抗侧滚扭杆轴中弹簧钢材料的性能研究

吴 明

（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏 无锡 214429）

抗侧滚扭杆轴中弹簧钢材料的性能研究

吴 明

（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏 无锡 214429）

空气弹簧在高速列车应用，使车辆的抗侧滚能力变差，产生安全隐患。通过抗侧滚扭杆装置来提高车辆的抗滚刚度使这隐患得到解决。车辆在弧形行进过程中会产生扭矩作用，从而发生车辆的扭变形，抗侧滚扭杆是通过金属的弹性杆进行扭转反力矩的作用。文章针对抗侧滚扭杆轴的弹簧材质进行分析。

抗侧滚扭杆；扭杆轴；弹簧钢材料；高速列车

轨道车辆的抗侧滚扭杆装置中最核心的部分是扭杆轴，它的质量好坏将直接影响整个装置是否安全运行。

1 列车中的抗侧滚扭杆装置陈述

抗侧滚扭杆是通过金属的弹性杆进行扭转反力矩的作用，一般车辆在弧形行进过程中会产生扭矩作用，从而发生车辆的扭曲变形，金属弹性杆是弹性范围的关键。扭杆装置的可靠性对车辆的正常安全运行来说非常重要。

1.1 工作原理

抗侧滚扭杆装置有几个部分（见图1），分别是连杆、扭转臂、扭杆轴、关节轴承（例橡胶关节、球轴承等）等。转向架构架上是支撑座，扭杆就是通过它与构架进行相关联，而连杆则是和固定在车体上的连接座相连接。

图1 抗侧滚扭杆装置图

（1）当车体发生侧滚时，列车会带动着两个连杆一起运动。这时原本水平放置的两个扭转臂就会对扭转轴产生作用力，这种力是相反的。在学术上将这两个相反的力，叫做力与力矩。力的方向不同，引起扭杆轴的弹性塑性变形。由于扭杆轴的变形，产生另外一种反力矩，这种反力矩与车体侧滚角的角位移方向相反，而车体不会产生扭杆的弹簧作用，所以扭杆轴就会约束车体侧滚。

（2）车体产生垂向振动时，连结座连杆同时进行规律的上下运动，抗侧滚扭杆轴则是围绕着两个支撑座来回的转动。这时的扭杆轴不受任何力的作用，也就不会再产生力矩，因此不会再影响车体的垂直振动了。

（3）列车出现了横向摇摆的情况，抗侧滚扭杆轴的两个连杆端部的关节轴承，会在适当的范围内允许连杆的横向运动。所以抗侧滚扭杆装置不会影响车体的横向摆动振动。利用同样的原理，可以说明抗侧滚扭杆装置对车体的纵向振动也不会产生其他的作用。

1.2 装置优势

列车在进行转弯以及其他的曲线运行时，由于向心力、离心力、侧向力等作用力的影响，导致车辆会产生偏移，连杆之间会有两个方向相反的作用力出现，扭转臂进而也会产生相反的作用力。而扭转臂的作用力会使得抗侧滚扭杆装置中的扭杆发生扭转，产生的反力矩就会将车辆的侧倾确保在一个正常安全的范围内行驶。

2 抗侧滚扭杆轴材料的性能

2.1 弹簧钢的选择

（1）材料所具备的的性能。一般抗侧滚扭杆轴的寿命要求在30年左右，抗侧滚扭杆轴进行工作时，会经常出现材质的弯曲扭转，同时还会受到震动以及冲击力，所以对材料选择非常关键。材料的弹性是个很抽象化的词汇，目前并没有一个准确的测量方式能对材质进行直接弹性测试。但可以通过抗拉强度间接性得出材料的弹性数值，金属材质的抗疲劳性也是影响弹性的因素之一，其标准有塑性指标（在高应变低周期疲劳时的指标）和强度指标（由低应变高周期疲劳时的指标），提高材质的拉伸强度可以有效的提升弹性作用。除此外，用于制作抗侧滚扭杆轴的钢材中的夹杂物过多、过大，也会影响材质的疲劳性能。材质中的晶粒大小会影响晶界的数量，而晶界的数量会影响到组织的平移以及裂纹敏感性。材质中的晶粒越小，晶界的比例就越大，所产生积极作用就越大。

针对以上的抗侧滚扭杆轴弹簧钢材质的分析，可以得出三点：材质纯度一定要高；材质的弹性好；材质中的晶粒满足需求，以此来保证晶界的所占比例。

（2）提高材料性能的方式。自然状态下很难找到符合抗侧滚扭杆装置要求的材料，所以就需要通过其他方式提高钢材质的性能。根据以上的性能分析，可得出以下的措施：①为确保钢材质的纯度，需要控制材质中P、S元素的含量，同时还需要控制非金属夹杂物的含量和大小；②提高材料的抗拉强度以及弹性，可通过适当增加材料中含碳量的方式。所以应该选择碳量适中，同时合金元素含量较高的材料，以此确保材料具有较高水平的淬透性；③晶粒度的提高方式有两种，材料中添加Cr、V等细化晶粒的元素，或者优化冶炼工艺流程。

2.2 弹簧钢材料的成分对比

对50CrVA、60CrMnMoA、50CrVE满足基本要求的3种材质进行试验对比。三种材料的化学成分对比（%）见表1。

表1 试验中材料的化学成分

3 抗侧滚扭杆轴材料的试验

3.1 各材料进行试验的方式

各钢材质均采用统一冶炼工艺：电弧炉+炉外精炼+连轧成材。一般在交货时，钢材是处在退火的状态，试验用材料的直径为85mm。三种材料均需通过不少于4种试验的方式进行对比，包括弹性试验、疲劳试验、整体淬火，以及原材料的机械性能、组织性能等基本监测分析等。并按照国家法律规定的要求进行试验分析。

3.2 进行试验后的结果

（1）材料的基本性能试验：50CrVE的综合性较强。根据材料机械性能测试得出，50CrVE和60CrMnMoA由于碳当量较高，所以明显比50CrVA的抗拉强度要好很多，但是两者在冲击功比上要比50CrVA要稍微的差一些。而在屈强比的测试中，50CrVA的效果则是最差的，60CrMnMoA表现最佳。综上所述，可以得出50CrVE的综合性较强的结论。

（2）材料弹性测试：50CrVE材料为例。通过对50CrVE材料进行模拟扭杆运动，将扭杆轴的一端进行固定，而后在另一端给予一定的力矩令其产生12°的扭转，并保证施压1min，将其恢复原状。试验证实自由端之间的相对位置角度相差6s之内，符合10s内的标准。

（3）淬透性测试。根据相关的标准对三种材料进行了淬透性的测试，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关系，一般合金元素以及材料成分的C含量是影响淬透性的主要因素。50CrVE通过增加Mn、Cr、Si等合金元素提高淬透性，相比其他两种材料，50CrVE增加淬透性的合金元素成本更低，效率更高。

（4）材料疲劳测试：50CrVE非金属夹杂物的含量少。评价钢材质的纯净度，需要了解材质中的非金属夹杂物的含量。根据ISO4967的标准对三种待检测材质进行测试，得出50CrVE材料中的非金属夹杂物含量较少，材质的纯净度较高（见表2）。

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2096-2789（2016）12-0111-02