动车轮轴材料服役安全及评价

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摘要：摘 要：随着高速铁路不断发展，列车轮轴材料的服役条件也越来越严苛，而轮轴高可靠性是列车运行安全的前提。文章简述铁路列车轮轴材料及制备工艺，详细介绍轮轴的失效形式、损伤机理、失效影响因素、寿命检测评估方法及防护措施，并提出今后的研究展望。 关

　　摘 要：随着高速铁路不断发展，列车轮轴材料的服役条件也越来越严苛，而轮轴高可靠性是列车运行安全的前提。文章简述铁路列车轮轴材料及制备工艺，详细介绍轮轴的失效形式、损伤机理、失效影响因素、寿命检测评估方法及防护措施，并提出今后的研究展望。

　　关键词：高速铁路;动车轮轴材料;疲劳断裂;失效;防护;损伤分析

　　轮轴作为铁路列车关键部件，不但要承载着列车全部重量，同时也为机车运动提供动力。一旦列车轮轴材料发生疲劳破坏，将严重威胁列车安全运行，甚至引起列车脱轨的重大事故，危及乘客生命财产安全。在铁路及机车发展史上，由于轮轴材料失效导致的事故屡见不鲜。1998年6月4日，德国ICE高速列车脱轨，由于采用弹性车轮，其轮箍结构疲劳强度不足，服役中未及时侦测发现，造成车轮疲劳崩裂;10年后又因车轴疲劳断裂，导致ICE高速列车在德国科隆列车总站附近脱轨，所幸当时列车运行速度不高，没有造成人员伤亡[1]。我国高速铁路起步虽晚于欧、美、日等国家，但经过十几年的发展，高速铁路网已初具规模，运营里程跃居世界首位。复兴号作为我国完全自主研制开发的动车组列车，其最高运行速度可达400 km/h。而列车运行速度越高，其零部件、轮轴用材料服役环境越恶劣，对其安全性和可靠性要求就越高。因此，列车轮轴用材料安全服役性能问题越来越受到人们的关注，也成为近几十年的研究热点之一。而相应研究成果也更好地服务于新一代轨道交通轮轴用材料的开发和设计。文章结合国内外相关研究工作，从材料、失效、防护措施及评价手段等方面对轨道交通用轮轴进行介绍。

　　1 轮轴材料及性能

　　1.1 轮对

　　1825年世界出现了第一条铁路，之后铁路技术一直朝着高速重载方向稳步发展，高速列车的出现具有划时代意义。目前，新建线路运行速度在250 km/h以上，既有线运行速度在200 km/h以上的铁路被称为高速铁路。高速铁路的发展对列车轮对性能、服役安全方面提出了更高要求。轮对一般由车轮、轮心和轮箍组成，而高速动车组一般采用整体车轮方案，车轮不再有轮心和轮箍之分。高速动车组轮对分为动车轮对和拖车轮对：动车轮对通常安装齿轮箱以提供列车前进的牵引力;拖车轮对上安装2～3个制动盘以提供列车制动时的阻力。轮对作用力主要用于[2]承受载荷和冲击、提供牵引力或制动力、滚动使车辆前进。图1为我国某型号高速动车组轮对组装图。

　　1.2 材料

　　为了适应重载列车对车轮性能的要求，美国铁路协会在提高铸钢轮耐磨性的同时，通过添加适当含量的Cr元素以改善钢轮韧性，取得了良好效果?。研究表明，在轮轴用钢方面合金化具有明显的优势，添加V、Mo、Mn元素可以明显改善钢材韧性。随着时间推移，列车轮轴材料制备与选用发生了相应变化[4]。早期，针对国内低速列车，车轮用材以CL60钢为主，车轴材料多为LZ50钢。CL60为亚共析钢，强度、硬度和弹性都很高，但是冷变形时塑性较低，切削性较差，焊接和淬透性差。随着铁路运营速度提高，车轮受力状态变得更加复杂，轮轨磨损加剧，车轮疲劳失效现象较为严重，因此车轮用材需要更优良的综合性能。马鞍山钢铁技术中心与西安交通大学于2000年共同研发了一种含微钒车轮用钢，用于速度200 km/h的列车[4]。2014年，中国铁路总公司设立重大课题“动车组关键技术自主创新深化研究——时速350 km中国标准动车组轮轴设计研究”，主要针对车轮服役中达到速度300 km/h时出现的多边形问题，在兼顾材料韧性同时提高其硬度和相变点，成功研制一种中碳Si-V微合金化D2车轮，使得合金元素固溶强化作用和细晶强化作用充分发挥[5]。同期，太钢公司生产的DZ2钢车轴顺利通过铁路公司组织的上车评审，并成功应用于中国标准动车组列车。我国各类列车最常用的车轮、车轴材料相应标准见表1。

　　2 轮轴损伤形式

　　2.1 车轮损伤

　　车轮损伤主要包含踏面磨耗、轮缘磨耗、表面滚动接触疲劳、踏面剥落凹坑、踏面热疲劳裂纹、麻点、踏面擦伤以及非圆多边形磨耗。Beven等[6]研究表明滚动接触疲劳和踏面损伤在各种损伤中所占比例可分别达到41%和26%，图2为车轮各种损伤形式占总损伤比例示意图。

　　车轮疲劳损伤较为普遍且危害更大，其形式有滚动接触疲劳损伤、轮辋断裂、踏面剥离损伤以及表面热疲劳损伤等。在轮轨滚动接触过程中，当累积塑性应变达到材料临界值时，微裂纹将在材料表面或者次表面形核和扩展[7]。图3为萌生于车轮表面的滚动接触疲劳裂纹导致的踏面损伤图。

　　2.2 車轴损伤

　　车轴是主要承力构件，当列车运行时，轨道弯曲或不平整等因素会对车轴产生巨大冲击，对车轴材料造成很大损伤。除此之外，车轴损伤形式主要有以下4种：①轮对、齿轮以及轴承压装面处微动疲劳损伤;②服役或检修过程中打伤、碰伤;③ 服役过程中腐蚀损伤;④轴承故障或过载造成车轴损伤。其中，微动疲劳损伤是造成车轴失效主要原因。有报道指出，1980年我国共探伤发现4 319根车轴轮座处发生明显的微动疲劳损伤，其裂损率为6.9% [8];俄罗斯在1993年因发现微动疲劳裂纹而报废的车轴有6 800 根[9]。

　　3 轮轴材料失效影响因素、形式及机理

　　3.1 轮轴材料失效因素

　　3.1.1 设计

　　车轴设计是为保证车轴在给定条件下安全服役，基于运行条件可能发生的状况，建立相对应的设计标准，最终选择合适的车轴材料、尺寸以及结构，形成相关技术文件[10]。车轴设计直接关系到车轴服役寿命，是车轴安全服役第一道关口。因此，车轴设计应是最先考虑的问题，也是引起车轴失效重要因素之一。

　　3.1.2 制造工艺

　　车轴制造工艺流程如下：冶炼→铸、轧→锻造→热处理→热校直→粗加工→超声探伤检查→粗加工→精加工→外观、尺寸检查→磁粉探伤检查。

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