車軸承受靜載荷、動載荷和制動附加載荷,以彎曲變形為主。由于轉動,使得車軸不停地承受拉伸、壓縮應力。車軸的失效形式主要是疲勞破損,尺寸到限也是報廢的原因。車軸疲勞屬高周疲勞,其疲勞壽命與循環應力幅值、次數和材質的性能有關。本文僅就車軸失效機理及對策談一點粗淺看法,并簡單介紹我國車軸的強度設計方法及車軸的演變過程。 

1 車軸疲勞破壞機理和對策 

1.1 機理 

由于金屬各個晶粒位向不同,并存在位錯、夾雜等微觀與宏觀缺陷,在低于材料屈服強度的循環應力作用下,最不利的薄弱晶粒或夾雜等缺陷處會萌生裂紋,經裂紋擴展階段直至失穩斷裂。由于鐵道車輛車軸表面應力高,表面晶粒受的約束少、易滑移,表面易腐蝕, 表面上可能有加工痕跡或傷痕使其疲勞強度降低,因而疲勞裂紋在表面萌生并逐漸向內部擴展。車軸存在所謂微動磨損或稱為摩擦腐蝕現象。所謂微動磨損是指當車軸上組裝車輪、軸承、制動盤等零件時,在承載并轉動的情況下,由于車軸不停地產生拉壓變形,與過盈配合在車軸上的零件表面間發生相對滑移現象,不斷地滑移摩擦會使車軸產生微小的疲勞裂紋。 

目前,車軸疲勞強度相對薄弱的部位包括:(1)因微動磨損及密封不良導致腐蝕處及加工不良的軸頸后部卸荷槽處;(2)與車輪、制動盤產生微動磨損的輪座、盤座內外側邊緣;(3)各不同直徑過渡處。

1.2 對策 

(1)采用合理的形狀與尺寸,根據理論和經驗確定足夠疲勞強度的斷面直徑。為減輕車軸與車輪、制動盤過盈配合引起的微動磨損,車軸輪座、制動盤座與軸身過渡處的斷面階梯比取1112~1115時疲勞強度最好,過渡處應選擇合適曲率的曲線連接。車軸與車輪、制動盤突懸組裝,并應確保在有關尺寸到達檢修限度和公差處于最不利組合時仍有突懸量。盡量縮短軸頸長度,提高軸頸的強度和剛度,減少軸頸彎曲變形,以減輕微動磨損。 

(2)選擇疲勞強度高的車軸材質,提高車軸鋼冶煉、熱處理工藝水平,減少夾雜物,細化晶粒,降低疲勞裂紋萌生的機會。車軸表面要進行強化處理(感應淬火、強化輥壓、化學處理等),以提高其表面硬度和殘余壓應力,防止裂紋萌生和擴展。此外,還應提高車軸表面的粗糙度等級。 

(3)加強表面防護,包括對機械損傷和腐蝕的防護,這對延長車軸壽命很重要。 

2 車軸形式尺寸設計 

車軸是關系到運輸安全的重要零件,一旦車軸折斷造成脫軌翻車,損失會很慘重,因此絕不允許發生此類事件。 

如前所述,疲勞破壞歷經裂紋萌生、裂紋擴展直到脆性折斷3個階段。從概率的角度看,制造缺陷(包括微觀的金相組織不良,宏觀的刀痕、劃傷等)、腐蝕、微動磨損、超偏載(包括日常的違章超載和出現非常狀態時允許的超載)和車輪踏面剝離擦傷不圓造成的過大應力幅值以及不利因素的組合是不可能杜絕的,也就是說疲勞裂紋的萌生不能絕對避免。 

車軸設計應在確保可靠性、降低壽命周期成本的前提下考慮減輕車軸質量。 

設計車軸時,首先必須明確諸如軸重、速度、車輛重心高度、制動方式、制動力大小、軸頸中心距、軸承類型、車軸材質特性(疲勞許用應力)等數據。 

目前,國內外已作為標準的車軸強度計算方法有TB/T2705)19965車輛車軸設計與強度計算方法6、日本標準JISE4501)19955鐵道車輛車軸強度設計方法6和歐洲標準EN131035鐵路應用)輪對和轉向架)非動力車軸)設計方法6。這3種方法都是按照材料力學的梁理論,分別給出假定的車軸受力工況(有關系數經試驗測試確定),根據由試驗(與給定的載荷有關)和經驗確定的疲勞許用應力計算出斷面直徑,依照相關參數確定長度尺寸。這3種方法都屬于無限壽命設計。我國鐵路車軸一般根據這些標準進行設計。

車軸設計還必須考慮運用經驗,應針對已有車軸易出現故障的部位,使新設計的車軸避免存在強度薄弱環節。例如,我國貨車原來的主型軸(RD2型車軸)的故障基本出現在軸頸后部卸荷槽處,其原因主要是腐蝕和加工不良,新設計車軸時采取了縮短軸頸長度、減少摩擦腐蝕和取消卸荷槽等相應對策。 

在確定尺寸時,還需對比國外同類車軸的尺寸,考慮其材質和質量水平、車輛利用率的差別。在設計貨車車軸時,因我國鐵路貨車比AAR貨車利用率高,因而其強度應不低于AAR同類車軸。要采用標準中推薦的形狀,例如不同斷面間過渡圓弧尺寸、階梯比、配合部突懸量等。車軸的形位公差、粗糙度等盡量與國際先進標準看齊,但也應考慮到國內制造過程的特點和習慣。 

國內外發表過不少論述車軸疲勞壽命計算方法的文章。在進行車軸疲勞壽命計算時,首先要測定車軸載荷譜,再根據試驗得到的材料的疲勞曲線計算車軸壽命。目前對載荷譜和S-N曲線的選用還有待進一步研究。作為關系到鐵路行車安全的重要零件,有限壽命的載荷譜法在車軸設計上尚未被廣泛采用(僅作為參考)。隨著計算機的發展,有限元分析已廣泛用于設計計算(尤其適用于形狀復雜的情況),利用有限元法計算車軸也有報道,但國內外都還沒有將其上升為標準。 

3 車軸的制造和檢修運用 

TB/T451)19965車輛和煤水車用車軸技術條件6和TB/T2945)19995鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術條件6中規定了LZ鋼(通稱為40鋼)和LZW鋼(通稱為50鋼)的技術要求。20世紀90年代后期,我國車軸采用了與AAR中規定的F類鋼等同的LZW鋼。該鋼種經2次正火,強度比LI鋼高。我國標準沒有明確規定LI鋼、LZW鋼的疲勞強度。 

車軸鋼坯的化學成分應在規定范圍內,其金屬夾雜物和晶粒度必須得到嚴格控制。我國主要車軸不進行淬火或表面感應硬化處理,因而正火工藝必須掌握好。

車軸設計計算的前提是必須做好針對腐蝕和機械損傷的防護。我國標準對車軸防護要求都很簡單,歐洲標準EN132615鐵路應用)輪對和轉向架)車軸)品質要求6中有關防護的要求很嚴格。最近修訂的EN13103:2009規定,當不能確保壽命期中防護有效時,要增加113的安全系數。與國外相比,目前國內車軸的防護還有差距,有待改進。 

車軸的破壞是疲勞問題,其可靠性不只取決于強度設計、產品質量,還與使用環境密切相關。防止運用中超偏載并及時處理車輪踏面擦傷、剝離、不圓等缺陷,對保證車軸的運用安全很重要。 

如前所述,從概率的觀點看,完全杜絕車軸疲勞裂紋的萌生是不現實的,因而超聲波探傷和磁粉探傷是保證車軸可靠性的必不可少的措施,應進一步提高探傷靈敏度與探傷人員的技術水平。 

車軸失效的原因不完全是疲勞,實際上相當一部分車軸是因為尺寸到限報廢的。除因疲勞裂紋進行旋修使尺寸減小外,拆卸車輪、軸承時損傷輪座及軸頸,為重新配合進行加修也是直徑縮小的原因。所以,為延長車軸壽命,應提高退卸、組裝車輪和軸承的工藝水平,防止傷損車軸,并盡量減少拆裝次數。 

4 我國車軸形式尺寸的演變 

解放前我國工業落后,鐵道車輛從國外進口,車軸種類繁多。解放初期,5輪軸手冊6規定的車軸有A、B、B1、B2、C、C1、C2、D、加強D、E等多種形式。我國第1個車軸形式尺寸標準是TB450)635車輛用車軸形式尺寸6,該標準中僅規定了使用滑動軸承的B、C、D、E型車軸。該型車軸輪座尺寸小,軸身為從輪座內側直接延伸的錐形(鍛制狀態不機加工),車軸疲勞強度低,車軸斷裂故障和事故較多。20世紀70年代后期修訂了車軸標準,將當時的滾動軸承車軸RB2、RC2、RD2、RE2、RC3、RD3和專門用于軸端驅動發電機的帶有加長部分的RC4、RD4型車軸納入其中,并根據疲勞理論重新設計了車軸。新車軸加大了輪座和軸身直徑,輪座突起,與軸身間用R75mm的圓弧過渡,軸身由圓錐形改為圓柱形,軸身表面由原來的黑皮改為機加工,軸端由大螺紋改為3個螺孔。但限于當時的軸承尺寸,軸頸部分沒有改動。標準號為TB/T450)79(暫行)和TB/T450)83。 

20世紀60年代后期,我國開始推行貨車滾動軸承化,選用AAR通用的無軸箱密封式雙列圓錐軸承。美國鐵路是私有的,50年代開始滾動軸承化時美國貨車數量龐大,AAR考慮車主的意見,要求使用的滾動軸承必須適合已有轉向架(當時有相當數量的類似我國轉3型轉向架的整體側架轉向架)和原滑動軸承車軸的改制。檢修后的滑動車軸軸頸長,為適應這種要求,設計了無軸箱、密封式(帶密封座以適應車軸軸頸長度要求)軸承。這種軸承方便制造、檢修、存放的優點被用戶認可,很快在世界鐵路貨車上得到廣泛應用。1972年由日本光洋公司為我國設計的197726、197720型軸承的結構與AAR當時使用的軸承結構相同。為適應這類軸承,RD2型車軸軸頸中心到軸肩距離定為125mm,RE2型車軸定為135mm。為滿足軸頸尺寸、精度和粗糙度的要求,必須采用磨削加工,但當時我國沒有可以切入磨削的機床,為適應縱向進給磨削時砂輪退刀,允許在軸頸根部加工出卸荷槽。 

上述軸承和軸頸形式尺寸存在的弊病主要是:(1)軸頸長,車軸承載后彎曲變形大,車軸轉動中不停地出現較大的拉壓變形,不但惡化了軸承的工作環境,還會使軸承內圈、密封座和后擋間不斷產生相對位移,發生微動磨損,磨損產生的顆粒混入潤滑脂中,造成軸頸后部銹蝕;(2)載荷中心到軸肩距離長,軸頸根部彎矩大,對車軸強度不利;(3)當時卸荷槽一般是手工進刀,尺寸、粗糙度達不到要求。 

由于以上原因,再加上密封不良,致使個別RD2型車軸軸頸后部卸荷槽處出現裂紋,甚至發生冷切。1998年設計了軸重25t的RE2A型車軸,將其軸頸中心距由RE2型車軸的1956mm改為1981mm,以方便轉向架設計,并與AAR的E軸一致。因受限于軸承密封結構,僅將軸頸中心到軸肩的距離由RE2型車軸的135mm縮短到125mm。原GB12814)20025車輛車軸基本形式尺寸6(現標準號改為TB/T3169)2007)的圖樣中為減少輪座處的微動磨損,采用了突懸形式。2007年,為解決RD2型車軸軸頸出現的問題,鐵道部要求各廠段添置切入(成型)磨削設備,修改RD2型車軸圖樣,改進了軸頸后部形狀。 

AAR也發現了沿用多年的軸承、車軸的弊病,設計出適應短軸頸的緊湊型軸承,其車軸也進行了相應的改動,分別將其重載用E、F、G軸的軸頸中心到軸肩的距離縮短,并定名為L、K、M軸,且提高了K軸的軸重。 

21世紀初,我國開發了緊湊型軸承,新設計的RE2B型車軸軸頸中心到軸肩的距離進一步縮短到110mm,軸頸根部為R40mm圓弧,不設卸荷槽。

筆者對RE2B、RD2、AARE、AARL型車軸的軸頸、輪座靜強度進行了計算,計算結果見表1。

我國客車主型軸是RD3、RD3A、RD3A1型車軸,該類車軸軸頸根部也因腐蝕出現過裂紋。 

近年來,我國動車組使用了西門子、阿爾斯通、龐巴迪和日本川崎設計的空心車軸。西門子和龐巴迪車軸使用EN13261規定的EA4T車軸鋼,阿爾斯通車軸采用30NiCrMoV12鋼,川崎車軸采用日本標準JISE4502)1規定的日本國內使用的第4類鋼,其表面經感應淬火處理。 

5 發展 

為適應鐵路貨車重載提速的要求,我國設計、生產了軸重30t(按3215t計算)的RF2型車軸和用于160km/h的RD22系列車軸。此外,動車組空心車軸也正在國產化。為進一步提高車軸的可靠性,國內正在研制疲勞強度高的新車軸鋼。 

參考文獻: 

[1] TB/T2705)1996,車輛車軸設計與強度計算方法[S].

[2] JISE4501)1995,鐵道車輛車軸強度設計方法[S]. 

[3] EN13103:2009,鐵路應用)輪對和轉向架)非動力車軸)設計 方法[S]. 

[4] TB/T3169)2007,車輛車軸基本形式尺寸[S]. 

[5] 趙少汴.抗疲勞設計)方法與數據[M].北京:機械工業出版社, 1997.

作者：劉新明