輪軌①、輪帶②的硬度選擇匹配

隆學飛

摘 要：輪軌、輪帶在現實生產中廣泛應用。 提高車輪（托輪）或者鋼軌（輪帶）的硬度，可以相應提高其表面接觸強度，減輕疲勞磨損、損壞，延長使用壽命。因工況不同，車輪與鋼軌的硬度匹配不同，托輪與輪帶的硬度匹配跟車輪與軌道的硬度匹配截然不同。

關鍵詞：車輪;托輪;輪帶;疲勞磨損;硬度匹配

車輪與鋼軌相互接觸、托輪與輪帶相互接觸分別組成了高副。這兩種高副因摩擦系數低，有利于機構的傳動效率，被廣泛應用于現實生活、生產當中。輪帶主要應用于水泥行業中的回轉窯。輪軌、輪帶不可避免地會碰到疲勞磨損、疲勞點蝕問題。輪軌、輪帶的疲勞磨損、疲勞點蝕輕則會影響生產，引起震動、噪音，影響人們的身心健康;重則會發生安全事故。那么，輪軌、輪帶的疲勞點蝕、磨損是怎么形成的呢？輪軌、輪帶的硬度又起到了什么作用？

一、疲勞點蝕、磨損的形成

車輪傳遞著上部載荷，輪帶傳遞著回轉窯筒體的重量，接觸部分產生局部彈性變形，從而形成接觸面很小的面接觸，這樣在接觸處產生很大的局部應力，即輪軌、輪帶的最大計算接觸應力大于輪軌、輪帶的材料最大許用接觸應力時，表面會發生塑性變形，無法滿足使用要求。

輪軌、輪帶在運行一段時間后，也會發生失效。因為在運行過程中，車輪、托輪、輪帶都在不停地轉動，其接觸面也在不停地循環變化，接觸應力表現為隨時間脈動變化。一般情況下，沒有潤滑油，表面直接接觸，磨粒磨損的速度遠遠超過裂紋發展的速度，點蝕來不及形成，只會引起磨粒磨損。但車輪、托輪、輪帶在鑄造或熱處理過程中可能會有微小的缺陷，這些微小的缺陷助長了裂紋的發展，因此車輪、托輪、輪帶有時也會產生疲勞點蝕，特別是在惡劣的工作環境下。

車輪與鋼軌、托輪與輪帶相互接觸，相對運動，兩者之間必然會發生阻礙相對運動的摩擦力。對于輪軌、輪帶接觸面上的某一點，摩擦力是循環出現的。摩擦力出現，必然導致摩擦面（接觸面）的磨損。輪軌、輪帶之間的滾動摩擦力雖小，但點水穿石，在長期循環作用下，輪軌、輪帶也會磨損。

二、硬度的影響

一般來講，各種材料隨著硬度的提高，產生疲勞裂縫的危險性變小，接觸疲勞強度也相應地提高。為了提高鋼的抗疲勞性能，經常通過熱處理工藝來提高零件表面的強度和硬度。35#鋼經正火處理，硬度達到140～185HB，其許用接觸應力為320～380MPa;經調質處理，硬度達到155～205HB，其許用接觸應力為400～430MPa。45#鋼經正火處理，硬度達到160～215HB，其許用接觸應力為380～430MPa;經調質處理，硬度達到215～255HB，其許用接觸應力為440～470MPa。40Cr在硬度為240～285HB時，許用接觸應力為530～550MPa;在硬度為215～260MPa時，許用接觸應力為480～530MPa。

提高零件表面的硬度，還可以提高表面磨損強度。接觸面也越小對于被動輪來說，接觸面的摩擦力取決于軸承處的摩擦力，硬度的提高不會減小接觸面的摩擦力;對于主動輪來說，接觸面的摩擦力就是接觸面能夠產生的最大摩擦力。在相同條件下，摩擦力越大，零件表面磨損越快。

合理的提高零件表面的硬度，可以有效的提高零件表面的接觸強度和磨損強度，有效的提高零件表面抗疲勞磨損性能，但不能無限的提高零件表面的硬度。過度提高零件表面硬度，會導致零件表面韌性降低，在過高的接觸應力下，會引起表面碎裂，造成嚴重磨損。

三、硬度匹配應考慮工況

車輪與鋼軌或托輪與輪帶的最大計算接觸應力應小于其材料的最大許用接觸應力，并合理提高車輪與鋼軌或托輪與輪帶的硬度，車輪與鋼軌、托輪與輪帶便可以在現實生活、生產中發揮其強大的功用。在材料合理的硬度范圍內，如何才算是合理提高車輪、鋼軌、托輪、輪帶的硬度呢？

在鐵路運輸中，時速為60km/h、長度為150m的列車為例，列車經過某點所用的時間為9秒。在這9秒鐘內，鋼軌面上的某一點頻繁與車輪接觸。除了機車上的車輪之外，其他車輪之間的距離要大于車輪的圓周長度，即車輪踏面上的某一點與鋼軌接觸，再轉一圈，再次與鋼軌接觸，鋼軌面上的點還未與車輪接觸。在這9秒鐘之內，車輪踏面上的任何一點與鋼軌接觸的次數較多，鋼軌面上的某一點與車輪的接觸的次數較少。而且為了安全起見，列車與列車之間要拉開一定的距離。可見，在鐵路運輸中，車輪的工作強度比鋼軌的工作強度高，同樣力學性能下，車輪比鋼軌更容易失效。因而，車輪的接觸強度應高于鋼軌的接觸強度;車輪踏面的硬度應高于鋼軌面的硬度。

同樣是車輪與鋼軌，在軌道式起重機中，車輪與鋼軌的匹配與鐵路運輸有差別。軌道式起重機的軌道長度要遠遠小于鐵路運輸中的軌道長度，部分起重機的車輪距離也很小，車輪的工作強度與鋼軌的工作強度相差不是很大，盡管還是高一些。從這個層面來看，在軌道式起重機中，車輪的硬度還是要比鋼軌的硬度高。

相同硬度、強度條件下，托輪摩擦磨損的速度要比輪帶快;托輪比輪帶更容易出現疲勞點蝕、疲勞磨損。從這個角度分析，托輪的硬度應該比輪帶的硬度大。

四、硬度匹配還應考慮維護成本

硬度匹配除了考慮輪軌、輪帶的工作強度外，還應考慮輪軌、輪帶的維護成本。維護成本主要包括：維修、制造成本、停機成本。維修、制造成本是指維修、制造車輪、鋼軌、托輪、輪帶的成本;停機成本是指由于車輪、鋼軌、托輪、輪帶不能滿足工作，必須暫停生產，停機維修、更換，由此造成的經濟損失。

在軌道式起重機中，鋼軌的維護成本因鋼軌的鋪設方式不同而不同。鋼軌與鋼軌之間未焊接，在軌道上用可拆卸壓板安裝的，因鋼軌維護成本與車輪維護成本差不多，可根據軌道長度，在工作強度比較的基礎上直接選擇匹配鋼軌與車輪的硬度;鋼軌與鋼軌焊接對接，在軌道上用可拆卸壓板安裝的，鋼軌維護成本比車輪維護成本要高，車輪的硬度可比上一種情況稍微低一點，鋼軌與鋼軌焊接對換，在軌道上焊接安裝的，鋼軌的維護成本比上一種情況還高，車輪的硬度可再低一些，甚至可以考慮車輪的硬度比鋼軌的硬度稍微低一點。

在水泥回轉窯中，輪帶直接安裝在回轉窯體上，要想更換輪帶，就必須得拆下回轉窯體。回轉窯體長度長，重量重，拆卸、安裝的時間長，拆卸、安裝成本高;停機時間長，停機成本也高。甚至在有些情況下，由于現場條件的限制，輪帶的更換變得幾乎不可能。而托輪的更換則要方便得多，成本也低得多。因此，托輪的硬度應比輪帶的低。盡管這樣，會加快托輪的疲勞磨損，使得托輪的更換周期較小，但從經濟效益來看，利大于弊，更有利于生產。

五、結語

輪軌、輪帶分別廣泛應用于鐵路運輸和水泥行業中。然而，除了鐵路運輸行業對車輪與鋼軌的硬度匹配研究得比較全面、系統外，其它各行業對輪軌、輪帶的硬度匹配研究還比較少，所以在各個不同行業中，輪軌、輪帶的硬度選擇匹配不能生搬硬套，應按以下幾個步驟進行選擇匹配：

（一）分析比較車輪、鋼軌（或托輪、輪帶）的工作強度，匹配車輪與鋼軌或托輪與輪帶的硬度。

（二）綜合考慮輪軌、輪帶的維護成本，調整車輪與鋼軌、托輪與輪帶的硬匹配。

參考文獻：

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