吳 毅

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所， 北京 100081)

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動(dòng)車組車軸的國(guó)產(chǎn)化試驗(yàn)研究*

吳 毅

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所， 北京 100081)

動(dòng)車組車軸是高速鐵路列車的關(guān)鍵走行部件之一,從設(shè)計(jì)選材和試制檢驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組DZ2鋼車軸進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并與國(guó)內(nèi)外相關(guān)材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較和分析。

動(dòng)車組; 車軸; 國(guó)產(chǎn)化; 試驗(yàn)研究

車軸是動(dòng)車組列車走行部的關(guān)鍵部件，也是列車服役條件最苛刻的部件之一，更是關(guān)系到列車運(yùn)行安全的重要結(jié)構(gòu)，它承受著來自機(jī)車車輛的全部自重和負(fù)荷，在車輛運(yùn)行時(shí)主要承受旋轉(zhuǎn)彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷，在高速狀態(tài)下受力情況就更為復(fù)雜。

目前我國(guó)已基本實(shí)現(xiàn)高速鐵路各種裝備和零部件的國(guó)產(chǎn)化，然而動(dòng)車組關(guān)鍵走行部件之一的動(dòng)車組車軸仍主要依賴進(jìn)口，CRH1、CRH3型動(dòng)車組車軸材質(zhì)主要為EA4T合金鋼，CRH2A/CRH2B/CRH2E/CRH2C一階段動(dòng)車組車軸材質(zhì)為碳素鋼S38C，CRH2C二階段動(dòng)車組車軸材質(zhì)為EA4T合金鋼，CRH5型動(dòng)車組車軸材質(zhì)為30NiCrMoV12鋼，動(dòng)車組車軸的主要供應(yīng)商有智奇公司，意大利LUCCHINI公司，德國(guó)BVV公司，西班牙卡福公司，法國(guó)瓦頓公司，日本住友金屬公司[1-3]。

為實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車組車軸的自主替代，提升裝備制造保障水平，鐵路總公司組織有關(guān)科研院所及相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)開展了對(duì)動(dòng)車組車軸的深入研究，針對(duì)我國(guó)高速鐵路實(shí)際運(yùn)用條件進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究攻關(guān)，遵循引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新的原則，瞄向世界先進(jìn)動(dòng)車組車軸發(fā)展水平，研究制定了國(guó)產(chǎn)動(dòng)車組車軸試制技術(shù)條件等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過項(xiàng)目研究，以期使我國(guó)高速動(dòng)車組車軸達(dá)到或超過進(jìn)口車軸的水平，完全滿足我國(guó)動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)用要求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組車軸的自主制造和產(chǎn)業(yè)化，完成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)車組車軸技術(shù)再創(chuàng)新，為我國(guó)鐵路特別是高速鐵路可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)支持[4]。

1 動(dòng)車組車軸成分選擇

世界各鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視高速車軸的研究工作，從材料、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、熱處理和運(yùn)用維護(hù)等方面不斷改善。由于各國(guó)的國(guó)情和技術(shù)觀點(diǎn)不同，選用的車軸材料也不相同，主要是優(yōu)質(zhì)中碳鋼和高強(qiáng)度合金鋼。如日本新干線高速鐵路車軸普遍采用碳素鋼材質(zhì)(S38C)，通過表面中頻淬火熱處理工藝，在淬硬層內(nèi)獲得非常細(xì)的馬氏體組織，使表面強(qiáng)度顯著提高，同時(shí)產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。表層的硬化可以提高車軸的耐磨性和抗沖擊性，通過產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力，更能提高車軸的疲勞強(qiáng)度。相比采用合金鋼加調(diào)質(zhì)處理熱處理工藝而言，日本高速車軸原材料成本低，但熱處理工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備和人員的工藝控制水平要求高；歐洲高速鐵路車軸材料則大多采用中合金結(jié)構(gòu)鋼(如EA4T)，通過采用正火+淬火+回火熱處理方式來提高車軸的強(qiáng)韌性指標(biāo)，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但EA4T鋼只含Cr 0.90～1.20%、Mo 0.15～0.30%，對(duì)于大截面車軸來說，鋼的淬透性不是太好，導(dǎo)致車軸截面顯微組織和性能不均勻，影響高鐵車軸整體性能指標(biāo)的進(jìn)一步提高；部分歐洲高鐵車軸材料選用30NiCrMoV12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%，此類鋼種淬透性好、可油淬、硬度高、耐腐蝕性能好，但是造價(jià)較高[5-6]。

根據(jù)我國(guó)目前鋼坯冶煉水平以及車軸生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際熱處理工藝裝備情況，國(guó)產(chǎn)化高鐵動(dòng)車組車軸的研制開發(fā)優(yōu)先選用了合金化調(diào)質(zhì)熱處理的技術(shù)路線。標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組用DZ2車軸化學(xué)成分技術(shù)要求及試制實(shí)測(cè)值見表1，同時(shí)表1還給出了兩種歐洲牌號(hào)的高鐵動(dòng)車組車軸化學(xué)成分。從成分設(shè)計(jì)角度考慮，Cr能夠增加鋼的淬透性，促使淬火及回火后工件整個(gè)截面上獲得較均勻的組織，Mo對(duì)鋼的強(qiáng)化作用與Mn相當(dāng)，比Cr顯著，其主要作用是增加奧氏體過冷能力，有細(xì)化組織、提高強(qiáng)度的效果；Ni和Cr的作用相近，但其最大的好處是有利于改善鋼的韌性并可降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，Ni是提高鋼材韌性最有效的合金元素；V是強(qiáng)碳化物形成元素之一，添加微量V即可產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用，同時(shí)由于其特有的細(xì)化晶粒作用，可以使鋼保持細(xì)晶粒組織，保證良好的強(qiáng)韌性匹配。為保證車軸鋼冶煉成分的一致性和穩(wěn)定性，進(jìn)行了各成分的窄化優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)部分元素作了下限要求，同時(shí)提高了對(duì)雜質(zhì)元素的要求，以保證車軸鋼具有良好的純凈度和綜合力學(xué)性能[4]。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2 試制車軸性能分析

2.1 金相組織

歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求經(jīng)正火+調(diào)質(zhì)熱處理的EA4T和30NiCrMoV12車軸微觀結(jié)構(gòu)特性要求見表2，金相組織應(yīng)為貝氏體/回火馬氏體，晶粒度5級(jí)以上，在制訂國(guó)產(chǎn)動(dòng)車組車軸試制技術(shù)條件時(shí)，為保證性能的穩(wěn)定和更好的強(qiáng)韌性匹配，規(guī)定晶粒度級(jí)別要優(yōu)于6級(jí)，且最高與最低級(jí)別差不超過2級(jí)，以降低車軸出現(xiàn)混晶的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)試制的DZ2車軸，在內(nèi)外表面中間位置處取樣，采用Neophot-21金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察，測(cè)得的顯微組織全部為貝氏體/回火馬氏體的淬透組織，晶粒度8.5級(jí)，均滿足技術(shù)要求，如圖1和圖2所示。

表2 微觀結(jié)構(gòu)特性 %

圖1 試制DZ2樣品晶粒度典型照片

圖2 試制DZ2樣品金相組織典型照片

2.2 非金屬夾雜物

動(dòng)車組車軸試制技術(shù)條件對(duì)鋼中非金屬夾雜物較國(guó)內(nèi)外既有標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)了控制，如表3所示，要求按A(硫化物)、B(氧化鋁)、C(硅酸鹽)、D(球狀氧化物)4類夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)外，還增加了單顆粒氧化物DS的評(píng)級(jí)要求，進(jìn)一步提高鋼液純凈度。盡管動(dòng)車組車軸的承載雖然較低，但其運(yùn)行速度較高，有必要防止大顆粒點(diǎn)狀?yuàn)A雜物在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下對(duì)彎曲疲勞性能的影響，從而進(jìn)一步提高車軸使用的安全性、可靠性。在內(nèi)外表面中間位置處取樣對(duì)試制的DZ2車軸進(jìn)行非金屬夾雜物觀察，結(jié)果如表3所示。

2.3 低倍組織

國(guó)外高鐵車軸標(biāo)準(zhǔn)中無低倍組織要求，為進(jìn)一步提高鋼坯致密度，改善冶金質(zhì)量，要求國(guó)產(chǎn)動(dòng)車組車軸鋼坯的橫截面酸浸低倍組織試片上不得有目視可見的縮孔、白點(diǎn)、分層、裂紋、氣泡、夾渣、非金屬夾雜、異金屬夾雜和翻皮等，酸浸低倍組織級(jí)別應(yīng)符合表4所示規(guī)定，對(duì)試制的DZ2車軸進(jìn)行非金屬夾雜物觀察，其結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求。

表3 非金屬夾雜物 級(jí)

表4 低倍組織

2.4 力學(xué)性能

車軸常規(guī)力學(xué)性能是反映車軸產(chǎn)品質(zhì)量的最直觀體現(xiàn)，也是保證使用性能的最基本要求，提高車軸鋼靜強(qiáng)度特別是抗拉強(qiáng)度，在一定程度上既有利于增強(qiáng)車軸的承載能力，同時(shí)也有利于改善其疲勞性能。為保證車軸性能的均勻性和穩(wěn)定性，按照技術(shù)條件要求，車軸力學(xué)性能測(cè)試所用試樣在車軸最大直徑的輪座處外、中、內(nèi)三個(gè)位置切取，如圖3和圖4所示，靠近外表面的測(cè)試值應(yīng)不小于空心軸內(nèi)外表面之間中間位置處實(shí)測(cè)值的0.95倍；空心軸內(nèi)外表面之間中間位置處的測(cè)試值應(yīng)滿足表5要求；靠近空心軸內(nèi)表面位置測(cè)試值應(yīng)不小于空心軸內(nèi)外表面之間中間位置處實(shí)測(cè)值的0.8倍?？紤]到我國(guó)幅員遼闊，南北溫差較大，為考察低溫環(huán)境下車軸的抗沖擊性能，試制技術(shù)條件增加了-40℃的沖擊功要求。按照GB/T 228.1-2010和GB/T 229-2007分別對(duì)試制DZ2車軸進(jìn)行拉伸和沖擊性能測(cè)試，結(jié)果如表5所示，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)條件要求，且有一定富余量。

圖3 空心軸拉伸試樣取樣位置

圖4 空心軸沖擊試樣取樣位置

項(xiàng)目Rm/MPaReH/MPaA/%縱向/J橫向/J-40℃KU22mm缺口20℃KU25mm缺口-40℃KU22mm缺口20℃KU25mm缺口 試制DZ2車軸外81367123．52379719290中78663023．01858413771內(nèi)74859522．01798912576DZ2技術(shù)要求680～850≥450≥18≥30≥50≥25≥25EA4T技術(shù)要求650～800≥420≥18-≥40-≥2530NiCrMoV12技術(shù)要求950～1079≥850≥15-≥50-≥30

注：1.屈服強(qiáng)度不明顯時(shí)，應(yīng)進(jìn)行規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度RP0.2的試驗(yàn)。2.表中要求為3個(gè)試樣的平均沖擊值，單個(gè)的沖擊值應(yīng)大于或等于0.7倍的表中下限值。

2.5 疲勞性能

影響車軸疲勞強(qiáng)度的因素有很多，從材質(zhì)上包括化學(xué)成分、金相顯微組織、靜強(qiáng)度和內(nèi)部有無缺陷等；從零件狀態(tài)上包括表層殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中、尺寸效應(yīng)、表面狀況等；從工作條件上包括載荷特性、壓裝條件、腐蝕環(huán)境等，因此，車軸疲勞性能是車軸綜合性能的反映。國(guó)外鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于車軸疲勞性能的研究比較系統(tǒng)和充分，并制訂了詳細(xì)的計(jì)算和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的形成均經(jīng)歷了相關(guān)國(guó)家大量的實(shí)際線路試驗(yàn)和試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，并且隨著速度等級(jí)的不斷提高和新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，仍在持續(xù)不斷地進(jìn)行修訂和完善。隨著我國(guó)高速鐵路列車的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)科研工作者通過不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)摸索，對(duì)高鐵車軸也開展了全面的疲勞試驗(yàn)研究[7]。參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車軸疲勞性能的要求，從材料方面來考慮，需要進(jìn)行小試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)測(cè)定光滑和缺口小試樣的疲勞極限來計(jì)算缺口敏感系數(shù)q值，以驗(yàn)證車軸材料的“V型缺口”效應(yīng)是否與車軸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定的安全因子“S”要求一致；從產(chǎn)品方面來考慮，對(duì)全尺寸試樣進(jìn)行疲勞性能測(cè)試是為了驗(yàn)證車軸的疲勞性能是否達(dá)到依據(jù)車軸標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的最大許用應(yīng)力。

在車軸軸身上按要求進(jìn)行了光滑和缺口的疲勞小試樣取樣，采用升降法在PQ1-6型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上對(duì)不少于15個(gè)試樣分別通過107次旋轉(zhuǎn)彎曲循環(huán)試驗(yàn)，按照GB/T 4337 4點(diǎn)加力方法測(cè)定了50%置信度下的小試樣疲勞極限，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 疲勞性能

在Sincotec-250 kN·m型輪軸疲勞試驗(yàn)機(jī)上對(duì)6個(gè)實(shí)物輪軸分別進(jìn)行了軸身部位和輪座部位的全尺寸疲勞試驗(yàn)，如圖5，試驗(yàn)應(yīng)力分別為±240 MPa和±145 MPa，循環(huán)比R=-1，試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)107，測(cè)試結(jié)果如表7所示。

3 結(jié) 論

(1) 參考國(guó)外動(dòng)車組車軸不同材質(zhì)特點(diǎn)，根據(jù)我國(guó)目前鋼坯冶煉水平以及車軸生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際熱處理工藝裝備情況，國(guó)產(chǎn)化高鐵動(dòng)車組車軸的研制開發(fā)優(yōu)先選用了合金化調(diào)質(zhì)熱處理的技術(shù)路線，進(jìn)一步優(yōu)化了成分范圍，改善了車軸鋼的淬透性，試制車軸金相組織為均勻的細(xì)晶粒貝氏體/回火馬氏體組織。

圖5 試驗(yàn)方式示意圖

表7 試制DZ2車軸疲勞性能測(cè)試結(jié)果

(2) 在進(jìn)一步嚴(yán)格控制有害氣體和雜質(zhì)元素含量前提下，國(guó)產(chǎn)動(dòng)車組車軸試制提高了對(duì)鋼中非金屬夾雜物的標(biāo)準(zhǔn)要求，增加了單顆粒氧化物DS的評(píng)級(jí)，增加了對(duì)鋼坯酸浸低倍組織的測(cè)試，以進(jìn)一步改善鋼液純凈度和鋼坯致密度，強(qiáng)化對(duì)生產(chǎn)制造過程中對(duì)冶金質(zhì)量控制的技術(shù)引導(dǎo)和約束作用，從而更好的保證車軸產(chǎn)品質(zhì)量。

(3) 通過對(duì)試制國(guó)產(chǎn)化動(dòng)車組車軸力學(xué)性能和疲勞性能的測(cè)試檢驗(yàn)，試制車軸各方面性能指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)條件要求，滿足了基本試用條件。盡管動(dòng)車組車軸承載較低，但由于其運(yùn)行速度高，需要超高周疲勞服役，對(duì)綜合使用性能要求苛刻，還應(yīng)在進(jìn)一步的批量生產(chǎn)和運(yùn)用考核中加強(qiáng)探傷跟蹤與分析研究，從而進(jìn)一步提高車軸使用的安全性、可靠性。

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Experimental Study on the Localization of EMU Axle

WUYi

(Metal and Chemistry Research Institute, China Academy of Railway Science, Beijing 100081)

EMU axle is one of the key components of high-speed railway train, and it is an important structure for the safety and reliability of train operation. At present our country EMU axles are still mainly rely on import, research and development with China's independent intellectual property rights of the EMU axles, master EMU axle core technology, realization of EMU axle industrialization, not only for the optimization of railway maintenance allocation of resources, promoting technology and equipment innovation has important role, but also for China to build advanced manufacturing equipment, led the formation of high-tech industry chain is important. In this paper, a brief introduction was given to the DZ2 steel axle for the standard EMU from two aspects of material selection and trial testing, and domestic and foreign relevant material standards were compared and analyzed.

EMU; axle; localization; experimental research

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1234207);中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014J004-I,2013J008-C)

男，助理研究員(

2016-05-27)

1008-7842 (2016) 05-0007-05

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.02