抗侧滚扭杆轴中弹簧钢材料的性能研究 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)
摘 要: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。
关键词: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
材质w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(s)w(Cr)w(v)w(Mo)60CrMnMoA0.580.260.820.0180.0130.78-0.30 50CrVA0.520.200.640.0150.0070.920.14-50CrVE0.510.261.000.0060.0081.060.13-
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)。
中图分类号:[O341]
文献标志码:A
文章编号:2096-2789()12-0111-02
如果觉得《抗侧滚扭杆轴中弹簧钢材料的性能研究》对你有帮助,请点赞、收藏,并留下你的观点哦!