工程碩士學(xué)位論文HXD3B機(jī)車車軸加工工藝研究

1、分類號： th162 學(xué)校代號：10150udc： 密級： 學(xué) 號：g2006026工程碩士學(xué)位論文hxd3b機(jī)車車軸加工工藝研究study on machining process of the hxd3b electrical locomotives axles學(xué)生姓名：校內(nèi)導(dǎo)師及職稱：企業(yè)導(dǎo)師及職稱：工程領(lǐng)域：機(jī)械工程研究方向：工藝技術(shù)申請學(xué)位：工程碩士論文答辯日期：2010年6月4日學(xué)位授予單位：大連交通大學(xué)摘 要車軸，是軌道車輛和機(jī)車的最重要的部件之一，其安全性直接關(guān)乎車輛的行車安全。本文從工藝的角度針對車軸加工質(zhì)量進(jìn)行理論研究，通過對車軸用材料、車軸斷裂分析和加工工藝方法等進(jìn)行分析

2、，目標(biāo)是研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的hxd3b機(jī)車車軸。首先通過對車軸的研究現(xiàn)狀，國內(nèi)外車軸用材料和車軸設(shè)計(jì)等進(jìn)行介紹；空心軸是車軸的先進(jìn)發(fā)展方向。本論文在車軸受力及車軸壓裝力研究中，論述車軸受力的基本原理，并通過計(jì)算，分析比較不同材料車軸的幾何狀態(tài)，并詳細(xì)探討了載荷、過盈量對車軸壓裝力的影響。根據(jù)彈性力學(xué)的有限單元法和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的光彈凍結(jié)法對車軸的壓裝應(yīng)力的分析，研究壓裝力對車軸加工工藝的影響。 其次在總結(jié)資料并結(jié)合實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)及hxd3b車軸的要求的基礎(chǔ)上，對hxd3b型車軸的加工工藝進(jìn)行了深入的研究。主要對車軸的加工工藝現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行了深入的分析；對車軸加工的工藝路線進(jìn)行了擬定；介紹了工藝

3、規(guī)程的設(shè)計(jì)；介紹了如何選擇每道工序的定位基準(zhǔn)。對車軸加工中的關(guān)鍵工序進(jìn)行了深入詳細(xì)的分析。對各道工序的加工余量和加工設(shè)備的選用進(jìn)行了研究；研究了如何確定各工序所用的設(shè)備、刀具、卡具和量具。重點(diǎn)論述如何制定出先進(jìn)的工藝卡片和工序卡片，并分析其技術(shù)的先進(jìn)性和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。最后對hxd3b型車軸的加工工藝中的三道需要數(shù)控加工的工序進(jìn)行了深入的研究，重點(diǎn)對數(shù)控編程方法和使用工具caxa-me進(jìn)行介紹，對數(shù)控加工中的程序的代碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，以優(yōu)化數(shù)控加工程序。本次研究的結(jié)果可以為hxd3b機(jī)車車軸國產(chǎn)化提供理論基礎(chǔ)，并且使車軸加工工藝具有更高的效率、更低的生產(chǎn)成本。 關(guān)鍵詞：車軸；加工工藝；數(shù)控

4、加工abstractthe axle, the most important compontent of railway vehicle and motorcycle, its safety concerns directly the vehicles safety. through the theoretical research from the viewpoint of technology of axle processing quality, through the analysis of the use of axle material, axle fracture and pro

5、cessing method etc, the target is to develope independent intellectual property rights hxd3b locomotive axle.first, in the introduction of the axle research situation , axles materials and axles design of both at home and abroad, hollo shaft is the advanced development direction of the axle.in this

6、paper, through the research of the axle, pressing force axle, discusses the basic principle of axle bearing. through calculation, analysis and comparison the geometry of different materials axles, a load how to effect pressing force axle, which is discussed in detail. according to the elastic mechan

7、ics method of finite element and experimental stress analysis of freezing method for the stress analysis of axle , we research on the effect of pressing force for axle processing . secondly based on material and practical experience and hxd3b the requirements of the axle , hxd3b type of axle process

8、 is studied. thoroughly analysing the main axle processing status and characteristics , planing the axle of the processing route, introducing the design procedure, introducing how to select the locating datum of each procedure. the key to the axle processing procedure is thoroughly analyzed in detai

9、l. for each procedure limits and processing equipment selection is studied. researches on how to determine the each working procedure using equipment, tools , fixtures and measuring. focuses on how to develop advanced process card, and analyzes the technical sophistication and production efficiency.

10、finally for optimizing the nc machining procedure, the thorough studing of three nc machining procedure of the machining process of the axle of hxd3b type, mainly introducing the nc programming method and using tools caxa-me, introducing in detail the nc machining program code structure . the resear

11、ch results can be used for hxd3b locomotive axle localization providing theoretical basis, and the higher efficiency and lower cost of production for the axle processing craft. key words：railway axles; processing technology; cnc machining目 錄摘 要iabstractii緒 論1第一章 車軸概述31.1 國內(nèi)外機(jī)車車軸的發(fā)展31.1.1 國外機(jī)車車軸研究狀況4

12、1.1.2 國內(nèi)機(jī)車車軸研究現(xiàn)狀51.2 機(jī)車車軸用材料研究81.3 機(jī)車車軸的制造加工工藝現(xiàn)狀與發(fā)展91.3.1 國內(nèi)機(jī)車車軸生產(chǎn)現(xiàn)狀91.3.2 國外機(jī)車車軸制造介紹101.3.3 機(jī)車車軸制造趨勢101.4 本文研究的目的和意義111.5 本文研究的內(nèi)容11本章小結(jié)12第二章 機(jī)車車軸的受力及疲勞分析和壽命研究132.1車軸承載分析132.2 車軸受力分析142.2.1簧上質(zhì)量載荷142.2.2 驅(qū)動載荷162.2.3 制動載荷172.3 車軸斷裂失效分析182.3.1車軸疲勞失效研究的發(fā)展182.3.2 車軸裂紋和疲勞損壞的危險(xiǎn)部位192.4提高車軸壽命的研究242.4.1 改進(jìn)措施的

13、提出242.4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)252.4.3 材質(zhì)對提高車軸疲勞壽命的影響272.4.4 提高車軸的疲勞強(qiáng)度的表面處理技術(shù)282.4.5壓裝工藝292.4.6檢修與探傷312.5車軸壓裝應(yīng)力分析322.5.1計(jì)算工況的確定332.5.2計(jì)算的主要結(jié)果35本章小結(jié)40第三章hxd3b機(jī)車車軸加工工藝研究423.1 車軸加工工藝現(xiàn)狀423.2 hxd3b機(jī)車車軸特點(diǎn)及加工工藝特點(diǎn)分析433.3 車軸加工工藝路線的擬定433.3.1 工藝規(guī)程的意義和作用443.3.2 工藝規(guī)程的內(nèi)容及其制定步驟和所需原始資料443.3.3 工序的安排原則453.4 工藝規(guī)程的擬定463.5 定位基準(zhǔn)的選擇483.5.

14、1 定位基準(zhǔn)的分類483.5.2 定位基準(zhǔn)的選擇483.6工序設(shè)計(jì)493.7 各工序的加工余量的確定533.8 工藝裝備的選用543.8.1 機(jī)床的選擇543.8.2 刀、卡、量具的選擇563.9 提高機(jī)械加工生產(chǎn)率的工藝措施563.10 數(shù)控機(jī)床的選用573.10.1 數(shù)控機(jī)床的概述573.10.2 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢593.10.3 數(shù)控機(jī)床的選用60本章小結(jié)60第四章 數(shù)控程序編制及加工614.1數(shù)控加工的特點(diǎn)614.2數(shù)控加工工序工藝分析614.2.1數(shù)控刀具選擇614.2.2確定工件的定位與裝夾方案624.2.3確定走刀順序及走刀路線624.2.4切削用量的選擇624.3數(shù)控加工624.

15、4數(shù)控編程634.5 caxa-me制造工程師軟件簡介634.6 程序結(jié)構(gòu)64本章小結(jié)68結(jié)論與展望69參考文獻(xiàn)70攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文74致謝75緒 論中國地域遼闊，人口眾多，資源分布不均，地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡。因此，鐵路在我國交通運(yùn)輸體系中起到骨干作用。20世紀(jì)90年代以來，國家加大鐵路建設(shè)的力度，鐵路營業(yè)里程逐年增加。到2008年，我國鐵路營業(yè)里程達(dá)8.5萬千米, 其中復(fù)線里程3.5 萬千米，電氣化鐵路2.3萬千米以上，但仍然滿足不了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會發(fā)展的需要，因此必須把速度作為鐵路發(fā)展的關(guān)鍵因素1。從1997年中國鐵路就已經(jīng)制定了鐵路發(fā)展高速鐵路網(wǎng)的目標(biāo)，在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、客流集中

16、的東部走廊，發(fā)展最高時速250千米以上的高速客運(yùn)專線，其線橋等固定設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)按最高時速350千米預(yù)留；準(zhǔn)高速線路最高時速160200千米，繁忙干線是旅客列車最高時速140160千米，貨物列車最高時速90千米2。為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會發(fā)展的需要，到2020年，我國鐵路營業(yè)里程將達(dá)到20萬千米，鐵路運(yùn)輸能力將實(shí)現(xiàn)大幅提升。同時據(jù)中華人民共和國鐵道部2006年鐵道統(tǒng)計(jì)公報(bào)我國全國鐵路貨車擁有量達(dá)到56.67萬輛。包括機(jī)車擁有量達(dá)到1.78萬臺，其中內(nèi)燃、電力機(jī)車比重為99.3%，主要干線全部實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃、電力機(jī)車牽引。全國鐵路客車擁有量達(dá)到4.26萬輛，其中空調(diào)車2.3萬輛，占客車總數(shù)的53.9%

17、 。全國鐵路完成貨運(yùn)總發(fā)送量（包括行包運(yùn)量）288285萬噸，旅客發(fā)送量125656萬人，客貨運(yùn)輸量都得到大幅度增長別。在十五期間，建設(shè)新線17000km，其中客運(yùn)專線7000km；建設(shè)既有線復(fù)線8000km ；既有線電氣化改造15000km 。 2010年全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到9萬千米以上，復(fù)線、電化率均達(dá)到45%以上，快速客運(yùn)網(wǎng)總規(guī)模達(dá)到2萬千米以上，煤炭通道總能力達(dá)到18億噸，西部路網(wǎng)總規(guī)模達(dá)到3.5萬千米，形成覆蓋全國的集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)?；緦?shí)現(xiàn)技術(shù)裝備現(xiàn)代化，運(yùn)輸安全持續(xù)穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益不斷提升。2010年機(jī)車保有量將達(dá)到19000臺左右。車輛運(yùn)用輪保有量約為250萬對-260萬對。實(shí)際上

18、，我國己成為一個鐵路大國，車軸的需求量也是最多的國家之一，達(dá)到每年30萬根(合約11. 4萬噸)的用量。中國也是鐵路車輛輪軸生產(chǎn)量最大的國家之一3。自1997年以來，我國鐵路列車進(jìn)行了6次大面積提速，鐵路客運(yùn)量和周轉(zhuǎn)量得到了大幅度提升。根據(jù)東方網(wǎng)2007年2月1日報(bào)道，時速200km以上高速列車在廣深線首發(fā)，實(shí)現(xiàn)了我國高速列車在既有線路時速200km及以上提速資源零的突破。2007年12月22日，我國首列國產(chǎn)化時速300km“和諧號”動車組列車在南車四方機(jī)車車輛股份有限公司竣工下線。它的成功下線標(biāo)志著中國鐵路客運(yùn)裝備的技術(shù)水平達(dá)到了世界先進(jìn)水平，中國也由此成為繼日、法、德之后世界上第4個能夠自

19、主研制時速300公里動車組的國家。在列車提速的同時，貨物列車的重載技術(shù)也得到較快發(fā)展。這就對列車的性能提出了新的要求，從而對火車車軸性能也提出了更高的要求。綜上所述，我國鐵路事業(yè)在飛快的發(fā)展，鐵路工程也在大跨步地前進(jìn)，由此必然帶來對鐵路車輛用車軸的大批量需要和高質(zhì)量的要求，車軸作為鐵路車輛的重要部件，在鐵路車輛運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)著承載、行駛、導(dǎo)向和制動功能，它的運(yùn)行工況極為復(fù)雜、工作條件十分惡劣，而且其使用安全性能要求也非常之高。車軸的好壞直接關(guān)系到運(yùn)輸安全和效率的提高，同時，鐵路車輛輪軸技術(shù)水平的提高，是鐵路裝備現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，也是中國鐵路提速、重載技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)支撐點(diǎn)。高速重載是高速運(yùn)輸中長

20、期追求的目標(biāo)。因此，立足鐵路大發(fā)展的時代背景，對車軸技術(shù)進(jìn)行研究，大力發(fā)展車軸技術(shù)，對鐵路行業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。發(fā)展車軸技術(shù)的除了對車軸材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新之外，對車軸加工工藝的創(chuàng)新和研究也是發(fā)展車軸技術(shù)的關(guān)鍵，本論文以大連機(jī)車車輛有限公司自主設(shè)計(jì)研制的hxd3b型電力機(jī)車為例，進(jìn)行車軸加工工藝研究。第一章 車軸概述1.1 國內(nèi)外機(jī)車車軸的發(fā)展自1825年世界第一條鐵路誕生以來，世界各國鐵路研究工作的專家、學(xué)者，始終在為提高列車的行車速度做著不懈的努力。1954年法國用電力機(jī)車牽引，試驗(yàn)速度達(dá)到每小時243千米，1962年日本用電力機(jī)車牽引試驗(yàn)速度達(dá)到每小時256千米，1972年法國用電力

21、機(jī)車牽引試驗(yàn)速度達(dá)到每小時318千米。到了20世紀(jì)80, 90年代，法國、德國、日本用電力機(jī)車牽引試驗(yàn)速度達(dá)到每小時400千米以上，特別是法國1990年試驗(yàn)速度達(dá)到每小時515. 3千米的世界最高紀(jì)錄。隨著高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，高速列車的商業(yè)運(yùn)行速度不斷提高，從20世紀(jì)60年代時速210千米，80年代時速250-300千米，90年代末或本世紀(jì)初時速可望達(dá)到350千米左右，既有線路經(jīng)改造符合高速要求的一般運(yùn)行時速為200千米，還有個別線路可達(dá)220-225千米。目前世界上運(yùn)行時速在200千米以上的新建的高速鐵路營業(yè)里程約4400千米，若包括運(yùn)行時速在200千米的線路，總營業(yè)里程已超過15000

22、千米，這些線路僅占世界鐵路總營業(yè)里程的1. 5 %4,5 。與此同時，國外鐵路機(jī)車及車輛的相關(guān)技術(shù)也在不斷提高。車軸是鐵路機(jī)車和車輛的重要部件，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到行車安全，而且由于其數(shù)量多，涉及面廣，它的任何改動都將涉及大量的人力、物力和財(cái)力，因此對車軸技術(shù)的改進(jìn)一直持較為慎重的態(tài)度。經(jīng)過半個多世紀(jì)的努力，目前高速、重載及輕軌車軸技術(shù)的發(fā)展己取得很大成就。實(shí)踐證明，安全、高效的車軸技術(shù)，將為鐵路運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)安全、高效提供可靠保證，而鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，將不僅為車軸技術(shù)發(fā)展提供巨大的動力，同時也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)尤其是高科技的應(yīng)用開辟廣闊的市場，是21世紀(jì)一個重要的新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。車軸通常用優(yōu)質(zhì)中碳鋼鍛造成各段

23、具有不同直徑的圓柱體后精加工而成。車軸按車種分類可分為機(jī)車、客車和貨車車軸三類；按軸承類型可分為滑動軸承車軸和滾動軸承車軸兩類。如圖1.1所示，車軸由下列主要部分：（1）輪座，車輪壓裝處，也是車軸上直徑最大的部分；（2）軸頸，車軸上與軸承相配合的部分；（3）軸身，兩車輪之間的部分，有些客、貨車車軸的軸身自輪座向中央逐漸縮小，也有一些軸身通長為圓柱形，柴油機(jī)車和電力機(jī)車的傳動齒輪和采用盤形制動的機(jī)車車軸的軸裝式制動盤也組裝在軸身上；（4）防塵板座，客、貨車車軸上軸頸與輪座之間的過渡處，其上裝有滑動軸箱的防塵板或滾動軸箱的后擋板；（5）軸領(lǐng)，客、貨車車軸兩端比軸頸凸出的部分，用以阻擋滑動軸承在軸頸

24、上的過大移動，滾動軸承車軸上沒有軸領(lǐng)；（6）軸頸后肩，軸頸上靠近防塵板座的部分，為避免直徑突然改變引起應(yīng)力集中而設(shè)計(jì)加工制作成圓弧過渡。圖1.1 車軸結(jié)構(gòu)示意圖fig.1.1 axle structure diagram1.1.1 國外機(jī)車車軸研究狀況 從20世紀(jì)60年代開始，前蘇聯(lián)烏拉爾車輛制造廠、全蘇鐵路運(yùn)輸研究院、全蘇內(nèi)燃機(jī)科學(xué)研究院、全蘇車輛制造科學(xué)研究院和其他一些單位，率先進(jìn)行制造軸重22噸空心車軸研制工作。俄羅斯的b.b.hob對軸重25t空心車軸進(jìn)行了研究，并詳細(xì)介紹了這種空心車軸具有減輕車輛自重，降低車輛與線路間動力作用的優(yōu)點(diǎn)等6。烏拉爾車輛廠1965年制造的1000根空心車軸

25、，經(jīng)過安裝在4軸、6軸和8軸敞車上編成試驗(yàn)列車運(yùn)送煤炭和礦山、行車150千米、歷時12年的運(yùn)用試驗(yàn)結(jié)果表明：裝用空心軸的輪對，在強(qiáng)度和其他一些參數(shù)方面，并不遜色于裝用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心軸的輪對。日本的成村修二郎對鐵道車輛車軸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了研究，指出車輛高速化以后，正確掌握車輛的疲勞強(qiáng)度是極其重要的，介紹了采用實(shí)物車軸，通過變量載荷疲勞試驗(yàn)，對鐵道車輛用車軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的研究情況7。還有日本的野呂學(xué)石對空心車軸的超聲波探傷方法進(jìn)行了研究，分析了現(xiàn)行空心車軸超聲波探傷方法在探傷精度以及探傷作業(yè)后殘油的處理等方面存在的問題，介紹了為解決上述問題而開發(fā)的新的空心車軸超聲波探傷方法的工作原理及其新裝置和作為接觸介

26、質(zhì)的油回收機(jī)構(gòu)，評價了新的探傷裝置的驗(yàn)證效果。此外，美國俄亥俄州立大學(xué)的joseph p. domblesky等人運(yùn)用有限元方法模擬分析了徑向鍛造大直徑管坯的工藝過程，指出了影響徑向鍛造的一些主要因素8。加拿大安大略省麥克馬斯特大學(xué)的showky等人給出了空心軸的加工過程的傳感器測試方法9。韓國的j.h.lion和中國臺灣的d.yjang運(yùn)用3-d非線性有限元方法研究了軸對稱機(jī)件的徑向鍛造過程中的應(yīng)力情況，給出了一些有限元模型10。日本的石家弘道探討了空心車軸進(jìn)一步輕量化做了更進(jìn)一步的研究工作11。由于空心軸在合理的設(shè)計(jì)和制造條件下，可以達(dá)到實(shí)心軸同樣的應(yīng)用效果，同時還具備了明顯的優(yōu)越性，如降

27、低鋼材消耗量、減少車輛非生產(chǎn)運(yùn)輸費(fèi)用、方便日常維護(hù)和探傷、減小車輛和線路間的動力作用力等等，因而為許多國家的鐵路車輛所采用。目前在歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家，空心軸應(yīng)用在鐵路車輛中己占10%左右。1.1.2 國內(nèi)機(jī)車車軸研究現(xiàn)狀我國車軸的發(fā)展起步晚，起點(diǎn)較低。目前來說，無論從制造工藝，結(jié)構(gòu)優(yōu)化程度以及車軸的檢修方面，都落后于世界發(fā)達(dá)國家。新中國鐵路的發(fā)展主要從1949年以后開始，特別是上世紀(jì)80年代至90年代，是中國鐵路發(fā)展最快的時期。上世紀(jì)50年代初，國內(nèi)鐵路客、貨車輛軸型以b, c型系列為主。在80年代著手進(jìn)行了主型客車rc型系列車軸向rd型系列車軸的過渡。90年代以來，我國的rd型系列車軸將繼

28、續(xù)向re型車軸發(fā)展12。我國各主要車軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.1。表1.1 車軸的主要參數(shù)table 1.1 the main parameters of the axles軸型軸重/t軸徑中心到根部距離/mm軸徑直徑/mm全長/mm中心距/mm安全系數(shù)25135150216619561.3525125150219119811.5725110150218119811.8321125130214619561.0821100150214619561.47鐵路車輛用軸主要有車輛軸和機(jī)車軸兩大類，其中車輛軸數(shù)量遠(yuǎn)大于機(jī)車軸數(shù)量。各類車軸的主要情況見表1.213。鑒于我國鐵路發(fā)展歷程的特殊性，我國政府始終把鐵

29、路放在優(yōu)先發(fā)展的地位，但由于鐵路車輛輪軸的使用工況相對惡劣，發(fā)展比較緩慢。首先，運(yùn)輸負(fù)荷重。年走行公里數(shù)干線客車達(dá)到50萬千米60萬千米，貨車平均為10萬千米，最高可達(dá)20 萬千米（運(yùn)煤專用通道上的專用敞車)和 34萬千米(用于行包快運(yùn)的棚車)；年平均運(yùn)輸負(fù)荷量，客車為1100萬人/公里/輛，貨車為326萬噸/公里/輛。其次，線路條件復(fù)雜。曲線半徑小，線路坡道大，干線曲線半徑最小為r300m；線路延長換算公里數(shù)中，約有8.1%的里程處于千分之六以上的長大坡道，最大坡度達(dá)3%以上。表1.2 車軸的主要情況table 1.2 the main situation of the axles軸型精加工

30、軸的主要尺寸軸承種類最大軸重（t）用于貨車用于客車速度小于120km/h速度小于120km/h速度在120-140km/h速度大于140km/hb108x203x1905滑動軸承12.014.8c127x229x193016.018.9d145x245x195621.0e155x279x198125.0100x187x190512.0120x210x193016.0130x220x1956滾動軸承21.0150x240x195625.0120x191x193016.015.514.513.5130x220x195621.018.017.016.5120x191x193021.015.514.5

31、13.5130x195x195622.018.017.016.5 第三，全部貨車和絕大多數(shù)客車仍采用車輪踏面制動方式；機(jī)車動力制動還沒有全面推廣使用，仍有少量運(yùn)行區(qū)段使用蒸汽機(jī)車牽引。 第四，鐵路覆蓋面積廣，大氣環(huán)境差異大，氣溫在 40 40之間，既有高溫、濕熱地區(qū)，又有高寒、干燥地區(qū)。上述這些外部因素，無疑都對中國鐵路車輛車軸的設(shè)計(jì)、制造和維修保養(yǎng)提出了較為苛刻的條件。 近年來，中國鐵路貨車重載技術(shù)在不斷發(fā)展，干線開行了5000t級貨物列車，運(yùn)煤專用通道上開行了6000t, 10000t級列車。同時，客運(yùn)技術(shù)也不斷提高，客車在主要干線上實(shí)施提速戰(zhàn)略，部分區(qū)段上客車的最高速度可達(dá)200km/h

32、。重載技術(shù)和提速戰(zhàn)略都給中國鐵路車輛輪軸技術(shù)提出了新要求14。近年來，隨著我國crh高速列車的開始運(yùn)營，列車運(yùn)行速度越來越高，對車軸輕量化提出了更高的要求。為減少簧下質(zhì)量，在日本等國己經(jīng)開始少量應(yīng)用空心車軸的同時，我國開始了對空心車軸的研究，并取得了一定進(jìn)展。例如：鐵道部四方車輛研究所的曹志禮、工勤忠對高速客車空心車軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度做了有限元分析，闡述了我國時速250km高速客車空心車軸的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并通過有限元計(jì)算、輪對壓裝強(qiáng)度分析、微動腐蝕分析、模態(tài)分析以及壁厚偏差分析等，說明了其具有足夠的強(qiáng)度和剛度，可以滿足高速運(yùn)行的要求。并指出高速空心車軸的內(nèi)孔壁必須進(jìn)行機(jī)械加工，車軸的壁厚偏

33、差應(yīng)控制在1 mm以內(nèi)15。西南交通大學(xué)機(jī)車車輛研究所的黃志輝對我國首臺高速動力車空心車軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了空心車軸軸身的內(nèi)外徑，輪座直徑與軸身直徑比及過渡圓弧半徑及突懸量的選擇16。孟宏在200km / h交流傳動電力機(jī)車空心車軸研究中，通過對空心車軸的幾個特殊截面的疲勞強(qiáng)度計(jì)算截面，并進(jìn)行了離散、強(qiáng)度分析及計(jì)算分析17。山東理工大學(xué)模具工程研究中心通過有限元方法模擬分析、設(shè)計(jì)了空心車軸鍛造的工藝過程的兩種工序步驟，并分析了鍛件的工藝質(zhì)量。株洲電力機(jī)車廠的顧一新對輪對內(nèi)空心軸加工方法進(jìn)行了探討，介紹了內(nèi)空心軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，指出了加工中的技術(shù)難點(diǎn)和解決這些難點(diǎn)的方法，可供我們制定

34、加工工藝時參考18。株洲電力機(jī)車廠的楊軍、余毅云對高速電力機(jī)車車軸鍛造工藝進(jìn)行了探討，指出機(jī)車高速化對車軸的綜合機(jī)械性能要求較高，采用42crmo材質(zhì)可滿足設(shè)計(jì)要求，主要對42crmo車軸的鍛造工藝進(jìn)行了探討，提出了一種切實(shí)可行的新工藝19。此外，株洲電力機(jī)車廠的劉庚武、陳紅琳對50鋼車軸的鍛造與熱處理工藝進(jìn)行了探討，他們根據(jù)美國aarm 101-81以及tb2072-89標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)50鋼車軸技術(shù)條件的要求，對50鋼進(jìn)行了工藝試驗(yàn)與探討，摸索出了其鍛造與熱處理工藝參數(shù)20。還有株洲電力機(jī)車廠的廖學(xué)文對ss8型機(jī)車空心軸軸頭熱壓工藝及其模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)，介紹了ss8型機(jī)車轉(zhuǎn)向架空心軸軸頭的熱壓成型

35、工藝，重點(diǎn)介紹了其成型模具的設(shè)計(jì)、坯料加熱溫度的確定等21。鐵科院機(jī)輛所的黃成榮對空心軸傳動式高速動力車進(jìn)行了穩(wěn)定性分析及參數(shù)研究。這些工作為空心車軸鍛造技術(shù)開發(fā)提供了理論依據(jù)22。20世紀(jì)，國際鐵路運(yùn)輸經(jīng)歷了曲折的發(fā)展歷程，而對各類運(yùn)輸方式的激烈競爭，人們開始冷靜的思考，什么樣的運(yùn)輸方式在保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、安全快捷、舒適等方面更具有優(yōu)勢，于是對車軸技術(shù)提出了新的要求：(1) 探索在高速條件下，與新的軌道結(jié)構(gòu)，新的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，新的制動系統(tǒng)相匹配的輪軸結(jié)構(gòu)，如彈性車軸，空心車軸等，同時要尋求在客運(yùn)專線，客貨混和提速線及重載專用線等不同工況下輪軸結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)與不同點(diǎn)，尋求最佳的客貨速比條件下，輪

36、軌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 開發(fā)使用300千米/小時客運(yùn)的高速輪對，高速輪對要求輕量化設(shè)計(jì)，將采用空心軸和大圓弧輻板輕型車輪，其踏面外形應(yīng)適應(yīng)高速運(yùn)行，對車輪材質(zhì)，組裝工藝，靜平衡量，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)將提出更高的要求。 開發(fā)使用軸重25噸以上的重載運(yùn)輸貨車輪對，車輪的設(shè)計(jì)要求采用低應(yīng)力概念，以延長重載輪對的使用壽命，提高運(yùn)輸安全性。 在試驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化車輪、車軸的型式尺寸，提高熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷等能力。確保輪對在高速、重載運(yùn)行時的安全可靠性14。(2) 以提高輪軸疲勞壽命為重點(diǎn)，以增強(qiáng)可靠性為目的，開展車軸研究，從材質(zhì)的選用，冶煉控制，鍛鑄方式等方面保證原材料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。(3) 改善輪軸的維

37、修保養(yǎng)，推廣無維修或少維修的維修制度，繼續(xù)推廣先進(jìn)的檢測手段與維修設(shè)各，實(shí)現(xiàn)維修保養(yǎng)的現(xiàn)代化，以適應(yīng)運(yùn)輸市場的需求。新的世紀(jì)，中國鐵路將繼續(xù)開發(fā)時速200千米以上的高速客運(yùn)和重載貨運(yùn)技術(shù)和各種專用車輛，同時還將開發(fā)城鄉(xiāng)間客運(yùn)列車及城市軌道運(yùn)輸。1.2 機(jī)車車軸用材料研究 鐵路機(jī)車、車輛車軸是一個十分重要的零件。車軸在運(yùn)行中如發(fā)生斷裂(俗稱冷切)將造成脫軌、翻車等重大惡性事故。因此世界各國對提高車軸的可靠性均十分重視。 車軸在運(yùn)行過程中受的是交變載荷，正常損壞形式是疲勞斷裂。對金屬疲勞的研究就是從車軸開始的。因此，為提高車軸壽命，必須提高疲勞強(qiáng)度。但除疲勞強(qiáng)度外，還必須考慮韌性與低溫脆性，尤其是

38、對于車輛用車軸。因?yàn)殍F路車輛無固定運(yùn)行范圍，由于編組需要，可以從最炎熱的廣東運(yùn)行到最寒冷的黑龍江，最低溫度可以達(dá)到零下50攝氏度，因此為避免發(fā)生低溫脆斷，需要車軸用鋼有足夠低的冷脆轉(zhuǎn)折溫度。 我國gb5086-85規(guī)定車軸用鋼分為車輛用車軸鋼(lz)及機(jī)車用車軸鋼(jz)。前者含碳稍低，為0.37%0.45%，含錳也稍低，為0.45%0.8%；后者含碳及含錳均稍高，分別為0.4%0.48%及0.55%0.85%。顯然這是為了保證車輛用車軸鋼有較好的韌性及較低的冷脆轉(zhuǎn)折溫度。但鐵道部于1989年又發(fā)布了jb2072-89標(biāo)準(zhǔn)，將車輛用車軸鋼的含碳量提高到0.47%0.57%。 日本采用的車軸用鋼

39、sfa55及s fa60的含碳量為0.35 %0.45% 。原蘇聯(lián)在1967年前車軸用鋼的含碳量為0.43%，到1971年降為0.41%。由于含碳量的降低，使鋼的強(qiáng)度下降25mpa，但韌性有所提高。為了保證強(qiáng)度，又于1974年將車軸用鋼的含碳量恢復(fù)到0.43%。美國采用含碳0.45%0.59%的車軸鋼23。 上述車軸用鋼均在正火狀態(tài)下使用，組織為鐵素體加珠光體。對于重載車軸，德國采用含碳量較低的25crmo4鋼制造，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用。由國外資料可見，為保證韌性，降低低溫脆性，除美國外，一般均采用含碳0.4%左右的鋼作為車軸鋼24。由此，我國鐵道部將車輛用車軸鋼的含碳量從0.37%0.45%提高

40、到0.47%0.57%是否合理，值得商榷。 車軸材質(zhì)的選擇首要地應(yīng)是保證具有所需的強(qiáng)度及良好的韌性，所以鋼中含碳量的選取是關(guān)鍵。一般認(rèn)為，隨著含碳量的增加，車軸的強(qiáng)度隨之提高，但隨之而來的是其裂紋敏感性的增加，所以要通過調(diào)整含碳量及采用合適的熱處理方式來保證車軸鋼性能。 世界鐵路車輛用軸的材料，幾乎全部采用中碳鋼。如車軸用鋼的含碳量日本為. 0.35%0.45%，原蘇聯(lián)為0.41%0.43%，法國為0.34%0.38%，美國為0.45%0.59%，中國為0.47%0.57%。世界鐵路原來一般使用正火方法熱處理車軸。在日本，機(jī)車、動車及新干線高速列車則使用疲勞強(qiáng)度高的高頻淬火車軸。車軸材料一般是

41、sfa55, sfa60鋼，目前可靠性要求更高的新干線電動車組的車軸則使用s38c碳素結(jié)構(gòu)鋼。正火車軸的正火加熱溫度范圍是830890 ,或在正火后再經(jīng)500650回火。通過這樣的熱處理可使材料組織細(xì)小并均勻化，改善其力學(xué)性能。高頻淬火車軸在鍛造成形后要先正火再經(jīng)調(diào)質(zhì)處理(860淬火，600回火)，然后還要在淬火部位的表面用高頻感應(yīng)加熱線圈快速加熱(約800)后，噴水冷卻使之達(dá)到淬火的口的。最后再進(jìn)行低溫回火(約200 )25。法國使用edr鋼作為車軸材料己經(jīng)有十多年的歷史，而在新干線上的車軸材料為uic (歐洲國際鐵路聯(lián)盟)811標(biāo)準(zhǔn)中的an鋼，相當(dāng)于日本的s38c鋼，但不進(jìn)行高頻淬火。不過

42、也在進(jìn)行這方面的試驗(yàn)研究工作。概括起來，世界鐵路車軸用鋼的發(fā)展趨勢是：適當(dāng)提高車軸鋼的含碳量。有人提出將其提高到0. 5%左右。美國等一些北美國家正在試驗(yàn)采用含碳量為0. 45%0. 49%的車軸鋼。高速和重載列車車軸發(fā)展合金鋼。1.3 機(jī)車車軸的制造加工工藝現(xiàn)狀與發(fā)展1.3.1 國內(nèi)機(jī)車車軸生產(chǎn)現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)車軸的生產(chǎn)主要依靠自由鍛和精鍛機(jī)，存在著材料利用率低、生產(chǎn)環(huán)境差、污染重等缺點(diǎn)26。 自由鍛造是對坯料施加局部高速沖擊使之成形，由于工藝原因，軸心容易產(chǎn)生裂紋，成品率較低，鍛件單邊余量一般1015mm，使得后續(xù)加工費(fèi)時，總材料利用率僅為58%65%，鍛造時的噪音大于100db,對生產(chǎn)環(huán)

43、境造成了極大污染。精鍛機(jī)鍛造車軸時采用多錘頭(一般為4錘頭)以310次/min的頻率徑向同步鍛打，鍛造時錘頭同工件接觸時間短，熱量散失小，且一部分變形能轉(zhuǎn)化成了熱能，形成了恒溫鍛造，使鍛件的斷面收縮率顯著提高。精鍛機(jī)鍛造過程中鍛件邊旋轉(zhuǎn)邊做軸向移動，用改變錘頭間距的方式形成軸向階梯。由于精鍛機(jī)鍛造坯料的每次變形量小，多錘頭又改善了鍛件的應(yīng)力狀態(tài)，避免了橫向展寬引起的裂紋，故其具有良好的鍛透性。精鍛機(jī)采用cnc控制，使得鍛件尺寸精度較高，下表是精鍛機(jī)成形rd2軸的效率與外形質(zhì)量指標(biāo)27。表1. 3精鍛機(jī)成形rd2軸的效率與外形質(zhì)量table1.3 forging machine rd2 axle

44、 forming the efficiency and quality of appearance生產(chǎn)率（/min）材料利用率（%）徑向尺寸工差（mm）全長不直度（mm）徑向單邊余量（mm）表面粗糙度（）0.3657335612.52001.3.2 國外機(jī)車車軸制造介紹在國外，一些大的國家均采用自由鍛或精鍛機(jī)鍛造鐵路車軸。前蘇聯(lián)從20世紀(jì)五十年代開始研究仿行螺旋軋制車軸的工藝，己經(jīng)建成一座車軸廠。仿形螺旋軋基本工藝特征是在三個軋輥之間軋制外加軸向張力的軋件，通過仿形板控制軋輥間距的變化，軋出要求的臺階。軋制過程中軋件中部為不變形的剛性區(qū)，軋件受連續(xù)交變應(yīng)力的作用，在軋件半徑一分之一處附近區(qū)域有

45、可能產(chǎn)生疏松。由于仿形螺旋軋件的臺階受軋輥過渡角的影響，使軋件的成形精度不可能很高，而且其產(chǎn)品表面螺旋痕較嚴(yán)重，所以單邊余量較大，造成材料的利用率低，僅為66.7%，生產(chǎn)效率也低于精鍛機(jī)。仿形螺旋軋制由于張力系統(tǒng)和仿形板的使用，必須采用復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，使得設(shè)備龐雜28。1.3.3 機(jī)車車軸制造趨勢 機(jī)車車軸制造工藝各國各企業(yè)不盡相同，但有如下趨勢29。 (1) 發(fā)展精煉工藝，凈化鋼水，以提高材料的純凈度，從而減少車軸的裂紋源。如日本日立公司采用了堿性電弧爐純氧頂吹氧化精煉和去氧精煉工藝，底注法鑄錠。日本住友公司大阪制鋼所采用dh真空脫氣生產(chǎn)高純度鋼錠等措施。 (2) 鍛造方面主要采用徑向鍛造機(jī)

46、和大噸位高速精鍛機(jī)進(jìn)行鍛造，空氣錘和水壓機(jī)鍛造只用于小批量的生產(chǎn)。 (3) 隨著高速重載車軸的發(fā)展，選用淬透性好的中碳低合金鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后還開展表面淬火和滾壓及噴丸強(qiáng)化處理等。實(shí)踐證明，車軸經(jīng)表面淬火處理可以提高疲勞強(qiáng)度極限30%以上，而表面經(jīng)噴丸強(qiáng)化處理可以使疲勞極限提高25%以上。日本的新干線車軸一開始就采用了高頻淬火方法，感應(yīng)加熱頻率為10khz，后來改為3khz。法國正在試驗(yàn)的中頻淬火工藝與日本新干線所采用方法大致相同。另外，日本和法國都在研究高速車輛，且均在研究采用空心車軸。日本經(jīng)大量研究后確定了兩種空心車軸的制造方法：一是用實(shí)心軸經(jīng)過機(jī)械加工成空心車軸，中心孔為同一直徑的直孔；一

47、是軸身部的中心孔大于軸頸部位的孔，其制造方法是把不同孔徑的厚壁管在輪座處對焊而成，再鏜孔方式加工內(nèi)孔。1.4 本文研究的目的和意義車軸是列車車輛行走部位的關(guān)鍵部件，它對于車輛的安全性有著直接的關(guān)系，在整個列車車輛中起著十分重要的作用。其中，車輛車軸主要是起到承載作用，機(jī)車車軸在承載的同時還要起到驅(qū)動和制動的作用。在列車運(yùn)行和停車時，都要經(jīng)受沖擊力和制動力的作用，在高速和重載的狀態(tài)下，受力情況就更為復(fù)雜，其安全性與乘客的人身安全和國民財(cái)產(chǎn)息息相關(guān)，其產(chǎn)量和質(zhì)量直接影響著鐵路生產(chǎn)力的發(fā)展。隨著我國鐵路運(yùn)載任務(wù)的不斷升級，列車車軸的需求量也越來越大，對車軸的質(zhì)量要求也越來越高。因此開展機(jī)車車軸加工工

48、藝研究不僅具有重要理論價值，而且具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文選擇hxd3b型六軸9600kw大功率交流傳動貨運(yùn)電力機(jī)車的車軸開展加工工藝研究。該型號機(jī)車是由大連機(jī)車車輛有限公司自主設(shè)計(jì)研制的中國品牌機(jī)車，是目前世界上單機(jī)功率最大，技術(shù)水平最高，性能指標(biāo)最先進(jìn)的機(jī)車，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)將引領(lǐng)我國機(jī)車技術(shù)發(fā)展。2007年2月，公司與鐵道部簽訂了500臺大功率交流傳動六軸貨運(yùn)電力機(jī)車采購協(xié)議，總金額113億元。該機(jī)車以我為主，自主設(shè)計(jì)，研發(fā)，制造，采購和集成，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，并具有四個特點(diǎn)：一是功率最大，牽引性能更好；二是節(jié)能，環(huán)保優(yōu)質(zhì)品質(zhì)更加突出，機(jī)車再生功率的提高，將有更多的電能反饋回接觸網(wǎng)；三是自

49、動化 程度更高，功能更強(qiáng)，可靠性更好；四是改變機(jī)車傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，除受電弓及支持絕緣子之外，全部高壓設(shè)備由車頂移至車內(nèi)，大大提高了機(jī)車雨霧等天氣的抗污閃能力。該車是鐵道部確定的重點(diǎn)發(fā)展的目標(biāo)產(chǎn)品，也是實(shí)現(xiàn)中國鐵路貨運(yùn)重載運(yùn)輸?shù)闹餍蜋C(jī)車，相信選擇該型機(jī)車車軸進(jìn)行加工工藝研究，對推進(jìn)新型大功率高速機(jī)車的車軸加工工藝水平的提高具有典型和示范作用。 1.5 本文研究的內(nèi)容本文研究內(nèi)容與章節(jié)安排如下：第一章：首先通過查閱文獻(xiàn)資料對國內(nèi)外車軸的發(fā)展?fàn)顩r、車軸用材料、加工方法等進(jìn)行綜述，確定論文的研究思路和研究內(nèi)容。第二章：進(jìn)行車軸承載研究、失效分析以及提高車軸壽命的研究。通過分析車軸的承載形式，受力的作用，進(jìn)而

50、研究車軸的磨損、斷裂的原因，分析影響車軸壽命的因素，并提出提高車軸壽命和安全性的措施。第三章：首先對車軸加工工藝現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行分析；然后研究擬定車軸加工工藝路線；最后確定各工序的加工余量和加工設(shè)備。第四章：進(jìn)行機(jī)車車軸數(shù)控加工分析研究，首先分析確定機(jī)車車軸加工可行的數(shù)控加工工序，然后研究編制數(shù)控加工工序的數(shù)控程序。本章小結(jié)首先通過查閱文獻(xiàn)資料對國內(nèi)外車軸的發(fā)展?fàn)顩r、車軸用材料、加工方法等進(jìn)行綜述，祥述車軸加工研究的意義和目的，確定論文的研究思路和研究內(nèi)容。第二章 機(jī)車車軸的受力及疲勞分析和壽命研究 機(jī)車車軸是支撐車輛的重要部件之一，在機(jī)構(gòu)上不可能設(shè)計(jì)的一點(diǎn)差錯也沒有，所以為了保證安全性，必須在

51、設(shè)計(jì)、制造和維修的各個階段做出更大的努力。車軸使用期限一般都在10年以上，對其強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)著眼于確保耐疲勞性能，特別是車軸上的輪座和軸承等靜配合部位，這樣的部位設(shè)計(jì)時應(yīng)特別重視疲勞強(qiáng)度。2.1車軸承載分析車軸通過軸承承受車體、轉(zhuǎn)向架的載荷，同時鋼軌通過車輪給車軸以反作用力，另外還承受齒輪裝置的驅(qū)動力和制動裝置的作用力。由于這些載荷使得運(yùn)行中的車軸產(chǎn)生回轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。但由于車輛振動和軌道凸凹不平等表面狀態(tài)的影響，所以出現(xiàn)的應(yīng)力波形和振幅變化復(fù)雜，如圖2.130所示?？傮w來說，影響車軸載荷的因素是多種多樣的，但總的來說可以分為垂直載荷和橫向載荷，具體影響因素如表2.131所示。圖2.1車軸承

52、載示意圖fig.2.1 axle load schematic表2.1影響車軸載荷的因素table2.1 axle load factor of influence車軸載荷垂直載荷軌道條件不平整：維修、使用年數(shù)等構(gòu)造：混凝土板、碎石、彈簧剛度、軌縫等車輛條件輪重(車輛質(zhì)量)、簧下質(zhì)量轉(zhuǎn)向架構(gòu)造(彈簧高度等)車輪狀態(tài)(踏面擦傷等)運(yùn)行條件速度橫向載荷軌道條件軌道不平：維修、使用年數(shù)等軌道構(gòu)造:：混凝土板、碎石、鐵軌剛度等線路形狀：曲線半徑、外軌超高等車輛條件輪重轉(zhuǎn)向架構(gòu)造：軸箱定位剛度、轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)剛度等對未被平衡力離心力的反應(yīng)等：重心位置等運(yùn)行條件速度2.2 車軸受力分析動車軸、機(jī)車軸是一種既傳

53、遞動力而又起支撐作用的心軸，而車輛軸是一種不傳遞動力而只起支撐作用的心軸，主要承受彎曲或彎曲疲勞負(fù)荷。高速動力車運(yùn)行時，車軸載荷主要包括：動力車上部結(jié)構(gòu)通過一系列減震懸掛系統(tǒng)傳遞到軸箱上的垂向載荷和橫向載荷；輪軌接觸點(diǎn)作用于車輪上的垂向載荷、橫向載荷和縱向載荷；軸箱拉桿作用于車軸上的縱向載荷；驅(qū)動系統(tǒng)或制動系統(tǒng)作用于車軸上的載荷以及驅(qū)動齒輪和制動盤質(zhì)量載荷等?？偟膩碚f，可分為以下3類：簧上質(zhì)量載荷、驅(qū)動載荷、制動載荷32。2.2.1簧上質(zhì)量載荷簧上質(zhì)量載荷指一系列簧上質(zhì)量振動產(chǎn)生的垂向載荷和橫向載荷及安裝在車軸上驅(qū)動制動單元集中質(zhì)量振動引起的垂向載荷。車軸在簧上質(zhì)量載荷作用下，其受力分析如圖2.2所示。圖中p1, p2和h分別為一系簧上質(zhì)量振動產(chǎn)生的作用于軸頸的垂向載荷