高速列車空心車軸全尺寸疲勞試驗方法研究*

汝繼來，趙 雷，周惠華，施惠基，顧家琳，潘 濤，4，劉淑華，吳海英，朱 靜

(1 中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京100081; 2 青島四方車輛研究所有限公司，山東青島266031; 3 清華大學材料學院，北京100084; 4 鋼鐵研究總院工程用鋼研究所，北京100081; 5 晉西車軸股份有限公司，山西太原030027)

高速列車空心車軸全尺寸疲勞試驗方法研究*

汝繼來1，趙 雷2，周惠華3，施惠基3，顧家琳3，潘 濤3，4，劉淑華1，吳海英5，朱 靜3

(1 中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京100081; 2 青島四方車輛研究所有限公司，山東青島266031; 3 清華大學材料學院，北京100084; 4 鋼鐵研究總院工程用鋼研究所，北京100081; 5 晉西車軸股份有限公司，山西太原030027)

高速列車空心車軸的主要失效方式為疲勞失效，因此疲勞性能是車軸研制和生產中至關重要的考核指標，歐洲EN標準規定了車軸疲勞性能指標和疲勞試驗的基本要求。現基于EN標準，研究制定了國內高速空心車軸全尺寸疲勞試驗方法，并首次進行了國產車軸的疲勞試驗。主要探討了疲勞試件設計、考核截面位置的確定、以及疲勞載荷計算等問題。同時，分析和研究了EN標準F1軸疲勞性能指標的含義，為F1軸疲勞載荷的確定提供了依據。高速車軸疲勞試驗方法的探討和疲勞試驗結果表明，所確定的試驗方法及其技術要求是合理可行的。本研究對高速車軸的疲勞試驗技術、及制定國內相應試驗規范有一定的參考意義和實用價值。

高速列車;空心車軸;疲勞性能;全尺寸疲勞試驗

車軸的主要失效方式為疲勞失效，疲勞性能是車軸至關重要的考核指標。車軸疲勞性能的影響因素主要包括選材和冶金質量、車軸結構的機械設計和冷、熱加工工藝(如車軸的熱處理和機械加工質量等)，全尺寸實物疲勞試驗是對上述各因素進行全面考核的重要試驗手段。為此，歐洲高速車軸EN標準［1－4］規定了全尺寸車軸疲勞試驗的考核部位和疲勞性能指標。

2011年新研制的高速空心車軸在國內第一次進行了全尺寸實物疲勞試驗。當時國內沒有進行過相關試驗，也沒有相關的疲勞試驗規范。可供參考的只有車軸設計標準TB/T 2395－2008《鐵道機車車輛動力車軸設計方法》［5］和TB/T 2705－1996《車輛車軸設計與強度計算方法》［6］。前者等同于歐洲標準EN 13104:200l;后者主要參考JIS E 4501－1976。

研制高速空心車軸依據的是歐洲標準，因此，在國內不具備相應標準的條件下，疲勞試驗方法主要依據歐洲最新版本設計標準 EN 13103:2009和 EN 13104: 2009，但在確定F1軸考核截面時采用了文獻［6］中對車軸設計和計算的規定。在本試驗進行過程中，TB/T 2705－2010《鐵道車輛非動力車軸設計方法》［7］于2011年6月實施，它與文獻［6］的區別是舊版本參考JIS E 4501－1976，而新版本等同于EN 13103:2009。

2013年9月原鐵道部發布了《時速200～250公里動車組用車軸試制技術條件(暫行)—科技裝函［2013］49號》［8］，其疲勞內容參考引用了EN標準，但在附錄C中僅簡單介紹了車軸全尺寸疲勞試驗臺種類。鑒于國內目前沒有高速車軸的全尺寸疲勞試驗規范，本研究將對高速車軸的疲勞試驗技術有一定的參考意義和實用價值。

探討了空心車軸全尺寸疲勞試驗的主要技術內容，解決了試驗件的結構和尺寸設計、試驗部位考核截面位置的確定以及疲勞載荷的計算等問題。與此同時，對EN標準中軸身的疲勞性能指標含義進行了研究和分析，對軸身疲勞載荷的確定提供了依據。

1 EN標準對高速空心車軸全尺寸疲勞試驗要求

EN標準對高速空心車軸全尺寸疲勞試驗要求主要包括試驗部位、試驗部位中的考核截面位置、疲勞性能指標和疲勞載荷確定原則。

1.1 EN標準規定的空心車軸疲勞試驗部位和疲勞性能指標

表1為EN標準規定的空心車軸4個考核部位和疲勞性能指標，這4個部位分別是F1(軸身)、F2(軸身開槽)、F4(輪座)和 F5(軸頸)部位。其中 F1、F2和 F4規定進行疲勞試驗確定，F5可經F4換算得出，不一定通過試驗確定。F5考核的是軸頸部位的疲勞性能，即軸承部位與軸過渡區處的性能。作為國內首次進行疲勞試驗的研制高速車軸，對F5也進行了疲勞試驗考核并與計算值對比。

表1 高速空心車軸考核部位和疲勞性能指標

1.2 EN標準關于考核截面位置的確定

F1:采用貼應變計的方法確定疲勞考核截面位置;

F2:規定在軸身部位開槽，考核軸身表面有模擬缺口時的疲勞強度;

F4:考核截面位于輪座邊緣10 mm;

F5:EN標準規定可通過F4經換算求得。

1.3 EN標準中的疲勞載荷確定方法

EN標準規定疲勞載荷用梁理論計算法或應變計法確定。

2 EN標準中F1疲勞性能指標含義

表1中EN標準規定的疲勞性能指標是確定疲勞載荷的依據，即加載后考核截面的表面應力應達到的指標。對于F2、F4、F53個部位，考察的是過渡區后的平直段，無原結構造成的應力集中，名義應力和實際應力相同，因此，這3個部位疲勞性能指標的含義均為加載后的表面應力值。

F1:由于其考核的是軸身和輪座之間的過渡圓弧部位，存在應力集中現象，因而確定疲勞載荷時需要考慮應力集中系數。應力集中系數分為疲勞應力集中系數Kf和靜態應力集中系數Kt，其中前者依據F1部位的幾何尺寸計算得出，后者采用試驗方法測出。對于本試驗用F1軸:Kf=1.017，Kt=1.16。EN標準［3-4］在下述兩個方法中分別采用了Kt和Kf。

(1)全尺寸車軸疲勞極限的確定方法中采用了靜態應力集中系數Kt:

表面實際應力的計算式如式(1)～式(2):

其中

式(1)和(2)中的各符號含義如下:

σ實際應力為最大應力截面上的表面實際應力; σ名義應力為最大應力截面上的名義應力;MR為合彎距。W為計算截面的抗彎截面模量，W=π(d4－d'4)/32d，d為空心軸計算截面名義直徑，d'為空心軸內孔直徑;F為疲勞載荷;y為加載位置與考核截面的距離。

(2)軸身直徑的確定方法中采用了疲勞應力集中系數Kf:

計算軸身最大應力σmax的計算式如下:

比較式(2)和(3)可知:

由于EN標準在上述兩種方法中涉及了不同的應力集中系數，因此，確認EN標準F1疲勞性能指標含義的關鍵是必須明確該指標是依據式(1)試驗測定的疲勞極限，還是式(4)計算的最大應力所對應的數值，即設計指標，也就是必須明確 F1疲勞性能指標(240 MPa)與應力集中系數符合下述哪個關系式:

考慮到EN［3-4］為車軸設計標準，且在軸身直徑設計中采用了Kf，因此，為與車軸設計采用的應力集中系數一致，F1軸的疲勞試驗選擇了式(6)確定疲勞載荷。由于Kt和Kf數值的差別，此選擇表明施加的疲勞載荷高于采用式(5)對應的載荷，也意味著車軸的安全系數更高。由式(2)、式(5)和式(6)可計算出疲勞載荷增加了14%。

3 高速空心車軸全尺寸疲勞試驗方法

3.1 疲勞試驗方法的主要內容

高速空心車軸的疲勞試驗在懸臂梁式疲勞試驗臺上進行，該試驗臺可對車軸的軸身、軸頸和輪座等部位分別進行旋轉彎曲疲勞試驗考核。

車軸疲勞試驗方法主要包括以下內容:

(1)試驗依據

試驗依據為EN標準，即EN標準對高速空心車軸全尺寸疲勞試驗要求;

(2)判定疲勞試驗合格的方法;

(3)車軸試驗件和模擬車輪結構和尺寸設計;

(4)車軸試驗件和模擬車輪的壓裝配合;

(5)疲勞試驗考核截面的確定;

(6)疲勞試驗載荷的計算;

(7)車軸試驗件的探傷檢查。

除了第(1)條試驗依據為EN標準外，疲勞試驗方法的其他內容均需要進一步確定，特別是第(3)、第(5)和第(6)條，它們是疲勞試驗方法的關鍵技術內容，也是本文論述的重點。

3.2 疲勞試驗方法主要內容的確定

3.2.1 判定疲勞試驗合格的方法

每個考核部位需要測試的試件數量為3根。試驗軸上考核部位的尺寸、幾何形狀和制造工藝與實際車軸一致。通過107疲勞試驗后，經探傷檢查所有試驗軸均沒有裂紋出現，即認為通過全尺寸實物疲勞試驗。

3.2.2 車軸試驗件、模擬車輪結構和尺寸設計

車軸試驗件和模擬車輪的結構及尺寸均需要根據要求進行設計，主要設計原則如下:

(1)車軸試驗件設計

①車軸試驗件考核部位滿足EN標準規定的要求;

②車軸試驗件考核部位的結構和尺寸及制造工藝與實際車軸一致;

③車軸試驗件在疲勞試驗中非考核部位不首先發生失效;

④滿足疲勞試驗臺對車軸試驗件的安裝、連接、加載等要求。

針對以上設計原則，幾種車軸試驗件的主要設計要點如下:

F1:考核部位是軸身向輪座的過渡區域。當考核位置應力達到要求值240 MPa時，原輪座部位的應力已遠高于其規定的疲勞極限132 MPa。為避免試驗過程中輪座部位出現疲勞斷裂，需加大輪座直徑，同時兼顧輪座與軸身直徑之比不超過1.2，最終確定輪座直徑。

F2:依據EN標準文獻［3］進行缺口設計，F2軸采用實心軸，缺口幾何尺寸見圖1。

圖1 F2的缺口幾何尺寸

F4:為考核輪座部位，試樣結構和尺寸與實物車軸一致。

F5:為滿足加載要求，試件軸頸尺寸加長。

(2)模擬車輪

模擬車輪是車軸與疲勞試驗臺間的連接件，輪轂與車軸試驗件進行過盈裝配，其輪輞通過螺栓與試驗臺連接。因此，模擬車輪的設計原則為輪轂根據車軸試驗件設計，輪輞根據疲勞試驗臺設計。同時保證車輪有足夠的強度，以免試驗過程中發生斷裂，其他部位滿足連接要求。

3.2.3 車軸疲勞試驗考核截面的確定

F1、F2、F4、F54個考核截面的確定方法如下:

F1:考核軸身和輪座間過渡圓弧最大應力截面位置的疲勞性能，因此最大應力截面即為考核截面。有2種確定F1軸考核截面的方法:(1)EN標準規定的應變計法，貼片示意圖見圖2。(2)文獻［6］方法:依據文獻［6］以圓弧與軸身相切點為起點的1/3圓弧處規定為最大應力截面位置。對本試驗用F1，最大應力截面位置為距離輪座26.7 mm。

圖2 F1試件貼片示意圖

表2為兩種方法確定的最大截面位置距輪座邊緣的距離，其中，為比較貼片法測量結果的穩定程度，在2根軸上分別貼片進行了測量。

表2 兩種方法確定的最大應力截面位置

上述結果表明:由于應變計法的精度受表面光潔度、應變片間距、貼應變計技術等因素影響較大，2次測量結果有一定差別;而文獻［6］方法確定的最大應力截面位置只與圓弧的幾何形狀有關，且數值在應變計法2次測量值之間，所以正式試驗時選擇文獻［6］方法確定最大應力截面位置。

F2:考核軸身開槽部位的疲勞性能。本試驗確定開槽位置的原則是避開兩邊圓弧(軸身向輪座過渡圓弧，防塵板座向軸身過渡圓弧)，且理論計算出的加載力處于試驗臺作動器的中值左右。

F4:考核車軸和車輪配合的輪座部位的疲勞性能。按EN標準確定考核截面位置為距輪座邊緣10 mm處。

F5:考核軸頸與軸承配合部位的疲勞性能，疲勞試驗也是在軸頸裝配軸承的條件下進行。本研究選定考核截面位置為軸承與軸頸接觸的最遠位置，該截面實際也是軸頸的最大應力截面。

上述各部位的具體考核截面位置見圖3。

3.2.4 車軸疲勞載荷的確定方法

(1)F1部位疲勞載荷

對EN標準規定的兩種確定疲勞載荷的方法進行了比較。

①梁理論計算法確定疲勞載荷

根據前面對F1疲勞性能指標含義的分析，采用式(6)得出σ名義應力如下:

圖3為F1的受力模型，由式(2)得到作用于圖3的加載力(疲勞載荷)F的計算公式如下:

圖3 F1受力模型

需要特別說明的是，圖3中的“加載力F”為包括F1軸在該加載點的有效自重、加載裝置自重及實際加載命令值的合力(以下同)。

由上可知，梁理論計算法的步驟:用前述應變計法或文獻［6］法確定最大應力截面位置，通過式(7)計算名義應力，再通過式(8)計算疲勞載荷。

②應變計法確定疲勞載荷

由于EN標準沒有給出該方法詳細的試驗和計算過程，因而研究確定了下述應變計法的試驗過程。

首先采用應變計法或文獻［6］法確定最大應力截面位置，如圖4所示的 C截面，并通過式(7)計算σ名義應力值。然后，依據A、B、C 3點的軸向名義應力存在的線性變化關系，由A、B 2個位置所測的應力值外推計算出C點應力值σC，并加載使σC=σ名義應力，所對應的載荷即為F1的疲勞載荷。根據A、B點應變計所測應力計算C點應力的公式如下:

式中σA、σB為A、B 2點由應變計測試的應力;

σC為式(9)計算出的應力;

a、b為圖4中對應的長度。

圖4 F1貼應變計位置

表3為兩種方法確定的疲勞載荷試驗結果。

表3 應變計法和梁理論計算法確定的疲勞載荷

上述結果表明，在EN標準規定的兩種確定疲勞載荷的方法中，梁理論計算法確定的疲勞載荷比應變計法高。主要原因是應變計法的精度受表面光潔度、過渡圓弧幾何尺寸、貼應變計技術等多種因素影響。而在最大應力截面位置和加載位置確定的條件下，梁理論計算的疲勞載荷只與軸的幾何尺寸有關。考慮到梁理論計算法的準確性和一致性，以及梁理論計算的疲勞載荷高于應變計法的疲勞載荷，正式試驗時選擇了梁理論計算法。這意味著車軸將有更大的安全系數。同理，下面的F2、F4、F5的疲勞載荷也選擇了梁理論計算法。

(2)F2部位疲勞載荷

表1中F2部位的疲勞性能指標σ為96 MPa，此即為梁理論計算用的σ名義應力。疲勞載荷計算的受力模型如圖5，作用于圖5的加載力(疲勞載荷)F通過梁理論計算得出，計算公式如下:

圖5 F2考察位置及受力模型

(3)F4部位疲勞載荷

F4部位的疲勞性能指標σ為132 MPa，此即為梁理論計算用的σ名義應力。受力模型如圖6，作用于圖6的加載力F通過梁理論計算得出，計算公式為(10)，公式中各參量針對F4部位。

圖6 F4考察位置及受力模型

(4)F5部位疲勞載荷

F5部位的疲勞性能指標σ為113 MPa，此即為梁理論計算用的。受力模型如圖7，作用于圖7的加載力F通過梁理論計算得出，計算公式為(10)，公式中各參量針對F5部位。

圖7 F5考察位置及受力模型

4 高速空心車軸全尺寸疲勞試驗結果

高速空心車軸全尺寸疲勞試驗條件:室溫旋轉彎曲疲勞，轉速為650 r/min。試驗結果列于表4。

試驗結果表明新研制的空心車軸疲勞性能滿足EN標準的要求。與此同時，對全尺寸疲勞試驗方法的探討也表明其方法是合理可行的。

表4 研制的高速空心車軸全尺寸疲勞試驗結果

5 結論

(1)車軸的主要失效方式為疲勞失效，全尺寸實物疲勞試驗是對車軸疲勞性能進行全面考核和檢驗的重要措施和手段。

(2)研究了EN標準中F1軸身疲勞性能指標的含義，闡述了該指標與應力集中系數的關系。選擇了較高疲勞載荷水平對應的應力集中系數，使車軸得到了更高的安全系數。為F1軸身疲勞載荷的確定提供了依據。

(3)在EN標準的基礎上制定了高速空心車軸全尺寸疲勞試驗方法，據此對國產高速空心車軸進行了全尺寸疲勞試驗，并全部通過了規定考核指標。

(4)高速空心車軸全尺寸疲勞試驗研究表明:所規定的試驗方法及其技術要求是合理和可行的。

(5)本研究對國內高速車軸全尺寸疲勞試驗技術有一定參考意義和實用價值。

［1］ EN 13261 Railway Applications-Wheelsets and bogies-Axles-Product requirements［S］.

［2］ EN 13260 Railway Applications-Wheelsets and bogies-Wheelsets-Product requirements［S］.

［3］ EN 13103 Railway Applications-Wheelsets and bogies-Wheelsets-Non-powered axles-design method［S］.

［4］ EN 13104 Railway Applications-Wheelsets and bogies-Wheelsets-powered axles-design method［S］.

［5］ TB/T 2395-2008 鐵道機車車輛動力車軸設計方法［S］.

［6］ TB/T 2705-1996 車輛車軸設計與強度計算方法［S］.

［7］ TB/T 2705-2010 鐵道車輛非動力車軸設計方法［S］.

［8］ 中國鐵路總公司科技裝函［2013］49號，時速 200～250 km動車組用車軸試制技術條件(暫行)［S］.

Investigation on the Fatigue Test Method of Full Scale Hollow Axle for High Speed Trains

RU Jilai1，ZHAO Lei2，ZHOU Huihua3，SHI Huiji3，GU Jialin3，PAN Tao3，4，LIU Shuhua1，WU Haiying5，ZHU Jing3
(1 Metal and Chemistry Research，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2 Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.，Ltd.，Qingdao 266031 Shandong，China; 3 School Of Materials Science and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China; 4 Central Iron＆Steel Research Institute，Beijing 100081，China; 5 Jingxi Axle Company Limited，Taiyuan 030027 Shanxi，China)

The main failure mode of hollow axle in high speed trains is fatigue failure.Therefore，the fatigue property of an axle is the crucial evaluated property in its development and manufacture.The fatigue property parameters and basic requirements for the fatigue test on full scale axles have been formulated in the standards in Europe，namely EN standards.Based on EN standards，the method of fatigue test for a hollow axle has been established，with which the fatigue test on developed axles have been carried out for the first time domestically.The problems such as the design of testing axles，the definition of the testing position and the calculation of fatigue loading have been discussed.Meanwhile，the implication of the fatigue property parameter of F1given in EN standards has been elaborated，which will provide the basis for the fatigue loading calculation of F1.The discussion of the fatigue test method and test results of axles show that the established method for full scale fatigue test and its technical requirements are reasonable and feasible.The study in the present paper will have a certain reference significance and practical value for the technology of the fatigue test as well as the establishment of the related domestic specification about the fatigue test on full scale axles.

high speed train;hollow axle;fatigue property;fatigue test of full scale axle

U292.91+4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.02

1008－7842(2015)01－0009－06

*科技部創新方法工作專項項目(2009IM030600、2010IM030200);原鐵道部科技研究開發計劃重大課題(2009J015);北京市科技計劃課題研發攻關類項目(D090803044309001);教育部自主科研計劃(2010Z06103);中國南車四方機車車輛股份有限公司動車組引進技術消化吸收再創新項目《四合2007技開王字03號》

2—)男，副研究員(

2014－07－21)