浅谈列车车轴的国内外研究现状

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摘 要：车轴在运用中的受载状态比较复杂，一旦发生损毁，会给国家财产和旅客生命造成极其严重的损失。因而世界各铁路发达国家都非常重视车轴的研究工作。由于各国的技术观点和国情不同，车轴材料的选用也不相同，但都属于低碳钢范畴。在车轴处理设计方面，车轴表面感应淬火处理是提高其疲劳寿命最为经济而有效的方法。为了降低簧下质量，空心车轴技术已逐步应用于高速列车车轴。

关键词：车轴材料；工艺现状；车轴设计；感应淬火；空心车轴

车轴在运用中的受载状态比较复杂，不仅承受制动力和车轮的反作用力，而且承受来自线路的冲击载荷和通过曲线时横向作用于轮缘的导向力，此外，在车轴的各配合部位，有着大小不一的轴向力、径向力、剪切力、弯矩、扭矩等载荷的单独作用或共同作用，因而车轴在列车运行过程中容易损毁。

在机车车辆行驶中，车轴一旦发生热切或冷切，往往都会造成列车颠覆，运输中断，甚至车毁人亡的恶性事故，给国家财产和旅客生命造成极其严重的损失。因而世界各铁路发达国家都非常重视车轴的研究工作。

一、车轴材料

由于各国的技术观点和国情不同，车轴材料的选用也不相同，但都属于低碳钢范畴。德国在ICE高速铁路机车上选用低碳合金钢25CrMo4；而法国TGV高速铁路机车上选用的XC30与日本新干线的S38C相似，均为碳素钢，我国的40车轴钢也属此列。从国内外的车轴钢应用实践来看，选用低碳钢车轴能够提高车轴表面硬度，使其具有强硬的表层，又有韧塑的心部，可大大提高车轴的疲劳断裂强度，从而获得良好的使用安全性。

二、高速铁路车轴的材质和工艺现状

在车轴处理设计方面，车轴表面感应淬火处理是提高其疲劳寿命最为经济而有效的方法。自从1948年日本新干线沿车轴纵向进行表面感应加热淬火，在淬硬层内获得非常细的马氏体组织，使其表面硬度显著增加后，基本上杜绝了因疲劳造成的断轴事故，法国高速铁路车轴现已改用XC30碳素钢调质后再加表面感应淬火处理，而我国已开展的40钢车轴表面感应淬火强化工艺研究，，可以适应国内高速铁路的发展需要。

此外喷涂与滚压技术也有广泛的运用。德国高速铁路采用的是合金钢车轴，车轴调质后采用轮座喷钼，其余部位进行表面滚压强化。由于喷涂层与基体结合强度较小，滚压强化层较浅，对车轴的材质、喷涂及滚压工艺要求较高，且其成本也较高。国内车轴通常采用正火（或调质）后滚压强化处理。但其强化深度较浅，硬度较低，对疲劳强度、耐磨性和抗微动磨蚀能力的改善十分有限，另外滚压时在变截面和滚道交界处应力分布不均，易产生滚压裂纹。我国对30CrMoA锻钢制造的车轴进行调质后，轮座喷钼，涂层显微硬度最高可达1300HV。轴身和各轴肩圆弧过渡处进行滚压处理，其强化层厚度0.3mm，表面残余应力为-640～-730MPa，表面硬度245HV，与德国的合金钢车轴及工艺相似。

三、车轴设计

另外，在车轴处理设计方面，缩短车轴轴颈载荷中心到根部的距离，降低车轴轴颈根部应力和弯曲变形；采用适当的轮座与轴身直径比及其圆弧过渡半径、车轴表面感应淬火处理，以提高车轴微动疲劳强度。

由表（1）可知，TGV、ICE的轮座与轴身的过渡圆角半径p较小，但轮座与轴身的直径比却较大，其设计思想是提高过渡圆弧部位的应力集中，将危险断面转移到过渡圆弧部，以提高承受微动损伤的轮座部位的疲劳强度；而日本新干线车轴则相反，采用小直径比和大过渡圆弧半径，使危险断面转移到轮座部位，然后对该区域进行高频淬火，引入较高的表面残余压应力，提高轮座部位耐微动损伤的疲劳强度

四、空心车轴技术

为了降低簧下质量，空心车轴技术已逐步应用于高速列车车轴。假设空心车轴在弯曲变形时，轮轴配合面内侧边缘发生了极微小的开口，该开口度越大，摩擦腐蚀将越严重。空心车轴的壁厚越薄，轮座内侧边缘的开口度越大，即开口微动量越大，对摩擦腐蚀不利。从减轻簧下重量来说，在满足强度要求的前提下，总希望空心车轴的壁厚薄一点，但从空心轴的弯曲疲劳和摩擦腐蚀疲劳观点来看，其壁厚又不能太薄。国外试验研究表明，空心轴的内外径之比最大可达60%，疲劳强度仍是足够的。因此，我们选取的内孔100mm、轴身部内外径之比约为55%是比较适宜的。空心车轴还具有改善车辆运行性能和提高超声波探伤精度等优点，因此，诸如德国、法国和日本等国家的高速铁路均采用空心车轴。

参考文献：

[1] 王树青，周振国，詹新伟 车轴感应淬火技术研究 铁道部科学研究院金属及化学研究所，北京 100081

[2] ：杨广雪 高速列车车轴旋转弯曲作用下微动疲劳损伤研究 北京交通大学2010年11月

[3] 王柏铭 李景贤.从高速动力车轴微动磨蚀的机理看喷钼工艺的重要性和可行性[J].内燃机车，1995，（5）：15-18.