我國鐵路車輛輪軸發(fā)展綜述

魏文波，刁克軍，范新光，張世強(qiáng)

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

鐵路車輛輪軸是承擔(dān)承載和走行功能的關(guān)鍵部件，其技術(shù)體系的不斷完善為車輛的安全運行提供了基礎(chǔ)，隨著鐵路的不斷發(fā)展，對輪軸技術(shù)的研究提出了更高的要求[1]。在我國輪軸發(fā)展進(jìn)程中，根據(jù)不同時期的鐵路運輸需求，研制了不同結(jié)構(gòu)型式的車軸、車輪、軸承。隨著技術(shù)水平的提高和引進(jìn)更為先進(jìn)的制造設(shè)備后，我國鐵路車輛輪軸技術(shù)逐步走向成熟，部分技術(shù)已達(dá)到國際領(lǐng)先水平[2-3]。

1 車軸

我國鐵路車輛車軸最初有A型、B型、C型、D型和E型及其他類型，車軸軸身以變截面的仿錘形為主，材質(zhì)為碳素結(jié)構(gòu)鋼[4]。從20世紀(jì)70年代開始，車軸型式增加了RB2型、RC2型、RD2型、RE2型、RC3型、RD3型、RC4型和RD4型等型式，車軸軸身為等截面的平直形，材質(zhì)為LZ40。GB/T 12814—1991《鐵道車輛用車軸型式與基本尺寸》標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了鐵道車輛用車軸型式為B型、C型、D型、E型、F型、G型、RB2型、RC2型、RD2型、RE2型、RC3型、RD3型、RC4型、RD4型和RE3型等。20世紀(jì)80年代，針對LZ40車軸技術(shù)性能的不足，研制了LZ50鋼材質(zhì)車軸。GB/T 12814—2002《鐵道車輛用車軸型式與基本尺寸》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鐵道車輛用車軸型式為B型、D型、E型、F型、G型、RB2型、RD2型、RE2型、RE2A型、RC3型、RD3型、RD3A型、RD3B型、RC4型、RD4型和RD4A型等，2003年新造車軸材質(zhì)LZ50鋼全面替代了LZ40鋼。為適應(yīng)鐵路貨車重載的發(fā)展需要，2011年研制了微合金LZ45CrV車軸鋼，并設(shè)計了重載車軸RF2。TB/T 1010—2016《鐵道車輛輪對及軸承型式與基本尺寸》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鐵道車輛通用車軸型式為RD2型、RE2A型、RE2B型、RF2型、RC3型、RD3型、RD3A型、RD3A1型、RC4型、RD4型和RD4A型等。

車軸命名時，R表示滾動軸承，C、D、E、F表示不同軸頸直徑，下標(biāo)第1位數(shù)字表示客貨車類型，下標(biāo)第2位字母表示客車制動盤數(shù)量，下標(biāo)第2位數(shù)字表示貨車制動盤數(shù)量，下標(biāo)第3位數(shù)字表示客車改型，下標(biāo)第3位字母表示貨車改型。車軸結(jié)構(gòu)一般由軸頸、防塵板座、輪座、制動盤座、軸身等組成。下面按客貨車車軸分類介紹近年來主要車軸型式的發(fā)展變革。

1.1 客車車軸發(fā)展

1999年，中車青島四方車輛研究所有限公司(以下簡稱中車四方所)對RD3型車軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，在原基礎(chǔ)上增加了2個軸裝制動盤座，從而形成了RD3A型車軸。同時在RD4型車軸結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化而設(shè)計了RD4A型車軸，在原基礎(chǔ)上增加了2個軸裝制動盤座，兩車軸制動盤座長度均為180 mm。運行一段時間后發(fā)現(xiàn)制動盤座上有產(chǎn)生裂紋的問題，因此將RD3A型和RD4A型車軸制動盤座長度調(diào)整為144 mm，設(shè)計為突懸的形式，減少了微動磨損，從而有效避免了制動盤座上裂紋的產(chǎn)生。2002年對RD3型車軸結(jié)構(gòu)在原基礎(chǔ)上分別增加了3個和4個軸裝制動盤座后變成了RD3B型和RD3C型車軸，但這2種型式車軸并未推廣使用。2003年將RD3A型車軸的車軸載荷中心距重新設(shè)計為2 000 mm，成為RD3A1型車軸，同時將車軸制動盤座長度由144 mm調(diào)整為155 mm。

RDAM96型車軸為進(jìn)口軸型，軸頸直徑為130 mm，該軸型已完成國產(chǎn)化；PW-220型車軸由中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司設(shè)計，軸頸直徑為150 mm；RFQ型車軸由中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司設(shè)計，軸頸直徑為160 mm。以上3種型式車軸命名均不符合標(biāo)準(zhǔn)命名規(guī)則。

1.2 貨車車軸發(fā)展

1998年中車四方所對RE2型車軸進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計了RE2A型車軸。輪座直徑由206 mm調(diào)整為210 mm，車軸載荷中心距由1 956 mm調(diào)整為1 981 mm，車軸載荷中心到防塵板座邊緣的長度由135 mm調(diào)整為125 mm，提高了車軸輪座和軸頸的疲勞強(qiáng)度，同時降低了對轉(zhuǎn)向架的設(shè)計要求。2005年對RD2型車軸軸頸根部卸荷槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，由原來的A型、B型、C型3種方案優(yōu)化為B型、D型2種方案。針對有卸荷槽的D型方案，將車軸軸頸根部的圓弧半徑由20 mm調(diào)整為25 mm，并且要求在同一設(shè)備車削加工后進(jìn)行滾壓，有效降低了由于軸頸卸荷槽問題導(dǎo)致的冷切事故。同年對RE2A型車軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計了RE2B型車軸。將車軸載荷中心到防塵板座邊緣的長度由125 mm調(diào)整為110 mm，提高了車軸軸頸的疲勞強(qiáng)度，延長了車軸壽命。

2014年和2015年中車四方所分別設(shè)計了RF2型車軸和RD22型車軸。RF2型車軸輪座兩側(cè)與車輪采用突懸式設(shè)計，車軸載荷中心到防塵板座邊緣的長度為115 mm，有效提高了車軸軸頸和輪座的疲勞強(qiáng)度，滿足鐵路貨車重載要求。而RD22型車軸是在RD2型車軸的基礎(chǔ)上做了優(yōu)化，優(yōu)化了軸身與輪座的過渡方式，采用R75 mm和R15 mm雙圓弧過渡方式，車軸載荷中心到防塵板座邊緣的長度由125 mm調(diào)整為101 mm，減輕了與軸承的微動磨損，提高了車軸軸頸和輪座的疲勞強(qiáng)度，滿足軌道交通貨運快速化的要求。

2 車輪

我國鐵路車輛車輪最初使用的是普通鑄鋼和鑄鐵車輪，由于其性能難以滿足鐵路車輛發(fā)展的需求。20世紀(jì)60年代初我國開始了輾鋼車輪的研制，1964年第1個熱軋輾鋼整體車輪研制成功，從此逐步替代了普通鑄鋼和鑄鐵車輪。GB/T 8601—1988《鐵路用輾鋼整體車輪》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了軸重不大于23 t的鐵道車輛輾鋼車輪的型式，材質(zhì)為CL60和CL45MnSiV。由于車輪的大批量裝車運用出現(xiàn)了很多問題，因此對車輪生產(chǎn)提出了更高的技術(shù)要求，并制定了TB/T 2708—1996《鐵路快速客車輾鋼整體車輪技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)和TB/T 2817—1997《鐵道車輛用輾鋼整體車輪技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，車輪材質(zhì)僅限為CL60。20世紀(jì)90年代初重啟了鑄鋼車輪的研制，1998年我國現(xiàn)代意義上第1個鑄鋼貨車車輪研制成功，材質(zhì)為ZL-B，從此我國鐵路車輛車輪進(jìn)入了鑄鋼車輪和輾鋼車輪并行的模式。20世紀(jì)以來，隨著貨車載重的提高，車輪磨耗嚴(yán)重問題逐漸顯露。為此，研制了高強(qiáng)度和高硬度的CL65、CL65K、CL70和ZL-C車輪新材質(zhì)，并逐步推廣運用。

車輪命名中，B、C、D、E分別表示適用于不同車軸的車輪，后來規(guī)定車輪名稱中的第1位H表示貨車，K表示客車，KK表示客車快速，第2位C、D、E、F表示不同軸頸直徑，第3位S表示S形輻板，Z表示鑄造方式，第4位字母表示車輪改型。車輪結(jié)構(gòu)一般由輪輞、輪轂、輻板、輪緣、踏面等部分組成。我國鐵路車輛車輪輻板形狀有4種，分別是直輻板、S形輻板、波浪形輻板、盆形輻板。鐵路車輛車輪踏面外形為LM型踏面。下面按客貨車車輪分類介紹近年來主要車輪型式的發(fā)展變革。

2.1 客車車輪發(fā)展

1964—1997年主要應(yīng)用車輪的輻板形狀為斜輻板，輻板上有2個直徑為45 mm的工藝孔，1999年停止采購。20世紀(jì)90年代中車四方所研制了S形輻板車輪，裝車運用考核情況較好，1997年原鐵道部車輛局正式批復(fù)了KKD型、KDS型車輪，兩車輪基本尺寸相同，公差和技術(shù)條件不同，直徑均為915 mm，輪輞厚度為65 mm。KKD型車輪一直沿用至今，但KDS型車輪并未推廣使用。

2.2 貨車車輪發(fā)展

同客車一樣，1964—1997年主要應(yīng)用車輪輻板形狀為斜輻板。1997年由中車四方所進(jìn)行設(shè)計，原鐵道部車輛局正式批復(fù)了HDS型、HBS型車輪，輻板形狀為S型，直徑均為915 mm，輪輞厚度為65 mm。但HBS型車輪并未推廣使用。2001年中車四方所設(shè)計了HDSA型、HES型、HESA型3種輾鋼車輪，直徑均為840 mm，但車輪輪輞厚度有差異，分別為50 mm、65 mm和50 mm。HES型車輪并未推廣使用。

1998年，大同愛碧璽鑄造有限公司設(shè)計了我國現(xiàn)代第1個盆形輻板鑄鋼貨車車輪HDZ型車輪，并開始裝車運用，該車輪采用美國ABC石墨模鑄造技術(shù)，降低了熱應(yīng)力，相比最初的鑄鋼車輪，性能大幅提升。該公司還設(shè)計了HDZA型、HDZB型、HDZC型、HEZB型車輪，車輪輻板形狀均為盆形，有效地減輕了貨車車輪自重。運行以后發(fā)現(xiàn)輪輞厚度磨耗即將到限時，車輪輻板和車輛底部限界會形成干涉。2006年該公司又設(shè)計了HDZD型和HEZD型車輪，徹底解決了車輪輻板和車輛底部限界干涉的問題，而HDZC型和HEZB型車輪停止生產(chǎn)。

2015年，中車四方所牽頭研制了HFS型輾鋼和HFZ型鑄鋼車輪，2種型式車輪的直徑和輪輞厚度相同，HFS型車輪輻板形狀為S形，而HFZ型車輪輻板形狀為盆形，其材質(zhì)分別為CL70和ZL-C，滿足了鐵路貨車重載要求。同年中車四方所還設(shè)計了HDSC型車輪，車輪輻板形狀為S形，車輪直徑為915 mm，輪輞厚度為50 mm，LM型踏面，材質(zhì)為CL60或CL65，滿足了軌道交通貨運快速化的要求。

AM96型和PW-220型車輪為進(jìn)口輪型，車輪輻板形狀為S形，AM96型車輪直徑為915 mm，PW-220型車輪直徑為920 mm，目前這2種型式車輪已國產(chǎn)化。中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司設(shè)計了KKDQ型車輪，車輪輻板形狀為波浪型，車輪直徑為915 mm。以上3種型式車輪命名均不符合標(biāo)準(zhǔn)命名規(guī)則。

3 軸承

我國鐵路貨車最初裝用的是滑動軸承，由于其性能難以滿足鐵路貨車發(fā)展的需要,從1965年開始了滾動軸承的研究工作，第1批滾動軸承97826型和97726型雙列圓錐滾子軸承正式裝車考驗。1973年，加快了鐵路貨車的滾動軸承化，從此與客車滾動軸承逐步更新?lián)Q代發(fā)展至今。隨著鐵路車輛軸承型式的多樣化，軸承鋼的型號、保持架的類型、潤滑脂的種類和密封的形式也都存在差異。從YB/T 9—1968《鉻軸承鋼技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了軸承鋼材料為GCr6、GCr9、GCr15、GCr9SiMn和GCr15SiMn，到TB/T 3010—2001《鐵道車輛滾動軸承高碳鉻軸承鋼訂貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸承鋼材料為GCr18Mo和GCr15，再到TB/T 2235—2016《鐵道車輛滾動軸承》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸承鋼材料為GCr18Mo、GCr15和G20CrNi2MoA。此外，保持架由鋼板沖壓成型、鋼鉚接、青銅整體拉孔發(fā)展到如今的工程塑料保持架，潤滑脂由70年代末的鐵道車輛滾動軸承Ⅰ型潤滑脂到后來的鐵道車輛Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型潤滑脂。

從最初的鐵路貨車滑動軸承和鐵路客車滾動軸承多樣化，發(fā)展到貨車350000型和客車NJ(P)3226X1型滾動軸承，滾動軸承有了統(tǒng)一的命名規(guī)則。其中35和NJ(P)表示軸承類型，第三四位數(shù)字表示尺寸系列代號，第五六位數(shù)字表示內(nèi)徑代號，最后一位字母和數(shù)字表示外徑或?qū)挾确菢?biāo)準(zhǔn)代號，A、B和-2RZ表示結(jié)構(gòu)改變或非接觸式橡膠油封型式。滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架、潤滑脂和密封等組成。下面按客貨車分類介紹近年來滾動軸承的發(fā)展變革。

3.1 客車滾動軸承發(fā)展

我國鐵路客車軸承最初使用的是內(nèi)徑為120 mm的42724T型、152724T型軸承或內(nèi)徑為130 mm的42726T型、152726T型軸承。軸承鋼的材料均為GCr15SiMn，保持架的類型為鋼鉚接保持架，這4種型式軸承均為單列向心短圓柱滾子軸承。

1988年中車四方所設(shè)計了42724QT型和152724QT型、42726QT型和152726QT型軸承，軸承的外形尺寸與42724T型和152724T型軸承、42726T型和152726T型軸承相同，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，軸承鋼的材料均采用真空脫氣GCr15軸承鋼替代GCr15SiMn，馬氏體淬火，保持架采用青銅整體拉孔保持架替代鋼鉚接保持架。1999年中車四方所對42724QT型和152724QT型、42726QT型和152726QT型軸承進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計了NJ(P)3226X1型軸承，內(nèi)徑為130 mm，進(jìn)一步優(yōu)化了軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)。軸承鋼的冶煉方式均為電渣重熔，套圈材料用GCr18Mo軸承鋼代替GCr15，貝氏體淬火，軸承滾子材料仍然采用GCr15軸承鋼，馬氏體淬火，保持架采用青銅整體拉孔保持架。2005年該軸承開始用工程塑料保持架，2010年以后工程塑料保持架替代了青銅整體拉孔保持架。

1998年進(jìn)口了斯凱孚集團(tuán)的BC1B322880(1)型和BC1B322880(1)AB型軸承，保持架分別采用黃銅整體拉孔保持架和工程塑料保持架。后續(xù)又進(jìn)口了BC2-0098型、BT2-8690D型、TBU1639435型和TBU1639605E型軸承。同年進(jìn)口了日本精工株式會社的4(15)2726T型軸承，保持架采用黃銅整體拉孔保持架，2004年以后采用工程塑料保持架替代黃銅整體拉孔保持架。1999年進(jìn)口了舍弗勒集團(tuán)的804468-(9)型軸承，外組件不可分離，保持架采用工程塑料保持架。2001年進(jìn)口了804468(9)A型和804468(9)B型軸承，外組件可分離，保持架采用工程塑料保持架。2014年進(jìn)口了F-804468(9).02.ZL型軸承。

3.2 貨車滾動軸承發(fā)展

我國鐵路貨車滾動軸承化的初期，軸承主要依賴于進(jìn)口，直到1978年原鐵道部引進(jìn)了采用日本技術(shù)生產(chǎn)的197726型軸承，開始了第1批滾動軸承的裝車運用，此軸承套圈材料為滲碳軸承鋼，滾子材料為高碳鉻軸承鋼，保持架為鋼板沖壓保持架。1986年隨著鐵路貨車滾動軸承化的加速進(jìn)行，滾動軸承正式大規(guī)模推廣運用。

為滿足我國鐵路貨車日益發(fā)展的運用需求，北京南口斯凱孚鐵路軸承有限公司對197726型軸承依次做了3次優(yōu)化，并命名為SKF197726型。1999年中車四方所設(shè)計了352226X2-2RZ型軸承，軸承內(nèi)圈大擋邊采用斜擋邊，內(nèi)圈滾道采取凸度設(shè)計，滾子素線采用對數(shù)曲線設(shè)計，保持架采用鋼板沖壓保持架，密封結(jié)構(gòu)采用HRN(W)-D型迷宮式密封。2001年該軸承全面替代了197726型軸承。2004年開始，該軸承開始使用工程塑料保持架，解決了鋼板沖壓保持架破損和單向旋轉(zhuǎn)的問題，2006年開始全面推廣使用。

25 t軸重軸承是1998年原鐵道部引進(jìn)的斯凱孚集團(tuán)的TBU150型軸承，保持架采用工程塑料保持架，密封形式為接觸式密封，2004年因生產(chǎn)問題，TBU150型軸承變更為SKF353130-2RS型軸承。同年引進(jìn)了美國鐵姆肯軸承公司的AP150型軸承，保持架采用鋼板沖壓保持架，密封形式為HDL型迷宮式低轉(zhuǎn)矩密封。2003年引進(jìn)了舍弗勒集團(tuán)的TAROL150型軸承，保持架采用工程塑料保持架，密封形式為接觸式密封。同年，中車四方所設(shè)計了353130X2-2RZ型軸承，內(nèi)圈大擋邊采用斜擋邊，內(nèi)圈滾道采取凸度設(shè)計，滾子素線采用對數(shù)曲線設(shè)計，保持架采用鋼板沖壓保持架，密封形式為HRN(W)-E型迷宮式密封。2004年鋼板沖壓保持架全部更換為工程塑料保持架。2005年對353130X2-2RZ型軸承做了優(yōu)化，設(shè)計了353130A型軸承，軸承基本結(jié)構(gòu)不變，采用混合迷宮密封裝置替代了密封座和內(nèi)油封，降低了車軸軸頸根部應(yīng)力，提高了車軸使用可靠性。2006年原鐵道部引進(jìn)了斯凱孚集團(tuán)的353130B型軸承，替代了353130A型軸承，保持架采用工程塑料保持架，密封形式為迷宮唇式密封，軸承內(nèi)圈與后擋設(shè)置塑鋼隔圈，滿足了在高技術(shù)平臺上制定新一代軸承標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2013年30 t軸重軸承主要是中車四方所、瓦房店軸承股份有限公司、美國鐵姆肯軸承公司和斯凱孚集團(tuán)分別設(shè)計的353132A型、353132B型、AP-2型和BT2-8731型軸承，軸承內(nèi)徑均為160 mm，保持架采用工程塑料保持架，滿足了鐵路貨車重載的要求。2015年為了滿足了軌道交通貨運快速化的要求，中車四方所設(shè)計了352226A型軸承，內(nèi)圈滾道采取凸度設(shè)計，滾子素線采用對數(shù)曲線設(shè)計，保持架采用工程塑料保持架，密封形式為迷宮式密封，改善了套圈和滾子接觸的應(yīng)力分布，提高了軸承承載能力。

4 結(jié)論與展望

本文回顧了我國鐵路車輛輪軸的發(fā)展，分別從型式、材料和結(jié)構(gòu)等方面詳細(xì)闡述了車軸、車輪和軸承的發(fā)展動態(tài)，隨著我國高速鐵路建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)和相關(guān)研究的深入，必將給輪軸技術(shù)的發(fā)展提出新的要求，也帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，輪軸未來可以從以下幾個方面進(jìn)行研究：

(1) 可靠性研究。以輪軸疲勞壽命為重點，進(jìn)行高速、重載條件下的可靠性研究[5]。

(2) 輪軌關(guān)系研究。從輪軌幾何關(guān)系出發(fā)，結(jié)合蠕滑、車輛動力學(xué)等理論，建立符合我國鐵路車輛的最佳輪軌關(guān)系模型[6]。

(3) 新型產(chǎn)品研究。結(jié)合當(dāng)今鐵路車輛高速、重載、輕量化、舒適性等要求，探索如彈性車輪[7]、智能軸承[8-9]、變軌距車軸[10]或復(fù)合材料新材質(zhì)等新型產(chǎn)品的性能。