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(xù)發(fā)展”的戰(zhàn)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(jié)約型以及友好型社會。鐵路領域高速發(fā)展，原生資源供應已出現(xiàn)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(xiàn)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(huán)率與發(fā)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(jié)能環(huán)保的再生資源，完成可循環(huán)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(xù)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(nèi)最大的鐵路自備貨車專業(yè)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(fā)揮報廢車軸的剩余價值，并將機床行業(yè)與鐵路行業(yè)結合，將報廢車軸開發(fā)再生利用。如車軸材質為LZ50、LZ40 車軸鋼，根據(jù)GB 5068—1999《鐵路機車、車輛車軸用鋼》和GB/T 699—2015《優(yōu)質碳素結構鋼》的機械性能指標對比，LZ50 機械性能優(yōu)于45 號鋼、40Cr 的材料，LZ40 機械性能優(yōu)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(yè)部分零件現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)顛覆、中斷現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)人員傷亡的惡性事故。這些事故將對鐵路運輸管理以及經(jīng)濟造成嚴重損失，據(jù)相關研究統(tǒng)計，在鐵路運輸修復方面，國內(nèi)損失高達數(shù)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(nèi)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(fā)生切軸事件146 起，其中熱切122 起、冷切24 起。這些事故給經(jīng)濟帶來巨大的損失，并成為鐵路運輸?shù)碾[患。為了避免事故的再次發(fā)生，需要在研究中改進現(xiàn)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(chuàng)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(lián)系。材料性能目前通過常規(guī)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(xù)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(shù)據(jù)，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(shù)。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(jù)其比例、彈性模量等設定強度。按照國家標準規(guī)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(jù)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(xiàn)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(jù)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(tài)，可以確保拉伸能夠成為常規(guī)的應力模式。在試驗中，根據(jù)不同材料在純剪應力狀態(tài)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(guī)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(jīng)過其表面，確保試件經(jīng)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(tài)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(xiàn)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?jīng)_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(jù)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(shù)據(jù)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(jù)試樣截取的方向以及數(shù)量，篩選其類別、制造方法等，按照試驗規(guī)定條件進行，一般選擇16 mm×20 mm 試樣?？梢圆捎檬咒彙彺?、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(shù)據(jù)出現(xiàn)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(xù)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(fā)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(jīng)預測打磨后的試樣，可以得到良好的試驗性能，且后續(xù)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(xiàn)鏡面為止[8]。

5 預期指標以及成果

經(jīng)測試，廢舊車軸改制項目在經(jīng)過試驗后，得到良好的試驗數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將確保在未來的改進中，能夠使技術、環(huán)境、社會效益等方面達到預期指標。

（1）經(jīng)濟效益?？梢蕴嵘滟Y源的利用率，降低生產(chǎn)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(chǎn)品的50%，能帶來巨大經(jīng)濟收益。

（2）環(huán)境效益。其生產(chǎn)零件延長鋼材的回爐周期，減少對于周圍環(huán)境的破壞以及污染，可以保護環(huán)境，符合國家可持續(xù)發(fā)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(chǎn)，是資源“廢棄—再生”的循環(huán)過程，能夠實現(xiàn)最強的優(yōu)化程度，具有社會價值以及良好的發(fā)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(nèi)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(xù)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(jīng)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。