鐵路車軸配合部的磨損淺談范文
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《國外鐵道車輛雜志》2016年第6期
摘要：
關(guān)鍵詞：
鐵道車輛；車軸；微動磨損；日本
1概述
鐵道車輛車軸的折損直接和車輛的脫軌有關(guān)，即使在組成車輛的眾多零件中，車軸也是重要的安全零件。在結(jié)構(gòu)上，車軸和車輪的配合是通過壓入組成緊固部分，其緊固部分由于摩擦磨損而發(fā)生一種微動磨損。本文首先說明車軸的組成和微動磨損的特征，并介紹為了確保包含高速車輛用的現(xiàn)用車軸的安全性而采取的微動磨損的對策。
2鐵路車軸的構(gòu)成
日本國內(nèi)使用的車軸根據(jù)JISE4502［1－2］和JRISJ0401［3］兩個標準，按其種類、材料的化學組成、機械性能、制造方法及典型的形狀進行設(shè)計制造。表1列出JISE4502中第1種～第4種車軸及JRISJ0401中高頻淬火車軸這5種車軸的參數(shù)概況［1－4］。表1中第1種～第4種材料的含碳量約0．4％，為中碳鋼；高頻淬火車軸的材料為S38C。表1中第1種～第3種根據(jù)調(diào)質(zhì)處理的條件，抗拉強度依次提高。另一方面，對第4種材料的車軸和高頻淬火車軸在調(diào)質(zhì)處理（淬火、回火）后，施行了高頻淬火。這其中，高頻淬火車軸適合新干線車軸使用。另外，其他用途有動軸和從動軸。動軸是用于動力轉(zhuǎn)向架等傳遞電機等的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力的軸；從動軸用于貨車轉(zhuǎn)向架等的從動轉(zhuǎn)向架，是本身不承擔驅(qū)動力的軸。圖1為在新干線用車軸，動軸的形狀及輪軸進行組裝的結(jié)構(gòu)［4］。在車軸上，設(shè)有軸承座、車輪座（輪座）、變速箱座。各自壓入軸承、車輪、齒輪。車輪的過盈量（車軸輪座直徑和車輪孔徑的差）在沒有訂貨者指定時，過盈量比（過盈量與軸直徑之比）按標準為1．4／1000，最大為1．5／1000進行管理［5］。由此，伴隨著車輪等被壓入零件的接觸面壓力約為50MPa～70MPa。圖2為作用于輪軸的外力［6］。據(jù)此，假如將每1根軸的車輛質(zhì)量設(shè)定為W，那么，車軸受到源于車輛質(zhì)量和轉(zhuǎn)矩的平衡，在軸承座上產(chǎn)生垂向力（圖2中W／2、Q0），同時受到由鋼軌的反力產(chǎn)生的垂向力（圖2中W／2，R0），乃至車輪和鋼軌接觸，在橫向產(chǎn)生的力（圖2中的橫壓P）。這時的車軸變成典型的旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力狀態(tài)。
3車軸配合部產(chǎn)生的微動磨損
所謂微動磨損是指在接觸部反復產(chǎn)生滑動狀態(tài)。假如微動磨損長時間持續(xù)，成為摩擦銹斑的茶褐色的磨損粉末就堆積在接觸面上，其中一部分由接觸部排除的現(xiàn)象稱為微動磨損腐蝕。由微動磨損引起磨損的進行，導致疲勞強度的降低，由此將這種磨損稱為微動磨損（微動磨損的磨耗、疲勞）。在空載狀態(tài)下，車軸的壓入部與車輪等的被壓入件類似完全一體化狀態(tài)，假如像圖2那樣受到旋轉(zhuǎn)彎曲負載，像圖3那樣，壓入件又不能完全追隨車軸的變形，這樣，在壓入端附近，由于產(chǎn)生變形差引起微小相對滑動。為此，在車輪配合部，特別是其壓入端附近，就構(gòu)成不能避免的微動磨損狀態(tài)。圖4為產(chǎn)生微動磨損部位的光學顯微鏡照片。這是對實物大小的車軸進行疲勞試驗后，用拋光輪研磨除去微動磨損腐蝕后觀察到的圖像。確認有微小的凹凸、坑穴、磨損粉末的堆積及微小的裂紋。
4車軸微動磨損的對策
前面所述的車軸，表明配合部的微動磨損在結(jié)構(gòu)上是不可避免的。本節(jié)介紹為了確保車軸安全而采取的防止微動磨損的措施。
4．1表面硬化處理
如第2節(jié)所述，新干線車輛使用的車軸由于承受大的負載，所以必須對微動磨損采取防范措施，可以通過高頻淬火表面硬化處理加以解決。圖5（a）為車軸高頻淬火的范圍［3］，圖5（b）為高頻淬火工藝的模式圖［7－8］。在這樣的車軸表面，除了配合部的輪軸中央部之外，都要全面進行高頻淬火。這里，在輪座的軸端側(cè)為固定淬火，平行部為移動淬火。它們的高頻淬火方式有所不同。在輪座中央部的非高頻淬火部（見圖3），由于車輪的內(nèi)面和車軸的表面緊固，發(fā)生的應(yīng)力非常小，所以沒有強度上的問題。圖6為通過高頻淬火，工件發(fā)生硬化層后，在壓入端附近的維氏硬度和軸向殘余應(yīng)力的分布［7－8］。由此可知，表面硬度為HV550左右，有效硬化層深度（超過HV400的區(qū)域）為2．5mm～4．5mm。另外，表面殘余壓縮應(yīng)力為－600MPa左右，殘余應(yīng)力由壓縮反轉(zhuǎn)到拉伸的深度為10mm～20mm。這樣，在高頻淬火區(qū)域，由于硬度上升和產(chǎn)生大的壓縮殘余應(yīng)力，因而得到良好的具有耐微動磨損的特性。特別是殘余壓縮應(yīng)力，由于不會使零件發(fā)生微動磨損疲勞裂紋的開口，所以具有抑制裂紋擴展的良好效果。圖7為表面殘余應(yīng)力和由于微動磨損發(fā)生疲勞極限的關(guān)系。圖7以各種直徑的小型壓入軸到實物大小的壓配車軸為對象，將裂紋發(fā)生的疲勞極限σw1、裂紋擴展終止極限即斷裂疲勞極限σw2繪在同一張圖中。對于σw2，因為軸徑和殘余應(yīng)力分布的不同而有離差，其壓縮殘余應(yīng)力越大時，離差越大。另一方面，σw1比σw2低，所以幾乎不受殘余應(yīng)力的影響。在這里，表明在σw2比σw1格外高時，通過前述殘余壓縮應(yīng)力的作用，就具有抑制裂紋擴展的效果。
4．2配合形狀
在微動磨損疲勞中，配合部壓入端的形狀也有很大的影響，作為表示同部形狀的主要參數(shù)，有圖8所示的階梯直徑比D／d和外伸量δ。階梯直徑比是配合部直徑D和非配合部直徑d的比，外伸量δ是被配合物端部比配合部端部外伸的長度。圖9為階梯直徑比D／d和外伸量δ對小型壓入軸疲勞強度的影響［10－12］。圖9中，雖然對σw2、σw1能發(fā)生磁粉裂紋（σw1，mag）和能確認光顯水平的微細裂紋（σw1，mic）進行了區(qū)別評價，但大體顯示有基本相同的傾向。由圖9可知，D／d在1．1以上，δ在正向側(cè)，即采用外伸的形狀就能獲得高的疲勞強度。這種形狀的影響，考慮是由于應(yīng)力集中、接觸面壓力的分布，以及相對滑動量變化影響的結(jié)果。由于這種影響不能完全分離，所以通過降低應(yīng)力集中和相對滑動，就能取得提高疲勞強度的效果。在新干線車軸中，如前所述，施行高頻淬火，在D／d值增大有困難時，采用外伸形狀。
4．3強度設(shè)計
車軸的強度設(shè)計按照JISE4501［6］的規(guī)定。根據(jù)這個規(guī)定，并按第2節(jié)的說明，評估作用于車軸的彎矩，由此算出車軸各部位發(fā)生的名義應(yīng)力，在不超過容許應(yīng)力的條件下決定形狀。在這里，車軸的彎矩來自靜態(tài)垂向力，車輛運行時垂直振動的動態(tài)垂向力，以及通過曲線運行時，作用于車輛的指向于曲線外側(cè)水平方向的慣性力。為此，車輛的運行速度越高，彎矩越大，對新干線來說，要求對軌道的維護要比既有線更好。由于曲線半徑大，所以，雖然速度高，但彎矩沒有顯著增大［13］。但是，盡管有這樣的考慮，但由于新干線比既有線的車輛高速化程度更高，所以設(shè)計上要設(shè)想有大的彎曲力矩作用在車軸上。為此，新干線車輛就要采用高頻淬火車軸，在其現(xiàn)行的規(guī)格中，采用4．2節(jié)說明的有效果的外伸形狀。高頻淬火車軸對應(yīng)于非高頻淬火或淬火回火的車軸，由于疲勞強度提高，設(shè)計使用的疲勞極限，即設(shè)計容許應(yīng)力也相應(yīng)增大。圖10為車軸疲勞極限和設(shè)計容許應(yīng)力的關(guān)系。圖10中的疲勞極限是根據(jù)以前小松［14］、田中等［15］、本松等［16］采用實物大小車軸進行疲勞試驗獲得的數(shù)據(jù)。在這里，非高頻淬火車軸的疲勞極限（σw2）相對比設(shè)計容許應(yīng)力低若干或大體相等。在高頻淬火車軸中（圖10中第4種SFAQ），假如疲勞極限（σw2和σw1，mag）在177MPa以上，則大大超過設(shè)計容許應(yīng)力147MPa的水平。現(xiàn)實狀況是由于受試驗機負載容量的制約，對于疲勞試驗現(xiàn)行規(guī)格的高頻淬火車軸來說，由于不能適時反映斷裂時的真實磁粉裂紋，因此不能把握真實的極限。但是，從設(shè)計容許應(yīng)力和實際的疲勞極限的比較來看，高頻淬火車軸在強度裕量方面相對要大。
4．4維修檢查
到前節(jié)為止，說明了由制造方根據(jù)設(shè)計、制造考慮抑制微動磨損的措施，但鐵路工作者通過采取維修檢查應(yīng)對微動磨損的措施也是不可缺少的。鐵道車輛使用中要接受輪換檢查、轉(zhuǎn)向架檢查、全面檢查3種定期維修檢查。其中，新干線車輛的輪換檢查是對每行車3萬km或30日進行的檢查，具體是對車軸進行超聲波探傷。轉(zhuǎn)向架檢查是對每行車60萬km或18個月進行。全面檢查則是在轉(zhuǎn)向架檢查間隔的2次中進行1次。在轉(zhuǎn)向架檢查或全面檢查中，要適時從車軸上拆下車輪，針對車軸進行磁粉探傷。用磁粉探傷確認損傷，即使研磨到0．15mm時，假如確認有殘存磁粉、擦傷、熔粘、變速箱軸承的潛移、車輪拔出時的咬傷等，就要更換和廢棄該車軸。當然，應(yīng)用上述維修檢查方法，即檢查間隔和更換標準，都遠比既有線上嚴格。
5新干線車軸的使用實績
圖11為在維修檢查中，以磁粉裂紋為由決定更換車軸（車軸更換率）在各年度的變化［8］。1975年，車軸更換率超過5％。到20世紀80年代中期，呈單邊減少。1989年以后更低。1990年以后，大體維持在0％。現(xiàn)在更換率也經(jīng)常為零。這期間，由于高頻淬火條件的改變［17］、外伸化等制造方面的改進［11－12］，在1985年以后，車軸已完全改換成現(xiàn)行的規(guī)格。再者，通過軌道整頓帶來的應(yīng)力降低，終于取得上述極為良好的使用實績。這樣的新干線車軸，通過制造、設(shè)計、維修各方面采取應(yīng)對微動磨損的措施，已完全能夠確保其長年運行的安全性。作為最近的動向，新干線車輛由于進一步的高速化和曲線通過速度的提高等，車軸的使用條件也在不斷變化。另一方面，如前所述，通過磁粉裂紋決定更換的車軸已經(jīng)沒有，對應(yīng)于此，強烈期望維修檢查的高效化。在這種情況下，即使現(xiàn)在也在繼續(xù)進行各種探討。例如，由作者一人進行的在實際工作負載下探討的微動磨損疲勞裂紋發(fā)生的壽命評價［18－19］；利用破壞力學探討的微動磨損疲勞強度的預測［20－21］；由石等導入人工裂紋探討的對車軸疲勞強度的評價［22－23］；由YOHSO、MAKINO等進行的車軸超聲波探傷的高精度化、高效率化的探討［24－25］等。這些研究成果期望能在近期反映在車軸的設(shè)計、制造、維修各個方面。
6結(jié)束語
以鐵道車輛車軸為對象，介紹了其緊固部產(chǎn)生的摩擦磨損中的一種微動磨損，以及防范新干線高速車輛車軸微動磨損的措施。作為設(shè)計、制造方面的措施，有利用高頻淬火有效降低壓縮殘余應(yīng)力的方法，還有對配合部采用外伸形狀的方法。作為維修方面的措施，有定期實施超聲波探傷和磁粉探傷的方法。采取這些措施的結(jié)果，現(xiàn)在已能使微動磨損通過磁粉探傷，將車軸的更換率降到零。這樣，新干線車軸通過制造、設(shè)計、維修等方面采取的防范微動磨損的措施，可以說已做到能確保其長年運行的可靠性。
參考文獻：
［1］日本工業(yè)規(guī)格JISE4502－1（2001）［S］．
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［3］日本!道車輛工業(yè)仝規(guī)格JRISJ0401（2007）［S］．
［4］日本材料仝編．初心者のための疲)設(shè)計講習仝［C］．日本材料仝（2003）．
作者:牧野泰三 單位:日本
