我國鐵路車輛輪軸發展綜述

魏文波，刁克軍，范新光，張世強

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

鐵路車輛輪軸是承擔承載和走行功能的關鍵部件，其技術體系的不斷完善為車輛的安全運行提供了基礎，隨著鐵路的不斷發展，對輪軸技術的研究提出了更高的要求[1]。在我國輪軸發展進程中，根據不同時期的鐵路運輸需求，研制了不同結構型式的車軸、車輪、軸承。隨著技術水平的提高和引進更為先進的制造設備后，我國鐵路車輛輪軸技術逐步走向成熟，部分技術已達到國際領先水平[2-3]。

1 車軸

我國鐵路車輛車軸最初有A型、B型、C型、D型和E型及其他類型，車軸軸身以變截面的仿錘形為主，材質為碳素結構鋼[4]。從20世紀70年代開始，車軸型式增加了RB2型、RC2型、RD2型、RE2型、RC3型、RD3型、RC4型和RD4型等型式，車軸軸身為等截面的平直形，材質為LZ40。GB/T 12814—1991《鐵道車輛用車軸型式與基本尺寸》標準明確規定了鐵道車輛用車軸型式為B型、C型、D型、E型、F型、G型、RB2型、RC2型、RD2型、RE2型、RC3型、RD3型、RC4型、RD4型和RE3型等。20世紀80年代，針對LZ40車軸技術性能的不足，研制了LZ50鋼材質車軸。GB/T 12814—2002《鐵道車輛用車軸型式與基本尺寸》標準規定了鐵道車輛用車軸型式為B型、D型、E型、F型、G型、RB2型、RD2型、RE2型、RE2A型、RC3型、RD3型、RD3A型、RD3B型、RC4型、RD4型和RD4A型等，2003年新造車軸材質LZ50鋼全面替代了LZ40鋼。為適應鐵路貨車重載的發展需要，2011年研制了微合金LZ45CrV車軸鋼，并設計了重載車軸RF2。TB/T 1010—2016《鐵道車輛輪對及軸承型式與基本尺寸》標準規定了鐵道車輛通用車軸型式為RD2型、RE2A型、RE2B型、RF2型、RC3型、RD3型、RD3A型、RD3A1型、RC4型、RD4型和RD4A型等。

車軸命名時，R表示滾動軸承，C、D、E、F表示不同軸頸直徑，下標第1位數字表示客貨車類型，下標第2位字母表示客車制動盤數量，下標第2位數字表示貨車制動盤數量，下標第3位數字表示客車改型，下標第3位字母表示貨車改型。車軸結構一般由軸頸、防塵板座、輪座、制動盤座、軸身等組成。下面按客貨車車軸分類介紹近年來主要車軸型式的發展變革。

1.1 客車車軸發展

1999年，中車青島四方車輛研究所有限公司(以下簡稱中車四方所)對RD3型車軸結構進行了優化，在原基礎上增加了2個軸裝制動盤座，從而形成了RD3A型車軸。同時在RD4型車軸結構上進行了優化而設計了RD4A型車軸，在原基礎上增加了2個軸裝制動盤座，兩車軸制動盤座長度均為180 mm。運行一段時間后發現制動盤座上有產生裂紋的問題，因此將RD3A型和RD4A型車軸制動盤座長度調整為144 mm，設計為突懸的形式，減少了微動磨損，從而有效避免了制動盤座上裂紋的產生。2002年對RD3型車軸結構在原基礎上分別增加了3個和4個軸裝制動盤座后變成了RD3B型和RD3C型車軸，但這2種型式車軸并未推廣使用。2003年將RD3A型車軸的車軸載荷中心距重新設計為2 000 mm，成為RD3A1型車軸，同時將車軸制動盤座長度由144 mm調整為155 mm。

RDAM96型車軸為進口軸型，軸頸直徑為130 mm，該軸型已完成國產化；PW-220型車軸由中車南京浦鎮車輛有限公司設計，軸頸直徑為150 mm；RFQ型車軸由中車青島四方機車車輛股份有限公司設計，軸頸直徑為160 mm。以上3種型式車軸命名均不符合標準命名規則。

1.2 貨車車軸發展

1998年中車四方所對RE2型車軸進行了優化，設計了RE2A型車軸。輪座直徑由206 mm調整為210 mm，車軸載荷中心距由1 956 mm調整為1 981 mm，車軸載荷中心到防塵板座邊緣的長度由135 mm調整為125 mm，提高了車軸輪座和軸頸的疲勞強度，同時降低了對轉向架的設計要求。2005年對RD2型車軸軸頸根部卸荷槽結構進行了設計優化，由原來的A型、B型、C型3種方案優化為B型、D型2種方案。針對有卸荷槽的D型方案，將車軸軸頸根部的圓弧半徑由20 mm調整為25 mm，并且要求在同一設備車削加工后進行滾壓，有效降低了由于軸頸卸荷槽問題導致的冷切事故。同年對RE2A型車軸結構進行了優化，設計了RE2B型車軸。將車軸載荷中心到防塵板座邊緣的長度由125 mm調整為110 mm，提高了車軸軸頸的疲勞強度，延長了車軸壽命。

2014年和2015年中車四方所分別設計了RF2型車軸和RD22型車軸。RF2型車軸輪座兩側與車輪采用突懸式設計，車軸載荷中心到防塵板座邊緣的長度為115 mm，有效提高了車軸軸頸和輪座的疲勞強度，滿足鐵路貨車重載要求。而RD22型車軸是在RD2型車軸的基礎上做了優化，優化了軸身與輪座的過渡方式，采用R75 mm和R15 mm雙圓弧過渡方式，車軸載荷中心到防塵板座邊緣的長度由125 mm調整為101 mm，減輕了與軸承的微動磨損，提高了車軸軸頸和輪座的疲勞強度，滿足軌道交通貨運快速化的要求。

2 車輪

我國鐵路車輛車輪最初使用的是普通鑄鋼和鑄鐵車輪，由于其性能難以滿足鐵路車輛發展的需求。20世紀60年代初我國開始了輾鋼車輪的研制，1964年第1個熱軋輾鋼整體車輪研制成功，從此逐步替代了普通鑄鋼和鑄鐵車輪。GB/T 8601—1988《鐵路用輾鋼整體車輪》標準規定了軸重不大于23 t的鐵道車輛輾鋼車輪的型式，材質為CL60和CL45MnSiV。由于車輪的大批量裝車運用出現了很多問題，因此對車輪生產提出了更高的技術要求，并制定了TB/T 2708—1996《鐵路快速客車輾鋼整體車輪技術條件》標準和TB/T 2817—1997《鐵道車輛用輾鋼整體車輪技術條件》標準，車輪材質僅限為CL60。20世紀90年代初重啟了鑄鋼車輪的研制，1998年我國現代意義上第1個鑄鋼貨車車輪研制成功，材質為ZL-B，從此我國鐵路車輛車輪進入了鑄鋼車輪和輾鋼車輪并行的模式。20世紀以來，隨著貨車載重的提高，車輪磨耗嚴重問題逐漸顯露。為此，研制了高強度和高硬度的CL65、CL65K、CL70和ZL-C車輪新材質，并逐步推廣運用。

車輪命名中，B、C、D、E分別表示適用于不同車軸的車輪，后來規定車輪名稱中的第1位H表示貨車，K表示客車，KK表示客車快速，第2位C、D、E、F表示不同軸頸直徑，第3位S表示S形輻板，Z表示鑄造方式，第4位字母表示車輪改型。車輪結構一般由輪輞、輪轂、輻板、輪緣、踏面等部分組成。我國鐵路車輛車輪輻板形狀有4種，分別是直輻板、S形輻板、波浪形輻板、盆形輻板。鐵路車輛車輪踏面外形為LM型踏面。下面按客貨車車輪分類介紹近年來主要車輪型式的發展變革。

2.1 客車車輪發展

1964—1997年主要應用車輪的輻板形狀為斜輻板，輻板上有2個直徑為45 mm的工藝孔，1999年停止采購。20世紀90年代中車四方所研制了S形輻板車輪，裝車運用考核情況較好，1997年原鐵道部車輛局正式批復了KKD型、KDS型車輪，兩車輪基本尺寸相同，公差和技術條件不同，直徑均為915 mm，輪輞厚度為65 mm。KKD型車輪一直沿用至今，但KDS型車輪并未推廣使用。

2.2 貨車車輪發展

同客車一樣，1964—1997年主要應用車輪輻板形狀為斜輻板。1997年由中車四方所進行設計，原鐵道部車輛局正式批復了HDS型、HBS型車輪，輻板形狀為S型，直徑均為915 mm，輪輞厚度為65 mm。但HBS型車輪并未推廣使用。2001年中車四方所設計了HDSA型、HES型、HESA型3種輾鋼車輪，直徑均為840 mm，但車輪輪輞厚度有差異，分別為50 mm、65 mm和50 mm。HES型車輪并未推廣使用。

1998年，大同愛碧璽鑄造有限公司設計了我國現代第1個盆形輻板鑄鋼貨車車輪HDZ型車輪，并開始裝車運用，該車輪采用美國ABC石墨模鑄造技術，降低了熱應力，相比最初的鑄鋼車輪，性能大幅提升。該公司還設計了HDZA型、HDZB型、HDZC型、HEZB型車輪，車輪輻板形狀均為盆形，有效地減輕了貨車車輪自重。運行以后發現輪輞厚度磨耗即將到限時，車輪輻板和車輛底部限界會形成干涉。2006年該公司又設計了HDZD型和HEZD型車輪，徹底解決了車輪輻板和車輛底部限界干涉的問題，而HDZC型和HEZB型車輪停止生產。

2015年，中車四方所牽頭研制了HFS型輾鋼和HFZ型鑄鋼車輪，2種型式車輪的直徑和輪輞厚度相同，HFS型車輪輻板形狀為S形，而HFZ型車輪輻板形狀為盆形，其材質分別為CL70和ZL-C，滿足了鐵路貨車重載要求。同年中車四方所還設計了HDSC型車輪，車輪輻板形狀為S形，車輪直徑為915 mm，輪輞厚度為50 mm，LM型踏面，材質為CL60或CL65，滿足了軌道交通貨運快速化的要求。

AM96型和PW-220型車輪為進口輪型，車輪輻板形狀為S形，AM96型車輪直徑為915 mm，PW-220型車輪直徑為920 mm，目前這2種型式車輪已國產化。中車青島四方機車車輛股份有限公司設計了KKDQ型車輪，車輪輻板形狀為波浪型，車輪直徑為915 mm。以上3種型式車輪命名均不符合標準命名規則。

3 軸承

我國鐵路貨車最初裝用的是滑動軸承，由于其性能難以滿足鐵路貨車發展的需要,從1965年開始了滾動軸承的研究工作，第1批滾動軸承97826型和97726型雙列圓錐滾子軸承正式裝車考驗。1973年，加快了鐵路貨車的滾動軸承化，從此與客車滾動軸承逐步更新換代發展至今。隨著鐵路車輛軸承型式的多樣化，軸承鋼的型號、保持架的類型、潤滑脂的種類和密封的形式也都存在差異。從YB/T 9—1968《鉻軸承鋼技術條件》標準規定了軸承鋼材料為GCr6、GCr9、GCr15、GCr9SiMn和GCr15SiMn，到TB/T 3010—2001《鐵道車輛滾動軸承高碳鉻軸承鋼訂貨技術條件》標準規定的軸承鋼材料為GCr18Mo和GCr15，再到TB/T 2235—2016《鐵道車輛滾動軸承》標準規定的軸承鋼材料為GCr18Mo、GCr15和G20CrNi2MoA。此外，保持架由鋼板沖壓成型、鋼鉚接、青銅整體拉孔發展到如今的工程塑料保持架，潤滑脂由70年代末的鐵道車輛滾動軸承Ⅰ型潤滑脂到后來的鐵道車輛Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型潤滑脂。

從最初的鐵路貨車滑動軸承和鐵路客車滾動軸承多樣化，發展到貨車350000型和客車NJ(P)3226X1型滾動軸承，滾動軸承有了統一的命名規則。其中35和NJ(P)表示軸承類型，第三四位數字表示尺寸系列代號，第五六位數字表示內徑代號，最后一位字母和數字表示外徑或寬度非標準代號，A、B和-2RZ表示結構改變或非接觸式橡膠油封型式。滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體、保持架、潤滑脂和密封等組成。下面按客貨車分類介紹近年來滾動軸承的發展變革。

3.1 客車滾動軸承發展

我國鐵路客車軸承最初使用的是內徑為120 mm的42724T型、152724T型軸承或內徑為130 mm的42726T型、152726T型軸承。軸承鋼的材料均為GCr15SiMn，保持架的類型為鋼鉚接保持架，這4種型式軸承均為單列向心短圓柱滾子軸承。

1988年中車四方所設計了42724QT型和152724QT型、42726QT型和152726QT型軸承，軸承的外形尺寸與42724T型和152724T型軸承、42726T型和152726T型軸承相同，但內部結構不同，軸承鋼的材料均采用真空脫氣GCr15軸承鋼替代GCr15SiMn，馬氏體淬火，保持架采用青銅整體拉孔保持架替代鋼鉚接保持架。1999年中車四方所對42724QT型和152724QT型、42726QT型和152726QT型軸承進行了優化，設計了NJ(P)3226X1型軸承，內徑為130 mm，進一步優化了軸承內部結構。軸承鋼的冶煉方式均為電渣重熔，套圈材料用GCr18Mo軸承鋼代替GCr15，貝氏體淬火，軸承滾子材料仍然采用GCr15軸承鋼，馬氏體淬火，保持架采用青銅整體拉孔保持架。2005年該軸承開始用工程塑料保持架，2010年以后工程塑料保持架替代了青銅整體拉孔保持架。

1998年進口了斯凱孚集團的BC1B322880(1)型和BC1B322880(1)AB型軸承，保持架分別采用黃銅整體拉孔保持架和工程塑料保持架。后續又進口了BC2-0098型、BT2-8690D型、TBU1639435型和TBU1639605E型軸承。同年進口了日本精工株式會社的4(15)2726T型軸承，保持架采用黃銅整體拉孔保持架，2004年以后采用工程塑料保持架替代黃銅整體拉孔保持架。1999年進口了舍弗勒集團的804468-(9)型軸承，外組件不可分離，保持架采用工程塑料保持架。2001年進口了804468(9)A型和804468(9)B型軸承，外組件可分離，保持架采用工程塑料保持架。2014年進口了F-804468(9).02.ZL型軸承。

3.2 貨車滾動軸承發展

我國鐵路貨車滾動軸承化的初期，軸承主要依賴于進口，直到1978年原鐵道部引進了采用日本技術生產的197726型軸承，開始了第1批滾動軸承的裝車運用，此軸承套圈材料為滲碳軸承鋼，滾子材料為高碳鉻軸承鋼，保持架為鋼板沖壓保持架。1986年隨著鐵路貨車滾動軸承化的加速進行，滾動軸承正式大規模推廣運用。

為滿足我國鐵路貨車日益發展的運用需求，北京南口斯凱孚鐵路軸承有限公司對197726型軸承依次做了3次優化，并命名為SKF197726型。1999年中車四方所設計了352226X2-2RZ型軸承，軸承內圈大擋邊采用斜擋邊，內圈滾道采取凸度設計，滾子素線采用對數曲線設計，保持架采用鋼板沖壓保持架，密封結構采用HRN(W)-D型迷宮式密封。2001年該軸承全面替代了197726型軸承。2004年開始，該軸承開始使用工程塑料保持架，解決了鋼板沖壓保持架破損和單向旋轉的問題，2006年開始全面推廣使用。

25 t軸重軸承是1998年原鐵道部引進的斯凱孚集團的TBU150型軸承，保持架采用工程塑料保持架，密封形式為接觸式密封，2004年因生產問題，TBU150型軸承變更為SKF353130-2RS型軸承。同年引進了美國鐵姆肯軸承公司的AP150型軸承，保持架采用鋼板沖壓保持架，密封形式為HDL型迷宮式低轉矩密封。2003年引進了舍弗勒集團的TAROL150型軸承，保持架采用工程塑料保持架，密封形式為接觸式密封。同年，中車四方所設計了353130X2-2RZ型軸承，內圈大擋邊采用斜擋邊，內圈滾道采取凸度設計，滾子素線采用對數曲線設計，保持架采用鋼板沖壓保持架，密封形式為HRN(W)-E型迷宮式密封。2004年鋼板沖壓保持架全部更換為工程塑料保持架。2005年對353130X2-2RZ型軸承做了優化，設計了353130A型軸承，軸承基本結構不變，采用混合迷宮密封裝置替代了密封座和內油封，降低了車軸軸頸根部應力，提高了車軸使用可靠性。2006年原鐵道部引進了斯凱孚集團的353130B型軸承，替代了353130A型軸承，保持架采用工程塑料保持架，密封形式為迷宮唇式密封，軸承內圈與后擋設置塑鋼隔圈，滿足了在高技術平臺上制定新一代軸承標準的要求。

2013年30 t軸重軸承主要是中車四方所、瓦房店軸承股份有限公司、美國鐵姆肯軸承公司和斯凱孚集團分別設計的353132A型、353132B型、AP-2型和BT2-8731型軸承，軸承內徑均為160 mm，保持架采用工程塑料保持架，滿足了鐵路貨車重載的要求。2015年為了滿足了軌道交通貨運快速化的要求，中車四方所設計了352226A型軸承，內圈滾道采取凸度設計，滾子素線采用對數曲線設計，保持架采用工程塑料保持架，密封形式為迷宮式密封，改善了套圈和滾子接觸的應力分布，提高了軸承承載能力。

4 結論與展望

本文回顧了我國鐵路車輛輪軸的發展，分別從型式、材料和結構等方面詳細闡述了車軸、車輪和軸承的發展動態，隨著我國高速鐵路建設的穩步推進和相關研究的深入，必將給輪軸技術的發展提出新的要求，也帶來了新的機遇和挑戰，輪軸未來可以從以下幾個方面進行研究：

(1) 可靠性研究。以輪軸疲勞壽命為重點，進行高速、重載條件下的可靠性研究[5]。

(2) 輪軌關系研究。從輪軌幾何關系出發，結合蠕滑、車輛動力學等理論，建立符合我國鐵路車輛的最佳輪軌關系模型[6]。

(3) 新型產品研究。結合當今鐵路車輛高速、重載、輕量化、舒適性等要求，探索如彈性車輪[7]、智能軸承[8-9]、變軌距車軸[10]或復合材料新材質等新型產品的性能。