铁路货车车轴实施寿命管理的研究

翟惠建，李木存，张永林

（国能铁路装备有限责任公司陕西分公司，陕西榆林 719316）

0 引言

在铁路建设过程中，为了更好地贴合“可持续发展”的战略目标，需要对废旧钢铁资源进行回收，以确保废旧钢铁资源能够突破其制约，建设全新的节约型以及友好型社会。铁路领域高速发展，原生资源供应已出现紧张局势，为了确保资源能够得到更合理的使用，避免资源出现浪费，必须对铁路货车车轴进行寿命管理。我国从钢铁资源的人均拥有量、废钢铁的应用率以及循环率与发达国家相比尚有不足。有效利用废钢资源，降低其碳排放，可以全面缓解对于铁矿石的依赖性，并将其作为节能环保的再生资源，完成可循环使用。在未来的钢铁原料配置中，废钢铁将取代铁矿石，成为全新的应用材料。

在制定研究计划时，需要对废旧的车轴以及车辆配件等进行检测研究，并制定检测报告。在检测报告中，针对其机械性能和化学成分等完成测试，以确定其抗拉强度、伸长率、断面收缩率等。并将各种型号的材质进行验证对比，确保能够在后续的回收中能够对材质进行打造。例如，分析LZ50 报废车轴与45号钢、40Cr 材料的验证对比；以及LZ40 与35 号钢材料的对比；LZ40 报废车轴锻造材料与35 号钢材对比。通过不同报废钢材对比，可以清晰的得知这些钢材的抗磨损以及抗疲劳性能。

1 项目基本概述

神华铁路装备有限责任公司是国内最大的铁路自备货车专业化管理公司，拥有铁路自备货车5 万余辆，每年达到使用寿命年限的车轴多达上千根，并有逐年增长趋势，预估每年报废车轴有2000～5000 根，目前大量报废车轴都是废旧物资处置模式。

将报废车轴再生利用，充分发挥报废车轴的剩余价值，并将机床行业与铁路行业结合，将报废车轴开发再生利用。如车轴材质为LZ50、LZ40 车轴钢，根据GB 5068—1999《铁路机车、车辆车轴用钢》和GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》的机械性能指标对比，LZ50 机械性能优于45 号钢、40Cr 的材料，LZ40 机械性能优于35 号钢、Q235 材料，报废车轴直接再利用或锻造再利用，给报废车轴再利用提供替代机床部分零件和铁路行业部分零件现有材料的空间。

2 车轴实施寿命管理的必要性

作为货车重要零件之一，在铁路运输中，车轴承担着重要的角色。车轴质量将直接关系到列车的运行安全。目前，国内约有240 万根的车轴，这些车轴在线路上承担着重要的角色。任何一根车轴的断裂都可能会导致列车出现颠覆、中断现象，甚至出现人员伤亡的恶性事故。这些事故将对铁路运输管理以及经济造成严重损失，据相关研究统计，在铁路运输修复方面，国内损失高达数千万人民币[1]。因此，对车轴进行寿命管理至关重要。在检测中，分析目前车轴折断的两类因素，一是燃轴引起的热切，二是由裂痕以及内部缺陷引起的冷切。由于技术原因，在1987 年至2002 年使用旧技术，在此阶段全路共发生切轴事件146 起，其中热切122 起、冷切24 起。这些事故给经济带来巨大的损失，并成为铁路运输的隐患。为了避免事故的再次发生，需要在研究中改进现有的技术，使用新材料、新工艺，提升其车轴抗疲劳强度，在车轴管理上完成创新[2]。

3 车轴的材料试验方案

3.1 车轴的力学性能试验

在材料的研究中，材料的失效形式与其力学性能有密切联系。材料性能目前通过常规的基础材料力学试验获得，将以拉伸试验、压缩试验、扭转试验、硬度试验、韧度试验进行分析，研究车轴的力学性能，为后续改良提供可行性基础。

3.2 拉伸试验

金属拉伸试验是常用的一个标准试验，利用金属拉伸试验，可以了解被测试材料的性能以及力学数据，是最方便的试验模式。在拉伸试验中，可以对测试材料的各项强度以及塑性性能指标进行分析，将其作为金属材料的重要参数。拉伸试验操作简单、方便，并通过其应力曲线，可以对材料的信息进行分析，得出材料的各项力学性能。根据其比例、弹性模量等设定强度。按照国家标准规定，制作比例试件，可以在实验室中使用金属拉伸试件制成标准圆形截面试件[3]。

3.3 压缩试验

根据压缩试验分析，压缩试验可以测定材料的压缩屈服极限以及其抗压强度，并通过试验观察材料在压缩过程中出现的情况。比较材料的压缩机械性能特点，分析其变形以及破坏形式。采用圆形截面试件，可以在试验中将材料放置在试验机的两架板间，并开动试验机缓慢进行加载，确保其试验样板能够增加其压力，并根据试验机的绘图装置自动绘制出压力图[4]。

3.4 扭转试验

采用整个圆形截面试件，分析扭转试验的特性，观察试样在扭转力的作用下试验受力以及变形行为。并通过试验材料观察其破坏方式，以测定材料的剪切屈服极限以及其强度极限。在承受扭矩时，材料处于纯剪切力状态，可以确保拉伸能够成为常规的应力模式。在试验中，根据不同材料在纯剪应力状态下，完成机械性质测试。

3.5 硬度试验

金属硬度试验分为压入法以及刻划法两种，在一般试验中，其常规采用压入法。而压入法分为静力试验法以及动力试验法，静力试验法是使用最普遍的一种验证方法，分为布氏、洛氏、维氏硬度测试压力方法。主要采用布氏硬度测验法进行测量。布氏硬度测验法可以测定其材料的硬度，对于钢铁、有色金属等可以起到精准的试验分析效果。此外，也可以用于试验淬火且硬度不高的钢件[5]。在试验中，布氏硬度试验的压痕较大，因此试验结果也更具精准性。将一定直径的硬质合金球施加压力，并经过其表面，确保试件经受压力后，卸除其试验力，测定表面压痕的直径，并进行对比，得出硬度值。

3.6 冲击韧度试验

分析整个冲击韧度试验，其实验意义可以在于测量材料在冲击荷载作用下的冲击吸收力，以及其材料的冲击吸收韧度。作为一种动态力学试验，冲击试验也可以测定尺寸为U 形或V 形的试样。该试样在冲击荷载作用下，如出现折断，便可以计时测定出冲击力、吸收力以及韧性值吸收力。冲击试验通常借助摆锤式冲击试验机进行，且试验温度应设置在10～35 ℃[6]。

4 试验步骤

4.1 选择试验材料

在进行测试时，选择整个试验材料需要分析试验材料的特性，并在试验材料的失效部位以及完好部位取样，以便进行比对分析。在取样时，根据材料的软硬程度，可以使用锯、刨等加工方法。而针对于大工件取样，则推荐氧气切割方法。在试样的截取方式、尺寸等数据中，以直径15 mm、高15～20 mm 的圆柱体或立方体为佳。在试样制备中，根据试样截取的方向以及数量，筛选其类别、制造方法等，按照试验规定条件进行，一般选择16 mm×20 mm 试样。可以采用手锯、锯床、切割机床等进行截取，且无论何种方法取样均必须注意使用的温度条件，应避免试样过热而改变其组织，导致试验数据出现模糊[7]。

4.2 试样的研磨

在对试样的研磨中，准备好相关的实验设备及工具，并使其在粗砂纸上磨平，在磨合一致后，移致细砂轮续磨，使用冷却水进行冷却，确保金属组织不因过热使试验材料性能发生变化。将砂轮磨好、洗净后，其由粗至细，在各号砂纸上进行磨制，随后由粗砂纸到细砂纸进行转角90°方向打磨。经预测打磨后的试样，可以得到良好的试验性能，且后续在抛光机上进行粗抛光，随后进行细抛光，直至打磨对象表面出现镜面为止[8]。

5 预期指标以及成果

经测试，废旧车轴改制项目在经过试验后，得到良好的试验数据。这些数据将确保在未来的改进中，能够使技术、环境、社会效益等方面达到预期指标。

（1）经济效益。可以提升其资源的利用率，降低生产成本。钢材是稀缺资源，利用废旧车轴加工成全新零件所需成本仅是新产品的50%，能带来巨大经济收益。

（2）环境效益。其生产零件延长钢材的回炉周期，减少对于周围环境的破坏以及污染，可以保护环境，符合国家可持续发展目标。

（3）社会效益。废旧车轴的回收利用，可以完成废弃物资源化的清洁生产，是资源“废弃—再生”的循环过程，能够实现最强的优化程度，具有社会价值以及良好的发展前景。

6 结束语

总而言之，对铁路货车进行车轴寿命管理，国内目前尚处于起步阶段，仍有较多待完善之处，车轴寿命管理可以为后续零件寿命延长奠定良好基础。在进行车轴寿命改革中，可以更好地完成寿命管理。针对于铁路货车管理水平，加强理论以及实践基础研究。在经验匮乏的情况下，可以更利于寿命管理工作，完成更细致、更深入、更彻底的研究。