日本、意大利、法國高速列車空心車軸的分析比較

長期的鐵路車輛運營記錄表明車軸是列車*重要的受力部件之一，輪軸是造成車輛損傷并直接與發(fā)生重大事故相聯(lián)系的重要部件。隨著車速的提高，將引起車軸動載荷的加大，這直接關系到動車組的行車安全，也對車軸的性能提出了更高的要求。我國已在高速列車空心車軸結構設計、工藝及疲勞設計等方面開展了一系列研究。在高鐵的自主研發(fā)中，鋼軌、車輪、車軸及大型型材的選材及工藝研究是其主要內容之一。

圖源：網(wǎng)絡

本文在對日本和歐洲(意大利、法國)產(chǎn)車軸進行剖析的基礎上，對高速列車空心車軸(以下簡稱車軸)國產(chǎn)化的選材、試制開展研究。

1 選擇高鐵車軸

為全面、系統(tǒng)了解在我國高鐵線路上運營車軸的優(yōu)劣，并為建立我國自主的高鐵車軸生產(chǎn)體系做知識儲備，對不同材質、不同幾何設計和不同運行速度的車軸進行化學成分、金相組織、常規(guī)力學性能及小試樣疲勞性能和殘余應力等的剖析，其中包括1根日本住友公司生產(chǎn)的車軸(簡稱日本車軸)、4根意大利LUCCHINI公司生產(chǎn)的EA4T鋼車軸(按意大利車軸使用級別的差異分別稱為EA200-1，EA200-2，EA300和EA380車軸，統(tǒng)稱意大利車軸)和1根法國ALSTOM公司生產(chǎn)的30NiCrMoV12鋼車軸(簡稱法國車軸)。

研究這些車軸的材料成分、組織結構及與其性能之間的關系，并對照日本標準JIS E 4502-1《鐵道車輛用車軸質量要求》、歐洲標準EN13261《鐵路應用-輪對和轉向架-車軸-產(chǎn)品要求》和ALSTOM公司的《部件技術條件》等國外的技術標準，分析國外車軸采用的工藝路線。

2 日本車軸和歐洲車軸的比較

通過對日本車軸和歐洲車軸進行詳細剖析獲得的數(shù)據(jù)和結論，得到了這2種車軸在材質和制造工藝等方面的綜合對比結果如下。

(1)化學成分不同。日本車軸采用優(yōu)質碳素鋼，鋼的潔凈度相對較差，含有數(shù)量較多、尺寸較大的粗系夾雜;歐洲車軸分別采用優(yōu)質低合金鋼和中合金鋼，鋼的純凈度較好。

(2)加工的熱處理工藝路線不同。日本車軸經(jīng)軋制、鍛造、正火處理后，再用機床粗加工，然后進行高頻感應表面淬火和低溫回火的表面處理，配合位置表面硬度高，這些加強表面處理的部位都是車軸需耐磨和抗疲勞斷裂的位置;歐洲車軸則是進行軸坯整體的調質熱處理。

(3)表面的硬度和拉伸強度不同。日本車軸經(jīng)過了表面淬、回火處理后，在表層有3~4mm厚度的硬化層和厚4mm左右的過渡區(qū)，平均硬度達到550HV，表面拉伸強度約為1900MPa，日本車軸的表面硬度和拉伸強度顯著高于調質處理后歐洲車軸表面的硬度和拉伸強度。

(4)內部的顯微組織和性能不同。日本車軸內外表面的中間位置及內孔表面的顯微組織和力學性能都較差，即使其拉伸和沖擊性能都滿足標準JISE4502-1的要求，但是基體組織的硬度也僅為180HV;歐洲車軸(除EA200軸外)的內外表面中間位置均為回火馬氏體和貝氏體組織，從外到內力學性能逐漸降低，但變化梯度較小。

(5)殘余壓應力不同。殘余壓應力可以有效抑制裂紋的擴展、降低裂紋擴展速率。日本車軸通過控制高頻淬火工藝參數(shù)，能有效地在距表面一定深度范圍內獲得合適的殘余壓應力;歐洲車軸則需通過合適的熱處理和機加工方法，才能有效地控制殘余應力。

(6)熱處理工藝的難易程度不同。與歐洲車軸相比，日本車軸的表面熱處理工藝更難控制一些，不同型號車軸、車軸的不同部位及復雜斷面形狀的加工效果對工藝制度和感應器(線圈)的設計都非常敏感，且很大程度取決于經(jīng)驗，在生產(chǎn)初期或短期內可能會造成車軸的工藝及質量不穩(wěn)定，需要有較長的適應期;目前我國這方面的技術儲備較欠缺，而且尚不具備處理車軸的優(yōu)良高頻加熱裝備，但是我國擁有整軸的調質熱處理裝備，因此適合于歐洲車軸軸坯的整體調質熱處理工藝路線。

(7)重量不同。由于車軸材質和表面熱處理工藝的局限性，同樣等級的日本車軸重量大于采用合金鋼的歐洲車軸。

基于上述分析，在車軸材料的國產(chǎn)化起步階段選擇走合金鋼的技術路線。

3 意大利和法國車軸的比較

1)化學成分

在標準EN13261和ALSTOM公司的技術要求中分別給出了意大利車軸鋼(EA4T鋼)和法國車軸鋼(30NiCrMoV12鋼)的化學成分要求，見表1。

由表中可見：EA4T(意)鋼的合金元素含量約為3.4%，低于5%，為低合金鋼;而30NiCrMoV12(法)鋼的合金元素含量要高些，約為6%，屬于中合金鋼，由于其含有較多的Ni和Mo，其價格明顯高于EA4T(意)鋼，另外含Ni越高，機械加工時的表面質量控制難度越大。

剖析結果表明:4根意大利EA4T鋼車軸的化學成分都在標準EN13261給出的范圍之內，但按照使用級別的不同它們的實際化學成分略有差別;法國30NiCrMoV12鋼車軸的化學成分符合ALSTOM公司的技術要求。

2）鋼的潔凈度

鋼的潔凈度通過其非金屬夾雜物評級結果來評價。EA200-1車軸和法國車軸中鋼的非金屬夾雜物情況分別見表2和表3。

由表2和表3可見：這2種車軸鋼中的非金屬夾雜物控制得都比較好，且均達到對應標準的相關技術要求。

3)金相組織

意大利車軸和法國車軸內外表面中間位置的組織分別如圖1和圖2所示。

由圖可見：意大利用于時速350km的EA380車軸的組織更細，優(yōu)于用于時速200km的EA200車軸;法國車軸內外表面中間位置的組織主要是回火馬氏體和貝氏體;從組織分析可判斷意大利和法國的車軸鋼都經(jīng)過淬火和回火處理，法國車軸鋼的淬透性優(yōu)于意大利車軸鋼;較高的淬透性可使鋼在熱處理時的冷卻速率控制范圍增大，且操作時更易控制。

4)力學性能

表4和表5分別為標準EN13261和ALSTOM公司技術條件中對車軸內外表面中間位置的拉伸、沖擊及近外表面疲勞性能的要求。

由表4和表5可明顯看出：法國車軸對拉伸、沖擊和疲勞性能的要求高于意大利車軸，但其塑性要求略低。

從車軸的使用來講，疲勞性能尤其是缺口疲勞性能是其*關鍵的性能，因此對CRH5型高速動車組驅動軸和從動軸上的關鍵部位(見圖3)進行了疲勞強度計算，得到其正常工況下車軸關鍵部位的*大疲勞應力值，見表6。

由表6可見：這2種車軸的*大受力位置都發(fā)生在C處，即輪座的過渡圓弧處;車軸若采用符合標準要求的EA4T(意)鋼，則其在時速350km時的*小安全系數(shù)為1.20;同樣，若采用30NiCrMoV12(法)鋼，則其在時速350km時的*小安全系數(shù)為1.84，其安全裕量比采用EA4T鋼時大。

4 結論

基于上述對2類歐洲車軸的比較，從材料成本、機械加工和服役性能的要求等方面考慮，確定在車軸國產(chǎn)化選材上應優(yōu)先重點研發(fā)意大利EA4T系列低合金鋼車軸，但也應對30NiCrMoV12(法)鋼車軸的制造進行一些探索。