動車組車軸標準研究及其技術(shù)發(fā)展展望*

劉鑫貴，吳 毅，項 彬，朱 梅，許亞娟

（1 中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京100081；2 鐵道部標準計量研究所，北京100081）

動車組車軸標準研究及其技術(shù)發(fā)展展望*

劉鑫貴1，吳 毅1，項 彬1，朱 梅2，許亞娟1

（1 中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京100081；2 鐵道部標準計量研究所，北京100081）

采用大量新裝備的高速動車組近年來在我國獲得廣泛應用，是鐵路客運最為有效的運輸工具之一。動車組車軸是動車組走行部中非常重要的部件，承受著源自車體及軌道的各種載荷，其中主要是旋轉(zhuǎn)彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。動車組車軸要保證在所規(guī)定的使用條件下，具有足夠的安全性、可靠性和長使用壽命，這就對車軸材料相關(guān)技術(shù)提出了非常高的要求。目前我國各型動車組車軸尚未完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，標準也是采用國外的相關(guān)標準。本文在仔細對比研究國外成熟的動車組車軸標準基礎(chǔ)上，探討了車軸材質(zhì)、性能的現(xiàn)狀，此外，還對動車組車軸材料相關(guān)技術(shù)進行了展望。

動車組；車軸；標準；發(fā)展展望

動車組車軸是動車組走行部中非常重要的部件，承受著源自車體及軌道的各種載荷，其中主要是旋轉(zhuǎn)彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。高速車車軸要保證在所規(guī)定的使用條件下，具有足夠的安全性、可靠性和長使用壽命，這就對車軸材料相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求。目前我國現(xiàn)在運營的各型動車組車軸全部采用的是進口材料，尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化，大部分采用合金鋼，高速動車組車軸標準也是采用國外的相關(guān)標準。我國動車組車軸的發(fā)展主要障礙在于對車軸技術(shù)要求、材料技術(shù)標準等缺乏系統(tǒng)的技術(shù)儲備。了解和掌握不同國家與地區(qū)的輪軸標準，對于加快輪軸國產(chǎn)化進程、提高輪軸檢修質(zhì)量、確保列車運行安全具有重要的意義。對此，應該深入研究國外成熟的動車組車軸的相關(guān)技術(shù)條件和標準，并進行充分借鑒，為我國鐵路特別是高速鐵路可持續(xù)發(fā)展提供堅強的技術(shù)支持［1-2］。

以下重點對比分析日本相關(guān)動車組車軸標準以及以法國、德國為代表的歐洲車軸標準，分析其技術(shù)要點，并對其他相關(guān)標準進行簡要說明。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國機車車輛車軸標準現(xiàn)狀，對動車組車軸材料相關(guān)技術(shù)進行了展望。

1 國外動車組車軸標準

國外動車組車軸的相關(guān)標準一般規(guī)定的較為寬泛，本節(jié)重點綜合對比分析了日本JIS E 4502-1，歐洲的EN 13261，UIC 811中適用于動車組列車車軸的相關(guān)技術(shù)，對于除此以外的其他國外標準進行簡要說明。

1.1 日本標準

日本車軸方面的標準有JIS E 4502-1《鐵道車輛用車軸品質(zhì)要求》和JIS E 4502-2《鐵道車輛用車軸尺寸要求》。日本最新車軸標準已向國際ISO標準靠攏，標準中將ISO有關(guān)內(nèi)容列在前面，原日本國內(nèi)使用的內(nèi)容列在后面。

日本國內(nèi)使用的車軸鋼分4類，其中第4類為新干線用感應淬火車軸用鋼，標準中的代號為SFAQA，一般稱為S38C。我國從日本川崎引進技術(shù)的CRH2動車組車軸原型就是這種鋼。舊的日本標準中有車軸的詳細尺寸，新標準只規(guī)定了公差和粗糙度，數(shù)值與國際標準一致。日本車軸設(shè)計方法的標準為JIS E 4501《鐵道車輛車軸強度設(shè)計方法》。標準中除靜載荷外的垂直、水平附加力比例按照線路區(qū)分，且是速度的函數(shù)。

日本車軸標準JIS E 4502-1規(guī)定的車軸材質(zhì)有非合金鋼（A1，A2），合金鋼（A3，A4）以及一般碳素鋼（1～4級），合金鋼（A3，A4）的主要合金成分是Cr，Cu，Mo和V，如表1和表2所示。要求車軸鋼應采用平爐、電爐或堿性氧氣轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)。經(jīng)制造廠和采購方協(xié)商，也可采用其他的煉鋼方法。除非另有協(xié)議，車軸鋼應在爐內(nèi)或澆包內(nèi)鎮(zhèn)靜，采用底注或連鑄方法［3-4］。

同時，還對“為運輸而采取的防腐措施”進行了規(guī)定。

1.2 歐洲標準

歐洲原使用UIC標準，鑒于歐洲逐步走向統(tǒng)一，又制定了歐洲標準（代號EN）。其中，EN 13261《鐵路應用—輪對和轉(zhuǎn)向架—車軸—產(chǎn)品要求》與國際標準基本一致。標準正文規(guī)定的材質(zhì)為EA1N（碳素鋼、正火），含碳量為0.40、錳1.20、硅0.50、銅0.30、鉻0.30、鉬0.08、鎳0.30、釩0.06、硫磷≤0.02，正火處理；機械性能：抗拉強度為550～650 MPa、屈服強度＞320 MPa、斷面收縮＞22%。速度200 km/h以上為1類，其夾雜物含量要求比2類嚴，探傷要求也不同。附錄A中規(guī)定了EA1T（淬火）和EA4T（合金鋼、淬火）的技術(shù)要求［5］。

EN 13261沒有規(guī)定車軸的型號和具體尺寸，僅規(guī)定了車軸各部尺寸公差、形位公差和粗糙度，數(shù)值與ISO規(guī)定基本一致。EN 13103《鐵路應用—輪對和轉(zhuǎn)向架—非動軸—設(shè)計方法》為非動軸設(shè)計方法，標準中的計算公式與速度無關(guān)。

歐洲標準EN 13261規(guī)定的使用真空脫氣鋼EA1N經(jīng)軋制和鍛造成車軸，及經(jīng)鍛造或軋制的實心車軸通過機加工而成的空心軸。車軸鋼中除基本元素以外，合金元素主要是Cr，Ni，Cu，Mo和V，具體如表3所示。

力學性能測試試樣應取自實心軸的半徑1/2部位，空心軸的內(nèi)外表面中間部位，具體要求見表4和表5。在車軸的接近外表面處所取試樣的測試值應大于或等于0.95的目標值。在實心軸的中心部位或空心軸接近內(nèi)表面部位所取試樣的測試值應大于或等于0.8的目標值。同時提出，在實心軸1/2半徑上取樣時鋼的金相結(jié)構(gòu)的期望值應是貝氏—馬氏體，但未做出硬性規(guī)定。

該標準一個重要的指標是車軸的疲勞性能，包括小試樣及全尺寸試樣試驗，同時規(guī)定了光滑試樣和缺口試樣，對缺口敏感系數(shù)亦進行了明確規(guī)定，見表6。

此外，該標準對車軸成品的表面應力也提出了明確的要求。在車軸表面上殘余應力≤＋100 MPa，在表面下面2 mm的兩個不同點上測得的殘余應力之差應≤40 MPa。

EN 13261歐洲標準規(guī)定的防銹和防物理磕碰所采用的措施，主要包括“持久防護”和“暫時防護”。持久防護的一般要求是軸在服役過程中不裝配部分均應做防護，某些車軸還應作防物理磕碰防護（沖擊、研磨等）。對每類防護要求的測試性能基本項目見表7（×代表有要求，－代表無要求），另外根據(jù)車軸使用的特殊條件也可在訂單中做其他要求。

對于暫時防護，僅提出車軸裝配前，根據(jù)交貨狀態(tài)車軸某些區(qū)域應做暫時防護以防腐蝕和沖擊損壞。防護性能由供需雙方根據(jù)運輸和儲存條件（搬運，環(huán)境等）協(xié)商確定。除非另有規(guī)定，防護措施在正常大氣條件下至少應3個月有效。

歐洲UIC 811技術(shù)規(guī)范適用于機車車輛的實心或空心車軸，其具體規(guī)定見表8和表9。同時強制規(guī)定表6中所列品種以外的鋼品種不能用來制造國際聯(lián)運車輛的車軸。檢驗之后，在存放或發(fā)運之前，對被驗收的車軸都應該涂上顧客采購機構(gòu)同意的長期防護，防護是對車軸的全部被加工部分。

1.3 ISO標準

國際標準中有關(guān)車軸的標準有ISO 1005-3《動車和拖車用車軸質(zhì)量要求》和ISO 1005-9《動車和拖車用車軸尺寸要求》。標準中沒有車軸圖樣，只有尺寸公差、形位公差、粗糙度的要求。ISO 1005-3中規(guī)定了4種車軸鋼（A1、A2、A3、A4）的化學成分和機械性能指標（與UIC和EN相關(guān)標準的規(guī)定相似）。

2 我國現(xiàn)行車軸材料相關(guān)技術(shù)

我國現(xiàn)行標準對鐵道機車車輛用車軸鋼規(guī)定的較為細致，現(xiàn)行與鐵路車軸相關(guān)的標準主要有：YB 4061-1991《鐵路機車、車輛用車軸》；GB 5068-1999《鐵路機車、車輛車軸用鋼》；TB 2945-1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》。GB 5068-1999對適用于制造鐵路機車、車輛車軸用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼方鋼、圓鋼（以下簡稱鋼材）的技術(shù)條件進行了明確規(guī)定，見表10和表11。

TB 2945-1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》適用于鐵道車輛用LZ50鋼車軸。該標準規(guī)定鋼的冶煉方法除了“電爐，堿性氧氣爐”以外，還可使用“平爐”，同時強制要求對鋼真空脫氣處理，并規(guī)定了鋼液的氫，氧含量，鋁的最低含量不小于0.020%。

標準規(guī)定軋制鋼坯從鋼錠到鋼坯的壓延比不小于6∶1，鍛制鋼坯的鍛壓比應不小于3∶1。TB/T 2945規(guī)定車軸的最終熱處理規(guī)范為正火，二次正火和回火，同時規(guī)定兩次正火和回火時的入爐溫度應低于500℃和250℃。此外標準規(guī)定的元素種類除常規(guī)元素以外，還包括Cr，Ni，Cu和Al等。TB/T 2945用最終熱處理后的力學性能代表本批次車軸鋼的拉伸性能，但標準所規(guī)定的經(jīng)一次正火和最終熱處理條件下的常規(guī)力學性能指標接近。

3 我國動車組車軸技術(shù)發(fā)展展望

3.1 動車組車軸材料成分要求

世界各鐵路發(fā)達國家都非常重視高速鐵路車軸的研究工作，從材料、設(shè)計、生產(chǎn)、熱處理和運用維護等方面不斷改善。由于各國的國情和技術(shù)觀點不同，選用的車軸材料也不相同。目前，國內(nèi)外高速鐵路車軸用鋼大致可分為3類：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、中合金結(jié)構(gòu)鋼、高合金結(jié)構(gòu)鋼，如表12所示［6］。

（1）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。日本采用普通碳素鋼（S38C）加表面中頻淬火熱處理工藝，相比歐洲采用合金鋼加調(diào)質(zhì)處理熱處理工藝而言，日本高速鐵路車軸原材料成本低，但熱處理工藝復雜，熱處理工藝參數(shù)控制精度要求高。

（2）中合金結(jié)構(gòu)鋼。歐洲高速鐵路車軸材料大多采用中合金結(jié)構(gòu)鋼（如EA4T），通過采用熱處理（正火＋淬火＋回火）強化處理方法來提高車軸的強韌性指標，熱處理工藝簡單，但成本要高于碳素鋼。

（3）高合金結(jié)構(gòu)鋼。部分歐洲高速鐵路車軸材料選用30NiCr Mo V12等高合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼中含Cr 0.60%～1.00%、Ni 2.70%～3.30%、Mo 0.40%～0.60%、V 0.08%～0.13%，該類鋼種有很多優(yōu)點諸如淬透性好、可油淬、變形小、硬度高、屈服極限強度極限比高、耐腐蝕性能好等，但是成本比較高。

基于上述分析，歐洲合金鋼車軸雖原材料價格稍高于日本軸，但熱處理工藝所需裝備容易實現(xiàn)，國內(nèi)一些大型企業(yè)擁有整軸的調(diào)質(zhì)熱處理裝備，且對車軸的外形設(shè)計沒有因為熱處理裝備要求而有所限制，所以對于高速鐵路車輛用車軸材料的國產(chǎn)化，宜選擇歐洲國家采用的合金鋼路線，對比見表12。

3.2 動車組車軸鋼坯技術(shù)

我國鐵道車輛車軸鋼的生產(chǎn)一直采用模鑄、初軋開坯和鍛造成型的工藝，但國外模鑄與連鑄工藝生產(chǎn)的鋼坯均可用于制造鐵道車輛車軸，如美國、日本等發(fā)達國家的標準就規(guī)定可采用連鑄坯生產(chǎn)車軸。隨著“轉(zhuǎn)爐（超高功率電爐）煉鋼—爐外精煉—連鑄”先進鋼鐵生產(chǎn)工藝的快速發(fā)展，連鑄工藝生產(chǎn)的品種包括過去特鋼的典型品種高碳鉻軸承鋼、不銹鋼、鐵道用重點品種重軌鋼等，品種范圍越來越寬，在鋼的純凈度、成分、組織及性能均勻性、表面質(zhì)量等方面均優(yōu)于模鑄工藝生產(chǎn)的鋼。此外，連鑄工藝生產(chǎn)車軸鋼的疏松級別比模鑄鋼低，偏析程度也比模鑄鋼輕。連鑄工藝生產(chǎn)車軸鋼無皮下裂紋、皮下氣泡、皮下夾雜等缺陷。鋼坯的兩端平整，無剪切變形，鋼坯的表面質(zhì)量比模鑄鋼優(yōu)良，有利于車軸的加工及磁粉探傷合格率的提高。即使在壓縮比小于模鑄鋼的情況下，連鑄工藝生產(chǎn)車軸鋼由于采用LF＋RH精煉及保護澆鑄，大大提高了鋼的純凈度，并通過連鑄結(jié)晶器電磁攪拌、低過熱度澆鑄及對鑄坯施行輕壓等，改善了連鑄坯內(nèi)部組織的致密度和化學成分偏析，連鑄鋼內(nèi)部質(zhì)量得到極大提高，用其鍛造的車軸組織、性能完全能夠滿足鐵道車輛車軸用鋼技術(shù)條件的要求。因此，連鑄技術(shù)是值得在車軸領(lǐng)域深入研究的課題。

3.3 動車組車軸表面處理技術(shù)

在高速鐵路輪對中，車軸既要輕量化，又要保證有足夠的疲勞強度，以確保在整個服役期間不因疲勞裂紋而損壞，甚至切軸，所以提高車軸疲勞強度一直是各國高速車輛的努力目標。依據(jù)歐洲標準，其強化技術(shù)采用車軸調(diào)質(zhì)處理后，輪座部位噴鉬，其余部位采用滾壓表面強化。由于噴涂層與基體結(jié)合強度較小，滾壓強化層較淺，對車軸的材質(zhì)、噴涂及滾壓工藝要求較高，成本亦較高。國內(nèi)的車軸通常采用調(diào)質(zhì)處理（或正火處理）后滾壓強化處理。但其強化層較淺，硬度較低，對疲勞強度和耐磨性的改善十分有限。選擇高速鐵路用車軸鋼材料時，除了需要保證原材料具有良好的性能外，還要選擇合適的熱處理工藝，以確保車軸的機械強度性能和低的熱處理變形。進一步研究高速鐵路用車軸的強化技術(shù)，確保車軸良好的強度和韌性，這是提高我國高速鐵路用車軸的可靠性和疲勞壽命的技術(shù)方向［7］。

4 結(jié) 論

（1）對國內(nèi)外成熟的動車組車軸相關(guān)技術(shù)條件和標準進行了對比分析，日本、美國等國家多用中碳鋼，歐洲國家多用低合金鋼，我國目前鐵路機車車輛車軸鋼主要為碳素結(jié)構(gòu)鋼。

（2）基于成本和現(xiàn)有生產(chǎn)工藝裝備而言，歐洲合金鋼車軸雖然原材料價格稍高于日本車軸，但熱處理工藝所需裝備容易實現(xiàn)，國內(nèi)一些大型企業(yè)擁有成熟的調(diào)質(zhì)熱處理裝備，且對車軸的外形設(shè)計沒有因為熱處理裝備要求而有所限制，所以對于高速鐵路車輛用車軸材料的國產(chǎn)化，宜選擇歐洲國家采用的合金鋼路線。

（3）動車組車軸鋼精煉方法、連鑄技術(shù)是值得在車軸領(lǐng)域深入研究的方向；表面強化技術(shù)可確保車軸具有良好的抗疲勞性能，是提高我國高速鐵路用車軸安全性和可靠性的技術(shù)方向。

［1］ 嚴雋耄，傅茂海.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［2］ 邵樹民.國內(nèi)外鐵路車軸、車輪標準探討［J］.鐵道車輛，2008，46（12），21-24.

［3］ JIS E 4501：Railway rolling stock-design method for strength of axles［S］.1995.

［4］ 趙云生.日本新干線車軸淬火技術(shù)應用綜述［J］.國外鐵道車輛，2011，48（5）：9-12.

［5］ BS EN 13261：Railway applications-Wheelsets and bogies-Axles-Product Requirements［S］.2003.

［6］ 中國鐵道科學研究院.動車組車軸技術(shù)標準研究報告［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2014.

［7］ 封全保，劉建新，呂士勇.車軸表面應力分析［J］.交通運輸工程學報，2005，5（3）：l-4.

Standard Study and Technical Development Prospect of EMU Axle

LIU Xingui1，WU Yi1，XIANG Bin1，ZHU Mei2，XU Yajuan1
（1 Metal＆Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Standards＆Metrology Research Institute，China Railway，Beijing 100081，China）

High-speed EMU equipped with a large number of new components is widely used in recent years in our country，and it is one of the most effective conveyances for passengers.EMU axle is a very important part，which suffers from variety loads of body and track，mainly rotating bending and torsion loads.Ensuring the EMU axle with sufficient security，reliability and long service life proposes very high demands for the axle material technologies.Currently various types of EMU axle have not yet achieved localization，and the standard also uses abroad standards.Based on the careful comparison of EMU axle foreign mature standards，this paper discusses the current situation of axle material properties，and also forecasts the technical development of EMU axle.

EMU；axle；standard；development prospect.

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.04

1008－7842（2014）06－0018－05

*鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（2012J005-I）

6—）男，副研究員（

2014－04－29）