隆學(xué)飛

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

關(guān)鍵詞：車輪;托輪;輪帶;疲勞磨損;硬度匹配

車輪與鋼軌相互接觸、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，有利于機構(gòu)的傳動效率，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實生活、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、輪帶不可避免地會碰到疲勞磨損、疲勞點蝕問題。輪軌、輪帶的疲勞磨損、疲勞點蝕輕則會影響生產(chǎn)，引起震動、噪音，影響人們的身心健康;重則會發(fā)生安全事故。那么，輪軌、輪帶的疲勞點蝕、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、疲勞點蝕、磨損的形成

車輪傳遞著上部載荷，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，表面會發(fā)生塑性變形，無法滿足使用要求。

輪軌、輪帶在運行一段時間后，也會發(fā)生失效。因為在運行過程中，車輪、托輪、輪帶都在不停地轉(zhuǎn)動，其接觸面也在不停地循環(huán)變化，接觸應(yīng)力表現(xiàn)為隨時間脈動變化。一般情況下，沒有潤滑油，表面直接接觸，磨粒磨損的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過裂紋發(fā)展的速度，點蝕來不及形成，只會引起磨粒磨損。但車輪、托輪、輪帶在鑄造或熱處理過程中可能會有微小的缺陷，這些微小的缺陷助長了裂紋的發(fā)展，因此車輪、托輪、輪帶有時也會產(chǎn)生疲勞點蝕，特別是在惡劣的工作環(huán)境下。

車輪與鋼軌、托輪與輪帶相互接觸，相對運動，兩者之間必然會發(fā)生阻礙相對運動的摩擦力。對于輪軌、輪帶接觸面上的某一點，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、輪帶之間的滾動摩擦力雖小，但點水穿石，在長期循環(huán)作用下，輪軌、輪帶也會磨損。

二、硬度的影響

一般來講，各種材料隨著硬度的提高，產(chǎn)生疲勞裂縫的危險性變小，接觸疲勞強度也相應(yīng)地提高。為了提高鋼的抗疲勞性能，經(jīng)常通過熱處理工藝來提高零件表面的強度和硬度。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，許用接觸應(yīng)力為530～550MPa;在硬度為215～260MPa時，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度。接觸面也越小對于被動輪來說，接觸面的摩擦力取決于軸承處的摩擦力，硬度的提高不會減小接觸面的摩擦力;對于主動輪來說，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度和磨損強度，有效的提高零件表面抗疲勞磨損性能，但不能無限的提高零件表面的硬度。過度提高零件表面硬度，會導(dǎo)致零件表面韌性降低，在過高的接觸應(yīng)力下，會引起表面碎裂，造成嚴(yán)重磨損。

三、硬度匹配應(yīng)考慮工況

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

在鐵路運輸中，時速為60km/h、長度為150m的列車為例，列車經(jīng)過某點所用的時間為9秒。在這9秒鐘內(nèi)，鋼軌面上的某一點頻繁與車輪接觸。除了機車上的車輪之外，其他車輪之間的距離要大于車輪的圓周長度，即車輪踏面上的某一點與鋼軌接觸，再轉(zhuǎn)一圈，再次與鋼軌接觸，鋼軌面上的點還未與車輪接觸。在這9秒鐘之內(nèi)，車輪踏面上的任何一點與鋼軌接觸的次數(shù)較多，鋼軌面上的某一點與車輪的接觸的次數(shù)較少。而且為了安全起見，列車與列車之間要拉開一定的距離?？梢?，在鐵路運輸中，車輪的工作強度比鋼軌的工作強度高，同樣力學(xué)性能下，車輪比鋼軌更容易失效。因而，車輪的接觸強度應(yīng)高于鋼軌的接觸強度;車輪踏面的硬度應(yīng)高于鋼軌面的硬度。

同樣是車輪與鋼軌，在軌道式起重機中，車輪與鋼軌的匹配與鐵路運輸有差別。軌道式起重機的軌道長度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鐵路運輸中的軌道長度，部分起重機的車輪距離也很小，車輪的工作強度與鋼軌的工作強度相差不是很大，盡管還是高一些。從這個層面來看，在軌道式起重機中，車輪的硬度還是要比鋼軌的硬度高。

相同硬度、強度條件下，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)疲勞點蝕、疲勞磨損。從這個角度分析，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、停機成本。維修、制造成本是指維修、制造車輪、鋼軌、托輪、輪帶的成本;停機成本是指由于車輪、鋼軌、托輪、輪帶不能滿足工作，必須暫停生產(chǎn)，停機維修、更換，由此造成的經(jīng)濟損失。

在軌道式起重機中，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)成本與車輪維護(hù)成本差不多，可根據(jù)軌道長度，在工作強度比較的基礎(chǔ)上直接選擇匹配鋼軌與車輪的硬度;鋼軌與鋼軌焊接對接，在軌道上用可拆卸壓板安裝的，鋼軌維護(hù)成本比車輪維護(hù)成本要高，車輪的硬度可比上一種情況稍微低一點，鋼軌與鋼軌焊接對換，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，車輪的硬度可再低一些，甚至可以考慮車輪的硬度比鋼軌的硬度稍微低一點。

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)窯體長度長，重量重，拆卸、安裝的時間長，拆卸、安裝成本高;停機時間長，停機成本也高。甚至在有些情況下，由于現(xiàn)場條件的限制，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)濟效益來看，利大于弊，更有利于生產(chǎn)。

五、結(jié)語

輪軌、輪帶分別廣泛應(yīng)用于鐵路運輸和水泥行業(yè)中。然而，除了鐵路運輸行業(yè)對車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)對輪軌、輪帶的硬度匹配研究還比較少，所以在各個不同行業(yè)中，輪軌、輪帶的硬度選擇匹配不能生搬硬套，應(yīng)按以下幾個步驟進(jìn)行選擇匹配：

（一）分析比較車輪、鋼軌（或托輪、輪帶）的工作強度，匹配車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)整車輪與鋼軌、托輪與輪帶的硬匹配。

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