鐵路貨車車軸實施壽命管理的研究

翟惠建，李木存，張永林

（國能鐵路裝備有限責任公司陜西分公司，陜西榆林 719316）

0 引言

在鐵路建設過程中，為了更好地貼合“可持續發展”的戰略目標，需要對廢舊鋼鐵資源進行回收，以確保廢舊鋼鐵資源能夠突破其制約，建設全新的節約型以及友好型社會。鐵路領域高速發展，原生資源供應已出現緊張局勢，為了確保資源能夠得到更合理的使用，避免資源出現浪費，必須對鐵路貨車車軸進行壽命管理。我國從鋼鐵資源的人均擁有量、廢鋼鐵的應用率以及循環率與發達國家相比尚有不足。有效利用廢鋼資源，降低其碳排放，可以全面緩解對于鐵礦石的依賴性，并將其作為節能環保的再生資源，完成可循環使用。在未來的鋼鐵原料配置中，廢鋼鐵將取代鐵礦石，成為全新的應用材料。

在制定研究計劃時，需要對廢舊的車軸以及車輛配件等進行檢測研究，并制定檢測報告。在檢測報告中，針對其機械性能和化學成分等完成測試，以確定其抗拉強度、伸長率、斷面收縮率等。并將各種型號的材質進行驗證對比，確保能夠在后續的回收中能夠對材質進行打造。例如，分析LZ50 報廢車軸與45號鋼、40Cr 材料的驗證對比；以及LZ40 與35 號鋼材料的對比；LZ40 報廢車軸鍛造材料與35 號鋼材對比。通過不同報廢鋼材對比，可以清晰的得知這些鋼材的抗磨損以及抗疲勞性能。

1 項目基本概述

神華鐵路裝備有限責任公司是國內最大的鐵路自備貨車專業化管理公司，擁有鐵路自備貨車5 萬余輛，每年達到使用壽命年限的車軸多達上千根，并有逐年增長趨勢，預估每年報廢車軸有2000～5000 根，目前大量報廢車軸都是廢舊物資處置模式。

將報廢車軸再生利用，充分發揮報廢車軸的剩余價值，并將機床行業與鐵路行業結合，將報廢車軸開發再生利用。如車軸材質為LZ50、LZ40 車軸鋼，根據GB 5068—1999《鐵路機車、車輛車軸用鋼》和GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》的機械性能指標對比，LZ50 機械性能優于45 號鋼、40Cr 的材料，LZ40 機械性能優于35 號鋼、Q235 材料，報廢車軸直接再利用或鍛造再利用，給報廢車軸再利用提供替代機床部分零件和鐵路行業部分零件現有材料的空間。

2 車軸實施壽命管理的必要性

作為貨車重要零件之一，在鐵路運輸中，車軸承擔著重要的角色。車軸質量將直接關系到列車的運行安全。目前，國內約有240 萬根的車軸，這些車軸在線路上承擔著重要的角色。任何一根車軸的斷裂都可能會導致列車出現顛覆、中斷現象，甚至出現人員傷亡的惡性事故。這些事故將對鐵路運輸管理以及經濟造成嚴重損失，據相關研究統計，在鐵路運輸修復方面，國內損失高達數千萬人民幣[1]。因此，對車軸進行壽命管理至關重要。在檢測中，分析目前車軸折斷的兩類因素，一是燃軸引起的熱切，二是由裂痕以及內部缺陷引起的冷切。由于技術原因，在1987 年至2002 年使用舊技術，在此階段全路共發生切軸事件146 起，其中熱切122 起、冷切24 起。這些事故給經濟帶來巨大的損失，并成為鐵路運輸的隱患。為了避免事故的再次發生，需要在研究中改進現有的技術，使用新材料、新工藝，提升其車軸抗疲勞強度，在車軸管理上完成創新[2]。

3 車軸的材料試驗方案

3.1 車軸的力學性能試驗

在材料的研究中，材料的失效形式與其力學性能有密切聯系。材料性能目前通過常規的基礎材料力學試驗獲得，將以拉伸試驗、壓縮試驗、扭轉試驗、硬度試驗、韌度試驗進行分析，研究車軸的力學性能，為后續改良提供可行性基礎。

3.2 拉伸試驗

金屬拉伸試驗是常用的一個標準試驗，利用金屬拉伸試驗，可以了解被測試材料的性能以及力學數據，是最方便的試驗模式。在拉伸試驗中，可以對測試材料的各項強度以及塑性性能指標進行分析，將其作為金屬材料的重要參數。拉伸試驗操作簡單、方便，并通過其應力曲線，可以對材料的信息進行分析，得出材料的各項力學性能。根據其比例、彈性模量等設定強度。按照國家標準規定，制作比例試件，可以在實驗室中使用金屬拉伸試件制成標準圓形截面試件[3]。

3.3 壓縮試驗

根據壓縮試驗分析，壓縮試驗可以測定材料的壓縮屈服極限以及其抗壓強度，并通過試驗觀察材料在壓縮過程中出現的情況。比較材料的壓縮機械性能特點，分析其變形以及破壞形式。采用圓形截面試件，可以在試驗中將材料放置在試驗機的兩架板間，并開動試驗機緩慢進行加載，確保其試驗樣板能夠增加其壓力，并根據試驗機的繪圖裝置自動繪制出壓力圖[4]。

3.4 扭轉試驗

采用整個圓形截面試件，分析扭轉試驗的特性，觀察試樣在扭轉力的作用下試驗受力以及變形行為。并通過試驗材料觀察其破壞方式，以測定材料的剪切屈服極限以及其強度極限。在承受扭矩時，材料處于純剪切力狀態，可以確保拉伸能夠成為常規的應力模式。在試驗中，根據不同材料在純剪應力狀態下，完成機械性質測試。

3.5 硬度試驗

金屬硬度試驗分為壓入法以及刻劃法兩種，在一般試驗中，其常規采用壓入法。而壓入法分為靜力試驗法以及動力試驗法，靜力試驗法是使用最普遍的一種驗證方法，分為布氏、洛氏、維氏硬度測試壓力方法。主要采用布氏硬度測驗法進行測量。布氏硬度測驗法可以測定其材料的硬度，對于鋼鐵、有色金屬等可以起到精準的試驗分析效果。此外，也可以用于試驗淬火且硬度不高的鋼件[5]。在試驗中，布氏硬度試驗的壓痕較大，因此試驗結果也更具精準性。將一定直徑的硬質合金球施加壓力，并經過其表面，確保試件經受壓力后，卸除其試驗力，測定表面壓痕的直徑，并進行對比，得出硬度值。

3.6 沖擊韌度試驗

分析整個沖擊韌度試驗，其實驗意義可以在于測量材料在沖擊荷載作用下的沖擊吸收力，以及其材料的沖擊吸收韌度。作為一種動態力學試驗，沖擊試驗也可以測定尺寸為U 形或V 形的試樣。該試樣在沖擊荷載作用下，如出現折斷，便可以計時測定出沖擊力、吸收力以及韌性值吸收力。沖擊試驗通常借助擺錘式沖擊試驗機進行，且試驗溫度應設置在10～35 ℃[6]。

4 試驗步驟

4.1 選擇試驗材料

在進行測試時，選擇整個試驗材料需要分析試驗材料的特性，并在試驗材料的失效部位以及完好部位取樣，以便進行比對分析。在取樣時，根據材料的軟硬程度，可以使用鋸、刨等加工方法。而針對于大工件取樣，則推薦氧氣切割方法。在試樣的截取方式、尺寸等數據中，以直徑15 mm、高15～20 mm 的圓柱體或立方體為佳。在試樣制備中，根據試樣截取的方向以及數量，篩選其類別、制造方法等，按照試驗規定條件進行，一般選擇16 mm×20 mm 試樣。可以采用手鋸、鋸床、切割機床等進行截取，且無論何種方法取樣均必須注意使用的溫度條件，應避免試樣過熱而改變其組織，導致試驗數據出現模糊[7]。

4.2 試樣的研磨

在對試樣的研磨中，準備好相關的實驗設備及工具，并使其在粗砂紙上磨平，在磨合一致后，移致細砂輪續磨，使用冷卻水進行冷卻，確保金屬組織不因過熱使試驗材料性能發生變化。將砂輪磨好、洗凈后，其由粗至細，在各號砂紙上進行磨制，隨后由粗砂紙到細砂紙進行轉角90°方向打磨。經預測打磨后的試樣，可以得到良好的試驗性能，且后續在拋光機上進行粗拋光，隨后進行細拋光，直至打磨對象表面出現鏡面為止[8]。

5 預期指標以及成果

經測試，廢舊車軸改制項目在經過試驗后，得到良好的試驗數據。這些數據將確保在未來的改進中，能夠使技術、環境、社會效益等方面達到預期指標。

（1）經濟效益。可以提升其資源的利用率，降低生產成本。鋼材是稀缺資源，利用廢舊車軸加工成全新零件所需成本僅是新產品的50%，能帶來巨大經濟收益。

（2）環境效益。其生產零件延長鋼材的回爐周期，減少對于周圍環境的破壞以及污染，可以保護環境，符合國家可持續發展目標。

（3）社會效益。廢舊車軸的回收利用，可以完成廢棄物資源化的清潔生產，是資源“廢棄—再生”的循環過程，能夠實現最強的優化程度，具有社會價值以及良好的發展前景。

6 結束語

總而言之，對鐵路貨車進行車軸壽命管理，國內目前尚處于起步階段，仍有較多待完善之處，車軸壽命管理可以為后續零件壽命延長奠定良好基礎。在進行車軸壽命改革中，可以更好地完成壽命管理。針對于鐵路貨車管理水平，加強理論以及實踐基礎研究。在經驗匱乏的情況下，可以更利于壽命管理工作，完成更細致、更深入、更徹底的研究。