（车辆工程专业论文）铁路货车车轴实施寿命管理的研究.pdf

摘要 y 7 4 1 2 5 9 本文介绍了我国铁路货车技术管理现状对铁路货车车轴的使用情况从基本 特点、制造、检修以及存在的问题等方面进行了全面的论述，提出了对货车车轴 实施寿命管理的必要性和可行性，并提出了具体的寿命管理措施。 本文对1 9 9 7 2 0 0 1 年全路轮对及车轴检修过程中发现的数万根裂纹车轴分 析，找出了车轴裂纹与车轴部位、使用寿命的关系，分析了裂纹产生的原因，并 提出了预防车轴裂纹产生的办法；同时也对1 9 7 4 1 9 9 3 年我国发生的七十余起车 轴疲劳断裂事故进行分析，找出了疲劳断裂的规律和原因，提出了疲劳断轴的预 防措施。 在对车轴疲劳裂纹及疲劳断裂的实际情况进行统计分析的基础上，文章还对 运用车轴的疲劳寿命进行了理论分析。首先分析了车轴承受载荷和应力分布，选 取合适的载荷谱，根据车轴钢裂纹扩展特性的试验研究为基础，以轮座部裂纹作 为研究对象，对各种因素对裂纹扩展的影响进行了系统的理论分析和评估。为车 轴的安全运用奠定理论基础。 关键词：铁路货车车轴使用寿命研究 第2 页共5 2 吹 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc h i n ar a i l w a yw a g o n st e c h n o l o g ym a n a g e m e n t a tt h ep r e s e n tt i m e ，a n dd i s c u s s e st h eu s a g es i t u a t i o nf o rr a i l w a yw a g o n a x l e si nt h ea s p e c to fb a s i cc h a r a c t e r i s t i c ，m a n u f a c t u r e ，o v e r h a u la n d e x i s t e n tp r o b l e m t h ea u t h o rp u t st h ev i e w p o i n tt h a ti ti sn e c e s s a r ya n d f e a s i b l et oe s t a b l i s hl o n g e v i t ym a n a g e m e n tf o rw a g o na x l e s ，a n dt h e m e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d t h ep a p e ra n a l y z e st h et e n so ft h o u s a n d sa x l ef l a w sf o u n di nw h e e l s e t a n da x l eo v e r h a u ld u r i n gt h ey e a r1 9 9 7 2 0 0 1 ，f i n d so u tt h er e l a t i o n s b e t w e e nt h ef l a w sa n df l a wp o s i t i o na n da x l el i f e - s p a n ，a n a l y z e st h er e a s o n o fa x l ef l a w , b r i n g sf o r w a r dt h em e a s u r e st oa v o i dt h ef l a w a tt h es a m e t i m e ，i ta l s oa n a l y z e sm o r et h a ns e v e n t ya x l ec r a c ka c c i d e n t ，f m do u tt h e d i s c i p l i n ea n dr e a s o no ff a t i g u ec r a c k ，a n dp u t sf o r w a r dt h em e t h o d st o p r e v e n ti t o nt h eb a s i so fs t a t i s t i c a la n a l y s i so ff a t i g u ef l a wa n df a t i g u ec r a c k ，t h i sp a p e r e s t i m a t et h ea x l el i f e s p a nt h r o u g hc a l c u l a t i o n f i r s t l y , i ta n a l y z e st h ea x l el o a da n d s t r e s sd i s t r i b u t i o nt oc h o o s er i g h tl o a dc h a r t , o nt h eb a s i so ff l a we x p a n s i o ns t u d y f o r w h e e ls e ta sa ne x a m p l e ，i ta n a l y z e sa l lf a c t o r se f f e c t i n gt h ef l a we x p a n s i o n t h e o r e t i c a l l y a l lt h ed i s c u s s i o ne s t a b l i s h e st h et h e o r e t i c a lb a s eo f s a f e t yb s eo f a x l e s k e yw o r d s ： f r e i g h t a x l e l i f e s p a ns t u d y 北京交通大学工程硕士论文 第一章导言 中国是一个以内陆运输为主的国家，铁路是国民经济的丈动脉，铁路货运量 占全国各种运输方式货物运输总量的6 0 7 0 。随着我国国民经济的迅猛发展，对 铁路运输提出了越来越高的要求，铁路货车作为货物运输的运载工具，在新的形 势下面临着提速和重载两大课题，而安全可靠性又是铁路运输永恒的主题。 由于我国工业基础相对薄弱铁路货车及其主要零部件的设计水平、原材料 质量、工艺水平和制造质量与发达国家相比还有较大差距，在过去相当长的一段 时期内。铁路货车及其主要零部件的生产制造能力曾一度成为制约铁路运输能力 提高的重要因素，在这种情况下，我国铁路货车及其主要零部件多年来一直沿袭 以定期检修为基本框架的检修管理模式，铁路货车及其主要零部件实行无限期使 用和无限期反复维修的政策，而采取了在检修运用中加严检查等诸多防范措施， 既加大了维修成本，又不利于行车安全，其结果导致了货车的技术状态无法得到 恢复和保证，使行车事故难以杜绝。 车轴是铁路货车走行部的关键零部件，其技术状态直接关系到铁路行车安 全。我国铁路货车除极少数车型外，绝大部分货车无固定配属，全路混编运行， 而轮对( 车轴) 在检修运用中所具有的完全互换的特征，又给车轴使用的安全管 理加大了难度，目前运用中的车轴总数已达到2 4 0 万根，由于未能实行寿命管理， 车轴故障防不胜防，货车车轴的切轴事故一直未能完全消灭，成为铁路货车三大 惯性事故之一，成为影响行车安全的主要矛盾。 对车轴实旋科学的寿命管理，是保证铁路运输安全的重要手段之一，也是货 车实施修制改革的主要内容。 车轴实行寿命管理的关键在于科学地确定寿命期限，在考虑安全性的同时兼 顾其经济性，并要具有可操作性。改变传统的以防范为主要手段的使用管理模式， 代之以提高基础制造质鼙，加人产品的科技含量，建立科学的管理模式，使车轴 的使h j 管理走上规范化的轨道。 北京交通丈学工程硕士论文 1 1 铁路货车及其检修制度概况 1 1 1 铁路货车的发展和技术进步 目前，我国铁道部属铁路货车总保有量达5 2 万辆，路外企业自各货车保有量 达1 0 万辆。其技术结构已基本实现了滚动轴承化、全钢结构、载重达6 0 t 及以上， 主型转8 a 型转向架己占全部货车总保有量的9 8 ，在技术性能上较建国初期已经 有了极大的提高。 从建国初期到2 0 0 0 年底，铁路货车已经历了三次大规模的技术进步，第一次 是1 9 7 0 年前，毗国产化和简统化为主要内容的更新换代，改变了我国铁路货车“万 国博览”的落后面貌；第二次是1 9 8 6 年前，以淘汰4 0 t 以下的旧、小、杂型货车 为主要内容的更新换代，全面提高了单辆货车载重；第三次是1 9 9 8 年前，以淘汰 非转8 a 型转向架和滑动轴承为主要内容的更新换代，使我国铁路货车在技术结 构、运行速度和载重量等方面基本达到了国际先进水平。目前正在进行的是以更 换提速转向架和加装空重车自动调整装置为主要内容的新技术应用推广工作，使 货车运行速度适应我国铁路运输“客货混跑”的行车组织形式，充分发挥既有线 的运能。上述几次大规模的技术更新换代均是以转向架为重点，特别是近期，这 一特点则更为突出。随着国民经济和铁路建设的发展，我国铁路货车在数量、构成、 技术及检修手段等方面都取得了进步，基本能满足铁路货运的需要。 1 1 2 铁路货车的使用 我国铁路货物运输在国民经济中起着至关重要的作用，按2 0 0 0 年底的统计 数据，它在货物周转量上占国内各种运输方式的比重达到5 0 8 ，年货运量达 1 6 5 4 9 8 万t ，货物周转量达1 3 3 3 6 亿t k m ，每辆保有货车年产量达3 0 31 万t k m ， 每辆运用货车日产量达8 5 1 8 t k m 。货车重周距达8 6 7 k m ，空车走行占重车走行只 有4 1 4 。上述指标均处于世界领先水平，同时也反映出我国铁路货车的使用效 率非常之高，对车辆及其主要零部件的安全可靠性要求也同样非常之高。 1 1 3 铁路货车的检修管理制度 我国铁路货车除特种车型外无固定配属，由铁道部统一管理，其检修体系是 实行在计划预防修框架内的状态修，修程设置和检修周期白建国以米经历了6 次 较人的变化。1 9 4 9 年1 9 5 1 年实行的是中k 路的检修制度，修氍分为一般检壳、 甲种检布、乙种检查、丙种检赉；1 9 5 1 年1 9 6 4 年参照前苏联的检修制度，修样 第7 撕共5 2 缸 北京交通大学工程硕士论文 分为大修、中修、年修、制动检查、轴箱检查：1 9 6 5 年毗后的4 次检修制度的变 化差异不大，实行了厂修、段修、辅修、轴检4 级定期检修修程和列车检查，区 别只是按车种对厂、段修的检修周期进行了调整和细化。但从检修周期的变化趋 势来看，厂、段修周期是趋于延长，因辅修和轴检是专项修理，所以基本没有变 化。这说明，随着车辆技术水平的提高，可靠性加强，定期检修的时间间隔随之 变化。货车检修制度及检修周期变化历程的情况详见表卜1 表卜6 。 表1 - 11 9 4 9 年执行的修程及周期 修程一般检甲种检乙种检丙种检 车种 查 查 查 查 3 61 8 6 6 0 各型货车 个月个月个月天 1 9 5 1 年颁布的修程及周期 表1 - 2( 铁机术( 5 1 ) 字第3 9 4 号铁道部令) 、修程大修中修 年修( 年) 制动轴箱检 车种( 年)( 年)检查查 木制及铁板制车底架或 63 木制棚车车体架 钢制车底架或机械车、救6 个 l ( 2 )3 个月 援车、宿营车、发电车、月 84 检衡车、及除雪车( 包括 木制车底架或车体架) 北京交通大学工程硕士论文 1 9 6 0 年颁布的修程及周期 表i - 3( 铁辆检石( 6 0 ) 字第4 2 1 号铁道部令) 修程 大修中修年修制动轴箱 车种 ( 年) ( 年) ( 年)检查检查 敞车( 矿石车、煤车) 、平车 841 ( 2 ) ( 砂石车) 、保温车 棚车、守车、罐车、家畜车、 1 241 ( 2 ) 通风车 6 本3 个 不常用的专用车( 救援车、 月 月 机械车、宿营车、发电车、 检衡车、除雪车、运灰车、 1 262 磅秤修理车) 、9 0 t 及9 0 t 以 上的平车等 1 9 7 2 年颁布的修程及周期 表i - 4( ( 7 2 ) 交辆字6 2 7 号文件) 、修程厂修段修( 年) 辅修( 月) 轴检( 月) 车种 ( 年) 保温车、酸碱类罐车 41 棚车、敞车、平车、煤车、 矿石车、砂石车、活鱼车、 家畜车、水泥车、通风车、 563 罐车、守车载重6 0 t 的长 大货物车 不常用专用车、载重9 0 t 82 及9 0 t 以上的长大货物车 第9 共5 2 虹 北京交通大学工程硕士论文 1 9 8 1 年颁布的修程及周期 表卜5( ( 8 1 ) 铁辆字第4 3 0 号) 、穆翟 厂修段修辅修 轴检( 月) 车种 ( 年)( 年) ( 月)滑、有、无 保温车、酸碱类罐 车、液化石油气罐车、液 4 氧罐车等 棚车、敞车、平车、煤车、 1 矿石车、砂石车、罐车、 63 、6 、i 活鱼车、家畜车、粮食车、 5 水泥车、通风车、守车、 载重6 0 t 的凹型车 不常用专用车、载重9 0 t 82 及以上的货车 1 9 9 3 年颁布的修程及周期 表卜6( 铁辆 1 9 9 3 1 4 号文件) 耀 厂修( 年)段修辅修轴检 车种 般耐候钢 ( 年)( 月)( 月) 冰冷车、 6 酸碱类罐车、液化石油气 4 8 罐车、液氧罐车等 1 棚车、敝车、平车、矿石 车、罐车、家畜车、粮食 58 车、水泥车、标记载重量 63 6 0 t 凹型车 不常用专用车、载重量 8 2 9 0 t 及以上的货车 c 6 2 a 、c 6 2 a ( n ) 、c 6 4 、 x 6 a 、p 6 2 、p 6 2 n 、p 6 3 及 691 5 r 新刑通埘货车 第1 0 页共5 2 顶 北京交通大学工程硕士论文 检修制度的修程和周期堤置依据是：厂、段修等高级修程是根据车体及其 主要零部件的技术状态而定，低级修程一般是专门为制动或滑动轴承轴箱油润的 检修而设置。由于车辆相应结构、材料变化不大，因此，低级修程的检修周期基 本没有变化。 当前，货车各级修程的任务：厂修是彻底恢复车辆的基本性能，达到重造的 目的；段修是维护车辆的基本性能；站修( 包括辅修、轴检、临修) 是恢复车辆 重点部位的基本性能，为运输提供车辆维修保障；运用( 列检) 是及时发现列车 中车辆的重点故障。 1 2 铁路货车车轴基本情况 1 2 1 车轴的结构型式设计、基本尺寸和理化性能 1 2 1 1 车轴型式 我国铁路货车轴型如表1 。7 所示 表1 7我国铁路货车主要轴型 车轴主要尺寸 轴重( t ) 使用轴承 轴型d l x i i l 2用于货车 类型 ( m m ) v 1 2 0 k m h b1 0 8 x 2 0 3 1 9 0 5滑动轴承1 2 0 d1 4 5 2 5 4 1 9 5 6 滑动轴承 2 1 0 e 1 5 5 x 2 7 9 x1 9 8 1 滑动轴承 2 5 0 r b 2 1 0 0 1 8 7 1 9 0 51 9 7 7 2 01 2 o r d 2 1 3 0 x 2 2 0 x1 9 5 6 1 9 7 7 2 6 4 ( 1 5 ) 2 7 2 6 2 i o r e 21 5 0 x 2 4 0 1 9 5 6 1 9 7 7 3 02 5 o r d 3 1 3 0 x1 9 5 1 9 5 6 4 ( 1 5 ) 2 7 2 6 2 1 0 r d 4 1 3 0 1 9 5 1 9 5 6 4 ( 15 ) 2 7 2 6 2 1 o r d l x1 3 0 】9 5 2 0 3 6 4 ( 1 5 ) 2 7 2 6 2 1 o 注：r d l x 刑系列是指r d l o 、r d i3 、r d 】3 a 和r d l 4 等型下轴或轮对。 北京交通大学工程硕士论文 1 21 ，2 车轴基本尺寸 ( 1 ) 滑动轴承车轴的基本尺寸如图1 - 1 和表1 - 8 所示 图1 - 1 滑动轴承车轴示意图 表1 - 8滑动轴承车轴的基本尺寸 质量 轴型d 1d 2也 山 d 5l 1( l 2 )l l1 21 3 1 4 ( k 8 ) b1 0 81 3 31 3 31 5 51 3 82 1 4 01 9 0 52 0 32 7 01 64 6 82 4 3 d 1 4 51 7 01 7 01 7 01 9 42 2 4 81 9 5 62 5 43 2 41 95 2 24 0 6 e1 5 51 8 51 8 52 0 61 8 42 3 0 41 9 8 12 7 93 5 82 25 5 04 7 0 ( 2 ) 滚动轴承车轴的基本尺寸 a 、r b 2 、r d 2 、r e 2 、r d 3 、r d l o 、r d mr d 】3 a 型车轴的基本尺寸如图】2 和 表i 9 所示 北京交通大学工程硕士论文 图卜2r b 。、r d 。、r e 2 、r d a 、r d 】o 、r d 、r d t ”型车轴示意图 r d 4 、r d l 4 型车轴的基本尺寸如图1 - 3 和表1 - 9 所示 图卜3r d 4 、l i d l 4 型车轴示意图 表1 - 9滚动轴承车轴的基本尺寸表 质量 轴型d ld 2也d 5 l l 1皿2 )l 3l i1 21 4 ( k g ) r b 2 】0 0】2 7】5 5】3 82 0 6 2】9 0 5】6 8 8】8 72 3j4 2 9 2 3 2 r d 2 1 3 01 6 51 9 41 7 42 1 4 61 9 5 6】7 0 62 2 02 7 34 7 13 8 0 r e 2 1 5 01 8 02 0 61 8 42 1 6 61 9 5 61 6 8 62 4 0 2 8 84 8 14 4 0 r d 3 】3 0】6 5j 9 4 】7 4 2 】4 6】9 5 6 j 7 5 6】9 52 7 3 4 7 】 3 8 3 r d d1 3 01 6 51 9 417 42 2 8 62 1 4 61 9 5 61 7 5 61 9 52 7 34 7 13 9 8 r d i x 1 3 01 6 51 9 41 7 4 2 2 2 62 0 3 61 8 3 61 9 52 7 3 5 1 l 北京交通大学工程硕士论文 1 2 1 3 车轴的理化性能 ( 1 ) 4 0 钢车轴的化学成分( 熔炼分析) 应符合表1 - 1 0 要求。 表1 1 04 0 钢车轴化学成分表单位： l 车轴钢 psc rn jc “ l 钢种 cm n s i 不大于 | 4 0 0 3 7 0 4 50 5 0 - - - 0 8 0o 1 5 , - - 0 3 50 0 4 00 0 4 50 3 00 - 3 00 2 5 注：4 0 钢车轴化学成分的成品分析与熔炼分析允许偏差如下( ) c 一+ 0 9 m 0 3 ， 加尝；，s i o 0 5 p “”5 ，s + o o o s 。 ( 2 ) 5 0 钢车轴的化学成分( 熔炼分析) 应符合表1 - 1 1 要求。 表1 - 115 0 钢车轴的化学成分表单位： l 车轴钢psc rn ic u cm ns i 钢种 不大于 5 0o 4 7 - 0 5 5o 6 0 0 9 00 1 5 0 3 50 0 3 50 0 3 50 3 0o _ 3 0o 2 5 注：5 0 钢车轴化学成分的成品分析与熔炼分析允许偏差如下( ) c 一+ 0 0 0 0 2 3 ，m n 0 0 3 ，s i + 0 0 5 p “”，s ”5 。 ( 3 ) 4 0 钢车轴的机械性能应符合表l - 1 2 的要求。 表1 1 24 0 钢车轴的机械性能 车轴伸长率65冲击值a kj c m 2 ( k g f m c m 2 ) 钢钢 抗拉强度ob 4 个试样平均值个别试样晟小值 n m m 2 ( k g f m m 2 ) 种 不小于不大于 5 4 9 - 5 6 9 ( 一 5 6 5 8 ) 2 2 5 9 ( 6 0 、3 9 ( 4 0 1 4 0 钢 5 6 9 5 9 8 ( 5 8 6 1 ) 2 1 4 9 ( 50 、 3 4 ( 3 5 、 5 9 8 ( 6 i ) 2 0 3 9 ( 40 12 9 ( 3 0 1 北京交通大学工程硕士论文 ( 4 ) 5 0 钢车轴的机械性能应符合表1 1 3 的要求。 表l - 1 3 5 0 钢车轴的机械性能 车轴车轴最大 ob o s 65 ( 64 ) 8 k ( j c m 2 ) 1 i r 钢钢直径n m m 2 4 个试样个别试样 种( m m )平均值最小值 2 0 06 0 5 3 4 42 2 ( 2 0 ) 3 73 92 9 5 0 钢 2 0 0 j 3 0 05 9 3 3 3 0 2 1 ( 1 9 ) 3 53 4 2 9 注：a k 值只做参考，不做验收依据。 1 2 2 车轴的制造 1 2 2 1 车轴的加工工艺流程如下： 冶炼一铸锭一轧坯一锻造一热校直一热处理一粗加工一精加工一外观检查 一探伤检查。 1 2 2 2 加工工艺要求的重点是： ( 1 ) 冶炼：应由电炉、平炉或氧气碱性转炉冶炼的镇静钢。 ( 2 ) 铸锭：钢锭头部的缩孔和疏松部分应切除。 ( 3 ) 锻造：车轴的始锻温度一般不超过1 2 0 0 。c ，终锻温度不低于8 5 0 。c ， 不能超出此范围。 ( 4 ) 热处理：4 0 钢车轴一般采取一次正火处理，5 0 钢车轴采取二次正火加一 次回火处理。 ( 5 ) 热校直：最高温度不超过7 0 0 。c ，最后的温度不低于5 1 0 。c 。 ( 6 ) 机械加工：对车轴轴身进行车削终加工，对车轴轮座、防尘板座及轴颈 进行车削半精加工， ( 7 ) 用磁粉探伤检查表面及近表面缺陷，表面不允许有裂纹或横向发纹，纵向 发纹允许存在的限度应符合t b l 6 1 9 8 5 的规定：用超声波检查车轴材质的透声综 合性能平内部的有害缺陷应符合t b l 6 1 8 8 5 的规定。 12 3 车轴的检修 我国铁路货车及其主要零部件多年米一直沿裴以定期检修为基本框架的检修 第1 5 页共5 2 负 北京交通大学工程硕士论文 管理模式，目前我国铁路货车实行厂、段、辅、轴四级修程，在段修及以上修程 中轮对及车轴都被作为重点部位加以检修，其主要内容如下： 1 对轮对( 车轴) 进行除尘除锈； 2 对轮对( 车轴) 各部位进行全面外观检查，按规定测量各部位尺寸： 3 对车轴外露部分进行荧光磁悬液探伤检查； 4 对车轴进行全轴穿透超声波探伤检查： 5 不退车轮时，对车轴的轮座镶入部进行超声波探伤检查； 6 不退滚动轴承时，对车轴的轴颈卸荷槽部位进行超声波探伤检查； 7 退卸滚动轴承或车轮后，还要对退卸的部位进行荧光磁悬液探伤检查。 8 对轮对( 车轴) 进行必要的机械加工； 9 组装车轮和滚动轴承； 1 0 全部检修过程必须逐项做好记录。 1 2 4 车轴存在的主要问题 建国以来，我国铁道车辆所用的车轴都是参照前苏联r0 ct 标准制造的4 0 钢车轴，由于制造设备落后，原材料标准低、工艺简单，全国共有3 0 个厂家生产 车轴，运用中的车轴出现裂纹几乎是必然的，特别是提速、重载的运行条件使车 轴承受了更大的载荷，迫使运用检修部门加大了人力和物力，采取重兵把守，段 修及以上修程严格进行探伤检查，但仍防不胜防，断轴事故仍无法完全杜绝。 从1 9 9 6 年起，铁道部开始推广铁道科学研究院的科研成果，参照美国从r 标准研制的5 0 钢车轴，5 0 钢车轴通过提高含碳量来提高强度，通过严格的热处 理制度来保证车轴的各项机械性能，并从原材料、生产工艺和设各条件上提高车 轴的技术要求，把车轴生产厂家从原来的3 0 余家控制在1 0 家，从根本上保证了 车轴的制造质量和安全可靠性。 北京交通大学工程硕士论立 第二章铁路货车车轴使用寿命的研究 随着我国铁路事业的迅速发展，货车提速势在必行，有关货车提速的准备工 作正在紧张的进行。由于货车数量大，运行范围广，无固定配属，其运行情况极 为复杂和严峻，所以要求提速货车有更高、更好的动力学性能和安全可靠性。铁 道部对提速货车的设计改进、加工制造、维修保养以及宏观管理等技术准备极为 重视，也非常慎重。车轴是直接涉及铁路车辆运输安全的关键部件之一，为此， 了解和掌握目前正在运用中的车轴状态，了解使用现场车轴检修、探伤的第一手 资料，特别是探伤过程中发现裂损的规律，分析造成这些裂损的原因，探讨可供 选择的防裂对策，将对提高质量，降低车轴裂纹发生率，完善车轴检修、探伤工 艺，提高运用中车轴的安全可靠性有重要意义。 2 1 车轴实施寿命管理的必要性和可行性研究 2 1 1 车轴实施寿命管理的必要性 2 1 1 1 车轴的重要性 车轴是铁道车辆最重要的零件之一，它的质量状态的好坏直接关系到列车的 运行安全。目前，我国约有二百四十万根左右的车轴在线路上运营，任何一根车 轴的断裂，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。这些 事故给国家财产造成的损失是极其严重的。中断铁路运输、车辆和线路损坏、抢 修和恢复运营三项直接损失，少则几十万，多则几百万，甚至达数千万人民币。 因此防止车轴断裂事故的发生，对铁路运输安全至关重要。 多年来，由于制造、检修等方面的各种不良因素所至，货车车轴折断事故不 断发生。按其折断原因可分为两类：一类是由于燃轴引起的热切：一类是由于车 轴裂纹希i 内部缺陷引起的冷切。据统计，从】9 8 7 2 0 0 2 年全路共发生切轴1 4 6 起， 其中热切1 2 2 起，冷切2 4 起，切轴事故防不胜防，造成了巨大的经济损失并带米 了不良的社会影响，成为铁路运输的重人安全隐患。随着铁路重载提速的要求， 防j r 切轴更成为铁路货下技术管理的重要课题，在研究新材料、新f ：艺、新结构， 提高币轴抗疲劳强度等基础质鼙的同时，也迫切霈要在下轴的技术管理上进行必 北京交通大学工程硕十论文 耍的创新。 211 2 现行检修体制 我国铁路货车及其主要零部件多年来一直沿袭以定期检修为基本框架的检 修管理模式，铁路货车及其主要零部件实行无限期使用和无限期反复维修的政策， 车轴也随货车厂、段修一起同时进行反复维修。整车及零部件均实行根据状态报 废。 如货车报废条件规定“凡货车因事故损坏或自然耗损( 腐蚀、疲劳) 符合下 列条件之一，可申请报废： ( 1 ) 需更换中梁一根及切换另一根中梁者。 ( 2 ) 需更换中梁一根及底架的枕、横梁4 0 者。 ( 3 ) 需更换中梁一根及侧梁一根者。 ( 4 )因事故底架、车体破损严重确无修复价值者。 例如：铁路货车厂修规程规定：钩颈、2 号车钩钩身及钩尾横梁裂纹时， 1 3 号车钩钩身及钩尾横粱裂纹长度超过3 0 r a m 或深度超过5 m 时更换；不足时修 理。钩尾框横梁裂纹长度超过3 0 r a m 时更换，弯曲时调修。 又如：车辆轮对、轴承组装及修理规则规定：车轴有下列情况时报废： ( 1 ) 车轴弯曲或轴颈、防尘板座、轮座、轴身等有一处超过限度不能修复 时须报废； ( 2 ) 车轴有横裂纹不超过3 m m 时允许镟除后使用，横裂纹深度超过3 m m 时 报废。 车辆及各部件实行达到失效状态才报废，没有考虑根据使用时间或走行公里 建立报废制度。这样做虽然可充分利用货车及配件的价值，但同时也给货车安全 带来严重隐患，因为零部件的失效极有可能发生在车辆运用过程中，而关键部件 一旦失效，必然构成严重的行车事故。 2 1 1 3 货车检修体制的改革 铁道部从1 9 9 2 年开始探讨并进行货车检修体制的改革。总的原则是：“在计 划性预防修的前提下，逐步扩人实施状态修、换件修和重要零部t l ：的专业化集中 修实行关键零部件的寿命管理，用十年左右的时间建立起来适合我国国情的， 满足铁路运输需要的、比较科学合理的货车维修体系”。实行关键零部件的寿命管 理被列为检修体制改革的一项重要内容。 第1 8 儿共5 2 虹 北京交通大学工程硕_ 二论文 车轴是货车上最关键的零部件之一，其质量状态直接关系到行车安全，对车 轴实行科学的寿命管理，不仅要最大限度地保证行车安全，而且要考虑综合的经 济效益。 2 1 2 车轴实施寿命管理的可行性 要对车轴实施寿命管理，必须要满足三个基本条件： 1 、每根车轴的身份特定； 2 、车轴的使用时间可推算； 3 、使用寿命可确定。 满足了这三个条件我们就能对车轴实施寿命管理了，目前我国在役的车轴全 部都按照铁道部的有关规程规定刻打了车轴标记车轴标记包括：车轴制造标记、 轮对组装标记和特殊标记，其中车轴制造标记包含了车轴钢冶炼熔炼号、车轴钢 钢种标记、车轴制造( 锻造) 工厂代号、车轴锻造年月、车轴锻造顺序号( 轴号) 、 车轴轴型标记等标记，并且车轴制造标记是永远保留的，这就使每一根车轴有了 自己特定的身份；另在车轴的组装标记中，要求第一次组装标记必须在车轴制造 标记所处扇区顺时针方向排列的下一个扇区内刻打，并且要求永久保留，这就为 准确计算车轴的使用时间提供了依据。因此，对车轴实施寿命管理前两个条件已 经具备。目前的关键是车轴使用寿命的确定。 车轴使用寿命的确定是一个系统的工程，由于影响车轴使用寿命的因素非常 多并有相当多的不确定因素，要对车轴的使用寿命进行综合性的准确计算目前尚 无成熟的理论。 本文从统计规律和理论分析两个方面进行论述。 2 2 车轴使用寿命的统计分析 2 2 1 运用车轴疲劳裂纹情况统计分析 2 0 0 2 年初，铁道部运输局装备部组织铁道科学研究院的有关专家，在全路 1 4 个铁路局的配合及支持下，对全路铁路局系统1 9 9 7 2 0 0 1 上半年轮对及车轴检 修过程中发现的数万根裂纹车轴进行了调壳统计分析。 2 211 轮对检修及探伤基本数据 从1 9 9 7 2 0 0 1 年上、r 年的近五年时间，全路铁路局总计检修轮对6 7 8 9 7 7 9 对， 北京交通大学工程硕士论文 其中进行超声波探伤5 2 4 2 4 3 0 对( 条) ，磁粉探伤6 5 8 9 3 5 1 对( 条) ；总计发现裂 纹车轴5 0 5 1 4 对( 条) ，占检修轮对总数的o 7 4 ，其中超探发现裂纹车轴2 3 5 7 5 根，占超探车轴总数的o 4 5 ，磁探发现裂纹车轴2 6 9 3 9 根，占磁探车轴总数的 0 4 i ，具体数据见表2 - 1 。 表2 - 11 9 9 7 - - - 2 0 0 1 年上半年两种探伤手段发现车轴裂纹情况统计 i 项目检修轮超声波探伤磁粉探伤 对总数 探伤数裂纹轴数比例( )探伤数裂纹轴数比例( ) 数量6 7 8 9 7 7 9 5 2 4 2 4 3 02 3 5 7 50 4 56 5 8 9 3 5 12 6 9 3 90 4 1 2 2 12 车轴不同部位发生裂纹情况统计分析 从1 9 9 7 - 2 0 0 1 年上半年探伤发现的5 0 5 1 4 条车轴裂纹中，轮座部位发生2 4 3 3 5 根，占4 8 2 ；轴身部位发现1 7 8 8 9 根，占3 5 4 ，轴颈卸荷槽部位发生7 6 1 6 根 占1 5 1 ；其它部位6 7 4 根，占1 3 ，具体数据见表2 - 2 所示 表2 - 2车轴裂纹部位分布表 l 部位总数轮座轴身卸荷槽其它 l 数量( 根)5 0 5 1 42 4 3 3 51 7 8 8 97 6 1 66 7 4 l 比例( ) 4 8 23 5 4 1 5 11 3 其中轮座、轴身、轴颈卸荷槽三个部位发生的裂纹占裂纹总数的9 8 7 ，是车轴 裂纹集中发生的主要部位。 2 2 1 3 车轴各部位发生裂纹的基本原因与数量变化趋势综合分析 目前铁道车辆上使用的车轴有两种材质，分别为4 0 钢车轴和5 0 钢车轴，在 2 5 0 万余根车轴中，4 0 钢车轴占8 0 ，为2 0 0 万根左右，5 0 钢车轴占2 0 ，为 5 0 万根左右。5 0 钢车轴从1 9 9 6 年开始推广应用，由于其强度较高，制造质量有 保证，加之推广应用时间短，至今尚未发现5 0 钢车轴存在裂纹。统计分析主要针 对4 0 钢车轴。 a 轮座镶入部裂纹 车轴主要承受弯曲载荷的作用，轮座镶入部是车轴上受力最大的部位，是全 轴应力分布的峰值部位。轮座镶入部除受弯曲载荷作用外，还同时受到局部微动 摩擦腐蚀的作用。 微动摩擦腐蚀与结构殴计、装配关系、卞轴材质，加i ：组装，l 。艺及运用状态 第2 0 页共5 2 页 北京交通大学工程硕士论文 等环节都有密切的关系。例如： ( 1 ) 配合过盈量； ( 2 ) 形位公差； ( 3 ) 粗糙度； ( 4 ) 非突悬组装和突悬组装； ( 5 ) 材质； ( 6 ) 微动摩擦机理； ( 7 ) 微动摩擦腐蚀机理等。 从1 9 9 7 年2 0 0 1 年，连续五年轮座镶入部发生裂纹每年都在5 0 0 0 根上下波 动，并且占裂纹总数的5 0 左右，是必须重点注意的部位。对新制车轴，已经改 变了材质，提高了强度，同时采取了突悬组装方式。严格了加工质量要求，将会 大大减少轮座镶入部的裂纹。但对运用中的4 0 钢车轴，轮座镶入部发生裂纹具有 必然性，必须在检修各加强防范。 b 轴身部位裂纹 通常认为轴身部位受力很小，轴身只是在两个车轮之间起到联接作用，1 9 7 9 年及以前设计的车轴标准将车轴轴身设计成锥形，使其具有一定的弹性。实践证 明轴中央成了车轴强度较薄弱的部位，加之轴身为锻造表面，在轴身及轴中央部 都发生了较多裂纹。随着人们认识的不断深入和强度校核的科学性增强，在1 9 8 3 年的铁标中将车轴轴身改成平直轴身，同时也加大了直径尺寸，并且表面进行了 机械加工，使其强度得到了保证。随着时间的推移，锥形锻造轴身逐年减少，这 与轴身裂纹逐年下降的规律相吻合。 目前轴身存在的主要缺陷是磕碰伤，这也是轴身出现裂纹的诱因。轮对搬运过 程中应防止轴身磕碰，对轴身有磕伤的部位应进行重点探伤检查，在使用限度以内 者应将其伤痕边缘处打磨光滑。 c 轴颈卸荷槽裂纹 轴颈卸荷槽是滚动轴承轮对所特有的，铁标中对轴颈后肩的设计有二二种型式， 其一为轴颈后肩由圆弧连接过渡，没有卸荷槽，该种结构设计对加 ：设备要求较 高，直接使j - f 成形砂轮磨加1 ：成形，目前全国只有几家f 厂能按这种设计加j ：下 轴轴领。其二为轴颈后腑带有卸荷槽( 实为退刀槽) ，该种结构设计是为了直接采 川外圆磨床加：下轴轴颈，是目前人多数下轴加t 单位所采用的加t 方式。理论 第2 j “共5 2 “ 北京交通人学工程硬i 论文 计算表明，如果轴颈卸荷槽结构设计合理，加工质量有保证，带卸荷槽的结构型 式比不带卸荷槽的结构型式更有利于改善轴颈后肩处的应力分布。 目前轴颈卸荷槽处发生裂纹的最突出特点为伴有腐蚀的多源点裂纹。产生的 基本原因为：( i ) 轴颈卸荷槽加工质量差：早期加工的车轴由于未采用数控机床 甚至连机械靠模加工都很少，绝大多数采取手工赶刀加工。然后对照样板检查加 工质量，人为因素较多，加工质量难以保证，容易造成应力集中。 2 21 4 裂纹车轴的寿命分析 对4 万根裂纹车轴分两种情况进行了寿命统计：图2 - 1 为发现裂纹车轴的寿 命分布情况，图2 2 为报废车轴的寿命分布情况图，这两个曲线形状和走向有相 似之处。由于报废裂纹车轴数据资料相对较少，下面重点讨论裂纹车轴与寿命的 关系。 人入 ? 。、 “_ 、 、卜一一、 、 ，、 一7、 ；e09 l 】? 1 3l | l 1 帅2 22 3 2 一3 03 1w 住用4 r 图2 1 车轴裂纹与使用寿命关系曲线 北京交通大学工程硕士论文 八厂v - - 4 口，j u1 1 jl 口_ zzj9 4 2 9 w 惶用年r 图2 2 车轴报废与使用寿命关系曲线 从图2 一l 可以看出，裂纹车轴的寿命分布可以分为三个阶段： 1 寿命4 4 年的裂纹轴数较少，约为2 0 0 0 根，它们一般都是存在着严重的 材质或( 和) 加工缺陷，即车轴投入使用前就有严重质量问题，投入运营后很快 出现较严重裂纹而报废。此类车轴对行车安全危害极大，典型案例为1 9 8 9 年运用 三十六天的新车轴发生断裂，例行的检查探伤都来不及进行。此类车轴一旦发现， 一定要采取果断措施查清裂纹原因，查明是否为批次问题，确保运输安全。随着 各车轴生产企业质量意识的加强和普遍的i s 0 9 0 0 0 质量体系认证，此类车轴裂纹 大大减少。 2 寿命介于s 2 0 年之间的裂纹轴，在数量分布上形成明显的阶梯型凸台， 5 - 1 2 年之间是裂纹轴数量大幅度上升的高发期，而在1 4 2 0 年之间下了一个台阶， 成为裂纹轴的次高发期。此类轴往往在三个裂纹频发部位，有不同程度的表面损 伤( 包括腐蚀) ，在载荷作用f ，以此为裂纹源产生疲劳积累，运用到5 年后才表 现山来。由于表面损伤的类型、程度、部位及数量等条件不同，如轴身不同部位、 不同方向、不同程度的磕碰、划伤：轮座镶嵌部不同程度压装损伤；卸荷槽部位 不同程度的腐蚀等，形成裂纹轴的寿命在5 2 0 年之间不等。 造成此类裂纹车轴的闪素较为复杂，特别是对压装损伤、微动摩擦腐蚀等问 题，需要组织力鼙进行深入的探讨和研究。 第2 3 虹共5 2 负 3 寿命介于2 0 3 0 年之间，裂纹轴数量明显下降，即每年裂纹轴少于8 0 0 根或更低。这部分轴产生裂纹的原因主要是运用过程的疲劳累积损伤所至，加之 载荷的波动，复合作用使寿命呈图示分布。 从统计规律来看，运用车轴在2 0 年内发生裂纹的比例已经达到1 0 ，按照通常 的额定寿命理论同一批车轴在正常使用条件下，累计报废率达到1 0 的使用年数 ( 或运行公里数) ，即应为该批车轴的额定寿命。据此，针对4 0 钢车轴，建议将车轴 的使用寿命或叫管理寿命初步确定为2 0 年( 或2 0 0 万公里) 。 2 2 2 运用车轴疲劳断裂情况统计分析 因疲劳裂纹萌生的扩展导致车轴断裂，是车轴损坏失效的主要形式之一，自 1 9 7 4 年至1 9 9 3 年，我国共发生车轴疲劳断裂事故七十余起，每起造成的经济损 失少则十几万，多则上百万。 本文从材料学、力学相结合的角度出发，对我国近些年来的断轴状况进行调 查、统计和分析，并通过剖析二十几个典型实物轴疲劳断口，分析导致我国车轴 疲劳断裂的主要原因，参考国内外关于防止断轴及提高车轴使用寿命研究的已有 成果，提出符合我国车轴生产、运用状况的防断措施。 2 2 21 疲劳断轴的统计规律 我国自一九七四年至一九九三年二十年中，全路车辆轴共发生疲劳断轴事故 七十三起。调查统计结果见表2 3 、图2 - 3 和图2 - 4 。 表2 - 3车辆轴疲劳断裂事故统计 断轴 断裂部位 年份 轴中央轴轮座防尘板轴 次数 ( 士2 0 0 r a m )身内侧座 颈 1 9 7 432 l 1 9 7 5 321 1 9 7 6o 1 9 7 721l 1 9 7 8 1 l911 1 9 7 943 1 1 9 8 0 642 1 9 8 l4 22 1 9 8 29 3 4 11 第2 4 页共5 2 页 北京交通大学工程硕士论文 续表2 3 断轴 断裂部位 年份轴中央轴轮座防尘板轴 次数 ( 2 0 0 m m )身内侧座颈 1 9 8 3413 1 9 8 4l l 1 9 8 5413 1 9 8 632l 1 9 8 743 l 1 9 8 8523 1 9 8 931ll 1 9 9 0 21 l 1 9 9 122 1 9 9 2211 1 9 9 311 总计 7 33 822 l39 百分比1 0 05 2 32 941 2 图2 3 为车轴断裂部位分布图，该图及表2 - 3 统计结果说明，轴中央部位( 包 括中央位置附近2 0 0 m m 范围) 断裂次数最多，占事敌总数的5 2 ，其次是轮座 镶入部内侧2 - - 4 0 m m 的范围，断裂次数占总数的2 9 ；再次是轴颈处，断裂次数 占总数的1 2 ：轮座外侧近二十年无疲劳断裂事故发生。 n 目 h 一百刊刊t , j 营删蕾聃鼾i 幽2 3 历年车轴疲劳断轴数量分布 北京交通大学工程硕士论文 5 2 9 , 图2 4 车轴断裂部位分布 车辆轴疲劳断裂部位的上述分布特征与车轴工作应力域密切相关，对于轴中 细的旧d 轴，其工作应力域如图2 - 5 所示，应力水平轴中央最高，轮座内侧次之， 轴颈和防尘板座第三，轮座外侧晟低。因此，车轴各部位疲劳断裂发生概率从大 到小的顺序为：轴中央、座内、轴颈、座外。由此说明，导致疲劳断轴的诸因素 中，车轴应力是首要的，除材质因素外，防止断轴的重要手段就是降低车轴的应 力水平。 幽2 - 5 货下旧d 轴戍力域 第2 6 负共5 2m 北京交通大学工程硕士论文 超载对车轴实际工作应力域影响很大，在超载状态下，车轴各部位的实际工 作应力域及其应力水平将大幅度提高从而严重影响车轴疲劳寿命，加速车轴疲 劳破坏。表2 4 为近二十年疲劳断裂轴型统计，从中可以看出，d 型轴断裂次数 最多，约占总数的8 8 。这一方面是因为在现役车轴中，d 型轴数量晟多，约占 车轴总数的7 9 ；另方面是因为货车d 型轴多用于5 0 - - - 6 0 吨敞车，而敞车在装 运煤、钢铁，矿石等货物时，发生超载、偏载、集中装载的可能性最大，使车轴 使用寿命降低。因此，防止疲劳断轴的措施之一就是要严格防止车辆货物装载中 的超、偏、集载现象。 表2 - 4疲劳断轴轴型统计( 1 9 7 4 1 9 9 3 年) 轴型断轴次数百分比 b23 d6 48 8 r c o 23 r c 4 23 r do ll r d 2 23 从表2 - 4 中还可以看出，货车滚动轴承车轴r d 。、r d ，轴的疲劳断裂次数 较少，约占断轴总数的4 。其原因是r d 。、r d ，轴轮座及轴中直径比旧轴大， 并且，这两种