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車軸是高速機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵承載部件，其強(qiáng)度決定著高速列車的運(yùn)行安全我國鐵道機(jī)車車輛車軸強(qiáng)度的計(jì)算方法主要有：有限元分析法和鐵標(biāo)TB/T 2395機(jī)車車軸設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算方法。近幾年，主要采用有限元法，計(jì)算結(jié)果可靠，但分析周期較長計(jì)算成本較高，須配備先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)備和有限元軟件，鐵標(biāo)TB/T 2395給出的計(jì)算方法僅適用于運(yùn)行速度小于120 km/h的機(jī)車車軸強(qiáng)度計(jì)算，對高速動(dòng)力車車軸是否適用還有待于進(jìn)一步研究，本文以我國270 km/h對空心軸式高速動(dòng)力車轉(zhuǎn)向架車軸為例，提出確定高速動(dòng)力車車軸危險(xiǎn)斷面應(yīng)力的工程計(jì)算方法。
高速動(dòng)力車運(yùn)行時(shí)，車軸載荷主要包括：動(dòng)力車上部結(jié)構(gòu)通過一系懸掛系統(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(dòng)系統(tǒng)或制動(dòng)系統(tǒng)作用于車軸上的載荷；驅(qū)動(dòng)齒輪和制動(dòng)盤質(zhì)量載藏可分為以下3類：(1)簧上質(zhì)量載荷；(2)驅(qū)動(dòng)載荷；( 3)制動(dòng)載荷。
車軸在簧上質(zhì)量載荷作用下，其受力狀態(tài)如圖，所示圖中為一系簧上質(zhì)量運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用于軸箱上的垂向載荷和橫向載荷；分別為輪軌接觸點(diǎn)作用于車輪上的垂向載荷和橫向載荷；F為安裝在車軸上的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集中質(zhì)量和制動(dòng)系統(tǒng)集中質(zhì)量產(chǎn)生的作用于車軸的垂向荷載。
車軸承擔(dān)的驅(qū)動(dòng)載荷為驅(qū)動(dòng)扭矩MG，通過內(nèi)外空心軸傳動(dòng)系統(tǒng)作用于車軸上，作用位置在一側(cè)車輪輪輻上。
車軸的應(yīng)力集中出現(xiàn)在車軸的注油壓裝部位滾動(dòng)軸承安裝部位和滾動(dòng)軸承定位部位在鐵標(biāo)TB/T 2395中，計(jì)算斷面應(yīng)力集中系數(shù)的確定從圖中查取，取值誤差較大在國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC5153/1994《鐵道機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架車軸計(jì)算方法》和歐洲鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)EN13041/13042-199(鐵道轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)車軸設(shè)計(jì)和計(jì)算方法)，車軸結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)分為兩類，輪軸壓裝部位和滾動(dòng)軸承安裝及定位部位材料機(jī)械性能對結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)的影響，在確定材料許用應(yīng)力的安全系數(shù)時(shí)由公式進(jìn)行修正。
在鐵標(biāo)TB/T 2395中，僅給出車軸材料JZ鋼和50鋼的疲勞極限，對于采用新型車軸材料的許用應(yīng)力的選取和確定方法沒有明確規(guī)定，給采用新型材料的車軸設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算帶來困難在UIC515和EN 13041/13042標(biāo)準(zhǔn)中，對于不同用途的車軸，安全系數(shù)取值不同，且車軸不同區(qū)域的許用應(yīng)力取值不同。給出用C35e鋼制造的實(shí)心和空心車軸的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力和安全系數(shù)。對用其它材料制造的車軸，安全系數(shù)以材料C35e鋼的安全系數(shù)為基礎(chǔ)。
以速度為270 km/h輪對空心軸式高速動(dòng)力車為例，用本文計(jì)算方法分析車軸危險(xiǎn)斷面的應(yīng)力狀態(tài)。
目前，我國關(guān)于高速鐵道機(jī)車車輛車軸強(qiáng)度計(jì)算載荷工況沒有明確規(guī)定，為此，根據(jù)UIC515EN 13041/13042和德國聯(lián)邦鐵路標(biāo)準(zhǔn)BN 421022-199(驅(qū)動(dòng)輪對車軸計(jì)算)的規(guī)定確定高速動(dòng)力車轉(zhuǎn)向架車軸強(qiáng)度計(jì)算的載荷工況分別為：(1)曲線制動(dòng)工況；(2)啟動(dòng)工況；(3)緊急制動(dòng)工況。
在給出的計(jì)算載荷值下，文中方法和有限元法得出的車軸應(yīng)力分布趨于一致車軸最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪軸壓裝區(qū)斷面3，計(jì)算結(jié)果表明，文中方法和有限元法計(jì)算結(jié)果的相對誤差小。如果該車軸用材料制造，最大應(yīng)力斷面3的車軸區(qū)域安全系數(shù)S=14，在上述載荷工況下，車軸的最大應(yīng)力小于其許用應(yīng)力167N/mm2，其它斷面的應(yīng)力值均小于相應(yīng)區(qū)域的許用應(yīng)力。
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