中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130062
摘要：动车组列车近年来在国内外获得广泛应用，是铁路客运最为有效的运输工具之一，高速列车车轴是动车组走行部中非常重要的部件，承受着源自车体及轨道的各种载荷。其中主要是旋转弯曲载荷和扭转载荷，高速列车车轴要保证在所规定的使用条件下，具有足够的安全性、可靠性和长使用寿命。这就对车轴材料及相关技术提出了非常高的要求，对比研究了国内外高速列车车轴技术，对新一代高速列车车轴材料的发展方向进行了展望。
关键词：动车组；车轴技术；车轴钢；展望
引言
动车组车轴是动车组走行部中非常重要的部件，承受着源自车体及轨道的各种载荷，其中主要是旋转弯曲载荷和扭转载荷。高速车车轴要保证在所规定的使用条件下，具有足够的安全性、可靠性和长使用寿命，这就对车轴材料相关技术提出了更高的要求。目前我国现在运营的各型动车组车轴全部采用的是进口材料，尚未实现国产化，大部分采用合金钢，高速动车组车轴标准也是采用国外的相关标准。我国动车组车轴的发展主要障碍在于对车轴技术要求、材料技术标准等缺乏系统的技术储备。了解和掌握不同国家与地区的轮轴标准，对于加快轮轴国产化进程、提高轮轴检修质量、确保列车运行安全具有重要的意义。对此，应该深人研究国外成熟的动车组车轴的相关技术条件和标准，并进行充分借鉴，为我国铁路特别是高速铁路可持续发展提供坚强的技术支持。
一、动车组车轴技术国内外标准
日本车轴方面的标准有JISE 4502-1《铁道车辆用车轴品质要求》和JISE4502-2《铁道车辆用车轴尺寸要求》。日本国内使用的车轴钢分4类，其中第4类为新干线用感应淬火车轴用钢，标准中的代号为SFAQA，一般称为S38C。我国从日本川崎引进技术的CRH2动车组车轴原型就是这种钢。旧的日本标准中有车轴的详细尺寸，新标准只规定了公差和粗糙度，数值与国际标准一致。日本车轴设计方法的标准为JISE4501《铁道车辆车轴强度设计方法》。标准中除静载荷外的垂直、水平附加力比例按照线路区分，且是速度的函数。日本车轴标准JISE 4502-1规定的车轴材质有非合金钢(A1，A2)，合金钢(A3，A4)以及--般碳素钢(1-4级)，合金钢(A3，A4)的主要合金成分是Cr，Cu，Mo和V。要求车轴钢应采用平炉、电炉或碱性氧气转炉生产。经制造厂和采购方协商，也可采用其他的炼钢方法。除非另有协议，车轴钢应在炉内或浇包内镇静，采用底注或连铸方法。
欧洲高速车轴材料采用EA4T合金结构钢，整体强韧性和疲劳性能优于日系，但存在淬透性不足而导致的组织不均匀、生产工艺窗口窄、回火稳定性较差及强度指标与疲劳性能指标不匹配(如按强度指标中下限控制，会出现疲劳指标不合格问题)等诸多问题。
我国高速车轴早期主要从欧洲LUCCHINI/BVV等引进，所以国产化的高速车轴主要采用的是中合金结构钢的成分设计思路，针对进口EA4T动车组车轴存在的诸多问题，采用优化Mn、Ni、Mo等合金元素及V、Ti、Nb等微合金化元素含量的技术思路，在保证组织细化及析出强化的前提下进一步提高了淬透性，从而获得了均匀的组织和良好的回火稳定性，并保证了强度与疲劳性能的合理匹配，设计出具有优异综合性能的系列动车组车轴钢DZ1和DZ2显著地提高了连铸工艺高速车轴钢的强度、韧塑性和抗疲劳性能指标,达到了国际先进水平,目前DZ1、DZ2材质车轴已完成中国铁路总公司装车运行考核,处于小批量应用阶段。
通过查阅综合比较对日本、欧洲和中国的高速列车车轴结构、钢材、加工工艺和组织性能的综合资料得知：（1）日本、欧洲和中国车轴用的是不同类型的钢，日本是碳素结构钢，欧洲和中国是合金结构钢了；（2）轴加工的热处理工艺路线不同，日本是采用“调质＋表面感应淬火”处理，欧洲和中国则是对整支轴进行调质热处理，两者相比，日本车轴的热处理工艺更难控制一些；（3）由于表面热处理装备的局限，日本车轴在外形设计时对整支轴的直径变化有一定限制；（4）日本车轴的１/２处和内孔表面的显微组织和性能较差；（5）欧洲和中国车轴所用原材料价格比日本车轴昂贵。
二、新一代高速车轴材料技术发展展望
从过去30年的高速车轴材料的发展历程来看，车轴材料有两种发展方向，一是提高材料的合金元素(Ni，Mc和Cr等)含量,以欧洲尤其是德国为代表，先后由EA1N/EA4T直到EA7T,强度呈逐步提高的趋势,二是日本为代表的在S38C碳素结构钢基础上采用整体调质＋表面热处理硬化,通过提高表面强度而不是提高整个车轴强度,因为高速车轴的疲劳失效大多数由表面开始,目前在欧洲以法国国家铁路公司为代表,不主张继续通过提高合金元素含量来提高材料强度,认为高合金结构钢存在裂纹敏感性高等缺点。
中国的高速铁路技术正在从跟跑、并跑逐步向领跑的方向发展，对于时速超过350km的有轨高速铁路领域，目前中国的相关研究更为超前，时速400km及以上的高速列车车轴的研发，作为国家重点研发计划项目已经于2017年立项，由上海交通大学、马鞍山钢铁股份有限公司、北京交通大学和中科院金属研究所等单位共同参与，基于材料基因组（MGI）技术，研发生产我国具有自主知识产权的时速400km的高速车轴，这在世界上尚无先例，没有成功的经验可供借鉴，我国地域辽阔，从-60℃的极寒地区到温度高达45℃的高温高湿的南方地区，从广袤的平原到崇山峻岭到茫茫戈壁，气候和地形十分复杂，这要求我国高铁的车轴用钢除了具有通用性能外，还要有广泛的适应性。
我国铁道车辆车轴钢的生产一直采用模铸、初轧开坯和锻造成型的工艺，但国外模铸与连铸工艺生产的钢坯均可用于制造铁道车辆车轴，如美国、日本等发达国家的标准就规定可采用连铸坯生产车轴。随着“转炉(超高功率电炉)炼钢-炉外精炼一连铸”先进钢铁生产工艺的快速发展，连铸工艺生产的品种包括过去特钢的典型品种高碳铬轴承钢、不锈钢、铁道用重点品种重轨钢等，品种范围越来越宽，在钢的纯净度成分、组织及性能均匀性、表面质量等方面均优于模铸工艺生产的钢。此外，连铸工艺生产车轴钢的疏松级别比模铸钢低，偏析程度也比模铸钢轻。连铸工艺生产车轴钢无皮下裂纹、皮下气泡、皮下夹杂等缺陷。钢坯的两端平整，无剪切变形，钢坯的表面质量比模铸钢优良，有利于车轴的加工及磁粉探伤合格率的提高。即使在压缩比小于模铸钢的情况下，连铸工艺生产车轴钢由于采用LF+RH精炼及保护浇铸，大大提高了钢的纯净度，并通过连铸结晶器电磁搅拌、低过热度浇铸及对铸坯施行轻压等，改善了连铸坯内部组织的致密度和化学成分偏析，连铸钢内部质量得到极大提高，用其锻造的车轴组织、性能完全能够满足铁道车辆车轴用钢技术条件的要求。因此，连铸技术是值得在车轴领域深人研究的课题。
在高速铁路轮对中，车轴既要轻量化，又要保证有足够的疲劳强度，以确保在整个服役期间不因疲劳裂纹而损坏，甚至切轴，所以提高车轴疲劳强度一直是各国.高速车辆的努力目标。依据欧洲标准，其强化技术采用车轴调质处理后，轮座部位喷钼，其余部位采用滚压表面强化。由于喷涂层与基体结合强度较小，滚压强化层较浅，对车轴的材质、喷涂及滚压工艺要求较高，成本亦较高。国内的车轴通常采用调质处理(或正火处理)后滚压强化处理。但其强化层较浅，硬度较低，对疲劳强度和耐磨性的改善十分有限。选择高速铁路用车轴钢材料时，除了需要保证原材料具有良好的性能外，还要选择合适的热处理工艺，以确保车轴的机械强度性能和低的热处理变形。进一步研究高速铁路用车轴的强化技术，确保车轴良好的强度和韧性，这是提高我国高速铁路用车轴的可靠性和疲劳寿命的技术方向功。
结束语
随着我国标准化动车组的研制及高速铁路“走出去”战略的实施，我国的高速列车研究需要具备国际视野，与高速列车配套的相关产业也需要从更开阔的视野、用更前沿的技术去追赶、引领整个行业，随着我国科技自主创新能力的增强，我国在高速列车车轴技术方面取得了长足进步，但与国外相比还存在不足，应加强对产品研发基础数据的积累、提高产权保护意识、紧追前沿科技，为高速新型列车的研制提供材料保障，确保我国高速列车技术在未来几十年具备足够的国际竞争力。
参考文献
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