1 背景
铁路货车用空心轴由前苏联于1965年试制成功[1-2]，其采用45钢作材料的厚壁热轧无缝钢管制造出轴重22 t 空心车轴，安装于4轴、6轴和8轴敞车，在固定交路运送煤炭和矿石，以便经常进行监督检查。试验列车在12年多时间共运行150万km，大约相当于加荷4亿5 000万次，未出现强度降低问题。在此期间，前苏联继续大量制造和使用空心车轴，每年节约钢材4万～5万t，合400万～450万卢布。试验结果表明：装用空心轴的轮对，在强度和其他一些参数方面并不逊于装用标准实心轴的轮对。我国原齐齐哈尔车辆厂也于1970年进行过类似试验和试制[3]，材料为40ＭnV钢。 上述实践均在速度小于100 km/h的普通货车上尝试，受当时工业制造水平和能力的制约，空心车轴并未得到推广。20世纪末至21世纪初，随着高速客运动车组的快速发展，高速动车组空心车轴得到广泛运用。与此同时，快捷货车的运行速度也达到160 km/h及以上（2014年7月由济南轨道交通装备有限责任公司研制的高速货车转向架在西南交通大学牵引动力国家重点实验室滚动振动试验台上跑出350 km/h的最高试验速度）。当运行速度达到160 km/h及以上时，减轻簧下质量可有效降低轮轨作用力，减少轮轨磨损，提高车辆动力学性能，延长车辆使用寿命，且方便车轴配合部位的超声波探伤。随着高速动车组
空心车轴国产化的发展，借鉴高速动车组空心车轴生产技术、相关制造工艺、设备及检测装备，使快捷铁路货车发展空心车轴已成为可能，也为快捷货车车轴的技术发展提供现实的支撑。
2 材料
车轴材质的选择应保证车轴具有足够的强度及良好的韧性，保证车轴具有足够的疲劳强度，使车轴具有较高的可靠性和使用寿命。目前，国内外车轴材质主要采用中碳钢和低碳合金钢。随着含碳量的增加，车轴的强
快捷铁路货车用空心车轴
可行性研究
摘 要：合理设计空心轴，可在保证车轴强度和刚度的前提下实现车轴轻量化，降低轮轨作用力。以目前国内快捷铁路货车所用实心车轴RC22为基础，从材料选用、结构设计等方面分析，结合国内外标准，对比计算空心车轴与实心车轴的疲劳应力及安全系数，阐述铁路货车用空心车轴的可行性。关键词：空心车轴；实心车轴；疲劳应力 中图分类号：U272 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2015）12-0032-04
陈小花：晋西车轴股份有限公司，工程师，山西 太原，030027
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程 平：晋西车轴股份有限公司，教授级高级工程师，山西 太原，030027赵 雷：青岛四方车辆研究所有限公司试验中心，工程师，山东 青岛，266033范德万：晋西车轴股份有限公司，助理工程师，山西 太原，030027朱喜锋：兰州交通大学，教研室主任，甘肃 兰州，730070
RC22车轴为例，在外形结构尺寸均不变的条件下，仅加工直径为60 mm的通孔，可减少约50 kg质量。
轴端螺栓孔直径及位置的布置可根据实际内孔与外径尺寸关系、轴端螺栓拧紧力矩要求重新布置为三孔或四孔结构。
信号调理模块考虑在既有铁路货车车轴结构的基础上，以TB/T 2705《铁道车辆非动力车轴设计方法》为校核依据，论证其实施空心车轴的可行性。初步结构设计定为：轴质量18 t，最大设计速度160 km/h，盘型制动，外形结构尺寸参照国内RC22车轴（SR1T3-00-00-00）选取，轴内孔直径暂定为60 mm。
4 实心轴与空心轴强度校核计算
4.1 校核依据
空心车轴分自由外表面区域、除轴承外其他零件的压装区域、轴承安装区域和内孔表面4种不同的区域，实心车轴分为自由表面区域和压装区域，对其进行相应区域的强度评价，不同区域的疲劳强度许
用值不同。但只有当轴颈直径与内孔直径之比小于3或轮座直径与内孔直径之比小于4时，车轴按空心车轴进行校核。
根据TB/T 2705—1999标准的附录B，实心车轴LZ50钢压装配合部位疲劳许用应力116.2 MPa，非配合部位的疲劳许用应力为162 MPa。而空心车轴时的疲劳许用应力国内尚无规定。根据文献[8]所述，LZ50的性能与EN 13260、EN 13261中的EA1N基本相当，而LZ45CrV优于LZ50，故货用空心车轴LZ45CrV材质的疲劳许用应力可在EAIN的基础上略有提升。强度校核均采用相同材质的EA1N钢的疲劳许用应力进行评定。空心及实心车轴的最大许用应力见表3。另外，为论证结构设计的合理
度随之提高，但随之而来的是韧性降低、裂纹敏感性增加。可通过加入合金元素和调整碳含量，保证车轴强度和韧性。
国内货车车轴材质主要采用LZ50车轴钢[4]及新型适用于大轴重货车的LZ45CrV车轴钢[5]。LZ45CrV是在LZ50的基础上适当降低碳含量、添加适量的微合金元素而开发的新钢种，2种钢化学成分及机械性能见表1、表2，从中可以看到通过严格控制钢材纯净度、细化晶粒度等工艺，LZ45CrV车轴钢钢坯的力学性能和疲劳强度较LZ50钢坯有较大提高，从重载及快速方面考虑，LZ45CrV车轴钢在疲劳许用应力方面有更多的安全裕量。
3 结构设计依据
车轴结构设计合理可有效降低车轴的微动磨损，减少应力集中，提高车轴强度和使用寿命。目前，货车车轴结构设计及强度计算方法有：中国标准TB/T 2705《铁道车辆非动力车轴设计方法》、日本标准JISE 4501《铁道车辆车轴强度设计方法》和欧洲标准EN 13103《铁路应用—轮对和转向架—非动力车轴—设计方法》。另外，法国研究结果显示，只要空心轴内孔直径与同一断面车轴外径之比小于0.6，该空心轴可具有与同直径实心轴同样的疲劳强度和运行安全性、可靠性[6]。因此，可采用现有实心轴上成熟的设计计算方法，最终为空心轴的推广应用创造有利条件。
另外，根据文献[7]，无论是在接触边缘还是在中间部位，空心车轴内径的改变对轴毂间的接触压力几乎没有影响。对该部分说明还有待进一步的研究。
如按上述所言，空心车轴与实心车轴的不同之处就在于车轴内孔直径的选取及轴端螺栓孔的大小及位置的调整。空心轴的实现方式主要有两种：一种是用实心轴镗孔而成，其内孔是平直通孔；另一种是轴身内孔大，轴颈部内孔小，依据等壁厚原则设计。后者材料利用合
理，减质量效果更好，但工艺上较前者复杂。以国产
表1 化学成分含量比较
表2 机械性能比较
性，仅对实心轴和空心轴相同截面尺寸的强度进行对比计算，过渡截面处根据圆弧交点处位置考虑应力集中系数计算。4.2 校核条件
车轴的结构尺寸参照RC22结构尺寸。轴重：18 t；
设计速度：160 km/h；制动形式：盘型制动；轮对自质量：1 080 kg；制动盘自质量：103 kg；车轮直径：915 mm；制动盘直径：650 mm；车轮滚动圆间距：1 493 mm；
轴颈中心距：2 000 mm；车辆自质量：20 t；
紧急制动力：40 kN（按最恶劣情况考虑）；机械制动系统的部分制动力：40 kN（按最恶劣情况考虑）；
制动盘与闸片间的平均摩擦系数：0.35。
所有计算依据TB/T 2705—2010《铁道车辆非动力车轴设计方法》。图1、图2分别是实心车轴、空心车轴计算部位截面位置示意图。4.3 校核结果
根据 TB/T 2705—2010《车辆车轴设计与强度计算方法》分别对空心车轴的内外表面及具有相同外部轮廓的实心轴的截面强度进行核算，计算结果见表4、表5。
从以上计算结果对比可知：（1）在相同条件下，空心车轴外表面各部位的疲劳应力略大于实心车轴表面疲劳应力，均在合格范围内；（2）直径为60 mm的中心孔的加工对车轴内壁的疲劳应力影响不大；（3）从许用应力和计算疲劳应力得出的安全系数可知，采用EN标准的EA1N钢材质的空心车轴在轴孔内壁、轴颈及轮座配合部位的安全系数均合格，内壁安全系数裕量充足。
图1 实心轴截面位置示意图
图2 空心轴截面位置示意图
a
b
c d
e
f g
φ130
φ160
φ198
φ172
φ198
φ172a
b
c
d e
f
g
97 376 401
489
630
654
1 000
航空母舰模型a
单位：mm
单位：mm
b
c
d
e
双n
f g
φ130
φ160
φ198
φ172
φ198
φ172
虹吸式屋面雨水排水系统
a
b
c
d
e
f
g
97
376 401
489
630 654
1 000
表3 许用应力对照表 MPa
表4 车轴不同截面的应力结果对比
电烤箱温度控制系统
表5 车轴不同截面的安全系数结果对比
在厂修期，轮座及制动盘座安全系数接近1，当轮座处直径加大3 mm时，安全系数由1.11增加至1.32，相应的厂修期安全系数为1.09。同样，制动盘毂压装部位也可通过适当加大直径，增加安全裕量，相应的圆弧连接处应适当做出调整。
综上所述，如果选用具有更优疲劳许用应力的车轴钢（LZ45CrV）并进行结构上的改进，将获得更高的安全系数。同时，建议相关技术文件及标准，增添LZ45CrV车轴钢应用在空心车轴状态下，车轴各部位（含内孔处）的疲劳极限测试的内容，以便选用该材质的货车用空心车轴进行设计的校核评定。
5 结束语
随着客运高速动车组在国内的快速发展、壮大，快
捷铁路货车能否实现高速轨道闲置时间的重复利用，提升运营需求，很大程度上取决于走行装置的轻量化及可靠性。另外，随着客运高速空心车轴工艺技术的发展、成熟，货车空心车轴可在利用并借鉴其先进的技术装备、工装及检测手段等完成货车空心车轴的制造及运用检验，减少相应的投入。所以，无论从结构设计还是工艺可行性方面快捷货车用空心车轴均有着广泛的发展前景。
参考文献
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1982(3)：41.
[2] HOBИKOB B B，高路. 轴重25 t空心车轴[J]. 国外铁 道车辆，2003，40(4)：42-44.
[3] 齐齐哈尔车辆工厂技术服务站. 货车用空心车轴试 制小结[J]. 铁道车辆，1971(1)：23-25.[4] TB/T 2945—1999 铁道车辆用LZ50钢车轴及钢坯技 术条件[S].[5] 运装货车［2014］204号 30 t轴重RF2型货车车轴样 件技术条件[S].[6] 郑伟生. 国外轮轴技术发展综述（二）[J]. 国外铁 道车辆，1998(4)：7-13.
[7] 杨广雪. 车轴设计参数对轴毂配合接触压力影响的 研究[J]. 铁道学报，2009，31(3)：31-35.[8] 刘吉远，陈雷. 铁路货车轮轴技术概述[M]. 北京：
中国铁道出版社，2009：34-41.
责任编辑 苑晓蒙收稿日期 2015-11-04
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