陳露， 朱博文

(中車太原機車車輪有限公司，太原 030009)

廠修機車車軸利舊加工成工程作業(yè)車車軸可行性分析

陳露， 朱博文

(中車太原機車車輪有限公司，太原 030009)

基于車軸設(shè)計標準，建立工程作業(yè)車車軸強度計算模型，分別從尺寸、材質(zhì)等方面對廠修韶山型電力機車車軸利舊加工成工程作業(yè)車車軸的可行性進行分析。計算結(jié)果表明，SS7C型電力機車車軸為利舊最優(yōu)對象。

車軸；利舊；可行性分析

0 引言

車軸是機車車輛轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵承載部件，在進行韶山型電力機車大修、輕大修過程中，車軸因表面缺材、裂紋、拉傷等缺陷而報廢比率占到全部檢修車軸20%～40%，檢修機車在更換成新制車軸后，報廢車軸直接進入廢料場，造成極大浪費。而自公司工程作業(yè)車項目拓展以來，其訂單較去年同期增長200%，年產(chǎn)能力由18臺增加至300臺，年銷售收入從不足2000萬元到約2億元。經(jīng)公司研究決定，對廠修機車車軸利舊加工成工程作業(yè)車車軸進行可行性分析，如項目方案合理，每臺工程作業(yè)車可節(jié)約成本1.3萬元，年節(jié)約成本約400萬元。

廠修韶山型電力機車種類繁多，車軸外形尺寸、材質(zhì)各不相同。因此，利舊可操作性成為廠修機車車軸利舊加工成工程作業(yè)車車軸項目難點。目前，國內(nèi)鐵路行業(yè)針對此項關(guān)注較少，各主機廠以新制車軸加工及設(shè)計研究為主。參考文獻[1]從工藝角度對車軸加工質(zhì)量進行理論研究，通過材料、斷裂、加工工藝、理論計算、有限單元法和實驗應(yīng)力分析等方面，為HXD3B機車車軸國產(chǎn)化提供理論基礎(chǔ)。參考文獻[2]針對EA4T車軸加工制造過程，采用正交試驗得到刀具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)對車削加工表面殘余應(yīng)力影響規(guī)律，并繪制不同殘余應(yīng)力車軸材料S-N曲線。參考文獻[3]通過剖析國內(nèi)外車軸相關(guān)技術(shù)標準，對比分析國內(nèi)需求、材料性價比和加工工藝可行性等多方面進行分析，研發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)高速動車組國產(chǎn)化空心車軸用鋼材。參考文獻[4]應(yīng)用AutoLisp和Visual Basic程序，探索鐵道車輛車軸設(shè)計及參數(shù)化繪圖系統(tǒng)理論與方法，建立車軸設(shè)計計算方法和技術(shù)流程。參考文獻[5]以提速貨車RD車軸為研究對象，通過建立C62和C64K兩種貨車系統(tǒng)非線性動力學(xué)模型，得到輪對有限元分析所需載荷譜、車軸危險截面在典型工況不同存活率和不同置信度下的概率疲勞應(yīng)力。

1 外形尺寸可行性分析

韶山型電力機車軸端孔為60～75 mm，具體尺寸見表1，鉆頭角度118°，因此實際軸端孔深度約65～80 mm?？紤]到作業(yè)車與該類電力機車車軸外軸頸軸徑尺寸及軸端螺紋孔位置尺寸不同，要加工上述車軸時須將現(xiàn)車軸端螺紋孔部位全部去除。以軸長為計算標準，JW4G型作業(yè)車車軸所需最短毛坯長度2146+65+65=2276 mm，TY5系列作業(yè)車車軸所需毛坯長度2240+65+65=2370 mm，經(jīng)對比韶山型電力機車車軸和軸端孔長度，TY5系列工程作業(yè)車車軸無法利舊。

而JW4G主動車軸中部為φ254 mm，SS7C型電力機車抱軸頸直徑最大為φ256 mm，但其軸向位置不同，無法滿足主動車軸尺寸要求。而JW4G從動車軸結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)計算，JW4G從動車軸可使用韶山型電力機車車軸加工而成，除SS4電力機車車軸外其余均可利舊，但加工量較大，平均加工量約為200 mm。而一般車軸加工量為2～12 mm（軸承座）、3～7 mm（輪座）[6]。

表1 各車型車軸基本數(shù)據(jù) mm

表2 各車型車軸材質(zhì)和主要力學(xué)屬性

圖1 JW4G從動車軸校核截面

表3 設(shè)計計算原始數(shù)據(jù)C1

2 材質(zhì)可行性分析

目前國外軌道車輛車軸主要采用25CrMo4、XC30、30CrNi3、S38C等材質(zhì)[7]，而國產(chǎn)韶山型電力機車車軸多為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，JW4G、TY5、TY55、TY5Y型工程作業(yè)車為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。各車型車軸材質(zhì)和主要力學(xué)屬性見表2。

從材質(zhì)分析，工程作業(yè)車車軸可用SS7C型電力機車車軸加工而成，根據(jù)參考文獻［8］-［10］，機車車軸鋼35CrMo、35CrMoA可代替目前使用LZ50車軸用鋼。35CrMoA為優(yōu)質(zhì)35CrMo，因此在后文計算中使用35CrMo作為計算參數(shù)。根據(jù)參考文獻［11］～［12］，JZ50、LZ50為同一種材質(zhì)，且50鋼車軸材質(zhì)性能良好，優(yōu)于美國鐵路協(xié)會AAR M101 F81級要求。LZ50屈服極限345 MPa、抗拉極限610 MPa、伸長率19%、斷面收縮率35%。依據(jù)參考文獻［13］，35CrMo屈服極限835 MPa、抗拉極限980 MPa、伸長率12%、斷面收縮率45%。從前文分析結(jié)果可知，僅JW4G從動車軸可用于利舊加工，因此須依據(jù)參考文獻［14］對35CrMo、LZ50不同材質(zhì)下車軸進行強度計算。

2.1 車軸設(shè)計計算原始數(shù)據(jù)

校核截面及其直徑為：軸頸上有壓配合部位內(nèi)側(cè)邊緣處（φ130 mm）、輪座上輪轂內(nèi)側(cè)邊緣處（φ193 mm、φ194 mm）、輪座內(nèi)側(cè)圓弧處（φ174 mm）、軸身中央處（φ174 mm），如圖1所示。JW4G工程作業(yè)車啟動牽引力50 kN，車輛總重越47 t，軸重約為12 t，最高運行速度120 km/h。

2.2 各截面進行強度校核

以a-a截面為例：彎矩Ma=PL·Ia=19.48E3 N·m；應(yīng)力Sa=Ma/Wa=90.32 MPa。強度校核：na=[S-1]G/Sa=1.29＞1.0。

由于參考文獻［14］中，其車軸設(shè)計參考材質(zhì)較少，缺乏合金結(jié)構(gòu)鋼，故在進行35CrMo材質(zhì)車軸設(shè)計時，采用參考文獻［15］中相關(guān)參數(shù)，計算方法、設(shè)計標準仍沿用參考文獻［14］。

故從表4中可知，各種工況下JW4G從動車軸在軸重12 t，Vmax=120 km/h時，安全系數(shù)均大于1，且材質(zhì)更換為35CrMo，安全系數(shù)更高。

3 結(jié)論

表4 車軸設(shè)計強度校核C2

1）從加工余量角度考慮，僅有JW4G從動車軸可以利舊，利舊車軸不包括SS4型電力機車車軸；從材質(zhì)角度，可直接使用SS7C型電力機車車軸，可考慮使用35CrMo、35CrMoA材質(zhì)車軸，即SS4B、SS6B、SS7C、SS7D、SS7E、SS8、SS9型電力機車，其安全系數(shù)較LZ50更大。綜上所述，SS7C型電力機車車軸為利舊首選，可加工成JW4G從動車軸，平均加工量約為200 mm。

2）本文目前針對車軸進行材質(zhì)、尺寸及設(shè)計強度校核分析，結(jié)果滿足現(xiàn)有工程作業(yè)車使用要求。如該方案通過公司評審，應(yīng)對不同材質(zhì)車軸以及輪對做模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析，針對不同工況進行有限元強度校核、驗證，并通過力學(xué)試驗驗證合金結(jié)構(gòu)鋼可用性。

3）從生產(chǎn)角度分析，工程作業(yè)車車軸加工工序需交驗，因此應(yīng)向原供貨廠家索取鋼材成分單，利舊車軸因時間久遠，成分單或已遺失，交驗存在難度。

[1] 關(guān)大偉.HXD3B機車車軸加工工藝研究[D].大連:大連交通大學(xué),2010.

[2] 于鑫.高速列車車軸加工殘余應(yīng)力與疲勞壽命關(guān)系研究[D].濟南:山東大學(xué),2015.

[3] 朱靜,顧家琳,周惠華,等.高速列車空心車軸國產(chǎn)化的選材和試制[J].中國鐵道科學(xué),2015,36(2):60-67.

[4] 劉盼.鐵道車輛車軸參數(shù)化繪圖系統(tǒng)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2014.

[5] 梁紅琴.隨機載荷作用下的貨車車軸疲勞可靠性研究[D].成都:西南交通大學(xué),2004.

[6] 張進德,曹志禮.日本住友車軸、車輪技術(shù)考察報告[J].國外鐵道車輛,1987(1):13-28.

[7] 李桂仙.高速鐵路車軸材質(zhì)的優(yōu)化選擇[J].鐵路采購與物流,2008,3(2):34-35.

[8] 張瑛.高速列車軸用35CrMo鋼超厚壁無縫管的軋制及其質(zhì)量分析[D].重慶:重慶大學(xué),2007.

[9] 鄭健峰.車軸鋼不同模式微動磨損行為研究[D].成都:西南交通大學(xué),2010.

[10]張繼旺.高速列車車軸鋼超長壽命疲勞可靠性及強度改善方法[D].成都:西南交通大學(xué),2011.

[11]鐵路機車、車輛車軸用鋼:GB5068-1999[S].

[12] 林吉忠,劉淑華,吳玉樹,等.50鋼車軸材質(zhì)、工藝及斷裂性能的研究[J].鐵道學(xué)報,1987(1):83-90.

[13] 徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995.

[14]車輛車軸設(shè)計與強度計算方法:TB/T2705-1996[S].

[15]鐵道機車車輛動力車軸設(shè)計方法:TB/T2395-2008[S].

Feasibility Study on Recycling Old Electric Locomotive Axle into Engineering Machinery Vehicle Axle

CHEN Lu,ZHU Bowen
(CRRCTaiyuan Co.,Ltd.,Taiyuan 030009,China)

Based on axle design standard,a strength calculation model of engineering machinery vehicle axle is established.Feasibility study on recycling old electric locomotive axle into engineering machinery vehicle axle is analyzed in view of axle size and material.The result shows that the SS7C overhaul electric locomotive axle is the optimal object.

axle;recycling;feasibility study

U 260.6

A

1002－2333（2018）01－0138－03

（編輯立 明）

陳露（1991—），女，助理工程師，從事理化質(zhì)檢工作。

2017-03-16