陳露， 朱博文

(中車(chē)太原機(jī)車(chē)車(chē)輪有限公司，太原 030009)

廠(chǎng)修機(jī)車(chē)車(chē)軸利舊加工成工程作業(yè)車(chē)車(chē)軸可行性分析

陳露， 朱博文

(中車(chē)太原機(jī)車(chē)車(chē)輪有限公司，太原 030009)

基于車(chē)軸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建立工程作業(yè)車(chē)車(chē)軸強(qiáng)度計(jì)算模型，分別從尺寸、材質(zhì)等方面對(duì)廠(chǎng)修韶山型電力機(jī)車(chē)車(chē)軸利舊加工成工程作業(yè)車(chē)車(chē)軸的可行性進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明，SS7C型電力機(jī)車(chē)車(chē)軸為利舊最優(yōu)對(duì)象。

車(chē)軸；利舊；可行性分析

0 引言

車(chē)軸是機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵承載部件，在進(jìn)行韶山型電力機(jī)車(chē)大修、輕大修過(guò)程中，車(chē)軸因表面缺材、裂紋、拉傷等缺陷而報(bào)廢比率占到全部檢修車(chē)軸20%～40%，檢修機(jī)車(chē)在更換成新制車(chē)軸后，報(bào)廢車(chē)軸直接進(jìn)入廢料場(chǎng)，造成極大浪費(fèi)。而自公司工程作業(yè)車(chē)項(xiàng)目拓展以來(lái)，其訂單較去年同期增長(zhǎng)200%，年產(chǎn)能力由18臺(tái)增加至300臺(tái)，年銷(xiāo)售收入從不足2000萬(wàn)元到約2億元。經(jīng)公司研究決定，對(duì)廠(chǎng)修機(jī)車(chē)車(chē)軸利舊加工成工程作業(yè)車(chē)車(chē)軸進(jìn)行可行性分析，如項(xiàng)目方案合理，每臺(tái)工程作業(yè)車(chē)可節(jié)約成本1.3萬(wàn)元，年節(jié)約成本約400萬(wàn)元。

廠(chǎng)修韶山型電力機(jī)車(chē)種類(lèi)繁多，車(chē)軸外形尺寸、材質(zhì)各不相同。因此，利舊可操作性成為廠(chǎng)修機(jī)車(chē)車(chē)軸利舊加工成工程作業(yè)車(chē)車(chē)軸項(xiàng)目難點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)針對(duì)此項(xiàng)關(guān)注較少，各主機(jī)廠(chǎng)以新制車(chē)軸加工及設(shè)計(jì)研究為主。參考文獻(xiàn)[1]從工藝角度對(duì)車(chē)軸加工質(zhì)量進(jìn)行理論研究，通過(guò)材料、斷裂、加工工藝、理論計(jì)算、有限單元法和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析等方面，為HXD3B機(jī)車(chē)車(chē)軸國(guó)產(chǎn)化提供理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[2]針對(duì)EA4T車(chē)軸加工制造過(guò)程，采用正交試驗(yàn)得到刀具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)對(duì)車(chē)削加工表面殘余應(yīng)力影響規(guī)律，并繪制不同殘余應(yīng)力車(chē)軸材料S-N曲線(xiàn)。參考文獻(xiàn)[3]通過(guò)剖析國(guó)內(nèi)外車(chē)軸相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析國(guó)內(nèi)需求、材料性?xún)r(jià)比和加工工藝可行性等多方面進(jìn)行分析，研發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)高速動(dòng)車(chē)組國(guó)產(chǎn)化空心車(chē)軸用鋼材。參考文獻(xiàn)[4]應(yīng)用AutoLisp和Visual Basic程序，探索鐵道車(chē)輛車(chē)軸設(shè)計(jì)及參數(shù)化繪圖系統(tǒng)理論與方法，建立車(chē)軸設(shè)計(jì)計(jì)算方法和技術(shù)流程。參考文獻(xiàn)[5]以提速貨車(chē)RD車(chē)軸為研究對(duì)象，通過(guò)建立C62和C64K兩種貨車(chē)系統(tǒng)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型，得到輪對(duì)有限元分析所需載荷譜、車(chē)軸危險(xiǎn)截面在典型工況不同存活率和不同置信度下的概率疲勞應(yīng)力。

1 外形尺寸可行性分析

韶山型電力機(jī)車(chē)軸端孔為60～75 mm，具體尺寸見(jiàn)表1，鉆頭角度118°，因此實(shí)際軸端孔深度約65～80 mm?？紤]到作業(yè)車(chē)與該類(lèi)電力機(jī)車(chē)車(chē)軸外軸頸軸徑尺寸及軸端螺紋孔位置尺寸不同，要加工上述車(chē)軸時(shí)須將現(xiàn)車(chē)軸端螺紋孔部位全部去除。以軸長(zhǎng)為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，JW4G型作業(yè)車(chē)車(chē)軸所需最短毛坯長(zhǎng)度2146+65+65=2276 mm，TY5系列作業(yè)車(chē)車(chē)軸所需毛坯長(zhǎng)度2240+65+65=2370 mm，經(jīng)對(duì)比韶山型電力機(jī)車(chē)車(chē)軸和軸端孔長(zhǎng)度，TY5系列工程作業(yè)車(chē)車(chē)軸無(wú)法利舊。

而JW4G主動(dòng)車(chē)軸中部為φ254 mm，SS7C型電力機(jī)車(chē)抱軸頸直徑最大為φ256 mm，但其軸向位置不同，無(wú)法滿(mǎn)足主動(dòng)車(chē)軸尺寸要求。而JW4G從動(dòng)車(chē)軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)計(jì)算，JW4G從動(dòng)車(chē)軸可使用韶山型電力機(jī)車(chē)車(chē)軸加工而成，除SS4電力機(jī)車(chē)車(chē)軸外其余均可利舊，但加工量較大，平均加工量約為200 mm。而一般車(chē)軸加工量為2～12 mm（軸承座）、3～7 mm（輪座）[6]。

表1 各車(chē)型車(chē)軸基本數(shù)據(jù) mm

表2 各車(chē)型車(chē)軸材質(zhì)和主要力學(xué)屬性

圖1 JW4G從動(dòng)車(chē)軸校核截面

表3 設(shè)計(jì)計(jì)算原始數(shù)據(jù)C1

2 材質(zhì)可行性分析

目前國(guó)外軌道車(chē)輛車(chē)軸主要采用25CrMo4、XC30、30CrNi3、S38C等材質(zhì)[7]，而國(guó)產(chǎn)韶山型電力機(jī)車(chē)車(chē)軸多為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，JW4G、TY5、TY55、TY5Y型工程作業(yè)車(chē)為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。各車(chē)型車(chē)軸材質(zhì)和主要力學(xué)屬性見(jiàn)表2。

從材質(zhì)分析，工程作業(yè)車(chē)車(chē)軸可用SS7C型電力機(jī)車(chē)車(chē)軸加工而成，根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］-［10］，機(jī)車(chē)車(chē)軸鋼35CrMo、35CrMoA可代替目前使用LZ50車(chē)軸用鋼。35CrMoA為優(yōu)質(zhì)35CrMo，因此在后文計(jì)算中使用35CrMo作為計(jì)算參數(shù)。根據(jù)參考文獻(xiàn)［11］～［12］，JZ50、LZ50為同一種材質(zhì)，且50鋼車(chē)軸材質(zhì)性能良好，優(yōu)于美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)AAR M101 F81級(jí)要求。LZ50屈服極限345 MPa、抗拉極限610 MPa、伸長(zhǎng)率19%、斷面收縮率35%。依據(jù)參考文獻(xiàn)［13］，35CrMo屈服極限835 MPa、抗拉極限980 MPa、伸長(zhǎng)率12%、斷面收縮率45%。從前文分析結(jié)果可知，僅JW4G從動(dòng)車(chē)軸可用于利舊加工，因此須依據(jù)參考文獻(xiàn)［14］對(duì)35CrMo、LZ50不同材質(zhì)下車(chē)軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

2.1 車(chē)軸設(shè)計(jì)計(jì)算原始數(shù)據(jù)

校核截面及其直徑為：軸頸上有壓配合部位內(nèi)側(cè)邊緣處（φ130 mm）、輪座上輪轂內(nèi)側(cè)邊緣處（φ193 mm、φ194 mm）、輪座內(nèi)側(cè)圓弧處（φ174 mm）、軸身中央處（φ174 mm），如圖1所示。JW4G工程作業(yè)車(chē)啟動(dòng)牽引力50 kN，車(chē)輛總重越47 t，軸重約為12 t，最高運(yùn)行速度120 km/h。

2.2 各截面進(jìn)行強(qiáng)度校核

以a-a截面為例：彎矩Ma=PL·Ia=19.48E3 N·m；應(yīng)力Sa=Ma/Wa=90.32 MPa。強(qiáng)度校核：na=[S-1]G/Sa=1.29＞1.0。

由于參考文獻(xiàn)［14］中，其車(chē)軸設(shè)計(jì)參考材質(zhì)較少，缺乏合金結(jié)構(gòu)鋼，故在進(jìn)行35CrMo材質(zhì)車(chē)軸設(shè)計(jì)時(shí)，采用參考文獻(xiàn)［15］中相關(guān)參數(shù)，計(jì)算方法、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)仍沿用參考文獻(xiàn)［14］。

故從表4中可知，各種工況下JW4G從動(dòng)車(chē)軸在軸重12 t，Vmax=120 km/h時(shí)，安全系數(shù)均大于1，且材質(zhì)更換為35CrMo，安全系數(shù)更高。

3 結(jié)論

表4 車(chē)軸設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核C2

1）從加工余量角度考慮，僅有JW4G從動(dòng)車(chē)軸可以利舊，利舊車(chē)軸不包括SS4型電力機(jī)車(chē)車(chē)軸；從材質(zhì)角度，可直接使用SS7C型電力機(jī)車(chē)車(chē)軸，可考慮使用35CrMo、35CrMoA材質(zhì)車(chē)軸，即SS4B、SS6B、SS7C、SS7D、SS7E、SS8、SS9型電力機(jī)車(chē)，其安全系數(shù)較LZ50更大。綜上所述，SS7C型電力機(jī)車(chē)車(chē)軸為利舊首選，可加工成JW4G從動(dòng)車(chē)軸，平均加工量約為200 mm。

2）本文目前針對(duì)車(chē)軸進(jìn)行材質(zhì)、尺寸及設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核分析，結(jié)果滿(mǎn)足現(xiàn)有工程作業(yè)車(chē)使用要求。如該方案通過(guò)公司評(píng)審，應(yīng)對(duì)不同材質(zhì)車(chē)軸以及輪對(duì)做模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析，針對(duì)不同工況進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核、驗(yàn)證，并通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證合金結(jié)構(gòu)鋼可用性。

3）從生產(chǎn)角度分析，工程作業(yè)車(chē)車(chē)軸加工工序需交驗(yàn)，因此應(yīng)向原供貨廠(chǎng)家索取鋼材成分單，利舊車(chē)軸因時(shí)間久遠(yuǎn)，成分單或已遺失，交驗(yàn)存在難度。

[1] 關(guān)大偉.HXD3B機(jī)車(chē)車(chē)軸加工工藝研究[D].大連:大連交通大學(xué),2010.

[2] 于鑫.高速列車(chē)車(chē)軸加工殘余應(yīng)力與疲勞壽命關(guān)系研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2015.

[3] 朱靜,顧家琳,周惠華,等.高速列車(chē)空心車(chē)軸國(guó)產(chǎn)化的選材和試制[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2015,36(2):60-67.

[4] 劉盼.鐵道車(chē)輛車(chē)軸參數(shù)化繪圖系統(tǒng)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2014.

[5] 梁紅琴.隨機(jī)載荷作用下的貨車(chē)車(chē)軸疲勞可靠性研究[D].成都:西南交通大學(xué),2004.

[6] 張進(jìn)德,曹志禮.日本住友車(chē)軸、車(chē)輪技術(shù)考察報(bào)告[J].國(guó)外鐵道車(chē)輛,1987(1):13-28.

[7] 李桂仙.高速鐵路車(chē)軸材質(zhì)的優(yōu)化選擇[J].鐵路采購(gòu)與物流,2008,3(2):34-35.

[8] 張瑛.高速列車(chē)軸用35CrMo鋼超厚壁無(wú)縫管的軋制及其質(zhì)量分析[D].重慶:重慶大學(xué),2007.

[9] 鄭健峰.車(chē)軸鋼不同模式微動(dòng)磨損行為研究[D].成都:西南交通大學(xué),2010.

[10]張繼旺.高速列車(chē)車(chē)軸鋼超長(zhǎng)壽命疲勞可靠性及強(qiáng)度改善方法[D].成都:西南交通大學(xué),2011.

[11]鐵路機(jī)車(chē)、車(chē)輛車(chē)軸用鋼:GB5068-1999[S].

[12] 林吉忠,劉淑華,吳玉樹(shù),等.50鋼車(chē)軸材質(zhì)、工藝及斷裂性能的研究[J].鐵道學(xué)報(bào),1987(1):83-90.

[13] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[14]車(chē)輛車(chē)軸設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算方法:TB/T2705-1996[S].

[15]鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力車(chē)軸設(shè)計(jì)方法:TB/T2395-2008[S].

Feasibility Study on Recycling Old Electric Locomotive Axle into Engineering Machinery Vehicle Axle

CHEN Lu,ZHU Bowen
(CRRCTaiyuan Co.,Ltd.,Taiyuan 030009,China)

Based on axle design standard,a strength calculation model of engineering machinery vehicle axle is established.Feasibility study on recycling old electric locomotive axle into engineering machinery vehicle axle is analyzed in view of axle size and material.The result shows that the SS7C overhaul electric locomotive axle is the optimal object.

axle;recycling;feasibility study

U 260.6

A

1002－2333（2018）01－0138－03

（編輯立 明）

陳露（1991—），女，助理工程師，從事理化質(zhì)檢工作。

2017-03-16