輪軌①、輪帶②的硬度選擇匹配

隆學(xué)飛

摘 要：輪軌、輪帶在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。 提高車(chē)輪（托輪）或者鋼軌（輪帶）的硬度，可以相應(yīng)提高其表面接觸強(qiáng)度，減輕疲勞磨損、損壞，延長(zhǎng)使用壽命。因工況不同，車(chē)輪與鋼軌的硬度匹配不同，托輪與輪帶的硬度匹配跟車(chē)輪與軌道的硬度匹配截然不同。

關(guān)鍵詞：車(chē)輪;托輪;輪帶;疲勞磨損;硬度匹配

車(chē)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(shù)低，有利于機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)當(dāng)中。輪帶主要應(yīng)用于水泥行業(yè)中的回轉(zhuǎn)窯。輪軌、輪帶不可避免地會(huì)碰到疲勞磨損、疲勞點(diǎn)蝕問(wèn)題。輪軌、輪帶的疲勞磨損、疲勞點(diǎn)蝕輕則會(huì)影響生產(chǎn)，引起震動(dòng)、噪音，影響人們的身心健康;重則會(huì)發(fā)生安全事故。那么，輪軌、輪帶的疲勞點(diǎn)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(diǎn)蝕、磨損的形成

車(chē)輪傳遞著上部載荷，輪帶傳遞著回轉(zhuǎn)窯筒體的重量，接觸部分產(chǎn)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(chǎn)生很大的局部應(yīng)力，即輪軌、輪帶的最大計(jì)算接觸應(yīng)力大于輪軌、輪帶的材料最大許用接觸應(yīng)力時(shí)，表面會(huì)發(fā)生塑性變形，無(wú)法滿足使用要求。

輪軌、輪帶在運(yùn)行一段時(shí)間后，也會(huì)發(fā)生失效。因?yàn)樵谶\(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輪、托輪、輪帶都在不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，其接觸面也在不停地循環(huán)變化，接觸應(yīng)力表現(xiàn)為隨時(shí)間脈動(dòng)變化。一般情況下，沒(méi)有潤(rùn)滑油，表面直接接觸，磨粒磨損的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)裂紋發(fā)展的速度，點(diǎn)蝕來(lái)不及形成，只會(huì)引起磨粒磨損。但車(chē)輪、托輪、輪帶在鑄造或熱處理過(guò)程中可能會(huì)有微小的缺陷，這些微小的缺陷助長(zhǎng)了裂紋的發(fā)展，因此車(chē)輪、托輪、輪帶有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕，特別是在惡劣的工作環(huán)境下。

車(chē)輪與鋼軌、托輪與輪帶相互接觸，相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩者之間必然會(huì)發(fā)生阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力。對(duì)于輪軌、輪帶接觸面上的某一點(diǎn)，摩擦力是循環(huán)出現(xiàn)的。摩擦力出現(xiàn)，必然導(dǎo)致摩擦面（接觸面）的磨損。輪軌、輪帶之間的滾動(dòng)摩擦力雖小，但點(diǎn)水穿石，在長(zhǎng)期循環(huán)作用下，輪軌、輪帶也會(huì)磨損。

二、硬度的影響

一般來(lái)講，各種材料隨著硬度的提高，產(chǎn)生疲勞裂縫的危險(xiǎn)性變小，接觸疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)地提高。為了提高鋼的抗疲勞性能，經(jīng)常通過(guò)熱處理工藝來(lái)提高零件表面的強(qiáng)度和硬度。35#鋼經(jīng)正火處理，硬度達(dá)到140～185HB，其許用接觸應(yīng)力為320～380MPa;經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到155～205HB，其許用接觸應(yīng)力為400～430MPa。45#鋼經(jīng)正火處理，硬度達(dá)到160～215HB，其許用接觸應(yīng)力為380～430MPa;經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到215～255HB，其許用接觸應(yīng)力為440～470MPa。40Cr在硬度為240～285HB時(shí)，許用接觸應(yīng)力為530～550MPa;在硬度為215～260MPa時(shí)，許用接觸應(yīng)力為480～530MPa。

提高零件表面的硬度，還可以提高表面磨損強(qiáng)度。接觸面也越小對(duì)于被動(dòng)輪來(lái)說(shuō)，接觸面的摩擦力取決于軸承處的摩擦力，硬度的提高不會(huì)減小接觸面的摩擦力;對(duì)于主動(dòng)輪來(lái)說(shuō)，接觸面的摩擦力就是接觸面能夠產(chǎn)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(qiáng)度和磨損強(qiáng)度，有效的提高零件表面抗疲勞磨損性能，但不能無(wú)限的提高零件表面的硬度。過(guò)度提高零件表面硬度，會(huì)導(dǎo)致零件表面韌性降低，在過(guò)高的接觸應(yīng)力下，會(huì)引起表面碎裂，造成嚴(yán)重磨損。

三、硬度匹配應(yīng)考慮工況

車(chē)輪與鋼軌或托輪與輪帶的最大計(jì)算接觸應(yīng)力應(yīng)小于其材料的最大許用接觸應(yīng)力，并合理提高車(chē)輪與鋼軌或托輪與輪帶的硬度，車(chē)輪與鋼軌、托輪與輪帶便可以在現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)中發(fā)揮其強(qiáng)大的功用。在材料合理的硬度范圍內(nèi)，如何才算是合理提高車(chē)輪、鋼軌、托輪、輪帶的硬度呢？

在鐵路運(yùn)輸中，時(shí)速為60km/h、長(zhǎng)度為150m的列車(chē)為例，列車(chē)經(jīng)過(guò)某點(diǎn)所用的時(shí)間為9秒。在這9秒鐘內(nèi)，鋼軌面上的某一點(diǎn)頻繁與車(chē)輪接觸。除了機(jī)車(chē)上的車(chē)輪之外，其他車(chē)輪之間的距離要大于車(chē)輪的圓周長(zhǎng)度，即車(chē)輪踏面上的某一點(diǎn)與鋼軌接觸，再轉(zhuǎn)一圈，再次與鋼軌接觸，鋼軌面上的點(diǎn)還未與車(chē)輪接觸。在這9秒鐘之內(nèi)，車(chē)輪踏面上的任何一點(diǎn)與鋼軌接觸的次數(shù)較多，鋼軌面上的某一點(diǎn)與車(chē)輪的接觸的次數(shù)較少。而且為了安全起見(jiàn)，列車(chē)與列車(chē)之間要拉開(kāi)一定的距離。可見(jiàn)，在鐵路運(yùn)輸中，車(chē)輪的工作強(qiáng)度比鋼軌的工作強(qiáng)度高，同樣力學(xué)性能下，車(chē)輪比鋼軌更容易失效。因而，車(chē)輪的接觸強(qiáng)度應(yīng)高于鋼軌的接觸強(qiáng)度;車(chē)輪踏面的硬度應(yīng)高于鋼軌面的硬度。

同樣是車(chē)輪與鋼軌，在軌道式起重機(jī)中，車(chē)輪與鋼軌的匹配與鐵路運(yùn)輸有差別。軌道式起重機(jī)的軌道長(zhǎng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鐵路運(yùn)輸中的軌道長(zhǎng)度，部分起重機(jī)的車(chē)輪距離也很小，車(chē)輪的工作強(qiáng)度與鋼軌的工作強(qiáng)度相差不是很大，盡管還是高一些。從這個(gè)層面來(lái)看，在軌道式起重機(jī)中，車(chē)輪的硬度還是要比鋼軌的硬度高。

相同硬度、強(qiáng)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(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕、疲勞磨損。從這個(gè)角度分析，托輪的硬度應(yīng)該比輪帶的硬度大。

四、硬度匹配還應(yīng)考慮維護(hù)成本

硬度匹配除了考慮輪軌、輪帶的工作強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮輪軌、輪帶的維護(hù)成本。維護(hù)成本主要包括：維修、制造成本、停機(jī)成本。維修、制造成本是指維修、制造車(chē)輪、鋼軌、托輪、輪帶的成本;停機(jī)成本是指由于車(chē)輪、鋼軌、托輪、輪帶不能滿足工作，必須暫停生產(chǎn)，停機(jī)維修、更換，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失。

在軌道式起重機(jī)中，鋼軌的維護(hù)成本因鋼軌的鋪設(shè)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(hù)成本與車(chē)輪維護(hù)成本差不多，可根據(jù)軌道長(zhǎng)度，在工作強(qiáng)度比較的基礎(chǔ)上直接選擇匹配鋼軌與車(chē)輪的硬度;鋼軌與鋼軌焊接對(duì)接，在軌道上用可拆卸壓板安裝的，鋼軌維護(hù)成本比車(chē)輪維護(hù)成本要高，車(chē)輪的硬度可比上一種情況稍微低一點(diǎn)，鋼軌與鋼軌焊接對(duì)換，在軌道上焊接安裝的，鋼軌的維護(hù)成本比上一種情況還高，車(chē)輪的硬度可再低一些，甚至可以考慮車(chē)輪的硬度比鋼軌的硬度稍微低一點(diǎn)。

在水泥回轉(zhuǎn)窯中，輪帶直接安裝在回轉(zhuǎn)窯體上，要想更換輪帶，就必須得拆下回轉(zhuǎn)窯體。回轉(zhuǎn)窯體長(zhǎng)度長(zhǎng)，重量重，拆卸、安裝的時(shí)間長(zhǎng)，拆卸、安裝成本高;停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，停機(jī)成本也高。甚至在有些情況下，由于現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)比輪帶的低。盡管這樣，會(huì)加快托輪的疲勞磨損，使得托輪的更換周期較小，但從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，利大于弊，更有利于生產(chǎn)。

五、結(jié)語(yǔ)

輪軌、輪帶分別廣泛應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸和水泥行業(yè)中。然而，除了鐵路運(yùn)輸行業(yè)對(duì)車(chē)輪與鋼軌的硬度匹配研究得比較全面、系統(tǒng)外，其它各行業(yè)對(duì)輪軌、輪帶的硬度匹配研究還比較少，所以在各個(gè)不同行業(yè)中，輪軌、輪帶的硬度選擇匹配不能生搬硬套，應(yīng)按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行選擇匹配：

（一）分析比較車(chē)輪、鋼軌（或托輪、輪帶）的工作強(qiáng)度，匹配車(chē)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(hù)成本，調(diào)整車(chē)輪與鋼軌、托輪與輪帶的硬匹配。

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