刘青山，龚海勇，赵 雷，刘会英，姜 英

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

随着我国产业结构调整和居民消费升级步伐不断加快，物流需求快速增长，为便捷高效、绿色环保的铁路运输带来了发展机遇。为更好地适应市场需求的动态变化，针对快捷货物运输装备技术发展战略目标要求，对快捷货车转向架关键零部件进行了研制。本文依据快捷货车总体技术条件，设计了适应轴重18 t、最高运行速度160 km/h铁路快捷货车的车轴、车轮及轴承，并进行了试验考核，试验结果均满足车轴、车轮及轴承的装车运用要求。

1 主要设计参数

根据时速160 km快捷货车的总体技术要求，对该车的车轴、车轮和轴承进行结构设计，主要设计参数见表1。

2 车轴

2.1 主要技术参数

根据国内外相关资料，轴重21 t以下车辆的车轴直径基本为130 mm；为满足制动要求，提高制动效率，缩短制动距离，时速160 km及以上的车辆一般采用盘形制动；最高运行速度200 km/h以下的车辆采用实心车轴，200 km/h以上的车辆采用空心车轴。虽然采用空心车轴可降低车辆簧下质量，改善车辆运行性能，有利于车轴超声波探伤检查，但空心车轴生产工艺复杂，运用检修需要专用探伤设备、专业人员以及架车设备，而且如果采用内孔直径为30 mm的空心车轴，车轴的质量仅减少12 kg，但车轴的制造成本却大幅增加。基于上述分析，建议时速160 km快捷货车采用直径130 mm的实心车轴，同时采用轴盘制动。

依据车轴设计的基本原则，确定防尘板座直径为160 mm；轮座与轴身直径比为1.14，且轴身与轮座间采用双圆弧过渡，圆弧半径分别为R75和R15；为了减少车轴轴颈弯曲挠度，减轻轴承与车轴的微动磨损，改善轴承的受力状态，确定车轴载荷中心到轴肩的距离为101 mm，较RD2型车轴缩短了24 mm[1]；为与转向架制动装置的安装位置相适应，同时减少制动盘座的微动磨损，确定制动盘中心距为860 mm，制动盘座长度为145 mm；车轴尺寸公差、粗糙度、形位公差均按照国内习惯和标准设计。TB/T 1010—2016《铁道车辆轮对及轴承型式与基本尺寸》将设计的车轴命名为RD22型车轴[2]。RD22型车轴结构及主要尺寸见图1。

2.2 材料

为保证车轴具有足够的强度及良好的韧性，同时具有较高的可靠性和使用寿命，车轴采用TB/T 2945—1999《铁道车辆用LZ50钢车轴及钢坯技术条件》规定的LZ50材料或Q/CR 644—2018《铁路货车用LZ45CrV钢坯及车轴》规定的LZ45CrV材料[3-4]。

图1 RD22型车轴结构及主要尺寸

2.3 强度校核

依据GB/T 37454—2019《铁道车辆非动力车轴设计方法》要求对车轴进行强度校核[5]，并与RD2型车轴和RE2B型车轴(材料为LZ50或LZ45CrV)进行对比，车轴各截面校核标准下的应力计算结果见表2。

表2 车轴各截面校核标准下的应力计算结果 MPa

从表2可以看出，RD22型车轴和RE2B型车轴各部位的计算应力相当，且均低于RD2型车轴各部位的计算应力。同时多年的运用考验也显示了RE2B型车轴运行情况良好，可见RD22型车轴能够满足运行速度160 km/h的18 t轴重快捷货车的设计要求。

3 车轮

3.1 主要技术参数

3.1.1 轮径

为了满足车辆限界要求，车轮到限直径和制动盘直径需相匹配。GB/T 146.1—1983《标准轨距铁路机车车辆限界》规定：通过自动化、机械化驼峰车辆减速器的货车非弹簧承载部分距轨面距离应不小于85 mm[6]。因此，制动盘直径按φ640 mm计算，车轮最小直径不应小于φ810 mm。

通用货车主型车轮轮辋厚度为50 mm，轮辋到限厚度为23 mm，按此计算，新轮最小名义直径应为φ864 mm；若轮辋厚度设计为65 mm，轮辋到限厚度为23 mm，则新轮最小名义直径应为φ890 mm。在其他条件相同的情况下，车轮直径越大，轮轴上的轴承和车轮使用寿命越长。

目前国内通用货车车轮直径均为φ840 mm，客车车轮直径均为φ915 mm，动车组车轮直径有φ860 mm、φ890 mm、φ915 mm和φ920 mm 4种规格。车轮直径采用φ915 mm可实现客车车轮和货车车轮通用。

3.1.2 轮辋厚度

为了减小车轮自重并解决运用中新旧车轮直径差问题，车轮轮辋及其有效磨耗厚度不宜过大，参照现有车轮轮辋厚度运用情况，确定车轮轮辋厚度为50 mm，运用到限厚度为23 mm。

3.1.3 踏面外形

车轮踏面与钢轨的合理匹配有助于改善轮轨接触状态，降低轮轨接触力，减轻轮轨磨耗，延长车轮的使用寿命，确保车辆的运行平稳和安全。我国货车和时速160 km的客车车轮均采用TB/T 449—2016《机车车辆车轮轮缘踏面外形》规定的LM磨耗形踏面[7]，而且从快捷货车动力学计算结果来看，LM磨耗形踏面完全满足使用要求。因此，综合我国的线路、钢轨形状和运用效果，快捷货车的车轮踏面形状采用LM磨耗形踏面。

3.1.4 辐板形状及车轮结构尺寸

采用有限元优化模块对车轮辐板形状进行优化。按S形辐板结构进行优化，将车轮轮毂尺寸、轮廓尺寸设为定量参数，辐板圆弧的圆心、切点、直线长度、角度设为变量参数，车轮质量和疲劳当量作为目标参数，优化后的车轮定型为HDSC型车轮，其结构和主要尺寸见图2。

图2 HDSC型车轮结构和主要尺寸

3.2 材料

从目前运用成熟的材料冶炼、热处理工艺以及运用经验来看，车轮可选用TB/T 2817—2016《铁路货车用整体辗钢车轮》规定的CL60钢和CL65钢[8]。

3.3 强度校核

根据TB/T 3463—2016《铁道车辆车轮强度评定方法》要求对车轮进行静强度和疲劳强度计算[9]。由于轴重18 t、时速160 km快捷货车采用轴盘制动，车轮踏面不承受热负荷，因此只对车轮机械载荷作用下的直线工况、曲线工况和道岔工况进行计算和评定。各工况下最大Von Mises等效应力见表3，疲劳当量应力分布如图3所示。

表3 车轮各工况下最大Von Mises等效应力 MPa

图3 疲劳当量应力分布云图

由计算结果可知，辐板上的应力远低于其屈服极限(CL60钢为350 MPa，CL65钢为370 MPa)；轮毂上的应力也低于350 MPa，而且运用中车轮从未在轮毂位置发生破坏；车轮辐板动应力变化量最大为220 MPa，小于360 MPa，符合车轮疲劳强度评定要求。因此，满足轴重18 t、时速160 km快捷货车车轮的设计要求。

4 轴承

4.1 主要技术参数

4.1.1 轴承结构及外轮廓尺寸

考虑货车轴承的实际运用情况，采用了既能承受垂向力又能承受较大横向力的双列圆锥滚子轴承，并命名为352226A型双列圆锥滚子轴承。根据车轴结构和GB/T 299—2008《滚动轴承 双列圆锥滚子轴承 外形尺寸》要求[10]，轴承主要结构尺寸如图4所示。

4.1.2 轴承密封结构

为了减少因密封接触摩擦产生的热量，根据轴承使用的环境条件，选用迷宫式密封。轴承外圈、内圈与油封构成的迷宫式密封还避免了轴承与附件间微动磨损产生的杂质颗粒进入轴承内部，保证了轴承内部清洁。

图4 352226A型轴承主要结构尺寸

4.1.3 内部几何参数

轴承内圈为锥挡边，滚道为圆弧凸度形式。滚子端面为球基面，素线为对数凸度形式，各点的凸度值Y可按式(1)计算[11]：

(1)

式中：μ——材料泊松比，取μ=0.3；

E——材料弹性模量，取2.116 8×105N/mm2；

Lwe——滚子有效长度，mm；

W——承受最大力滚子的最大负荷，N；

x——滚子素线对应坐标值，mm。

4.2 材料及热处理工艺

轴承内外圈采用G20CrNi2MoA电渣重熔渗碳轴承钢，采用渗碳淬火、二次淬火、回火的热处理方法；滚子采用GCr15电渣重熔高碳铬轴承钢，采用马氏体淬火、回火热处理方法；保持架采用玻璃纤维增强聚酰胺。

4.3 轴承寿命

依据GB/T 6391—2010《滚动轴承 额定动载荷和额定寿命》要求，经计算，在90%可靠性下全重车轴承修正额定寿命为301万km；在空重车比为3∶7的情况下，修正额定寿命为428万km。可见轴承满足正常运用维护条件下检修周期8年或80万km(以先到为准)的要求。

5 轮对

图5为RD22型轮对结构。车轴与车轮及制动盘按TB/T 1718.2—2017《机车车辆轮对组装 第2部分：车辆》要求进行组装[12]。组装要求如下：

(1) 轮位差(L1和L2的差值)绝对值不大于1 mm；盘位差(L3和L4的差值)绝对值不大于2 mm；

(2) 两车轮或两制动盘的不平衡位置应处于车轴同一侧面的同一直径平面内，但两车轮的不平衡位置应处于制动盘的对面；

(3) 车轴与车轮组装时的最终压装压力按轮毂孔直径计算,每100 mm轮毂孔直径尺寸的压装压力最小为343 kN，最大为588 kN。

图5 RD22型轮对结构

6 试验

按照EN 13260:2009+A1:2010《铁路应用 轮对和转向架 轮对 产品要求》和EN 13261:2009+A1:2010《铁路应用 轮对和转向架 车轴 产品要求》规定，分别对RD22型车轴轮座部位和轴身部位进行疲劳试验。每个部位使用3根试样，6根试样均通过了试验考核。按照EN 13262:2004+A2:2011《铁路应用 轮对和转向架 车轮 产品要求》规定，对HDSC型车轮辐板部位进行疲劳试验考核，2片车轮均通过了试验考核。RD22型车轴、HDSC型车轮疲劳试验试样及试验方式见图6。

按照TB/T 3017.1—2016《机车车辆轴承台架试验方法 第1部分：轴箱滚动轴承》要求对352226A型轴承进行60万km的耐久性试验考核[13]。同时对其进行分解检查和理化分析。结果表明，试验轴承的温度、外观，润滑脂的工作锥入度、滴点、水分、元素含量均满足TB/T 3017.1—2016标准要求。

图6 RD22型车轴、HDSC型车轮疲劳试验试样及试验方式

7 结束语

本文依据快捷货车发展要求，结合我国货运特点和运用线路的实际情况，设计了时速160 km快捷货车的车轴、车轮及轴承，其主要技术参数如下：车轴直径φ130 mm、车轴载荷中心距2 000 mm、车轮直径φ915 mm、轮辋厚度50 mm。采用LM磨耗形踏面、轴盘制动，轴承采用双列圆锥滚子轴承结构，同时设计了RD22型车轴、HDSC型车轮和352226A型轴承。经试验验证，设计的车轴、车轮及轴承能够满足轴重18 t、最高运行速度160 km/h的铁路快捷货车运用要求。