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《國外鐵道車輛雜志》2016年第6期

摘要：

介紹了為確保鐵路車軸的安全而采取的防止微動磨損的措施。

關鍵詞：

鐵道車輛；車軸；微動磨損；日本

1概述

鐵道車輛車軸的折損直接和車輛的脫軌有關，即使在組成車輛的眾多零件中，車軸也是重要的安全零件。在結構上，車軸和車輪的配合是通過壓入組成緊固部分，其緊固部分由于摩擦磨損而發生一種微動磨損。本文首先說明車軸的組成和微動磨損的特征，并介紹為了確保包含高速車輛用的現用車軸的安全性而采取的微動磨損的對策。

2鐵路車軸的構成

日本國內使用的車軸根據JISE4502［1－2］和JRISJ0401［3］兩個標準，按其種類、材料的化學組成、機械性能、制造方法及典型的形狀進行設計制造。表1列出JISE4502中第1種～第4種車軸及JRISJ0401中高頻淬火車軸這5種車軸的參數概況［1－4］。表1中第1種～第4種材料的含碳量約0．4％，為中碳鋼；高頻淬火車軸的材料為S38C。表1中第1種～第3種根據調質處理的條件，抗拉強度依次提高。另一方面，對第4種材料的車軸和高頻淬火車軸在調質處理（淬火、回火）后，施行了高頻淬火。這其中，高頻淬火車軸適合新干線車軸使用。另外，其他用途有動軸和從動軸。動軸是用于動力轉向架等傳遞電機等的回轉驅動力的軸；從動軸用于貨車轉向架等的從動轉向架，是本身不承擔驅動力的軸。圖1為在新干線用車軸，動軸的形狀及輪軸進行組裝的結構［4］。在車軸上，設有軸承座、車輪座（輪座）、變速箱座。各自壓入軸承、車輪、齒輪。車輪的過盈量（車軸輪座直徑和車輪孔徑的差）在沒有訂貨者指定時，過盈量比（過盈量與軸直徑之比）按標準為1．4／1000，最大為1．5／1000進行管理［5］。由此，伴隨著車輪等被壓入零件的接觸面壓力約為50MPa～70MPa。圖2為作用于輪軸的外力［6］。據此，假如將每1根軸的車輛質量設定為W，那么，車軸受到源于車輛質量和轉矩的平衡，在軸承座上產生垂向力（圖2中W／2、Q0），同時受到由鋼軌的反力產生的垂向力（圖2中W／2，R0），乃至車輪和鋼軌接觸，在橫向產生的力（圖2中的橫壓P）。這時的車軸變成典型的旋轉彎曲應力狀態。

3車軸配合部產生的微動磨損

所謂微動磨損是指在接觸部反復產生滑動狀態。假如微動磨損長時間持續，成為摩擦銹斑的茶褐色的磨損粉末就堆積在接觸面上，其中一部分由接觸部排除的現象稱為微動磨損腐蝕。由微動磨損引起磨損的進行，導致疲勞強度的降低，由此將這種磨損稱為微動磨損（微動磨損的磨耗、疲勞）。在空載狀態下，車軸的壓入部與車輪等的被壓入件類似完全一體化狀態，假如像圖2那樣受到旋轉彎曲負載，像圖3那樣，壓入件又不能完全追隨車軸的變形，這樣，在壓入端附近，由于產生變形差引起微小相對滑動。為此，在車輪配合部，特別是其壓入端附近，就構成不能避免的微動磨損狀態。圖4為產生微動磨損部位的光學顯微鏡照片。這是對實物大小的車軸進行疲勞試驗后，用拋光輪研磨除去微動磨損腐蝕后觀察到的圖像。確認有微小的凹凸、坑穴、磨損粉末的堆積及微小的裂紋。

4車軸微動磨損的對策

前面所述的車軸，表明配合部的微動磨損在結構上是不可避免的。本節介紹為了確保車軸安全而采取的防止微動磨損的措施。

4．1表面硬化處理

如第2節所述，新干線車輛使用的車軸由于承受大的負載，所以必須對微動磨損采取防范措施，可以通過高頻淬火表面硬化處理加以解決。圖5（a）為車軸高頻淬火的范圍［3］，圖5（b）為高頻淬火工藝的模式圖［7－8］。在這樣的車軸表面，除了配合部的輪軸中央部之外，都要全面進行高頻淬火。這里，在輪座的軸端側為固定淬火，平行部為移動淬火。它們的高頻淬火方式有所不同。在輪座中央部的非高頻淬火部（見圖3），由于車輪的內面和車軸的表面緊固，發生的應力非常小，所以沒有強度上的問題。圖6為通過高頻淬火，工件發生硬化層后，在壓入端附近的維氏硬度和軸向殘余應力的分布［7－8］。由此可知，表面硬度為HV550左右，有效硬化層深度（超過HV400的區域）為2．5mm～4．5mm。另外，表面殘余壓縮應力為－600MPa左右，殘余應力由壓縮反轉到拉伸的深度為10mm～20mm。這樣，在高頻淬火區域，由于硬度上升和產生大的壓縮殘余應力，因而得到良好的具有耐微動磨損的特性。特別是殘余壓縮應力，由于不會使零件發生微動磨損疲勞裂紋的開口，所以具有抑制裂紋擴展的良好效果。圖7為表面殘余應力和由于微動磨損發生疲勞極限的關系。圖7以各種直徑的小型壓入軸到實物大小的壓配車軸為對象，將裂紋發生的疲勞極限σw1、裂紋擴展終止極限即斷裂疲勞極限σw2繪在同一張圖中。對于σw2，因為軸徑和殘余應力分布的不同而有離差，其壓縮殘余應力越大時，離差越大。另一方面，σw1比σw2低，所以幾乎不受殘余應力的影響。在這里，表明在σw2比σw1格外高時，通過前述殘余壓縮應力的作用，就具有抑制裂紋擴展的效果。

4．2配合形狀

在微動磨損疲勞中，配合部壓入端的形狀也有很大的影響，作為表示同部形狀的主要參數，有圖8所示的階梯直徑比D／d和外伸量δ。階梯直徑比是配合部直徑D和非配合部直徑d的比，外伸量δ是被配合物端部比配合部端部外伸的長度。圖9為階梯直徑比D／d和外伸量δ對小型壓入軸疲勞強度的影響［10－12］。圖9中，雖然對σw2、σw1能發生磁粉裂紋（σw1，mag）和能確認光顯水平的微細裂紋（σw1，mic）進行了區別評價，但大體顯示有基本相同的傾向。由圖9可知，D／d在1．1以上，δ在正向側，即采用外伸的形狀就能獲得高的疲勞強度。這種形狀的影響，考慮是由于應力集中、接觸面壓力的分布，以及相對滑動量變化影響的結果。由于這種影響不能完全分離，所以通過降低應力集中和相對滑動，就能取得提高疲勞強度的效果。在新干線車軸中，如前所述，施行高頻淬火，在D／d值增大有困難時，采用外伸形狀。

4．3強度設計

車軸的強度設計按照JISE4501［6］的規定。根據這個規定，并按第2節的說明，評估作用于車軸的彎矩，由此算出車軸各部位發生的名義應力，在不超過容許應力的條件下決定形狀。在這里，車軸的彎矩來自靜態垂向力，車輛運行時垂直振動的動態垂向力，以及通過曲線運行時，作用于車輛的指向于曲線外側水平方向的慣性力。為此，車輛的運行速度越高，彎矩越大，對新干線來說，要求對軌道的維護要比既有線更好。由于曲線半徑大，所以，雖然速度高，但彎矩沒有顯著增大［13］。但是，盡管有這樣的考慮，但由于新干線比既有線的車輛高速化程度更高，所以設計上要設想有大的彎曲力矩作用在車軸上。為此，新干線車輛就要采用高頻淬火車軸，在其現行的規格中，采用4．2節說明的有效果的外伸形狀。高頻淬火車軸對應于非高頻淬火或淬火回火的車軸，由于疲勞強度提高，設計使用的疲勞極限，即設計容許應力也相應增大。圖10為車軸疲勞極限和設計容許應力的關系。圖10中的疲勞極限是根據以前小松［14］、田中等［15］、本松等［16］采用實物大小車軸進行疲勞試驗獲得的數據。在這里，非高頻淬火車軸的疲勞極限（σw2）相對比設計容許應力低若干或大體相等。在高頻淬火車軸中（圖10中第4種SFAQ），假如疲勞極限（σw2和σw1，mag）在177MPa以上，則大大超過設計容許應力147MPa的水平。現實狀況是由于受試驗機負載容量的制約，對于疲勞試驗現行規格的高頻淬火車軸來說，由于不能適時反映斷裂時的真實磁粉裂紋，因此不能把握真實的極限。但是，從設計容許應力和實際的疲勞極限的比較來看，高頻淬火車軸在強度裕量方面相對要大。

4．4維修檢查

到前節為止，說明了由制造方根據設計、制造考慮抑制微動磨損的措施，但鐵路工作者通過采取維修檢查應對微動磨損的措施也是不可缺少的。鐵道車輛使用中要接受輪換檢查、轉向架檢查、全面檢查3種定期維修檢查。其中，新干線車輛的輪換檢查是對每行車3萬km或30日進行的檢查，具體是對車軸進行超聲波探傷。轉向架檢查是對每行車60萬km或18個月進行。全面檢查則是在轉向架檢查間隔的2次中進行1次。在轉向架檢查或全面檢查中，要適時從車軸上拆下車輪，針對車軸進行磁粉探傷。用磁粉探傷確認損傷，即使研磨到0．15mm時，假如確認有殘存磁粉、擦傷、熔粘、變速箱軸承的潛移、車輪拔出時的咬傷等，就要更換和廢棄該車軸。當然，應用上述維修檢查方法，即檢查間隔和更換標準，都遠比既有線上嚴格。

5新干線車軸的使用實績

圖11為在維修檢查中，以磁粉裂紋為由決定更換車軸（車軸更換率）在各年度的變化［8］。1975年，車軸更換率超過5％。到20世紀80年代中期，呈單邊減少。1989年以后更低。1990年以后，大體維持在0％。現在更換率也經常為零。這期間，由于高頻淬火條件的改變［17］、外伸化等制造方面的改進［11－12］，在1985年以后，車軸已完全改換成現行的規格。再者，通過軌道整頓帶來的應力降低，終于取得上述極為良好的使用實績。這樣的新干線車軸，通過制造、設計、維修各方面采取應對微動磨損的措施，已完全能夠確保其長年運行的安全性。作為最近的動向，新干線車輛由于進一步的高速化和曲線通過速度的提高等，車軸的使用條件也在不斷變化。另一方面，如前所述，通過磁粉裂紋決定更換的車軸已經沒有，對應于此，強烈期望維修檢查的高效化。在這種情況下，即使現在也在繼續進行各種探討。例如，由作者一人進行的在實際工作負載下探討的微動磨損疲勞裂紋發生的壽命評價［18－19］；利用破壞力學探討的微動磨損疲勞強度的預測［20－21］；由石等導入人工裂紋探討的對車軸疲勞強度的評價［22－23］；由YOHSO、MAKINO等進行的車軸超聲波探傷的高精度化、高效率化的探討［24－25］等。這些研究成果期望能在近期反映在車軸的設計、制造、維修各個方面。

6結束語

以鐵道車輛車軸為對象，介紹了其緊固部產生的摩擦磨損中的一種微動磨損，以及防范新干線高速車輛車軸微動磨損的措施。作為設計、制造方面的措施，有利用高頻淬火有效降低壓縮殘余應力的方法，還有對配合部采用外伸形狀的方法。作為維修方面的措施，有定期實施超聲波探傷和磁粉探傷的方法。采取這些措施的結果，現在已能使微動磨損通過磁粉探傷，將車軸的更換率降到零。這樣，新干線車軸通過制造、設計、維修等方面采取的防范微動磨損的措施，可以說已做到能確保其長年運行的可靠性。

參考文獻：

［1］日本工業規格JISE4502－1（2001）［S］．

［2］日本工業規格JISE4502－2（2001）［S］．

［3］日本!道車輛工業仝規格JRISJ0401（2007）［S］．

［4］日本材料仝編．初心者のための疲)設計講習仝［C］．日本材料仝（2003）．

作者:牧野泰三 單位:日本