铁路车轴配合部的磨损浅谈范文

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《国外铁道车辆杂志》2016年第6期

摘要：

介绍了为确保铁路车轴的安全而采取的防止微动磨损的措施。

关键词：

铁道车辆；车轴；微动磨损；日本

1概述

铁道车辆车轴的折损直接和车辆的脱轨有关，即使在组成车辆的众多零件中，车轴也是重要的安全零件。在结构上，车轴和车轮的配合是通过压入组成紧固部分，其紧固部分由于摩擦磨损而发生一种微动磨损。本文首先说明车轴的组成和微动磨损的特征，并介绍为了确保包含高速车辆用的现用车轴的安全性而采取的微动磨损的对策。

2铁路车轴的构成

日本国内使用的车轴根据JISE4502［1－2］和JRISJ0401［3］两个标准，按其种类、材料的化学组成、机械性能、制造方法及典型的形状进行设计制造。表1列出JISE4502中第1种～第4种车轴及JRISJ0401中高频淬火车轴这5种车轴的参数概况［1－4］。表1中第1种～第4种材料的含碳量约0．4％，为中碳钢；高频淬火车轴的材料为S38C。表1中第1种～第3种根据调质处理的条件，抗拉强度依次提高。另一方面，对第4种材料的车轴和高频淬火车轴在调质处理（淬火、回火）后，施行了高频淬火。这其中，高频淬火车轴适合新干线车轴使用。另外，其他用途有动轴和从动轴。动轴是用于动力转向架等传递电机等的回转驱动力的轴；从动轴用于货车转向架等的从动转向架，是本身不承担驱动力的轴。图1为在新干线用车轴，动轴的形状及轮轴进行组装的结构［4］。在车轴上，设有轴承座、车轮座（轮座）、变速箱座。各自压入轴承、车轮、齿轮。车轮的过盈量（车轴轮座直径和车轮孔径的差）在没有订货者指定时，过盈量比（过盈量与轴直径之比）按标准为1．4／1000，最大为1．5／1000进行管理［5］。由此，伴随着车轮等被压入零件的接触面压力约为50MPa～70MPa。图2为作用于轮轴的外力［6］。据此，假如将每1根轴的车辆质量设定为W，那么，车轴受到源于车辆质量和转矩的平衡，在轴承座上产生垂向力（图2中W／2、Q0），同时受到由钢轨的反力产生的垂向力（图2中W／2，R0），乃至车轮和钢轨接触，在横向产生的力（图2中的横压P）。这时的车轴变成典型的旋转弯曲应力状态。

3车轴配合部产生的微动磨损

所谓微动磨损是指在接触部反复产生滑动状态。假如微动磨损长时间持续，成为摩擦锈斑的茶褐色的磨损粉末就堆积在接触面上，其中一部分由接触部排除的现象称为微动磨损腐蚀。由微动磨损引起磨损的进行，导致疲劳强度的降低，由此将这种磨损称为微动磨损（微动磨损的磨耗、疲劳）。在空载状态下，车轴的压入部与车轮等的被压入件类似完全一体化状态，假如像图2那样受到旋转弯曲负载，像图3那样，压入件又不能完全追随车轴的变形，这样，在压入端附近，由于产生变形差引起微小相对滑动。为此，在车轮配合部，特别是其压入端附近，就构成不能避免的微动磨损状态。图4为产生微动磨损部位的光学显微镜照片。这是对实物大小的车轴进行疲劳试验后，用抛光轮研磨除去微动磨损腐蚀后观察到的图像。确认有微小的凹凸、坑穴、磨损粉末的堆积及微小的裂纹。

4车轴微动磨损的对策

前面所述的车轴，表明配合部的微动磨损在结构上是不可避免的。本节介绍为了确保车轴安全而采取的防止微动磨损的措施。

4．1表面硬化处理

如第2节所述，新干线车辆使用的车轴由于承受大的负载，所以必须对微动磨损采取防范措施，可以通过高频淬火表面硬化处理加以解决。图5（a）为车轴高频淬火的范围［3］，图5（b）为高频淬火工艺的模式图［7－8］。在这样的车轴表面，除了配合部的轮轴中央部之外，都要全面进行高频淬火。这里，在轮座的轴端侧为固定淬火，平行部为移动淬火。它们的高频淬火方式有所不同。在轮座中央部的非高频淬火部（见图3），由于车轮的内面和车轴的表面紧固，发生的应力非常小，所以没有强度上的问题。图6为通过高频淬火，工件发生硬化层后，在压入端附近的维氏硬度和轴向残余应力的分布［7－8］。由此可知，表面硬度为HV550左右，有效硬化层深度（超过HV400的区域）为2．5mm～4．5mm。另外，表面残余压缩应力为－600MPa左右，残余应力由压缩反转到拉伸的深度为10mm～20mm。这样，在高频淬火区域，由于硬度上升和产生大的压缩残余应力，因而得到良好的具有耐微动磨损的特性。特别是残余压缩应力，由于不会使零件发生微动磨损疲劳裂纹的开口，所以具有抑制裂纹扩展的良好效果。图7为表面残余应力和由于微动磨损发生疲劳极限的关系。图7以各种直径的小型压入轴到实物大小的压配车轴为对象，将裂纹发生的疲劳极限σw1、裂纹扩展终止极限即断裂疲劳极限σw2绘在同一张图中。对于σw2，因为轴径和残余应力分布的不同而有离差，其压缩残余应力越大时，离差越大。另一方面，σw1比σw2低，所以几乎不受残余应力的影响。在这里，表明在σw2比σw1格外高时，通过前述残余压缩应力的作用，就具有抑制裂纹扩展的效果。

4．2配合形状

在微动磨损疲劳中，配合部压入端的形状也有很大的影响，作为表示同部形状的主要参数，有图8所示的阶梯直径比D／d和外伸量δ。阶梯直径比是配合部直径D和非配合部直径d的比，外伸量δ是被配合物端部比配合部端部外伸的长度。图9为阶梯直径比D／d和外伸量δ对小型压入轴疲劳强度的影响［10－12］。图9中，虽然对σw2、σw1能发生磁粉裂纹（σw1，mag）和能确认光显水平的微细裂纹（σw1，mic）进行了区别评价，但大体显示有基本相同的倾向。由图9可知，D／d在1．1以上，δ在正向侧，即采用外伸的形状就能获得高的疲劳强度。这种形状的影响，考虑是由于应力集中、接触面压力的分布，以及相对滑动量变化影响的结果。由于这种影响不能完全分离，所以通过降低应力集中和相对滑动，就能取得提高疲劳强度的效果。在新干线车轴中，如前所述，施行高频淬火，在D／d值增大有困难时，采用外伸形状。

4．3强度设计

车轴的强度设计按照JISE4501［6］的规定。根据这个规定，并按第2节的说明，评估作用于车轴的弯矩，由此算出车轴各部位发生的名义应力，在不超过容许应力的条件下决定形状。在这里，车轴的弯矩来自静态垂向力，车辆运行时垂直振动的动态垂向力，以及通过曲线运行时，作用于车辆的指向于曲线外侧水平方向的惯性力。为此，车辆的运行速度越高，弯矩越大，对新干线来说，要求对轨道的维护要比既有线更好。由于曲线半径大，所以，虽然速度高，但弯矩没有显著增大［13］。但是，尽管有这样的考虑，但由于新干线比既有线的车辆高速化程度更高，所以设计上要设想有大的弯曲力矩作用在车轴上。为此，新干线车辆就要采用高频淬火车轴，在其现行的规格中，采用4．2节说明的有效果的外伸形状。高频淬火车轴对应于非高频淬火或淬火回火的车轴，由于疲劳强度提高，设计使用的疲劳极限，即设计容许应力也相应增大。图10为车轴疲劳极限和设计容许应力的关系。图10中的疲劳极限是根据以前小松［14］、田中等［15］、本松等［16］采用实物大小车轴进行疲劳试验获得的数据。在这里，非高频淬火车轴的疲劳极限（σw2）相对比设计容许应力低若干或大体相等。在高频淬火车轴中（图10中第4种SFAQ），假如疲劳极限（σw2和σw1，mag）在177MPa以上，则大大超过设计容许应力147MPa的水平。现实状况是由于受试验机负载容量的制约，对于疲劳试验现行规格的高频淬火车轴来说，由于不能适时反映断裂时的真实磁粉裂纹，因此不能把握真实的极限。但是，从设计容许应力和实际的疲劳极限的比较来看，高频淬火车轴在强度裕量方面相对要大。

4．4维修检查

到前节为止，说明了由制造方根据设计、制造考虑抑制微动磨损的措施，但铁路工作者通过采取维修检查应对微动磨损的措施也是不可缺少的。铁道车辆使用中要接受轮换检查、转向架检查、全面检查3种定期维修检查。其中，新干线车辆的轮换检查是对每行车3万km或30日进行的检查，具体是对车轴进行超声波探伤。转向架检查是对每行车60万km或18个月进行。全面检查则是在转向架检查间隔的2次中进行1次。在转向架检查或全面检查中，要适时从车轴上拆下车轮，针对车轴进行磁粉探伤。用磁粉探伤确认损伤，即使研磨到0．15mm时，假如确认有残存磁粉、擦伤、熔粘、变速箱轴承的潜移、车轮拔出时的咬伤等，就要更换和废弃该车轴。当然，应用上述维修检查方法，即检查间隔和更换标准，都远比既有线上严格。

5新干线车轴的使用实绩

图11为在维修检查中，以磁粉裂纹为由决定更换车轴（车轴更换率）在各年度的变化［8］。1975年，车轴更换率超过5％。到20世纪80年代中期，呈单边减少。1989年以后更低。1990年以后，大体维持在0％。现在更换率也经常为零。这期间，由于高频淬火条件的改变［17］、外伸化等制造方面的改进［11－12］，在1985年以后，车轴已完全改换成现行的规格。再者，通过轨道整顿带来的应力降低，终于取得上述极为良好的使用实绩。这样的新干线车轴，通过制造、设计、维修各方面采取应对微动磨损的措施，已完全能够确保其长年运行的安全性。作为最近的动向，新干线车辆由于进一步的高速化和曲线通过速度的提高等，车轴的使用条件也在不断变化。另一方面，如前所述，通过磁粉裂纹决定更换的车轴已经没有，对应于此，强烈期望维修检查的高效化。在这种情况下，即使现在也在继续进行各种探讨。例如，由作者一人进行的在实际工作负载下探讨的微动磨损疲劳裂纹发生的寿命评价［18－19］；利用破坏力学探讨的微动磨损疲劳强度的预测［20－21］；由石等导入人工裂纹探讨的对车轴疲劳强度的评价［22－23］；由YOHSO、MAKINO等进行的车轴超声波探伤的高精度化、高效率化的探讨［24－25］等。这些研究成果期望能在近期反映在车轴的设计、制造、维修各个方面。

6结束语

以铁道车辆车轴为对象，介绍了其紧固部产生的摩擦磨损中的一种微动磨损，以及防范新干线高速车辆车轴微动磨损的措施。作为设计、制造方面的措施，有利用高频淬火有效降低压缩残余应力的方法，还有对配合部采用外伸形状的方法。作为维修方面的措施，有定期实施超声波探伤和磁粉探伤的方法。采取这些措施的结果，现在已能使微动磨损通过磁粉探伤，将车轴的更换率降到零。这样，新干线车轴通过制造、设计、维修等方面采取的防范微动磨损的措施，可以说已做到能确保其长年运行的可靠性。

参考文献：

［1］日本工业规格JISE4502－1（2001）［S］．

［2］日本工业规格JISE4502－2（2001）［S］．

［3］日本!道车辆工业仝规格JRISJ0401（2007）［S］．

［4］日本材料仝编．初心者のための疲)设计讲习仝［C］．日本材料仝（2003）．

作者:牧野泰三 单位:日本