整體構(gòu)架式的轉(zhuǎn)向架日益完善。最近，歐洲國(guó)家大力建立集裝箱快速運(yùn)輸、公鐵聯(lián)運(yùn)和快速系統(tǒng)，取得了較好的效果。

另外，常接觸彈性旁承縱向間隙對(duì)其抗蛇行性能要求極高，因此高速貨車(chē)轉(zhuǎn)向架必須選用無(wú)縱向間隙、回轉(zhuǎn)阻力矩。這樣能夠確保車(chē)輛的安全運(yùn)行。我國(guó)鐵路只在成都鐵路局開(kāi)發(fā)米軌貨車(chē)，有1 600輛，部分是新造車(chē)，其他是拱板式轉(zhuǎn)向架。機(jī)械冷藏車(chē)用轉(zhuǎn)向架冷藏運(yùn)輸車(chē)近70%，選擇轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架。只有20%～30%選擇MD型懸掛的無(wú)導(dǎo)框式轉(zhuǎn)向架，超過(guò)1 000輛，大大緩解了運(yùn)輸量不足的壓力。

2 耐磨材料試驗(yàn)及其分析

2.1 試驗(yàn)方法

選擇耐磨材料最大承載為90 N，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速可達(dá)200 r/min。對(duì)球墨鑄鐵采取貝氏體等溫淬火，使其具有強(qiáng)度高、硬度大和韌性好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，石墨的潤(rùn)滑作用較為突出，常常被用于磨損材料試驗(yàn)中。試樣與轉(zhuǎn)軸間不使用潤(rùn)滑劑，材料的耐磨性根據(jù)圓環(huán)試樣轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)20 000 r時(shí)內(nèi)表面的磨損量判斷。圓環(huán)試樣內(nèi)部和轉(zhuǎn)軸表面打磨光亮后再進(jìn)行退磁處理。

試驗(yàn)前后都要用酒精清洗圓環(huán)試樣，并用電吹風(fēng)吹干，在感量為0.1 mg 的天平上稱(chēng)量樣品的質(zhì)量。磨損試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，金屬材料的強(qiáng)度和硬度越小，越容易出現(xiàn)膠合磨損，且磨損量越來(lái)越多。由于金屬材料強(qiáng)度、硬度越大，磨損量越小，因此，同時(shí)接觸摩擦的部件必須經(jīng)過(guò)表面強(qiáng)化處理，確保其表面硬度增大。

2.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，選擇雙側(cè)踏面制動(dòng)，軸重約為21 t，其最大極限速度是120 km/h。最大軸制動(dòng)功率由基礎(chǔ)制動(dòng)裝置能夠提供的熱負(fù)荷性能決定。電腦模擬運(yùn)行和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，840 mm直徑的車(chē)輪軸重為21 t，相應(yīng)的赫茲接觸應(yīng)力約為850 N/mm2，其允許的最大熱應(yīng)力在300 N/mm2左右。因此，根據(jù)高速貨車(chē)車(chē)輛數(shù)量和同客車(chē)聯(lián)掛，高速貨車(chē)制動(dòng)機(jī)的方案需要采用現(xiàn)有的客車(chē)制動(dòng)機(jī)。從制動(dòng)波速和制動(dòng)缸充氣時(shí)間來(lái)看，104型和F8型客車(chē)制動(dòng)機(jī)適用于速度為160 km/h的高速貨車(chē)。但是，高速貨車(chē)制動(dòng)缸充氣時(shí)間較短，導(dǎo)致縱向沖動(dòng)變大。

造成磨損的因素很多，而且磨損是一個(gè)從微觀演變到宏觀的動(dòng)態(tài)過(guò)程，依據(jù)磨擦系統(tǒng)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)可得，在不同條件下，同種材料的耐磨性可能出現(xiàn)不同的結(jié)果。合理選取磨損試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)方法非常重要。如果試驗(yàn)方法和試驗(yàn)參數(shù)選取得不合理，磨損特性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)就變得復(fù)雜，出現(xiàn)同一材料因試驗(yàn)者選取的試驗(yàn)參數(shù)不同而得出不同的試驗(yàn)結(jié)論，大大影響了耐磨材料磨損規(guī)律的研究和特點(diǎn)。

另外，磨損試驗(yàn)方法應(yīng)盡可能符合部件的實(shí)際工況，從而為磨損試驗(yàn)設(shè)備的維修和完善歸納出各種耐磨材料試驗(yàn)的合理和可行結(jié)論。目前，由于國(guó)內(nèi)磨損試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)各有差異，試驗(yàn)參數(shù)的含義也不同，因此，選取合理的磨損試驗(yàn)參數(shù)是相當(dāng)重要的。

3 結(jié)束語(yǔ)

選擇雙側(cè)鑄鐵閘瓦踏面制動(dòng)的模式進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，21 t軸重貨車(chē)的制動(dòng)初速最大為130 km/h。目前，我國(guó)貨車(chē)的主要制動(dòng)機(jī)是空氣制動(dòng)閥120型制動(dòng)機(jī)，其制動(dòng)缸增壓速度要比客車(chē)慢，緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸充氣時(shí)間為8～12 s，制動(dòng)間距約為900 m。加裝電控制動(dòng)裝置給列車(chē)編組及混編帶來(lái)許多難題，實(shí)現(xiàn)電控制動(dòng)形式的高速貨車(chē)也將迎來(lái)更大的挑戰(zhàn)。耐磨材料的選擇應(yīng)該根據(jù)部件服役的實(shí)際工況，盡可能透出材料的最優(yōu)性能。

參考文獻(xiàn)

[1]張明，田紅旗.利用現(xiàn)有技術(shù)開(kāi)發(fā)特種高速貨車(chē)轉(zhuǎn)向架的若干思考[J].鐵道車(chē)輛，2002，40（2）：9-10.

[2]〔野元浩〕.轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及近期發(fā)展方向（待續(xù)）[J].國(guó)外鐵道車(chē)輛，2003，40（1）：9-10.

[3]楊?lèi)?ài)國(guó)，邵文東.我國(guó)貨車(chē)轉(zhuǎn)向架的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].鐵道車(chē)輛，2005，43（6）：1-6.

〔編輯：劉曉芳〕