铁路车轮与钢轨的强度及硬度匹配(2003年).

◇丁韦黄辰奎高文会陈辉

摘要：研究表明，铁路车轮的硬度低于钢轨时，

车轮与钢轨的打滑现象就套增加，车轮就容易产生擦

伤、剥离等缺陷。车轮与钢轨的硬度匹配要求为ｌ２：ｌ

至１．４：１。我国目前ＰＤ３或ＢＮｂＲｅ钢轨的硬度为３００ＨＢ

左右，因此车轮轮辋表面的实际硬度也应相应提高。

关键词：铁路车轮钢轨强度硬度匹配

１车轮与钢轨母材性能ｕ厶ｂ

目前我国铁路用辗钢车轮的化学成分和力学性能的

标准要求及实测结果，见表１和表２。在车轮的化学成分中，碳含量为：ｏ．５５％一Ｏ．６５％，另外还有一定的Ｍｎ（锰）和ｓｉ（硅）。车轮的抗拉强度要求≥９１０ＭＰａ，延伸率要求≥１０％，硬度为２６５ＨＢ～３２０ＨＢ，常温ｕ型冲击功≥１６Ｊ。车轮钢的金属显微组织为珠光体＋少量铁素体（Ｐ＋少量Ｆ）。钢轨的金属显微组织与车轮基本相同，也是Ｐ＋少量Ｆ。但铁素体量比车轮要更少～些。车轮标准中没有屈服强度指标。从车轮实际测量结果看：抗拉强度为１００２ＭＰａ，与钢轨强度相当，屈服强度为６１５ＭＰａ，比ｕ７１Ｍｎ钢轨（未淬火）要高１００ＭＰａ左右。与钢轨匹配较为理想，但比ＰＤ，钢轨（未淬火）略低，见表３。表面布氏硬度为２８３ＨＢ（ｓ１０／３０００），接近标准允许值的下限。这一结果，高于ｕ７ｌＭｎ钢轨（未淬火），低于Ｐｎ钢轨（未淬火）。因此，目前的车轮硬度与ＰＤ３钢轨的匹配有待进一步合理化。表１

车轮化学成分（％）标准要求Ｏ５５～Ｏ６５Ｏ１７一Ｏ３７０５０—０．８０≤００３５≤００４０

实际测量Ｏ６１０．３１０６８Ｏ０１４＜０瞄表２车轮力学性能

巧诹盛丽瓣蒡喜醺黼Ｒ。／ＭＰａＲＤ０２／ＭＰａＡ／％３０００３０００……标准≥９１０≥１０２６５～３２０２７０—３４ｌ≥１６实际９８５１８２７５３０

型量！Ｑ２Ｑ§！ｊ！Ｚ２２±２坠２§表３钢轨母材试验结果如ｋｇ／ｍ标准≥８８２≥４９０≥８／≥２６０尘！坐塞澍＿！塑！堕ｌ！：ｉ！！！！堡

６０ｋｇ／ｍ标准≥９８０／≥８４一１０４≥２８０曼壁塑塑查壁堂篁堡

车轮硬度小于钢轨钢轨钢轨时，车轮接触钢轨车轮磋度大于钢车轮硬度小于锢时．钢轨表面的变轨，不易打滑轨，易打滑形小，而车轮的变图１车轮与钢轨接触方式形大，车轮接触面对打滑影响被压平，见图１右。在这种情况下车轮与钢轨接触面接近平面，车轮与钢轨只能靠表面的粗糙程度来防止打滑，因此，轮一轨容易打滑。

俄罗斯在上个世纪８０年代曾经出现过车轮报废激增的现象。产生这一现象的主要原因是由于在上个世纪８０年代的中期，俄罗斯大量使用强度级别较高的Ｐ６５重型钢轨，其中７６％一８０％为全长淬火轨。这些钢轨的硬度比原来提高了２０％，甚至更多，实际测量结果为３１７ＨＢ。这样钢轨的硬度超过了车轮，使轮轨之间的粘着性下降，出现轮一轨打滑现象。

从我国钢轨使用情况看，目前较为常用的钢轨为

ｕ７ｌＭｎ，硬度≥２６０ＨＢ，实际值在２７０ＨＢ左右，比车

轮的硬度略低。但随着我国铁路提速、重载线路的发展，钢轨的强度级别不断提高。上个世纪９０年代以

后。大量推广使用强度级别较高的ＰＤ，和ＢＮｂＲＥ（抗拉

强度级别为９８０ＭＰａ）钢轨。据１９９７年的报道，路网

主要干线以及高速铁路，将使用抗拉强度在９００Ｍｎ～

１１００ＭＰａ的高强度钢轨。从２００３年开始，铁道部运输局已停止采购强度级别较低的ｕ７４钢轨，预计在今后的几年，ＰＤ，和ＢＮｂＲＥ钢轨的使用将会进一步增

加。ＰＤ，和ＢＮｂＲＥ的硬度在２８０ＨＢ以上，实际测量结

果硬度在３００ＨＢ左右，耐磨性明显优于ｕ７４和ｕ７１Ｍｎ

钢轨。在这种情况下，车轮的硬度已经低于钢轨．与使

用ｕ７４和ｕ７１Ｍｎ相比较，容易出现打滑现象。而随着Ｐｎ和ＢＮｂＲＥ钢轨的进一步普及，目前车轮一钢轨的硬度匹配很难达到最佳，车轮的打滑现象也会进一步增

■囫田目匣，ＭＡＴＥＲｔ＾ＬｓＥＮＧ｜ＮＥＥＲ｜ｗＧ，

加。由丁打滑，造成车轮的表面擦伤和剥离量增加，报废量也随之增加。上海系车辆段对１９９６年４月～１９９９年１２月的统计表明，货车轮对的主要故障是踏面的擦伤剥离，达到段修总数的５３７４％～６５９７％，并呈上升趋势，另外，车轮强度低于钢轨，会使车轮轮缘过早磨耗到限。关于打滑造成擦伤和剥离的原因，有报道认为车轮在打滑的过程中，车轮与钢轨的摩擦产生大量热量，使车轮表面局部瞬时产生高温，温度超过相变点（奥氏体转变点），然后迅速冷却，使这部分金属由于发生马氏体转变而脆化，在随后的接触应力作用下，脆性的表面出现剥离。由此可见，随着钢轨强度的不断增加，车轮的强度也应不断增加。通过实验发现，当钢轨硬度达到３５０ＨＢ时，车轮硬度从２８０｝ｌＢ提高到３５０ＨＢ～３７０ＨＢ，则车轮的磨耗可以减少１７％以上，而钢轨的磨耗几乎不变。根据俄国的研究及实验，车轮与钢轨的最佳硬度比例为１．２：１至１４：１。就目

前我国现状，对于车轮以及车轮焊补来说，要保证焊补后仍然有良好的轮轨匹配，硬度不应低于钢轨表面硬度，即不低于３００ＨＢ，这样才相对合理。值得提出的是，一些研究认为车轮和钢轨之间的打滑与各自的抗拉强度关系密切，我ｎ１认为更直接的影响应为屈服强度，因为材料的局部塑性变形形态经图１左、右比较是导致打滑产生的根本原因。当然，抗拉强度在一定程度上也可以反映耐磨性的高低，但敏感程度比屈服强度要低得多。对于车轮和钢轨这样的高强度钢，屈服强度往往无法测量，一般采用“规定非比例伸

长应力”代替屈服强度，由此，使这一指标的应用受到了较大限制。３对策随着铁路的不断发展，钢轨的硬度正在不断提高，

为此必须提高车轮硬度。目前的车轮轮辋表面硬度标准

要求是２７０ＨＢ一３４ｌＨＢ，但由于实际测量值只有２８０ＨＢ左右，接近下限。考虑到目前ＰＤ３和ＢＮｂＲｅ钢轨的硬度为３００ＨＢ左右，因此建议将车轮标准的最低硬度要求提高到３００ＨＢ以上。

目前，车轮因擦伤、剥离而报废的情况日益增加，因此应当加强该方面的研究工作，进一步加强对车轮擦

伤、剥离机理的研究，制定减少车轮擦伤、剥离的相关措施，减少车轮的伤损。

进一步加强车轮轮辋及轮缘修复方法的研究，如旋修或焊修，特别是焊修，过去我国在该方面的研究工作深度和广度都与国际水平有较大差距。通过有效的维修，可在最大范围内修复已产生缺陷的车轮。

参考文献：

ｌＴＢ／Ｔ２８１７一１９９７铁道车辆用辗钢整体车轮定货技术条件２ＴＢ／Ｔ２３４４一１９９３

４５—７５ｋ／ｍ钢轨供货技术条件