长期的铁路车辆运营记录表明车轴是列车*重要的受力部件之一，轮轴是造成车辆损伤并直接与发生重大事故相联系的重要部件。随着车速的提高，将引起车轴动载荷的加大，这直接关系到动车组的行车安全，也对车轴的性能提出了更高的要求。我国已在高速列车空心车轴结构设计、工艺及疲劳设计等方面开展了一系列研究。在高铁的自主研发中，钢轨、车轮、车轴及大型型材的选材及工艺研究是其主要内容之一。
图源：网络
本文在对日本和欧洲(意大利、法国)产车轴进行剖析的基础上，对高速列车空心车轴(以下简称车轴)国产化的选材、试制开展研究。
1 选择高铁车轴
为全面、系统了解在我国高铁线路上运营车轴的优劣，并为建立我国自主的高铁车轴生产体系做知识储备，对不同材质、不同几何设计和不同运行速度的车轴进行化学成分、金相组织、常规力学性能及小试样疲劳性能和残余应力等的剖析，其中包括1根日本住友公司生产的车轴(简称日本车轴)、4根意大利lucchini公司生产的ea4t钢车轴(按意大利车轴使用级别的差异分别称为ea200-1，ea200-2，ea300和ea380车轴，统称意大利车轴)和1根法国alstom公司生产的30nicrmov12钢车轴(简称法国车轴)。
研究这些车轴的材料成分、组织结构及与其性能之间的关系，并对照日本标准jis e 4502-1《铁道车辆用车轴质量要求》、欧洲标准en13261《铁路应用-轮对和转向架-车轴-产品要求》和alstom公司的《部件技术条件》等国外的技术标准，分析国外车轴采用的工艺路线。
2 日本车轴和欧洲车轴的比较
通过对日本车轴和欧洲车轴进行详细剖析获得的数据和结论，得到了这2种车轴在材质和制造工艺等方面的综合对比结果如下。
(1)化学成分不同。日本车轴采用优质碳素钢，钢的洁净度相对较差，含有数量较多、尺寸较大的粗系夹杂;欧洲车轴分别采用优质低合金钢和中合金钢，钢的纯净度较好。
(2)加工的热处理工艺路线不同。日本车轴经轧制、锻造、正火处理后，再用机床粗加工，然后进行高频感应表面淬火和低温回火的表面处理，配合位置表面硬度高，这些加强表面处理的部位都是车轴需耐磨和抗疲劳断裂的位置;欧洲车轴则是进行轴坯整体的调质热处理。
(3)表面的硬度和拉伸强度不同。日本车轴经过了表面淬、回火处理后，在表层有3~4mm厚度的硬化层和厚4mm左右的过渡区，平均硬度达到550hv，表面拉伸强度约为1900mpa，日本车轴的表面硬度和拉伸强度显著高于调质处理后欧洲车轴表面的硬度和拉伸强度。
(4)内部的显微组织和性能不同。日本车轴内外表面的中间位置及内孔表面的显微组织和力学性能都较差，即使其拉伸和冲击性能都满足标准jise4502-1的要求，但是基体组织的硬度也仅为180hv;欧洲车轴(除ea200轴外)的内外表面中间位置均为回火马氏体和贝氏体组织，从外到内力学性能逐渐降低，但变化梯度较小。
(5)残余压应力不同。残余压应力可以有效抑制裂纹的扩展、降低裂纹扩展速率。日本车轴通过控制高频淬火工艺参数，能有效地在距表面一定深度范围内获得合适的残余压应力;欧洲车轴则需通过合适的热处理和机加工方法，才能有效地控制残余应力。
(6)热处理工艺的难易程度不同。与欧洲车轴相比，日本车轴的表面热处理工艺更难控制一些，不同型号车轴、车轴的不同部位及复杂断面形状的加工效果对工艺制度和感应器(线圈)的设计都非常敏感，且很大程度取决于经验，在生产初期或短期内可能会造成车轴的工艺及质量不稳定，需要有较长的适应期;目前我国这方面的技术储备较欠缺，而且尚不具备处理车轴的优良高频加热装备，但是我国拥有整轴的调质热处理装备，因此适合于欧洲车轴轴坯的整体调质热处理工艺路线。
(7)重量不同。由于车轴材质和表面热处理工艺的局限性，同样等级的日本车轴重量大于采用合金钢的欧洲车轴。
基于上述分析，在车轴材料的国产化起步阶段选择走合金钢的技术路线。
3 意大利和法国车轴的比较
1)化学成分
在标准en13261和alstom公司的技术要求中分别给出了意大利车轴钢(ea4t钢)和法国车轴钢(30nicrmov12钢)的化学成分要求，见表1。
由表中可见：ea4t(意)钢的合金元素含量约为3.4%，低于5%，为低合金钢;而30nicrmov12(法)钢的合金元素含量要高些，约为6%，属于中合金钢，由于其含有较多的ni和mo，其价格明显高于ea4t(意)钢，另外含ni越高，机械加工时的表面质量控制难度越大。
剖析结果表明:4根意大利ea4t钢车轴的化学成分都在标准en13261给出的范围之内，但按照使用级别的不同它们的实际化学成分略有差别;法国30nicrmov12钢车轴的化学成分符合alstom公司的技术要求。
2）钢的洁净度
钢的洁净度通过其非金属夹杂物评级结果来评价。ea200-1车轴和法国车轴中钢的非金属夹杂物情况分别见表2和表3。
由表2和表3可见：这2种车轴钢中的非金属夹杂物控制得都比较好，且均达到对应标准的相关技术要求。
3)金相组织
意大利车轴和法国车轴内外表面中间位置的组织分别如图1和图2所示。
由图可见：意大利用于时速350km的ea380车轴的组织更细，优于用于时速200km的ea200车轴;法国车轴内外表面中间位置的组织主要是回火马氏体和贝氏体;从组织分析可判断意大利和法国的车轴钢都经过淬火和回火处理，法国车轴钢的淬透性优于意大利车轴钢;较高的淬透性可使钢在热处理时的冷却速率控制范围增大，且操作时更易控制。
4)力学性能
表4和表5分别为标准en13261和alstom公司技术条件中对车轴内外表面中间位置的拉伸、冲击及近外表面疲劳性能的要求。
由表4和表5可明显看出：法国车轴对拉伸、冲击和疲劳性能的要求高于意大利车轴，但其塑性要求略低。
从车轴的使用来讲，疲劳性能尤其是缺口疲劳性能是其*关键的性能，因此对crh5型高速动车组驱动轴和从动轴上的关键部位(见图3)进行了疲劳强度计算，得到其正常工况下车轴关键部位的*大疲劳应力值，见表6。
由表6可见：这2种车轴的*大受力位置都发生在c处，即轮座的过渡圆弧处;车轴若采用符合标准要求的ea4t(意)钢，则其在时速350km时的*小安全系数为1.20;同样，若采用30nicrmov12(法)钢，则其在时速350km时的*小安全系数为1.84，其安全裕量比采用ea4t钢时大。
4 结论
基于上述对2类欧洲车轴的比较，从材料成本、机械加工和服役性能的要求等方面考虑，确定在车轴国产化选材上应优先重点研发意大利ea4t系列低合金钢车轴，但也应对30nicrmov12(法)钢车轴的制造进行一些探索。
|
