抗側(cè)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(wú)錫 214429）

抗側(cè)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(wú)錫 214429）

空氣彈簧在高速列車應(yīng)用，使車輛的抗側(cè)滾能力變差，產(chǎn)生安全隱患。通過(guò)抗側(cè)滾扭桿裝置來(lái)提高車輛的抗?jié)L剛度使這隱患得到解決。車輛在弧形行進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生扭矩作用，從而發(fā)生車輛的扭變形，抗側(cè)滾扭桿是通過(guò)金屬的彈性桿進(jìn)行扭轉(zhuǎn)反力矩的作用。文章針對(duì)抗側(cè)滾扭桿軸的彈簧材質(zhì)進(jìn)行分析。

抗側(cè)滾扭桿；扭桿軸；彈簧鋼材料；高速列車

軌道車輛的抗側(cè)滾扭桿裝置中最核心的部分是扭桿軸，它的質(zhì)量好壞將直接影響整個(gè)裝置是否安全運(yùn)行。

1 列車中的抗側(cè)滾扭桿裝置陳述

抗側(cè)滾扭桿是通過(guò)金屬的彈性桿進(jìn)行扭轉(zhuǎn)反力矩的作用，一般車輛在弧形行進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生扭矩作用，從而發(fā)生車輛的扭曲變形，金屬?gòu)椥詶U是彈性范圍的關(guān)鍵。扭桿裝置的可靠性對(duì)車輛的正常安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)非常重要。

1.1 工作原理

抗側(cè)滾扭桿裝置有幾個(gè)部分（見(jiàn)圖1），分別是連桿、扭轉(zhuǎn)臂、扭桿軸、關(guān)節(jié)軸承（例橡膠關(guān)節(jié)、球軸承等）等。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上是支撐座，扭桿就是通過(guò)它與構(gòu)架進(jìn)行相關(guān)聯(lián)，而連桿則是和固定在車體上的連接座相連接。

圖1 抗側(cè)滾扭桿裝置圖

（1）當(dāng)車體發(fā)生側(cè)滾時(shí)，列車會(huì)帶動(dòng)著兩個(gè)連桿一起運(yùn)動(dòng)。這時(shí)原本水平放置的兩個(gè)扭轉(zhuǎn)臂就會(huì)對(duì)扭轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生作用力，這種力是相反的。在學(xué)術(shù)上將這兩個(gè)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(chǎn)生另外一種反力矩，這種反力矩與車體側(cè)滾角的角位移方向相反，而車體不會(huì)產(chǎn)生扭桿的彈簧作用，所以扭桿軸就會(huì)約束車體側(cè)滾。

（2）車體產(chǎn)生垂向振動(dòng)時(shí)，連結(jié)座連桿同時(shí)進(jìn)行規(guī)律的上下運(yùn)動(dòng)，抗側(cè)滾扭桿軸則是圍繞著兩個(gè)支撐座來(lái)回的轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)的扭桿軸不受任何力的作用，也就不會(huì)再產(chǎn)生力矩，因此不會(huì)再影響車體的垂直振動(dòng)了。

（3）列車出現(xiàn)了橫向搖擺的情況，抗側(cè)滾扭桿軸的兩個(gè)連桿端部的關(guān)節(jié)軸承，會(huì)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)允許連桿的橫向運(yùn)動(dòng)。所以抗側(cè)滾扭桿裝置不會(huì)影響車體的橫向擺動(dòng)振動(dòng)。利用同樣的原理，可以說(shuō)明抗側(cè)滾扭桿裝置對(duì)車體的縱向振動(dòng)也不會(huì)產(chǎn)生其他的作用。

1.2 裝置優(yōu)勢(shì)

列車在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎以及其他的曲線運(yùn)行時(shí)，由于向心力、離心力、側(cè)向力等作用力的影響，導(dǎo)致車輛會(huì)產(chǎn)生偏移，連桿之間會(huì)有兩個(gè)方向相反的作用力出現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)臂進(jìn)而也會(huì)產(chǎn)生相反的作用力。而扭轉(zhuǎn)臂的作用力會(huì)使得抗側(cè)滾扭桿裝置中的扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的反力矩就會(huì)將車輛的側(cè)傾確保在一個(gè)正常安全的范圍內(nèi)行駛。

2 抗側(cè)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(cè)滾扭桿軸的壽命要求在30年左右，抗側(cè)滾扭桿軸進(jìn)行工作時(shí)，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)材質(zhì)的彎曲扭轉(zhuǎn)，同時(shí)還會(huì)受到震動(dòng)以及沖擊力，所以對(duì)材料選擇非常關(guān)鍵。材料的彈性是個(gè)很抽象化的詞匯，目前并沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的測(cè)量方式能對(duì)材質(zhì)進(jìn)行直接彈性測(cè)試。但可以通過(guò)抗拉強(qiáng)度間接性得出材料的彈性數(shù)值，金屬材質(zhì)的抗疲勞性也是影響彈性的因素之一，其標(biāo)準(zhǔn)有塑性指標(biāo)（在高應(yīng)變低周期疲勞時(shí)的指標(biāo)）和強(qiáng)度指標(biāo)（由低應(yīng)變高周期疲勞時(shí)的指標(biāo)），提高材質(zhì)的拉伸強(qiáng)度可以有效的提升彈性作用。除此外，用于制作抗側(cè)滾扭桿軸的鋼材中的夾雜物過(guò)多、過(guò)大，也會(huì)影響材質(zhì)的疲勞性能。材質(zhì)中的晶粒大小會(huì)影響晶界的數(shù)量，而晶界的數(shù)量會(huì)影響到組織的平移以及裂紋敏感性。材質(zhì)中的晶粒越小，晶界的比例就越大，所產(chǎn)生積極作用就越大。

針對(duì)以上的抗側(cè)滾扭桿軸彈簧鋼材質(zhì)的分析，可以得出三點(diǎn)：材質(zhì)純度一定要高；材質(zhì)的彈性好；材質(zhì)中的晶粒滿足需求，以此來(lái)保證晶界的所占比例。

（2）提高材料性能的方式。自然狀態(tài)下很難找到符合抗側(cè)滾扭桿裝置要求的材料，所以就需要通過(guò)其他方式提高鋼材質(zhì)的性能。根據(jù)以上的性能分析，可得出以下的措施：①為確保鋼材質(zhì)的純度，需要控制材質(zhì)中P、S元素的含量，同時(shí)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(qiáng)度以及彈性，可通過(guò)適當(dāng)增加材料中含碳量的方式。所以應(yīng)該選擇碳量適中，同時(shí)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(xì)化晶粒的元素，或者優(yōu)化冶煉工藝流程。

2.2 彈簧鋼材料的成分對(duì)比

對(duì)50CrVA、60CrMnMoA、50CrVE滿足基本要求的3種材質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。三種材料的化學(xué)成分對(duì)比（%）見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)中材料的化學(xué)成分

3 抗側(cè)滾扭桿軸材料的試驗(yàn)

3.1 各材料進(jìn)行試驗(yàn)的方式

各鋼材質(zhì)均采用統(tǒng)一冶煉工藝：電弧爐+爐外精煉+連軋成材。一般在交貨時(shí)，鋼材是處在退火的狀態(tài)，試驗(yàn)用材料的直徑為85mm。三種材料均需通過(guò)不少于4種試驗(yàn)的方式進(jìn)行對(duì)比，包括彈性試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、整體淬火，以及原材料的機(jī)械性能、組織性能等基本監(jiān)測(cè)分析等。并按照國(guó)家法律規(guī)定的要求進(jìn)行試驗(yàn)分析。

3.2 進(jìn)行試驗(yàn)后的結(jié)果

（1）材料的基本性能試驗(yàn)：50CrVE的綜合性較強(qiáng)。根據(jù)材料機(jī)械性能測(cè)試得出，50CrVE和60CrMnMoA由于碳當(dāng)量較高，所以明顯比50CrVA的抗拉強(qiáng)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(qiáng)比的測(cè)試中，50CrVA的效果則是最差的，60CrMnMoA表現(xiàn)最佳。綜上所述，可以得出50CrVE的綜合性較強(qiáng)的結(jié)論。

（2）材料彈性測(cè)試：50CrVE材料為例。通過(guò)對(duì)50CrVE材料進(jìn)行模擬扭桿運(yùn)動(dòng)，將扭桿軸的一端進(jìn)行固定，而后在另一端給予一定的力矩令其產(chǎn)生12°的扭轉(zhuǎn)，并保證施壓1min，將其恢復(fù)原狀。試驗(yàn)證實(shí)自由端之間的相對(duì)位置角度相差6s之內(nèi)，符合10s內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）淬透性測(cè)試。根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三種材料進(jìn)行了淬透性的測(cè)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(guān)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(guò)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(cè)試：50CrVE非金屬夾雜物的含量少。評(píng)價(jià)鋼材質(zhì)的純凈度，需要了解材質(zhì)中的非金屬夾雜物的含量。根據(jù)ISO4967的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三種待檢測(cè)材質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，得出50CrVE材料中的非金屬夾雜物含量較少，材質(zhì)的純凈度較高（見(jiàn)表2）。

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2096-2789（2016）12-0111-02