時(shí)速160 km快捷貨車車軸、車輪及軸承的設(shè)計(jì)

劉青山，龔海勇，趙 雷，劉會(huì)英，姜 英

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和居民消費(fèi)升級(jí)步伐不斷加快，物流需求快速增長(zhǎng)，為便捷高效、綠色環(huán)保的鐵路運(yùn)輸帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。為更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求的動(dòng)態(tài)變化，針對(duì)快捷貨物運(yùn)輸裝備技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)要求，對(duì)快捷貨車轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件進(jìn)行了研制。本文依據(jù)快捷貨車總體技術(shù)條件，設(shè)計(jì)了適應(yīng)軸重18 t、最高運(yùn)行速度160 km/h鐵路快捷貨車的車軸、車輪及軸承，并進(jìn)行了試驗(yàn)考核，試驗(yàn)結(jié)果均滿足車軸、車輪及軸承的裝車運(yùn)用要求。

1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)時(shí)速160 km快捷貨車的總體技術(shù)要求，對(duì)該車的車軸、車輪和軸承進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

2 車軸

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，軸重21 t以下車輛的車軸直徑基本為130 mm；為滿足制動(dòng)要求，提高制動(dòng)效率，縮短制動(dòng)距離，時(shí)速160 km及以上的車輛一般采用盤形制動(dòng)；最高運(yùn)行速度200 km/h以下的車輛采用實(shí)心車軸，200 km/h以上的車輛采用空心車軸。雖然采用空心車軸可降低車輛簧下質(zhì)量，改善車輛運(yùn)行性能，有利于車軸超聲波探傷檢查，但空心車軸生產(chǎn)工藝復(fù)雜，運(yùn)用檢修需要專用探傷設(shè)備、專業(yè)人員以及架車設(shè)備，而且如果采用內(nèi)孔直徑為30 mm的空心車軸，車軸的質(zhì)量?jī)H減少12 kg，但車軸的制造成本卻大幅增加。基于上述分析，建議時(shí)速160 km快捷貨車采用直徑130 mm的實(shí)心車軸，同時(shí)采用軸盤制動(dòng)。

依據(jù)車軸設(shè)計(jì)的基本原則，確定防塵板座直徑為160 mm；輪座與軸身直徑比為1.14，且軸身與輪座間采用雙圓弧過(guò)渡，圓弧半徑分別為R75和R15；為了減少車軸軸頸彎曲撓度，減輕軸承與車軸的微動(dòng)磨損，改善軸承的受力狀態(tài)，確定車軸載荷中心到軸肩的距離為101 mm，較RD2型車軸縮短了24 mm[1]；為與轉(zhuǎn)向架制動(dòng)裝置的安裝位置相適應(yīng)，同時(shí)減少制動(dòng)盤座的微動(dòng)磨損，確定制動(dòng)盤中心距為860 mm，制動(dòng)盤座長(zhǎng)度為145 mm；車軸尺寸公差、粗糙度、形位公差均按照國(guó)內(nèi)習(xí)慣和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。TB/T 1010—2016《鐵道車輛輪對(duì)及軸承型式與基本尺寸》將設(shè)計(jì)的車軸命名為RD22型車軸[2]。RD22型車軸結(jié)構(gòu)及主要尺寸見圖1。

2.2 材料

為保證車軸具有足夠的強(qiáng)度及良好的韌性，同時(shí)具有較高的可靠性和使用壽命，車軸采用TB/T 2945—1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》規(guī)定的LZ50材料或Q/CR 644—2018《鐵路貨車用LZ45CrV鋼坯及車軸》規(guī)定的LZ45CrV材料[3-4]。

圖1 RD22型車軸結(jié)構(gòu)及主要尺寸

2.3 強(qiáng)度校核

依據(jù)GB/T 37454—2019《鐵道車輛非動(dòng)力車軸設(shè)計(jì)方法》要求對(duì)車軸進(jìn)行強(qiáng)度校核[5]，并與RD2型車軸和RE2B型車軸(材料為L(zhǎng)Z50或LZ45CrV)進(jìn)行對(duì)比，車軸各截面校核標(biāo)準(zhǔn)下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 車軸各截面校核標(biāo)準(zhǔn)下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

從表2可以看出，RD22型車軸和RE2B型車軸各部位的計(jì)算應(yīng)力相當(dāng)，且均低于RD2型車軸各部位的計(jì)算應(yīng)力。同時(shí)多年的運(yùn)用考驗(yàn)也顯示了RE2B型車軸運(yùn)行情況良好，可見RD22型車軸能夠滿足運(yùn)行速度160 km/h的18 t軸重快捷貨車的設(shè)計(jì)要求。

3 車輪

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

3.1.1 輪徑

為了滿足車輛限界要求，車輪到限直徑和制動(dòng)盤直徑需相匹配。GB/T 146.1—1983《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》規(guī)定：通過(guò)自動(dòng)化、機(jī)械化駝峰車輛減速器的貨車非彈簧承載部分距軌面距離應(yīng)不小于85 mm[6]。因此，制動(dòng)盤直徑按φ640 mm計(jì)算，車輪最小直徑不應(yīng)小于φ810 mm。

通用貨車主型車輪輪輞厚度為50 mm，輪輞到限厚度為23 mm，按此計(jì)算，新輪最小名義直徑應(yīng)為φ864 mm；若輪輞厚度設(shè)計(jì)為65 mm，輪輞到限厚度為23 mm，則新輪最小名義直徑應(yīng)為φ890 mm。在其他條件相同的情況下，車輪直徑越大，輪軸上的軸承和車輪使用壽命越長(zhǎng)。

目前國(guó)內(nèi)通用貨車車輪直徑均為φ840 mm，客車車輪直徑均為φ915 mm，動(dòng)車組車輪直徑有φ860 mm、φ890 mm、φ915 mm和φ920 mm 4種規(guī)格。車輪直徑采用φ915 mm可實(shí)現(xiàn)客車車輪和貨車車輪通用。

3.1.2 輪輞厚度

為了減小車輪自重并解決運(yùn)用中新舊車輪直徑差問題，車輪輪輞及其有效磨耗厚度不宜過(guò)大，參照現(xiàn)有車輪輪輞厚度運(yùn)用情況，確定車輪輪輞厚度為50 mm，運(yùn)用到限厚度為23 mm。

3.1.3 踏面外形

車輪踏面與鋼軌的合理匹配有助于改善輪軌接觸狀態(tài)，降低輪軌接觸力，減輕輪軌磨耗，延長(zhǎng)車輪的使用壽命，確保車輛的運(yùn)行平穩(wěn)和安全。我國(guó)貨車和時(shí)速160 km的客車車輪均采用TB/T 449—2016《機(jī)車車輛車輪輪緣踏面外形》規(guī)定的LM磨耗形踏面[7]，而且從快捷貨車動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，LM磨耗形踏面完全滿足使用要求。因此，綜合我國(guó)的線路、鋼軌形狀和運(yùn)用效果，快捷貨車的車輪踏面形狀采用LM磨耗形踏面。

3.1.4 輻板形狀及車輪結(jié)構(gòu)尺寸

采用有限元優(yōu)化模塊對(duì)車輪輻板形狀進(jìn)行優(yōu)化。按S形輻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將車輪輪轂尺寸、輪廓尺寸設(shè)為定量參數(shù)，輻板圓弧的圓心、切點(diǎn)、直線長(zhǎng)度、角度設(shè)為變量參數(shù)，車輪質(zhì)量和疲勞當(dāng)量作為目標(biāo)參數(shù)，優(yōu)化后的車輪定型為HDSC型車輪，其結(jié)構(gòu)和主要尺寸見圖2。

圖2 HDSC型車輪結(jié)構(gòu)和主要尺寸

3.2 材料

從目前運(yùn)用成熟的材料冶煉、熱處理工藝以及運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，車輪可選用TB/T 2817—2016《鐵路貨車用整體輾鋼車輪》規(guī)定的CL60鋼和CL65鋼[8]。

3.3 強(qiáng)度校核

根據(jù)TB/T 3463—2016《鐵道車輛車輪強(qiáng)度評(píng)定方法》要求對(duì)車輪進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算[9]。由于軸重18 t、時(shí)速160 km快捷貨車采用軸盤制動(dòng)，車輪踏面不承受熱負(fù)荷，因此只對(duì)車輪機(jī)械載荷作用下的直線工況、曲線工況和道岔工況進(jìn)行計(jì)算和評(píng)定。各工況下最大Von Mises等效應(yīng)力見表3，疲勞當(dāng)量應(yīng)力分布如圖3所示。

表3 車輪各工況下最大Von Mises等效應(yīng)力 MPa

圖3 疲勞當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

由計(jì)算結(jié)果可知，輻板上的應(yīng)力遠(yuǎn)低于其屈服極限(CL60鋼為350 MPa，CL65鋼為370 MPa)；輪轂上的應(yīng)力也低于350 MPa，而且運(yùn)用中車輪從未在輪轂位置發(fā)生破壞；車輪輻板動(dòng)應(yīng)力變化量最大為220 MPa，小于360 MPa，符合車輪疲勞強(qiáng)度評(píng)定要求。因此，滿足軸重18 t、時(shí)速160 km快捷貨車車輪的設(shè)計(jì)要求。

4 軸承

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

4.1.1 軸承結(jié)構(gòu)及外輪廓尺寸

考慮貨車軸承的實(shí)際運(yùn)用情況，采用了既能承受垂向力又能承受較大橫向力的雙列圓錐滾子軸承，并命名為352226A型雙列圓錐滾子軸承。根據(jù)車軸結(jié)構(gòu)和GB/T 299—2008《滾動(dòng)軸承 雙列圓錐滾子軸承 外形尺寸》要求[10]，軸承主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。

4.1.2 軸承密封結(jié)構(gòu)

為了減少因密封接觸摩擦產(chǎn)生的熱量，根據(jù)軸承使用的環(huán)境條件，選用迷宮式密封。軸承外圈、內(nèi)圈與油封構(gòu)成的迷宮式密封還避免了軸承與附件間微動(dòng)磨損產(chǎn)生的雜質(zhì)顆粒進(jìn)入軸承內(nèi)部，保證了軸承內(nèi)部清潔。

圖4 352226A型軸承主要結(jié)構(gòu)尺寸

4.1.3 內(nèi)部幾何參數(shù)

軸承內(nèi)圈為錐擋邊，滾道為圓弧凸度形式。滾子端面為球基面，素線為對(duì)數(shù)凸度形式，各點(diǎn)的凸度值Y可按式(1)計(jì)算[11]：

(1)

式中：μ——材料泊松比，取μ=0.3；

E——材料彈性模量，取2.116 8×105N/mm2；

Lwe——滾子有效長(zhǎng)度，mm；

W——承受最大力滾子的最大負(fù)荷，N；

x——滾子素線對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值，mm。

4.2 材料及熱處理工藝

軸承內(nèi)外圈采用G20CrNi2MoA電渣重熔滲碳軸承鋼，采用滲碳淬火、二次淬火、回火的熱處理方法；滾子采用GCr15電渣重熔高碳鉻軸承鋼，采用馬氏體淬火、回火熱處理方法；保持架采用玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺。

4.3 軸承壽命

依據(jù)GB/T 6391—2010《滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命》要求，經(jīng)計(jì)算，在90%可靠性下全重車軸承修正額定壽命為301萬(wàn)km；在空重車比為3∶7的情況下，修正額定壽命為428萬(wàn)km?？梢娸S承滿足正常運(yùn)用維護(hù)條件下檢修周期8年或80萬(wàn)km(以先到為準(zhǔn))的要求。

5 輪對(duì)

圖5為RD22型輪對(duì)結(jié)構(gòu)。車軸與車輪及制動(dòng)盤按TB/T 1718.2—2017《機(jī)車車輛輪對(duì)組裝 第2部分：車輛》要求進(jìn)行組裝[12]。組裝要求如下：

(1) 輪位差(L1和L2的差值)絕對(duì)值不大于1 mm；盤位差(L3和L4的差值)絕對(duì)值不大于2 mm；

(2) 兩車輪或兩制動(dòng)盤的不平衡位置應(yīng)處于車軸同一側(cè)面的同一直徑平面內(nèi)，但兩車輪的不平衡位置應(yīng)處于制動(dòng)盤的對(duì)面；

(3) 車軸與車輪組裝時(shí)的最終壓裝壓力按輪轂孔直徑計(jì)算,每100 mm輪轂孔直徑尺寸的壓裝壓力最小為343 kN，最大為588 kN。

圖5 RD22型輪對(duì)結(jié)構(gòu)

6 試驗(yàn)

按照EN 13260:2009+A1:2010《鐵路應(yīng)用 輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架 輪對(duì) 產(chǎn)品要求》和EN 13261:2009+A1:2010《鐵路應(yīng)用 輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架 車軸 產(chǎn)品要求》規(guī)定，分別對(duì)RD22型車軸輪座部位和軸身部位進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。每個(gè)部位使用3根試樣，6根試樣均通過(guò)了試驗(yàn)考核。按照EN 13262:2004+A2:2011《鐵路應(yīng)用 輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架 車輪 產(chǎn)品要求》規(guī)定，對(duì)HDSC型車輪輻板部位進(jìn)行疲勞試驗(yàn)考核，2片車輪均通過(guò)了試驗(yàn)考核。RD22型車軸、HDSC型車輪疲勞試驗(yàn)試樣及試驗(yàn)方式見圖6。

按照TB/T 3017.1—2016《機(jī)車車輛軸承臺(tái)架試驗(yàn)方法 第1部分：軸箱滾動(dòng)軸承》要求對(duì)352226A型軸承進(jìn)行60萬(wàn)km的耐久性試驗(yàn)考核[13]。同時(shí)對(duì)其進(jìn)行分解檢查和理化分析。結(jié)果表明，試驗(yàn)軸承的溫度、外觀，潤(rùn)滑脂的工作錐入度、滴點(diǎn)、水分、元素含量均滿足TB/T 3017.1—2016標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 RD22型車軸、HDSC型車輪疲勞試驗(yàn)試樣及試驗(yàn)方式

7 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)快捷貨車發(fā)展要求，結(jié)合我國(guó)貨運(yùn)特點(diǎn)和運(yùn)用線路的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了時(shí)速160 km快捷貨車的車軸、車輪及軸承，其主要技術(shù)參數(shù)如下：車軸直徑φ130 mm、車軸載荷中心距2 000 mm、車輪直徑φ915 mm、輪輞厚度50 mm。采用LM磨耗形踏面、軸盤制動(dòng)，軸承采用雙列圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)了RD22型車軸、HDSC型車輪和352226A型軸承。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的車軸、車輪及軸承能夠滿足軸重18 t、最高運(yùn)行速度160 km/h的鐵路快捷貨車運(yùn)用要求。