轮轨①、轮带②的硬度选择匹配

隆学飞

摘 要：轮轨、轮带在现实生产中广泛应用。 提高车轮（托轮）或者钢轨（轮带）的硬度，可以相应提高其表面接触强度，减轻疲劳磨损、损坏，延长使用寿命。因工况不同，车轮与钢轨的硬度匹配不同，托轮与轮带的硬度匹配跟车轮与轨道的硬度匹配截然不同。

关键词：车轮;托轮;轮带;疲劳磨损;硬度匹配

车轮与钢轨相互接触、托轮与轮带相互接触分别组成了高副。这两种高副因摩擦系数低，有利于机构的传动效率，被广泛应用于现实生活、生产当中。轮带主要应用于水泥行业中的回转窑。轮轨、轮带不可避免地会碰到疲劳磨损、疲劳点蚀问题。轮轨、轮带的疲劳磨损、疲劳点蚀轻则会影响生产，引起震动、噪音，影响人们的身心健康;重则会发生安全事故。那么，轮轨、轮带的疲劳点蚀、磨损是怎么形成的呢？轮轨、轮带的硬度又起到了什么作用？

一、疲劳点蚀、磨损的形成

车轮传递着上部载荷，轮带传递着回转窑筒体的重量，接触部分产生局部弹性变形，从而形成接触面很小的面接触，这样在接触处产生很大的局部应力，即轮轨、轮带的最大计算接触应力大于轮轨、轮带的材料最大许用接触应力时，表面会发生塑性变形，无法满足使用要求。

轮轨、轮带在运行一段时间后，也会发生失效。因为在运行过程中，车轮、托轮、轮带都在不停地转动，其接触面也在不停地循环变化，接触应力表现为随时间脉动变化。一般情况下，没有润滑油，表面直接接触，磨粒磨损的速度远远超过裂纹发展的速度，点蚀来不及形成，只会引起磨粒磨损。但车轮、托轮、轮带在铸造或热处理过程中可能会有微小的缺陷，这些微小的缺陷助长了裂纹的发展，因此车轮、托轮、轮带有时也会产生疲劳点蚀，特别是在恶劣的工作环境下。

车轮与钢轨、托轮与轮带相互接触，相对运动，两者之间必然会发生阻碍相对运动的摩擦力。对于轮轨、轮带接触面上的某一点，摩擦力是循环出现的。摩擦力出现，必然导致摩擦面（接触面）的磨损。轮轨、轮带之间的滚动摩擦力虽小，但点水穿石，在长期循环作用下，轮轨、轮带也会磨损。

二、硬度的影响

一般来讲，各种材料随着硬度的提高，产生疲劳裂缝的危险性变小，接触疲劳强度也相应地提高。为了提高钢的抗疲劳性能，经常通过热处理工艺来提高零件表面的强度和硬度。35#钢经正火处理，硬度达到140～185HB，其许用接触应力为320～380MPa;经调质处理，硬度达到155～205HB，其许用接触应力为400～430MPa。45#钢经正火处理，硬度达到160～215HB，其许用接触应力为380～430MPa;经调质处理，硬度达到215～255HB，其许用接触应力为440～470MPa。40Cr在硬度为240～285HB时，许用接触应力为530～550MPa;在硬度为215～260MPa时，许用接触应力为480～530MPa。

提高零件表面的硬度，还可以提高表面磨损强度。接触面也越小对于被动轮来说，接触面的摩擦力取决于轴承处的摩擦力，硬度的提高不会减小接触面的摩擦力;对于主动轮来说，接触面的摩擦力就是接触面能够产生的最大摩擦力。在相同条件下，摩擦力越大，零件表面磨损越快。

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触强度和磨损强度，有效的提高零件表面抗疲劳磨损性能，但不能无限的提高零件表面的硬度。过度提高零件表面硬度，会导致零件表面韧性降低，在过高的接触应力下，会引起表面碎裂，造成严重磨损。

三、硬度匹配应考虑工况

车轮与钢轨或托轮与轮带的最大计算接触应力应小于其材料的最大许用接触应力，并合理提高车轮与钢轨或托轮与轮带的硬度，车轮与钢轨、托轮与轮带便可以在现实生活、生产中发挥其强大的功用。在材料合理的硬度范围内，如何才算是合理提高车轮、钢轨、托轮、轮带的硬度呢？

在铁路运输中，时速为60km/h、长度为150m的列车为例，列车经过某点所用的时间为9秒。在这9秒钟内，钢轨面上的某一点频繁与车轮接触。除了机车上的车轮之外，其他车轮之间的距离要大于车轮的圆周长度，即车轮踏面上的某一点与钢轨接触，再转一圈，再次与钢轨接触，钢轨面上的点还未与车轮接触。在这9秒钟之内，车轮踏面上的任何一点与钢轨接触的次数较多，钢轨面上的某一点与车轮的接触的次数较少。而且为了安全起见，列车与列车之间要拉开一定的距离。可见，在铁路运输中，车轮的工作强度比钢轨的工作强度高，同样力学性能下，车轮比钢轨更容易失效。因而，车轮的接触强度应高于钢轨的接触强度;车轮踏面的硬度应高于钢轨面的硬度。

同样是车轮与钢轨，在轨道式起重机中，车轮与钢轨的匹配与铁路运输有差别。轨道式起重机的轨道长度要远远小于铁路运输中的轨道长度，部分起重机的车轮距离也很小，车轮的工作强度与钢轨的工作强度相差不是很大，尽管还是高一些。从这个层面来看，在轨道式起重机中，车轮的硬度还是要比钢轨的硬度高。

相同硬度、强度条件下，托轮摩擦磨损的速度要比轮带快;托轮比轮带更容易出现疲劳点蚀、疲劳磨损。从这个角度分析，托轮的硬度应该比轮带的硬度大。

四、硬度匹配还应考虑维护成本

硬度匹配除了考虑轮轨、轮带的工作强度外，还应考虑轮轨、轮带的维护成本。维护成本主要包括：维修、制造成本、停机成本。维修、制造成本是指维修、制造車轮、钢轨、托轮、轮带的成本;停机成本是指由于车轮、钢轨、托轮、轮带不能满足工作，必须暂停生产，停机维修、更换，由此造成的经济损失。

在轨道式起重机中，钢轨的维护成本因钢轨的铺设方式不同而不同。钢轨与钢轨之间未焊接，在轨道上用可拆卸压板安装的，因钢轨维护成本与车轮维护成本差不多，可根据轨道长度，在工作强度比较的基础上直接选择匹配钢轨与车轮的硬度;钢轨与钢轨焊接对接，在轨道上用可拆卸压板安装的，钢轨维护成本比车轮维护成本要高，车轮的硬度可比上一种情况稍微低一点，钢轨与钢轨焊接对换，在轨道上焊接安装的，钢轨的维护成本比上一种情况还高，车轮的硬度可再低一些，甚至可以考虑车轮的硬度比钢轨的硬度稍微低一点。

在水泥回转窑中，轮带直接安装在回转窑体上，要想更换轮带，就必须得拆下回转窑体。回转窑体长度长，重量重，拆卸、安装的时间长，拆卸、安装成本高;停机时间长，停机成本也高。甚至在有些情况下，由于现场条件的限制，轮带的更换变得几乎不可能。而托轮的更换则要方便得多，成本也低得多。因此，托轮的硬度应比轮带的低。尽管这样，会加快托轮的疲劳磨损，使得托轮的更换周期较小，但从经济效益来看，利大于弊，更有利于生产。

五、结语

轮轨、轮带分别广泛应用于铁路运输和水泥行业中。然而，除了铁路运输行业对车轮与钢轨的硬度匹配研究得比较全面、系统外，其它各行业对轮轨、轮带的硬度匹配研究还比较少，所以在各个不同行业中，轮轨、轮带的硬度选择匹配不能生搬硬套，应按以下几个步骤进行选择匹配：

（一）分析比较车轮、钢轨（或托轮、轮带）的工作强度，匹配车轮与钢轨或托轮与轮带的硬度。

（二）综合考虑轮轨、轮带的维护成本，调整车轮与钢轨、托轮与轮带的硬匹配。

参考文献：

[1] 成大先主编，机械设计手册（第五版），北京：化学工业出版社，2007.11

[2] 陈冠国，金属材料的硬度与磨损，唐山工程技术学院学报，No3.1990

[3] 周跃清，刘丰收，朱梅，安涛，轮轨关系中的硬度匹配研究，中国铁道科学，2006：27-5