鐵路高速貨車轉向架用耐磨材料試驗分析

韓佃鈞

摘 要：隨著經濟的快速發展，我國鐵路貨車轉向架的運用越來越廣泛，人們對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，轉向架性能低下，檢修期限長，投入成本較高。對組成轉向架的各零部件材料及熱處理進行了研究，對摩擦副的耐磨損、抗疲勞性能進行了試驗和分析，尋找更好的耐磨材料，對提高轉向架的使用壽命和相關性能具有重大意義。

關鍵詞：貨車轉向架；制動系統；耐磨材料；車體

中圖分類號：U272 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.130

隨著公路和航空運輸的不斷發展，鐵路運輸逐漸暴露出較多問題，使得鐵路客貨運量不斷減少。比如西歐國家，20世紀80年代鐵路運輸的市場運輸量開始從20世紀50年代的50%直降到15%左右。20世紀80年代末以后，世界各國對環境保護的力度逐漸加大，各個國家的政府注意到鐵路運輸的發展前景，加大發展高速鐵路運輸。鐵路運輸有許多優勢，比如運量多、速度快、穩定、高效和對環境污染小等，成為重要的交通運輸方式之一，對世界各國的經濟發展作出了巨大的貢獻。

在客貨混跑的線路上，加快客車的速度將會減少貨車的運量。重載運輸已成為世界鐵路貨運的一種主要交通方式，各國重載貨車轉向架的技術日益完善，因此，鐵路要提高車速和運輸效率，同時做好貨車的運行安全工作。自20世紀60年代以來，土地遼闊、礦產資源富裕、工業較發達的國家為了加快運輸市場發展、加大線路運輸力度，同時能夠大大降低運輸成本，逐漸采用鐵路重載貨物的運輸方式。

1 高速貨車相關技術研究

1.1 轉向架

轉向架軸箱定位剛度值的大小直接影響車輛的安全性和高效性。要保障車輛在高速情況下的安全運行，軸箱定位的剛度值就要偏大些。為了增加大型設備運輸所用的長大貨物車的運輸量，我國鐵路貨車多軸整體構架式的轉向架日益完善。但與歐洲國家相比，我國的貨車類型過少，無法滿足鐵路運輸發展的要求。貨車轉向架的垂向撓度要求極高。從列車縱向動力學的角度來講，這有利于鐵路貨物的運輸。因為貨物列車一般有編組長、質量重和速度低的優勢。從制動距離方面考慮，會對制動缸充氣過程造成一定的影響，即使利用如今的貨車制動機，其制動能力也無法滿足要求。受貨車部件及生產成本等因素的限制，在車體和轉向架構架處使用液壓式的減振器無法滿足要求。因此，空重車需具有較好的動力學性能。主懸掛系統具有兩級或多級非線性性能，位于中央的三大件式轉向架處，即在側架與軸箱之間使用的彈性橡膠墊。

在研制高速貨車轉向架時，必須重視材料和先進技術。三大件式轉向架的菱形變位是影響車輛安全運行的重要因素，因此，根據有關規定，在三大件式結構的高速貨車轉向架結構上，需提高轉向架抗菱形變位的性能。在歐洲等發達國家，高速貨車轉向架必須減輕簧下質量。軸箱彈性懸掛是減輕簧下質量的最好方法。軸箱下的部件對車輛的動力學性能和輪軌的使用影響較大。簧下質量越大，動力學性能越低，輪軌作用力越小。同理，在高速情況下也是這種情況。在車鉤高和限界的約束下，垂向懸掛的撓度逐漸減小。高速貨車轉向架都選擇不同形狀的軸箱彈性懸掛。當速度加快時，車輛的橫向承受力增大。

1.2 制動系統

制動是高速貨車轉向架的重要技術。由于三大件式轉向架本身結構的限制，制動系統裝置無法采用踏面制動以及鑄鐵閘瓦或合成閘瓦。從列車縱向動力學的角度來講，這有利于鐵路貨物的運輸；但從制動距離方面考慮，會對制動缸充氣過程帶來一定的影響，即使利用如今的貨車制動機，其制動能力也無法滿足要求。如果選擇鑄鐵閘瓦踏面制動，它極限軸制動功率是240 kW，閘瓦為340 kW，選擇盤形制動可以達到760 kW。

如今，歐洲國家使用的時速約160 km的高速貨車轉向架，其緊急制動時的軸制動功率過大，已超過踏面制動的最大軸制動功率，高至350 kW，因此，高速貨車需要利用盤形來制動。提高一般的單側踏面制動性能的主要方法是增大閘瓦和踏面之間的摩擦系數或增大閘瓦壓力。閘瓦壓力的大小隨輪軌間接觸強度及熱應力的變化而變化，因此單側踏面制動的制動力也受影響。歐洲國家貨車轉向架通常選擇雙側踏面制動，不僅能夠降低閘瓦的熱負荷，還能夠提高其制動功率。

1.3 車體

目前，在我國現有的貨車中，敞車為60%，平車為6.3%，保溫車為1.4%，罐車為17.4%，棚車為15.1%，其他專用車為2.8%.轉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低，使得回轉力矩減弱車輛的曲線性能。隨著我國高速貨車的發展，需要改善相關的配套車體，使得其覆蓋范圍逐漸擴大。為了增加大型設備運輸所用的長大貨物車的運輸量，我國鐵路貨車多軸整體構架式的轉向架日益完善。最近，歐洲國家大力建立集裝箱快速運輸、公鐵聯運和快速系統，取得了較好的效果。

另外，常接觸彈性旁承縱向間隙對其抗蛇行性能要求極高，因此高速貨車轉向架必須選用無縱向間隙、回轉阻力矩。這樣能夠確保車輛的安全運行。我國鐵路只在成都鐵路局開發米軌貨車，有1 600輛，部分是新造車，其他是拱板式轉向架。機械冷藏車用轉向架冷藏運輸車近70%，選擇轉8A型轉向架。只有20%～30%選擇MD型懸掛的無導框式轉向架，超過1 000輛，大大緩解了運輸量不足的壓力。

2 耐磨材料試驗及其分析

2.1 試驗方法

選擇耐磨材料最大承載為90 N，轉軸的轉速可達200 r/min。對球墨鑄鐵采取貝氏體等溫淬火，使其具有強度高、硬度大和韌性好的優點。同時，石墨的潤滑作用較為突出，常常被用于磨損材料試驗中。試樣與轉軸間不使用潤滑劑，材料的耐磨性根據圓環試樣轉軸轉動20 000 r時內表面的磨損量判斷。圓環試樣內部和轉軸表面打磨光亮后再進行退磁處理。

試驗前后都要用酒精清洗圓環試樣，并用電吹風吹干，在感量為0.1 mg 的天平上稱量樣品的質量。磨損試驗的數據表明，金屬材料的強度和硬度越小，越容易出現膠合磨損，且磨損量越來越多。由于金屬材料強度、硬度越大，磨損量越小，因此，同時接觸摩擦的部件必須經過表面強化處理，確保其表面硬度增大。

2.2 試驗分析

試驗數據表明，選擇雙側踏面制動，軸重約為21 t，其最大極限速度是120 km/h。最大軸制動功率由基礎制動裝置能夠提供的熱負荷性能決定。電腦模擬運行和試驗數據表明，840 mm直徑的車輪軸重為21 t，相應的赫茲接觸應力約為850 N/mm2，其允許的最大熱應力在300 N/mm2左右。因此，根據高速貨車車輛數量和同客車聯掛，高速貨車制動機的方案需要采用現有的客車制動機。從制動波速和制動缸充氣時間來看，104型和F8型客車制動機適用于速度為160 km/h的高速貨車。但是，高速貨車制動缸充氣時間較短，導致縱向沖動變大。

造成磨損的因素很多，而且磨損是一個從微觀演變到宏觀的動態過程，依據磨擦系統中的部分數據可得，在不同條件下，同種材料的耐磨性可能出現不同的結果。合理選取磨損試驗參數和試驗方法非常重要。如果試驗方法和試驗參數選取得不合理，磨損特性指標標準就變得復雜，出現同一材料因試驗者選取的試驗參數不同而得出不同的試驗結論，大大影響了耐磨材料磨損規律的研究和特點。

另外，磨損試驗方法應盡可能符合部件的實際工況，從而為磨損試驗設備的維修和完善歸納出各種耐磨材料試驗的合理和可行結論。目前，由于國內磨損試驗標準各有差異，試驗參數的含義也不同，因此，選取合理的磨損試驗參數是相當重要的。

3 結束語

選擇雙側鑄鐵閘瓦踏面制動的模式進行試驗。結果表明，21 t軸重貨車的制動初速最大為130 km/h。目前，我國貨車的主要制動機是空氣制動閥120型制動機，其制動缸增壓速度要比客車慢，緊急制動時制動缸充氣時間為8～12 s，制動間距約為900 m。加裝電控制動裝置給列車編組及混編帶來許多難題，實現電控制動形式的高速貨車也將迎來更大的挑戰。耐磨材料的選擇應該根據部件服役的實際工況，盡可能透出材料的最優性能。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕