浅谈铁道车辆车轴

周廷琰 2015年7月20日浏览：13244 收藏：1

车轴承受静载荷、动载荷和制动附加载荷,以弯曲变形为主。由于转动,使得车轴不停地承受拉伸、压缩应力。车轴的失效形式主要是疲劳破损,尺寸到限也是报废的原因。车轴疲劳属高周疲劳,其疲劳寿命与循环应力幅值、次数和材质的性能有关。本文仅就车轴失效机理及对策谈一点粗浅看法,并简单介绍我国车轴的强度设计方法及车轴的演变过程。

1 车轴疲劳破坏机理和对策

1.1 机理

由于金属各个晶粒位向不同,并存在位错、夹杂等微观与宏观缺陷,在低于材料屈服强度的循环应力作用下,最不利的薄弱晶粒或夹杂等缺陷处会萌生裂纹,经裂纹扩展阶段直至失稳断裂。由于铁道车辆车轴表面应力高,表面晶粒受的约束少、易滑移,表面易腐蚀, 表面上可能有加工痕迹或伤痕使其疲劳强度降低,因而疲劳裂纹在表面萌生并逐渐向内部扩展。车轴存在所谓微动磨损或称为摩擦腐蚀现象。所谓微动磨损是指当车轴上组装车轮、轴承、制动盘等零件时,在承载并转动的情况下,由于车轴不停地产生拉压变形,与过盈配合在车轴上的零件表面间发生相对滑移现象,不断地滑移摩擦会使车轴产生微小的疲劳裂纹。

目前,车轴疲劳强度相对薄弱的部位包括:(1)因微动磨损及密封不良导致腐蚀处及加工不良的轴颈后部卸荷槽处;(2)与车轮、制动盘产生微动磨损的轮座、盘座内外侧边缘;(3)各不同直径过渡处。

1.2 对策

(1)采用合理的形状与尺寸,根据理论和经验确定足够疲劳强度的断面直径。为减轻车轴与车轮、制动盘过盈配合引起的微动磨损,车轴轮座、制动盘座与轴身过渡处的断面阶梯比取1112~1115时疲劳强度最好,过渡处应选择合适曲率的曲线连接。车轴与车轮、制动盘突悬组装,并应确保在有关尺寸到达检修限度和公差处于最不利组合时仍有突悬量。尽量缩短轴颈长度,提高轴颈的强度和刚度,减少轴颈弯曲变形,以减轻微动磨损。

(2)选择疲劳强度高的车轴材质,提高车轴钢冶炼、热处理工艺水平,减少夹杂物,细化晶粒,降低疲劳裂纹萌生的机会。车轴表面要进行强化处理(感应淬火、强化辊压、化学处理等),以提高其表面硬度和残余压应力,防止裂纹萌生和扩展。此外,还应提高车轴表面的粗糙度等级。

(3)加强表面防护,包括对机械损伤和腐蚀的防护,这对延长车轴寿命很重要。

2 车轴形式尺寸设计

车轴是关系到运输安全的重要零件,一旦车轴折断造成脱轨翻车,损失会很惨重,因此绝不允许发生此类事件。

如前所述,疲劳破坏历经裂纹萌生、裂纹扩展直到脆性折断3个阶段。从概率的角度看,制造缺陷(包括微观的金相组织不良,宏观的刀痕、划伤等)、腐蚀、微动磨损、超偏载(包括日常的违章超载和出现非常状态时允许的超载)和车轮踏面剥离擦伤不圆造成的过大应力幅值以及不利因素的组合是不可能杜绝的,也就是说疲劳裂纹的萌生不能绝对避免。

车轴设计应在确保可靠性、降低寿命周期成本的前提下考虑减轻车轴质量。

设计车轴时,首先必须明确诸如轴重、速度、车辆重心高度、制动方式、制动力大小、轴颈中心距、轴承类型、车轴材质特性(疲劳许用应力)等数据。

目前,国内外已作为标准的车轴强度计算方法有TB/T2705)19965车辆车轴设计与强度计算方法6、日本标准JISE4501)19955铁道车辆车轴强度设计方法6和欧洲标准EN131035铁路应用)轮对和转向架)非动力车轴)设计方法6。这3种方法都是按照材料力学的梁理论,分别给出假定的车轴受力工况(有关系数经试验测试确定),根据由试验(与给定的载荷有关)和经验确定的疲劳许用应力计算出断面直径,依照相关参数确定长度尺寸。这3种方法都属于无限寿命设计。我国铁路车轴一般根据这些标准进行设计。

车轴设计还必须考虑运用经验,应针对已有车轴易出现故障的部位,使新设计的车轴避免存在强度薄弱环节。例如,我国货车原来的主型轴(RD2型车轴)的故障基本出现在轴颈后部卸荷槽处,其原因主要是腐蚀和加工不良,新设计车轴时采取了缩短轴颈长度、减少摩擦腐蚀和取消卸荷槽等相应对策。

在确定尺寸时,还需对比国外同类车轴的尺寸,考虑其材质和质量水平、车辆利用率的差别。在设计货车车轴时,因我国铁路货车比AAR货车利用率高,因而其强度应不低于AAR同类车轴。要采用标准中推荐的形状,例如不同断面间过渡圆弧尺寸、阶梯比、配合部突悬量等。车轴的形位公差、粗糙度等尽量与国际先进标准看齐,但也应考虑到国内制造过程的特点和习惯。

国内外发表过不少论述车轴疲劳寿命计算方法的文章。在进行车轴疲劳寿命计算时,首先要测定车轴载荷谱,再根据试验得到的材料的疲劳曲线计算车轴寿命。目前对载荷谱和S-N曲线的选用还有待进一步研究。作为关系到铁路行车安全的重要零件,有限寿命的载荷谱法在车轴设计上尚未被广泛采用(仅作为参考)。随着计算机的发展,有限元分析已广泛用于设计计算(尤其适用于形状复杂的情况),利用有限元法计算车轴也有报道,但国内外都还没有将其上升为标准。

3 车轴的制造和检修运用

TB/T451)19965车辆和煤水车用车轴技术条件6和TB/T2945)19995铁道车辆用LZ50钢车轴及钢坯技术条件6中规定了LZ钢(通称为40钢)和LZW钢(通称为50钢)的技术要求。20世纪90年代后期,我国车轴采用了与AAR中规定的F类钢等同的LZW钢。该钢种经2次正火,强度比LI钢高。我国标准没有明确规定LI钢、LZW钢的疲劳强度。

车轴钢坯的化学成分应在规定范围内,其金属夹杂物和晶粒度必须得到严格控制。我国主要车轴不进行淬火或表面感应硬化处理,因而正火工艺必须掌握好。

车轴设计计算的前提是必须做好针对腐蚀和机械损伤的防护。我国标准对车轴防护要求都很简单,欧洲标准EN132615铁路应用)轮对和转向架)车轴)品质要求6中有关防护的要求很严格。最近修订的EN13103:2009规定,当不能确保寿命期中防护有效时,要增加113的安全系数。与国外相比,目前国内车轴的防护还有差距,有待改进。

车轴的破坏是疲劳问题,其可靠性不只取决于强度设计、产品质量,还与使用环境密切相关。防止运用中超偏载并及时处理车轮踏面擦伤、剥离、不圆等缺陷,对保证车轴的运用安全很重要。

如前所述,从概率的观点看,完全杜绝车轴疲劳裂纹的萌生是不现实的,因而超声波探伤和磁粉探伤是保证车轴可靠性的必不可少的措施,应进一步提高探伤灵敏度与探伤人员的技术水平。

车轴失效的原因不完全是疲劳,实际上相当一部分车轴是因为尺寸到限报废的。除因疲劳裂纹进行旋修使尺寸减小外,拆卸车轮、轴承时损伤轮座及轴颈,为重新配合进行加修也是直径缩小的原因。所以,为延长车轴寿命,应提高退卸、组装车轮和轴承的工艺水平,防止伤损车轴,并尽量减少拆装次数。

4 我国车轴形式尺寸的演变

解放前我国工业落后,铁道车辆从国外进口,车轴种类繁多。解放初期,5轮轴手册6规定的车轴有A、B、B1、B2、C、C1、C2、D、加强D、E等多种形式。我国第1个车轴形式尺寸标准是TB450)635车辆用车轴形式尺寸6,该标准中仅规定了使用滑动轴承的B、C、D、E型车轴。该型车轴轮座尺寸小,轴身为从轮座内侧直接延伸的锥形(锻制状态不机加工),车轴疲劳强度低,车轴断裂故障和事故较多。20世纪70年代后期修订了车轴标准,将当时的滚动轴承车轴RB2、RC2、RD2、RE2、RC3、RD3和专门用于轴端驱动发电机的带有加长部分的RC4、RD4型车轴纳入其中,并根据疲劳理论重新设计了车轴。新车轴加大了轮座和轴身直径,轮座突起,与轴身间用R75mm的圆弧过渡,轴身由圆锥形改为圆柱形,轴身表面由原来的黑皮改为机加工,轴端由大螺纹改为3个螺孔。但限于当时的轴承尺寸,轴颈部分没有改动。标准号为TB/T450)79(暂行)和TB/T450)83。

20世纪60年代后期,我国开始推行货车滚动轴承化,选用AAR通用的无轴箱密封式双列圆锥轴承。美国铁路是私有的,50年代开始滚动轴承化时美国货车数量庞大,AAR考虑车主的意见,要求使用的滚动轴承必须适合已有转向架(当时有相当数量的类似我国转3型转向架的整体侧架转向架)和原滑动轴承车轴的改制。检修后的滑动车轴轴颈长,为适应这种要求,设计了无轴箱、密封式(带密封座以适应车轴轴颈长度要求)轴承。这种轴承方便制造、检修、存放的优点被用户认可,很快在世界铁路货车上得到广泛应用。1972年由日本光洋公司为我国设计的197726、197720型轴承的结构与AAR当时使用的轴承结构相同。为适应这类轴承,RD2型车轴轴颈中心到轴肩距离定为125mm,RE2型车轴定为135mm。为满足轴颈尺寸、精度和粗糙度的要求,必须采用磨削加工,但当时我国没有可以切入磨削的机床,为适应纵向进给磨削时砂轮退刀,允许在轴颈根部加工出卸荷槽。

上述轴承和轴颈形式尺寸存在的弊病主要是:(1)轴颈长,车轴承载后弯曲变形大,车轴转动中不停地出现较大的拉压变形,不但恶化了轴承的工作环境,还会使轴承内圈、密封座和后挡间不断产生相对位移,发生微动磨损,磨损产生的颗粒混入润滑脂中,造成轴颈后部锈蚀;(2)载荷中心到轴肩距离长,轴颈根部弯矩大,对车轴强度不利;(3)当时卸荷槽一般是手工进刀,尺寸、粗糙度达不到要求。

由于以上原因,再加上密封不良,致使个别RD2型车轴轴颈后部卸荷槽处出现裂纹,甚至发生冷切。1998年设计了轴重25t的RE2A型车轴,将其轴颈中心距由RE2型车轴的1956mm改为1981mm,以方便转向架设计,并与AAR的E轴一致。因受限于轴承密封结构,仅将轴颈中心到轴肩的距离由RE2型车轴的135mm缩短到125mm。原GB12814)20025车辆车轴基本形式尺寸6(现标准号改为TB/T3169)2007)的图样中为减少轮座处的微动磨损,采用了突悬形式。2007年,为解决RD2型车轴轴颈出现的问题,铁道部要求各厂段添置切入(成型)磨削设备,修改RD2型车轴图样,改进了轴颈后部形状。

AAR也发现了沿用多年的轴承、车轴的弊病,设计出适应短轴颈的紧凑型轴承,其车轴也进行了相应的改动,分别将其重载用E、F、G轴的轴颈中心到轴肩的距离缩短,并定名为L、K、M轴,且提高了K轴的轴重。

21世纪初,我国开发了紧凑型轴承,新设计的RE2B型车轴轴颈中心到轴肩的距离进一步缩短到110mm,轴颈根部为R40mm圆弧,不设卸荷槽。

笔者对RE2B、RD2、AARE、AARL型车轴的轴颈、轮座静强度进行了计算,计算结果见表1。