于淼，张笑林
中车唐山机车车辆有限公司，河北省唐山市 063035
摘要：本文阐述了有轨车辆内置轴箱体的选材，结构以及仿真分析结果等。分析了轴箱体在铝合金的使用下与原先材料的比较具有一定的优势，并对铝合金材料进行简析。简述了轴箱体的结构，用三种模型去讨论在列车上的使用，并通过EN 13749－2011对其进行仿真分析，并探讨了疲劳强度对于轴箱体的影响。
关键词：铝合金材料 轨道车辆轴箱体 运用
轴箱体在转向架中是一个关键的簧下零部件，用来将全部簧上载荷（包括铅垂方向的动载荷）传给车轴，并将来自轮对的牵引力、制动力和冲击作用传到构架上去，运用合理的构架以及相应的材料可以有效的降低簧下质量。并且铝合金有着硬度高、质量轻的特点，在同等构造的情况下，使用铸钢或者铁球轴箱的质量要比使用铝合金构造的轴箱的质量多余62%，可以有效减轻轴箱体的重量，进而提升轨道车辆的动力性能。在有轨车辆中，车体的质量仅占２０％左右，大部分质量集中在转向架上，所以采取质量轻，硬度大的铝合金以及成为有轨列车轻量化的一种趋势。 传统的地铁车辆轴箱体一般采用铸钢，铸钢的优点是强度高，机械性能好；缺点是质量大，车辆的簧下质量高。当列车高速运行时，轮轨的相互作用力大，对车轮和轨道的破坏性较大。
新的方式是采用铝合金轴箱体：采用铝合金代替传统钢介质的材料，不仅有利于轴箱轴承的散热，而且因为其具有高弹性变形，改善了轴承的受力状况，延长了轴承的寿命。采用铝合金材料减轻了地铁车辆转向架的簧下质量，较好的改善了轮轨相互作用力，从而改善了车辆运行平稳性。
一、轨道车辆轴箱体
轴箱体这个零部件的作用是把车体重量还有载荷共同传递给轮对、润滑轴颈，从而减少摩擦，降低运行阻力。在有轨车辆运行过程中，垂向力、纵向力和横向力在传递的过程中都要经过轴箱体［1］。在早期时候，机车车辆采用的是滑动轴承轴箱装置，到了20世纪初开始采取滚动轴承轴箱装置，并得到广泛采用。
箱体一般是指传动零件的基座，它需要拥有足够的强度和刚度。箱体通常用灰铸铁制造，灰铸铁具有很好的铸造性能和减振性能。对于重载或有冲击载荷的减速器也可以采用铸钢箱体。单件生产的减速器，为了简化工艺、降低成本，可采用钢板焊接的箱体。为了便于轴系部件的安装和拆卸，箱体制成沿轴心线水平剖分式。
上箱盖和下箱体用螺栓联接成一体。轴承座的联接螺栓应尽量靠近轴承座孔，而轴承座旁的凸台，应具有足够的承托面，以便放置联接螺栓，并保证旋紧螺栓时需要的扳手空间。为保证箱体具有足够的刚度，在轴承孔附近加支撑筋。为保证减速器安置在基础上的稳定性并尽可能减少箱体底座平面的机械加工面积，箱体底一般不采用完整的平面。
与滑动轴承轴箱装置相比，滚动轴承轴箱装置可使机车车辆运行阻力降低10%左右，可使起动阻力降低80%以上,不仅可以节约动力消耗,提高车辆的运行速度，还可提高列车整体的牵引重量。这种装置中的各零部件游动间隙较小，能有效改进机车车辆的运行质量。轴箱体在列车运行中发生故障的概率较小，可以极大减少对车辆维修工作的人力和物资的使用和消耗，而虽然滚动轴承轴箱装置的制造成本远远高于滑动轴承轴箱装置的制作成本，但其仍然得到广泛的采用。。所用滚动轴承有圆柱、圆锥和球面三种样式，其中球面滚动轴承承受轴向载荷较好，但要求的尺寸较大，不利于减轻簧下重量，并且制造成本较高，不方便进行检查与维修，因而近年来采用较少。中国铁路现在在客车上采用圆柱式滚动轴承轴箱装置,在柴油机车和电力机车上主要也采用这种轴箱装置。在客车上，轴向力靠轴承内外圈上的挡边承受，而在机车上轴承一般不带挡边，轴向力靠装在轴端的滚珠轴承承受。在货车上除有一部分采用圆柱式滚动轴承轴箱装置外，新造货车主要采用密封式圆锥滚动轴承轴箱装置。圆锥滚动轴承两端带有密封装置，外圈上面为承载鞍,装在转向架侧架导框内,起载荷传递作用，轴承外面不再有轴箱体。因而这种结构称为“无轴箱轴承装置”。滚动轴承都采用润滑脂，不需要经常开盖加油或检查。
如下图所示
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二、铝合金材料的选用
铝合金按其成分和加工方法一般分为变形铝合金和铸造铝合金，而由于轴箱体的特殊性，需要用到铸造铝合金，它是用来直接浇铸各种形状的铝合金。早期采用的是铸铁制造，但由于技术的不断进步，合金的出现让轴箱体的使用材料有了一个新的选择。原先使用的铁，在复杂的环境下会产生铁锈，而铝合金则可以在表面自然产生一层致密牢固的AL2O3保护膜能很好的保护基体不受腐蚀。通过人工阳极氧化和着色，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。以载人地铁为例，使用材料为铝合金G-Al-Si 7Mg-wa、AlSi7Mg 0.3、 GB /T 1173 中的 ZL101A 或 EN 1706 中的 EN AC － 42100［2］，其中ZL101A的抗拉强度大于等于275，EN AC － 42100的抗拉强度大于等于260。G-Al-Si 7Mg-wa和AlSi7Mg 0.3这两者的抗拉强度也大于等于265，并且随着Mg2Si含量的增加，抗拉强度也在增加。抗拉这几种材料在化学成分和机械性能上比较接近，并且减重效果明显。
三、轴箱体的载荷工况以及疲劳强度
轴箱体安装在车辆时，会受到垂直方向、横向以及纵向三个方向的载荷，我们一般按照超常和一般运营这两种工况进行分析，这里只说明一般运营下的常规载荷。通常在设计的过程中已经被充分考虑。而UIC 615-4－ 2003 ［3］、EN 13749 － 2011 ［4］等相关标准对于一般的构架的常规载荷已经有了明确的规定。并根据EN13749 – 2011，对其进行仿真分析，如下图［5］。
工况序号 载荷
FLC1 Fz
FLC2 Fz( 1±α±β)
FLC3 Fz( 1±α±β) ±Fy ±Tz
FLC4 Fz ±Fx_Lozenging
FLC5 Fz( 1±α±β) ±Fx_Lozenging
FLC6 Fz( 1±α±β) ±Fy ±Tz ±Fx_Lozenging
FLC7 Fz ±Fx_TＲ +FLink_mot
FLC8 Fz( 1±α±β) ±Fx_TＲ +FLink_mot
FLC9 Fz( 1±α±β) ±Fy ±Tz ±Fx_TＲ +FLink_mot
FLC10 Fz ±FB
FLC11 Fz( 1±α±β) ±FB
FLC12 Fz( 1±α±β) ±Fy ±Tz ±Fz_B
FLC13 Fz ±FVD
FLC14 Fz ±Fx_M ±Fy_M ±Fz_M
注: Fz———垂向载荷; α———侧滚系数; β———浮沉系数; Fy———横 向 载 荷; Tz———扭 曲 载 荷; Fx_Lozenging———菱 形 载 荷; Fx_TＲ———电机驱动产生的纵向载荷; FLink_mot———齿轮箱吊 杆载荷; FB———制动载荷; FVD———减震器载荷; Fx_M 、Fy_M 、 Fz_M ———设备各方向上的惯性载荷
同时在列车或电车行驶过程中会产生高频震动，往往会对轴箱体等零部件的疲劳损伤构成巨大威胁，随着我国线路的运营里程不断增长，对于轴箱体的磨损有着较大的威胁。但伴随着载荷的存在，以及车轮多边形磨耗导致的高频激扰下，有可能会产生有发生高频共振的风险，在短时间内造成巨大的疲劳损伤，这就要求轴箱体能在载荷以及高频振动二者共存的情况下，保持稳定，让列车平稳运行。
四、制造工艺
选定材料后进行对箱体制造的样品进行试做，由于轴箱体的特性，此制品可以运用浇注工艺去进行制造，浇注工艺制成的箱体零件具有强度高、壁薄、尺寸精度高、内外表面精度高等性质。初步完成后，采取合适的方法去进行加工，基本的工艺路线包括:划线→粗铣→粗镗→精 镗等工序，加工后进行清洗和防腐。
五、结束语
依据EN 13749－2011可以得知铝合金轴箱体的可行性，同时铝合金轴箱体能够拥有更好的技术效果，但是轴箱作为轨道车辆主要承载部件使用铝合金材料仍需对其进行台架试验[6]。并且记录数据，并且在材料上和制造技术上需要不断的尝试，使某种铝合金能真正广泛的运用到有轨车辆上。
参考文献
[1]商跃进． 动车组车辆构造与设计［M］． 成都: 西南交通 大学出版社，2010．
[2]薛文根.铝合金材料在轨道车辆轴箱体上的应用[J].机车车辆工艺,2020(01):10-11.
[3] UIC．移动动力装置—转向架和走行装置—转向架构架结构 强度试验: UIC 615-4－2003［S］．巴黎: UIC，2003．
[4] CEN．铁路设施．轮辐和行走机构．转向架结构要求的规定方 法: EN 13749－2011［S］．布鲁塞尔: CEN，2011
[5]战立超,付媛媛,李国辉,杨大春.基于标准载荷工况与高频振动工况的高速动车组转向架构架疲劳强度对比分析[J].城市轨道交通研究,2020,23(02):133-136.
[6］В． В． Копытъко，高路． 带铝合金轴箱体的滚柱轴承轴箱部件的 运用试验［J］． 国外铁道车辆，1993(3):15 － 18．