摘要：国内外对于动车组车轮车轴的强度设计与疲劳试验有着不同的标准和方法，这也是本文的主要研究目的。
关键词：动车组；车轮车轴；疲劳试验
1车轴车轮疲劳试验现状
随着社会生活水平的提高与人民日益上升的物质生活需求，人们对出行方式的选择开始追求舒适、方便、快捷，高铁动车成为了人民出行旅游出差的不二之选。据相关数据统计，截止到目前，有大概七百余列动车在运行，我国高铁网络密布，近几年更是实现了跨越式发展，不断追赶甚至超越发达国家车辆技术水平。列车速度不断提高的过程中对车辆的技术性要求越来越高，如果车轮车轴的设计强度以及疲劳试验不能达标，一旦疏忽任何一个细节，都会发生灾难性的后果，因此必须高度重视动车组日系车轮车轴疲劳试验方法的研究。
针对车轮车轴疲劳试验标准问题，我国在2008年和2010年，我国分别制定并出台了两项重要的铁道机车设计标准，即TB/T 2395-2008《铁道机车车辆动力车轴车轮设计方法》和TB/T 2705-2010《铁道车辆非动力车轴车轮设计方法》，其核心目的是为了跟上我国高速列车车轮轴疲劳强度的设计计算需求，在参照发达国家欧洲及日本的先进制造基础之上，根据我国国情实际情况加以改善。
在国外的发达国家高速列车生产行业中，有着几十年的工业基础作为支撑，对于如何保证高速动车车轴车轮疲劳强度设计要求以及如何对高速动车车轴车轮进行有效的疲劳试验都有着丰富的经验，研究成果显著。以欧洲和日本为例，两方在深入研究的基础上对车轴车轮的疲劳强度设计和试验等方面都形成了极为严厉的行业标准，分别为JIS E4501和EN 13103/13104/13261。
通过模拟仿真或者模型检测并不能保证真正实物的全部性能，因此在实际的疲劳检测试验中往往需要用实物进行试验。轮轴配合部位的疲劳性能及车轮耐热裂性能不仅取决于材料的成分、几何形状和制造工艺，它的疲劳强度还与配合压力、尺寸大小、微动幅度等因素有关，因为轮轴配合部位属于微动磨损疲劳，所以将两者单独拆开进行试验得到的结果会存在着一定的偶然性。目前我国车轴的疲劳试验方法主要采用的是旋转弯曲车轴疲劳强度试验方法，尽管各个国家和地区在具体的试验平台选择方面可能存在些许差异，然而试验基于的基本原理是大同小异的。然而在试验方法的背景之下，通常会因为载荷施加方式不同而区分为悬臂梁式和简支梁式车轴旋转弯曲疲劳试验方法两大类别分。《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》对车轮疲劳试验的规定为在轮毅中央施加0.1~0.5倍轴重的交变载荷，加载频率为3~10Hz，循环次数为6*106。完成试验后，需经探伤检查，车轮不得产生疲劳裂纹。
2 国内外轮轴设计及强度标准分析
目前我国的车轮车轴设计以及强度计算的依照标准主要是2008年国家颁布的TB/T 2395-2008《铁道机车车辆动力车轴设计方法》和2010年后国家颁布的TB/T 2705-2010《铁道机车车辆非动力车轴设计方法》。内容要求考虑车轴的结构特点和受力条件，对各个承载截面的应力都要进行推算，并根据强度校核作出安全性评估。《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》轮轴部分详细规定了轮轴试验的垂向载荷值、横向载荷值，定义简单。在这两个标准中都把其之前的版木进行了更改并取消对轴运行速度的限制，即这两个标准均适用于高速动组的轮轴疲劳强度设计计算。
将标准中规定的计算方法总结如下：
首先选取计算截面对于计算截面的选取规定凡具有装配应力集中，截面尺寸变化造成的几何应力集中，最大弯矩区域或最小直径截面处均应列为计算截面。
其次需要编号及标注尺寸按如上规定所确定的计算截面，自左侧轴颈垂向总载荷几作用点向右，按先后顺序，依次进行编号，并标出相应的距离尺寸。然后计算出所确定的截面的抗弯截面模量W，可以给据下式计算得到：
式中 d–计算截面的直径。
再其次需要计算作用在轮对上的载荷载荷，包括垂向静载荷、因线路不平顺等原因引起车辆振动而产生的垂向动载荷、由风力、离心力等横向载荷引起轴颈上的垂向附加载荷，横向载荷。在计算中，无论是哪一类载荷，均以集中力方式作用。
并且需要计算截面处的弯矩根据所确定的计算截面和已计算出的各载荷大小，计算出各个校核截面处的弯矩M。之后计算车轴各截面的应力车轴各截面的应力
可由下式求出：
最后需要计算强度安全系数，根据己确定的车轴不同部位的疲劳许用应力
。与所确定截面部位的应力
，计算出校核截面的强度安全系数，即：
根据判断此安全系数是否大于0.1，来评定车轴的强度是否是安全的。
3 车轮车轴疲劳试验方法分析
3.1车轴疲劳试验方法分析
悬臂梁式车轴疲劳试验方法具有一些比较明显的特点，比如设备力臂较长、试验的载荷又相对较小；试验车轴的跳动较大，响应的试验载荷波动较大。同时，试验装备较好的模拟了车轴的微动磨损，从而使车轴的弯曲疲劳试验更好的符合车轴实际疲劳状况。
中国四方车辆研究所设计制造的牢轴疲劳试验台就是一个悬臂梁式旋转弯曲疲劳试验台，亦可对各型号车轴进行实物车轴旋转弯曲疲劳试验。车轴弯曲疲劳试验台，由驱动电机、传动轴、支撑轴承装置、载荷加载器、试验车轴及其固定装置组成。在轴的一端轴颈处安装垂向作动器，利用伺服液压系统控制垂向作动器、通过轴承对车轴试件施加恒定的垂向载荷，以使车轴产生垂向弯曲；而车轴的另一端则与车轮或者用于模拟车轮的法兰进行装配，试验车轴与模拟车轮的法兰通过过盈配合形成试样组件，通过螺栓将试样组件固定在试验台的法兰上，在试验车轴的端部加装轴承。
根据《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》中有关实物车轴疲劳试验的规定，该年轴疲劳验台的试验原理为：施加垂向载荷使车轴的轮座内侧处的应力达到设计应力，加载频率一般在3~10Hz之间，保证试验车轴的循环次数为6*106。在试验完成之后，对试验车轴逊行探伤检査，车轴不出现裂纹即为合格。
3.2 车轮疲劳试验方法分析
车轮疲劳试验台用特殊的、与试验台架联结成一体的环状物把车轮轮惘两侧完全紧固住。在模拟车轴的另外一轴颈端压装上一个轴承，这个轴承被嵌入一个滑块，从而可以对该轴颈端施加一个径向位移来达到对模拟车轴施加弯矩的目的。由于此时试验车轮被紧固，所以模拟车轴承受的弯矩最终会传递给轮辆，达到对轮辆施加弯矩的目的，施加弯矩的频率为10Hz。滑块连着驱动轴，从而可以实现对轴的旋转加载。可以通过改变模拟车轴或车轮来模拟不同过盈量下的车轮疲劳试验。在滑块上施加力，为得到有限元仿真计算时算得最大应力部位的等效交变对称应力，让滑块产生径向位移并对其进行校准。之后在该载荷下经历循环次数6*106。完成试验后，需经探伤检查，车轮不得产生疲劳裂纹。
3.3 关于疲劳试验的一些看法与建议
由以上分析可见，由于没有全面的数据支撑，我国现行动车组的技术标准对轮对疲劳试验的要求存在一定的缺陷，即无法真实有效、有依据的评判车轮车轴疲劳试验的好坏水平，将给高速列车的运营带来不可预见的潜在风险。针对现行标准和技术条件存在的问题，对现行动车组车轴车轮的运行应力进行数据采集和评估。通过分析运行数据，总结不同型号动车组车轮车轴受力情况与轴重或实际载重的关系，尽量使试验方案与轴重或实际载重一致。通过试验，对车轮车轴的不同载荷对应力的贡献量进行评估，以合理简化载荷。优化试验设备，减小试验过程与实际运行状态的差距。
4结束语
本文首先介绍了车轮车轴疲劳试验的现状，其次对国内外轮轴的设计与强度标准进行了详细分析，最后分别对车轮与车轴的疲劳试验方法进行了介绍与探讨，提出了一些针对性意见。
参考文献：
[1]周徐行，张锐，周荣祥.高速动车组车轮车轴疲劳试验方法标准分析[J].铁道技术监督，2015，43（05）：7-11.
[2]黄彪.高速动车组轮对疲劳强度研究[D].西南交通大学，2010.
[3]林浩博.高速动车组S38C车轴疲劳、裂纹扩展特性及可靠性研究[D].北京交通大学，2017.
论文作者:周友坤
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/2/27
标签：车轴论文; 疲劳论文; 车轮论文; 载荷论文; 截面论文; 强度论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第35期论文;