铁路高速货车转向架用耐磨材料试验分析

韩佃钧

摘 要：随着经济的快速发展，我国铁路货车转向架的运用越来越广泛，人们对它的性能提出了更高的要求。由于零部件的耐磨损、抗疲劳性能较差，转向架性能低下，检修期限长，投入成本较高。对组成转向架的各零部件材料及热处理进行了研究，对摩擦副的耐磨损、抗疲劳性能进行了试验和分析，寻找更好的耐磨材料，对提高转向架的使用寿命和相关性能具有重大意义。

关键词：货车转向架；制动系统；耐磨材料；车体

中图分类号：U272 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.130

随着公路和航空运输的不断发展，铁路运输逐渐暴露出较多问题，使得铁路客货运量不断减少。比如西欧国家，20世纪80年代铁路运输的市场运输量开始从20世纪50年代的50%直降到15%左右。20世纪80年代末以后，世界各国对环境保护的力度逐渐加大，各个国家的政府注意到铁路运输的发展前景，加大发展高速铁路运输。铁路运输有许多优势，比如运量多、速度快、稳定、高效和对环境污染小等，成为重要的交通运输方式之一，对世界各国的经济发展作出了巨大的贡献。

在客货混跑的线路上，加快客车的速度将会减少货车的运量。重载运输已成为世界铁路货运的一种主要交通方式，各国重载货车转向架的技术日益完善，因此，铁路要提高车速和运输效率，同时做好货车的运行安全工作。自20世纪60年代以来，土地辽阔、矿产资源富裕、工业较发达的国家为了加快运输市场发展、加大线路运输力度，同时能够大大降低运输成本，逐渐采用铁路重载货物的运输方式。

1 高速货车相关技术研究

1.1 转向架

转向架轴箱定位刚度值的大小直接影响车辆的安全性和高效性。要保障车辆在高速情况下的安全运行，轴箱定位的刚度值就要偏大些。为了增加大型设备运输所用的长大货物车的运输量，我国铁路货车多轴整体构架式的转向架日益完善。但与欧洲国家相比，我国的货车类型过少，无法满足铁路运输发展的要求。货车转向架的垂向挠度要求极高。从列车纵向动力学的角度来讲，这有利于铁路货物的运输。因为货物列车一般有编组长、质量重和速度低的优势。从制动距离方面考虑，会对制动缸充气过程造成一定的影响，即使利用如今的货车制动机，其制动能力也无法满足要求。受货车部件及生产成本等因素的限制，在车体和转向架构架处使用液压式的减振器无法满足要求。因此，空重车需具有较好的动力学性能。主悬挂系统具有两级或多级非线性性能，位于中央的三大件式转向架处，即在侧架与轴箱之间使用的弹性橡胶垫。

在研制高速货车转向架时，必须重视材料和先进技术。三大件式转向架的菱形变位是影响车辆安全运行的重要因素，因此，根据有关规定，在三大件式结构的高速货车转向架结构上，需提高转向架抗菱形变位的性能。在欧洲等发达国家，高速货车转向架必须减轻簧下质量。轴箱弹性悬挂是减轻簧下质量的最好方法。轴箱下的部件对车辆的动力学性能和轮轨的使用影响较大。簧下质量越大，动力学性能越低，轮轨作用力越小。同理，在高速情况下也是这种情况。在车钩高和限界的约束下，垂向悬挂的挠度逐渐减小。高速货车转向架都选择不同形状的轴箱弹性悬挂。当速度加快时，车辆的横向承受力增大。

1.2 制动系统

制动是高速货车转向架的重要技术。由于三大件式转向架本身结构的限制，制动系统装置无法采用踏面制动以及铸铁闸瓦或合成闸瓦。从列车纵向动力学的角度来讲，这有利于铁路货物的运输；但从制动距离方面考虑，会对制动缸充气过程带来一定的影响，即使利用如今的货车制动机，其制动能力也无法满足要求。如果选择铸铁闸瓦踏面制动，它极限轴制动功率是240 kW，闸瓦为340 kW，选择盘形制动可以达到760 kW。

如今，欧洲国家使用的时速约160 km的高速货车转向架，其紧急制动时的轴制动功率过大，已超过踏面制动的最大轴制动功率，高至350 kW，因此，高速货车需要利用盘形来制动。提高一般的单侧踏面制动性能的主要方法是增大闸瓦和踏面之间的摩擦系数或增大闸瓦压力。闸瓦压力的大小随轮轨间接触强度及热应力的变化而变化，因此单侧踏面制动的制动力也受影响。欧洲国家货车转向架通常选择双侧踏面制动，不仅能够降低闸瓦的热负荷，还能够提高其制动功率。

1.3 车体

目前，在我国现有的货车中，敞车为60%，平车为6.3%，保温车为1.4%，罐车为17.4%，棚车为15.1%，其他专用车为2.8%.转向架上通常安装非接触式旁承或常接触弹性旁承，但常接触弹性旁承受能力过低，使得回转力矩减弱车辆的曲线性能。随着我国高速货车的发展，需要改善相关的配套车体，使得其覆盖范围逐渐扩大。为了增加大型设备运输所用的长大货物车的运输量，我国铁路货车多轴整体构架式的转向架日益完善。最近，欧洲国家大力建立集装箱快速运输、公铁联运和快速系统，取得了较好的效果。

另外，常接触弹性旁承纵向间隙对其抗蛇行性能要求极高，因此高速货车转向架必须选用无纵向间隙、回转阻力矩。这样能够确保车辆的安全运行。我国铁路只在成都铁路局开发米轨货车，有1 600辆，部分是新造车，其他是拱板式转向架。机械冷藏车用转向架冷藏运输车近70%，选择转8A型转向架。只有20%～30%选择MD型悬挂的无导框式转向架，超过1 000辆，大大缓解了运输量不足的压力。

2 耐磨材料试验及其分析

2.1 试验方法

选择耐磨材料最大承载为90 N，转轴的转速可达200 r/min。对球墨铸铁采取贝氏体等温淬火，使其具有强度高、硬度大和韧性好的优点。同时，石墨的润滑作用较为突出，常常被用于磨损材料试验中。试样与转轴间不使用润滑剂，材料的耐磨性根据圆环试样转轴转动20 000 r时内表面的磨损量判断。圆环试样内部和转轴表面打磨光亮后再进行退磁处理。

试验前后都要用酒精清洗圆环试样，并用电吹风吹干，在感量为0.1 mg 的天平上称量样品的质量。磨损试验的数据表明，金属材料的强度和硬度越小，越容易出现胶合磨损，且磨损量越来越多。由于金属材料强度、硬度越大，磨损量越小，因此，同时接触摩擦的部件必须经过表面强化处理，确保其表面硬度增大。

2.2 试验分析

试验数据表明，选择双侧踏面制动，轴重约为21 t，其最大极限速度是120 km/h。最大轴制动功率由基础制动装置能够提供的热负荷性能决定。电脑模拟运行和试验数据表明，840 mm直径的车轮轴重为21 t，相应的赫兹接触应力约为850 N/mm2，其允许的最大热应力在300 N/mm2左右。因此，根据高速货车车辆数量和同客车联挂，高速货车制动机的方案需要采用现有的客车制动机。从制动波速和制动缸充气时间来看，104型和F8型客车制动机适用于速度为160 km/h的高速货车。但是，高速货车制动缸充气时间较短，导致纵向冲动变大。

造成磨损的因素很多，而且磨损是一个从微观演变到宏观的动态过程，依据磨擦系统中的部分数据可得，在不同条件下，同种材料的耐磨性可能出现不同的结果。合理选取磨损试验参数和试验方法非常重要。如果试验方法和试验参数选取得不合理，磨损特性指标标准就变得复杂，出现同一材料因试验者选取的试验参数不同而得出不同的试验结论，大大影响了耐磨材料磨损规律的研究和特点。

另外，磨损试验方法应尽可能符合部件的实际工况，从而为磨损试验设备的维修和完善归纳出各种耐磨材料试验的合理和可行结论。目前，由于国内磨损试验标准各有差异，试验参数的含义也不同，因此，选取合理的磨损试验参数是相当重要的。

3 结束语

选择双侧铸铁闸瓦踏面制动的模式进行试验。结果表明，21 t轴重货车的制动初速最大为130 km/h。目前，我国货车的主要制动机是空气制动阀120型制动机，其制动缸增压速度要比客车慢，紧急制动时制动缸充气时间为8～12 s，制动间距约为900 m。加装电控制动装置给列车编组及混编带来许多难题，实现电控制动形式的高速货车也将迎来更大的挑战。耐磨材料的选择应该根据部件服役的实际工况，尽可能透出材料的最优性能。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕