抗側滾扭桿軸中彈簧鋼材料的性能研究

吳 明

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 無錫 214429）

抗側滾扭桿軸中彈簧鋼材料的性能研究

吳 明

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 無錫 214429）

空氣彈簧在高速列車應用，使車輛的抗側滾能力變差，產生安全隱患。通過抗側滾扭桿裝置來提高車輛的抗滾剛度使這隱患得到解決。車輛在弧形行進過程中會產生扭矩作用，從而發生車輛的扭變形，抗側滾扭桿是通過金屬的彈性桿進行扭轉反力矩的作用。文章針對抗側滾扭桿軸的彈簧材質進行分析。

抗側滾扭桿；扭桿軸；彈簧鋼材料；高速列車

軌道車輛的抗側滾扭桿裝置中最核心的部分是扭桿軸，它的質量好壞將直接影響整個裝置是否安全運行。

1 列車中的抗側滾扭桿裝置陳述

抗側滾扭桿是通過金屬的彈性桿進行扭轉反力矩的作用，一般車輛在弧形行進過程中會產生扭矩作用，從而發生車輛的扭曲變形，金屬彈性桿是彈性范圍的關鍵。扭桿裝置的可靠性對車輛的正常安全運行來說非常重要。

1.1 工作原理

抗側滾扭桿裝置有幾個部分（見圖1），分別是連桿、扭轉臂、扭桿軸、關節軸承（例橡膠關節、球軸承等）等。轉向架構架上是支撐座，扭桿就是通過它與構架進行相關聯，而連桿則是和固定在車體上的連接座相連接。

圖1 抗側滾扭桿裝置圖

（1）當車體發生側滾時，列車會帶動著兩個連桿一起運動。這時原本水平放置的兩個扭轉臂就會對扭轉軸產生作用力，這種力是相反的。在學術上將這兩個相反的力，叫做力與力矩。力的方向不同，引起扭桿軸的彈性塑性變形。由于扭桿軸的變形，產生另外一種反力矩，這種反力矩與車體側滾角的角位移方向相反，而車體不會產生扭桿的彈簧作用，所以扭桿軸就會約束車體側滾。

（2）車體產生垂向振動時，連結座連桿同時進行規律的上下運動，抗側滾扭桿軸則是圍繞著兩個支撐座來回的轉動。這時的扭桿軸不受任何力的作用，也就不會再產生力矩，因此不會再影響車體的垂直振動了。

（3）列車出現了橫向搖擺的情況，抗側滾扭桿軸的兩個連桿端部的關節軸承，會在適當的范圍內允許連桿的橫向運動。所以抗側滾扭桿裝置不會影響車體的橫向擺動振動。利用同樣的原理，可以說明抗側滾扭桿裝置對車體的縱向振動也不會產生其他的作用。

1.2 裝置優勢

列車在進行轉彎以及其他的曲線運行時，由于向心力、離心力、側向力等作用力的影響，導致車輛會產生偏移，連桿之間會有兩個方向相反的作用力出現，扭轉臂進而也會產生相反的作用力。而扭轉臂的作用力會使得抗側滾扭桿裝置中的扭桿發生扭轉，產生的反力矩就會將車輛的側傾確保在一個正常安全的范圍內行駛。

2 抗側滾扭桿軸材料的性能

2.1 彈簧鋼的選擇

（1）材料所具備的的性能。一般抗側滾扭桿軸的壽命要求在30年左右，抗側滾扭桿軸進行工作時，會經常出現材質的彎曲扭轉，同時還會受到震動以及沖擊力，所以對材料選擇非常關鍵。材料的彈性是個很抽象化的詞匯，目前并沒有一個準確的測量方式能對材質進行直接彈性測試。但可以通過抗拉強度間接性得出材料的彈性數值，金屬材質的抗疲勞性也是影響彈性的因素之一，其標準有塑性指標（在高應變低周期疲勞時的指標）和強度指標（由低應變高周期疲勞時的指標），提高材質的拉伸強度可以有效的提升彈性作用。除此外，用于制作抗側滾扭桿軸的鋼材中的夾雜物過多、過大，也會影響材質的疲勞性能。材質中的晶粒大小會影響晶界的數量，而晶界的數量會影響到組織的平移以及裂紋敏感性。材質中的晶粒越小，晶界的比例就越大，所產生積極作用就越大。

針對以上的抗側滾扭桿軸彈簧鋼材質的分析，可以得出三點：材質純度一定要高；材質的彈性好；材質中的晶粒滿足需求，以此來保證晶界的所占比例。

（2）提高材料性能的方式。自然狀態下很難找到符合抗側滾扭桿裝置要求的材料，所以就需要通過其他方式提高鋼材質的性能。根據以上的性能分析，可得出以下的措施：①為確保鋼材質的純度，需要控制材質中P、S元素的含量，同時還需要控制非金屬夾雜物的含量和大小；②提高材料的抗拉強度以及彈性，可通過適當增加材料中含碳量的方式。所以應該選擇碳量適中，同時合金元素含量較高的材料，以此確保材料具有較高水平的淬透性；③晶粒度的提高方式有兩種，材料中添加Cr、V等細化晶粒的元素，或者優化冶煉工藝流程。

2.2 彈簧鋼材料的成分對比

對50CrVA、60CrMnMoA、50CrVE滿足基本要求的3種材質進行試驗對比。三種材料的化學成分對比（%）見表1。

表1 試驗中材料的化學成分

3 抗側滾扭桿軸材料的試驗

3.1 各材料進行試驗的方式

各鋼材質均采用統一冶煉工藝：電弧爐+爐外精煉+連軋成材。一般在交貨時，鋼材是處在退火的狀態，試驗用材料的直徑為85mm。三種材料均需通過不少于4種試驗的方式進行對比，包括彈性試驗、疲勞試驗、整體淬火，以及原材料的機械性能、組織性能等基本監測分析等。并按照國家法律規定的要求進行試驗分析。

3.2 進行試驗后的結果

（1）材料的基本性能試驗：50CrVE的綜合性較強。根據材料機械性能測試得出，50CrVE和60CrMnMoA由于碳當量較高，所以明顯比50CrVA的抗拉強度要好很多，但是兩者在沖擊功比上要比50CrVA要稍微的差一些。而在屈強比的測試中，50CrVA的效果則是最差的，60CrMnMoA表現最佳。綜上所述，可以得出50CrVE的綜合性較強的結論。

（2）材料彈性測試：50CrVE材料為例。通過對50CrVE材料進行模擬扭桿運動，將扭桿軸的一端進行固定，而后在另一端給予一定的力矩令其產生12°的扭轉，并保證施壓1min，將其恢復原狀。試驗證實自由端之間的相對位置角度相差6s之內，符合10s內的標準。

（3）淬透性測試。根據相關的標準對三種材料進行了淬透性的測試，60CrMnMoA的淬透性能最佳，其次是50CrVE和50CrVA。大量的研究表明淬透性和材料本身的元素含量有非常大的關系，一般合金元素以及材料成分的C含量是影響淬透性的主要因素。50CrVE通過增加Mn、Cr、Si等合金元素提高淬透性，相比其他兩種材料，50CrVE增加淬透性的合金元素成本更低，效率更高。

（4）材料疲勞測試：50CrVE非金屬夾雜物的含量少。評價鋼材質的純凈度，需要了解材質中的非金屬夾雜物的含量。根據ISO4967的標準對三種待檢測材質進行測試，得出50CrVE材料中的非金屬夾雜物含量較少，材質的純凈度較高（見表2）。

[O341]

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2096-2789（2016）12-0111-02