長期的鐵路車輛運營記錄表明車軸是列車*重要的受力部件之一，輪軸是造成車輛損傷并直接與發(fā)生重大事故相聯(lián)系的重要部件。隨著車速的提高，將引起車軸動載荷的加大，這直接關(guān)系到動車組的行車安全，也對車軸的性能提出了更高的要求。我國已在高速列車空心車軸結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝及疲勞設(shè)計等方面開展了一系列研究。在高鐵的自主研發(fā)中，鋼軌、車輪、車軸及大型型材的選材及工藝研究是其主要內(nèi)容之一。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

本文在對日本和歐洲(意大利、法國)產(chǎn)車軸進行剖析的基礎(chǔ)上，對高速列車空心車軸(以下簡稱車軸)國產(chǎn)化的選材、試制開展研究。

1 選擇高鐵車軸

為全面、系統(tǒng)了解在我國高鐵線路上運營車軸的優(yōu)劣，并為建立我國自主的高鐵車軸生產(chǎn)體系做知識儲備，對不同材質(zhì)、不同幾何設(shè)計和不同運行速度的車軸進行化學(xué)成分、金相組織、常規(guī)力學(xué)性能及小試樣疲勞性能和殘余應(yīng)力等的剖析，其中包括1根日本住友公司生產(chǎn)的車軸(簡稱日本車軸)、4根意大利LUCCHINI公司生產(chǎn)的EA4T鋼車軸(按意大利車軸使用級別的差異分別稱為EA200-1，EA200-2，EA300和EA380車軸，統(tǒng)稱意大利車軸)和1根法國ALSTOM公司生產(chǎn)的30NiCrMoV12鋼車軸(簡稱法國車軸)。

研究這些車軸的材料成分、組織結(jié)構(gòu)及與其性能之間的關(guān)系，并對照日本標(biāo)準(zhǔn)JIS E 4502-1《鐵道車輛用車軸質(zhì)量要求》、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13261《鐵路應(yīng)用-輪對和轉(zhuǎn)向架-車軸-產(chǎn)品要求》和ALSTOM公司的《部件技術(shù)條件》等國外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分析國外車軸采用的工藝路線。

2 日本車軸和歐洲車軸的比較

通過對日本車軸和歐洲車軸進行詳細(xì)剖析獲得的數(shù)據(jù)和結(jié)論，得到了這2種車軸在材質(zhì)和制造工藝等方面的綜合對比結(jié)果如下。

(1)化學(xué)成分不同。日本車軸采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼，鋼的潔凈度相對較差，含有數(shù)量較多、尺寸較大的粗系夾雜;歐洲車軸分別采用優(yōu)質(zhì)低合金鋼和中合金鋼，鋼的純凈度較好。

(2)加工的熱處理工藝路線不同。日本車軸經(jīng)軋制、鍛造、正火處理后，再用機床粗加工，然后進行高頻感應(yīng)表面淬火和低溫回火的表面處理，配合位置表面硬度高，這些加強表面處理的部位都是車軸需耐磨和抗疲勞斷裂的位置;歐洲車軸則是進行軸坯整體的調(diào)質(zhì)熱處理。

(3)表面的硬度和拉伸強度不同。日本車軸經(jīng)過了表面淬、回火處理后，在表層有3~4mm厚度的硬化層和厚4mm左右的過渡區(qū)，平均硬度達(dá)到550HV，表面拉伸強度約為1900MPa，日本車軸的表面硬度和拉伸強度顯著高于調(diào)質(zhì)處理后歐洲車軸表面的硬度和拉伸強度。

(4)內(nèi)部的顯微組織和性能不同。日本車軸內(nèi)外表面的中間位置及內(nèi)孔表面的顯微組織和力學(xué)性能都較差，即使其拉伸和沖擊性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)JISE4502-1的要求，但是基體組織的硬度也僅為180HV;歐洲車軸(除EA200軸外)的內(nèi)外表面中間位置均為回火馬氏體和貝氏體組織，從外到內(nèi)力學(xué)性能逐漸降低，但變化梯度較小。

(5)殘余壓應(yīng)力不同。殘余壓應(yīng)力可以有效抑制裂紋的擴展、降低裂紋擴展速率。日本車軸通過控制高頻淬火工藝參數(shù)，能有效地在距表面一定深度范圍內(nèi)獲得合適的殘余壓應(yīng)力;歐洲車軸則需通過合適的熱處理和機加工方法，才能有效地控制殘余應(yīng)力。

(6)熱處理工藝的難易程度不同。與歐洲車軸相比，日本車軸的表面熱處理工藝更難控制一些，不同型號車軸、車軸的不同部位及復(fù)雜斷面形狀的加工效果對工藝制度和感應(yīng)器(線圈)的設(shè)計都非常敏感，且很大程度取決于經(jīng)驗，在生產(chǎn)初期或短期內(nèi)可能會造成車軸的工藝及質(zhì)量不穩(wěn)定，需要有較長的適應(yīng)期;目前我國這方面的技術(shù)儲備較欠缺，而且尚不具備處理車軸的優(yōu)良高頻加熱裝備，但是我國擁有整軸的調(diào)質(zhì)熱處理裝備，因此適合于歐洲車軸軸坯的整體調(diào)質(zhì)熱處理工藝路線。

(7)重量不同。由于車軸材質(zhì)和表面熱處理工藝的局限性，同樣等級的日本車軸重量大于采用合金鋼的歐洲車軸。

基于上述分析，在車軸材料的國產(chǎn)化起步階段選擇走合金鋼的技術(shù)路線。

3 意大利和法國車軸的比較

1)化學(xué)成分

在標(biāo)準(zhǔn)EN13261和ALSTOM公司的技術(shù)要求中分別給出了意大利車軸鋼(EA4T鋼)和法國車軸鋼(30NiCrMoV12鋼)的化學(xué)成分要求，見表1。

由表中可見：EA4T(意)鋼的合金元素含量約為3.4%，低于5%，為低合金鋼;而30NiCrMoV12(法)鋼的合金元素含量要高些，約為6%，屬于中合金鋼，由于其含有較多的Ni和Mo，其價格明顯高于EA4T(意)鋼，另外含Ni越高，機械加工時的表面質(zhì)量控制難度越大。

剖析結(jié)果表明:4根意大利EA4T鋼車軸的化學(xué)成分都在標(biāo)準(zhǔn)EN13261給出的范圍之內(nèi)，但按照使用級別的不同它們的實際化學(xué)成分略有差別;法國30NiCrMoV12鋼車軸的化學(xué)成分符合ALSTOM公司的技術(shù)要求。

2）鋼的潔凈度

鋼的潔凈度通過其非金屬夾雜物評級結(jié)果來評價。EA200-1車軸和法國車軸中鋼的非金屬夾雜物情況分別見表2和表3。

由表2和表3可見：這2種車軸鋼中的非金屬夾雜物控制得都比較好，且均達(dá)到對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)要求。

3)金相組織

意大利車軸和法國車軸內(nèi)外表面中間位置的組織分別如圖1和圖2所示。

由圖可見：意大利用于時速350km的EA380車軸的組織更細(xì)，優(yōu)于用于時速200km的EA200車軸;法國車軸內(nèi)外表面中間位置的組織主要是回火馬氏體和貝氏體;從組織分析可判斷意大利和法國的車軸鋼都經(jīng)過淬火和回火處理，法國車軸鋼的淬透性優(yōu)于意大利車軸鋼;較高的淬透性可使鋼在熱處理時的冷卻速率控制范圍增大，且操作時更易控制。

4)力學(xué)性能

表4和表5分別為標(biāo)準(zhǔn)EN13261和ALSTOM公司技術(shù)條件中對車軸內(nèi)外表面中間位置的拉伸、沖擊及近外表面疲勞性能的要求。

由表4和表5可明顯看出：法國車軸對拉伸、沖擊和疲勞性能的要求高于意大利車軸，但其塑性要求略低。

從車軸的使用來講，疲勞性能尤其是缺口疲勞性能是其*關(guān)鍵的性能，因此對CRH5型高速動車組驅(qū)動軸和從動軸上的關(guān)鍵部位(見圖3)進行了疲勞強度計算，得到其正常工況下車軸關(guān)鍵部位的*大疲勞應(yīng)力值，見表6。

由表6可見：這2種車軸的*大受力位置都發(fā)生在C處，即輪座的過渡圓弧處;車軸若采用符合標(biāo)準(zhǔn)要求的EA4T(意)鋼，則其在時速350km時的*小安全系數(shù)為1.20;同樣，若采用30NiCrMoV12(法)鋼，則其在時速350km時的*小安全系數(shù)為1.84，其安全裕量比采用EA4T鋼時大。

4 結(jié)論

基于上述對2類歐洲車軸的比較，從材料成本、機械加工和服役性能的要求等方面考慮，確定在車軸國產(chǎn)化選材上應(yīng)優(yōu)先重點研發(fā)意大利EA4T系列低合金鋼車軸，但也應(yīng)對30NiCrMoV12(法)鋼車軸的制造進行一些探索。