【TB铁路运输标准】 铁道车辆非动力车轴设计方法

ICS45.060
中华人民共和国铁道行业标准
TB/T2705—2010
代替TB/T2705—1996
铁道车辆非动力车轴设计方法
Design method for non-powered axles of rolling stock2010-12-02发布
2011-06-01实施
中华人民共和国铁道部发布
规范性引用文件
符号和定义
需要考虑的力和力矩
车轴各部分几何特性的确定
许用应力
附录A（资料性附录）
附录B（资料性附录）
附录C(资料性附录）
附录D（规范性附录）
参考文献
车轴计算清单模式
摆式车辆载荷系数计算过程
设计窄轨（米轨或接近米轨）轮对考虑的力值确定新材料全尺寸疲劳极限的方法TB/T2705—2010
TB/T2705—2010
本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。言
本标准代替TB/T2705-1996《车辆车轴设计与强度计算方法》。本标准与TB/T-2705—1996相比主要技术变化如下：TB/T2705—1996中车轴强度计算主要参考JISE4501—1976以及-些经验数据。本标准与EN13103:2009《铁路应用一轮对和转向架一非动力车轴一设计方法》（英文版）的一致性程度为等同。
本标准由青岛四方车辆研究所有限公司提出并归口。本标准起草单位：青岛四方车辆研究所有限公司、中国铁道科学研究院机车车辆研究所、南车青岛四方机车车辆股份有限公司、长春轨道客车股份有限公司。本标准主要起草人：刘新明、周莉、刁克军、陈厚娣、周平宇、李国栋。本标准所代替标准的历次版本发布情况为：TB/T2705—1996。
铁路车轴是最易发生疲劳问题的列车部件之一言
TB/T2705—2010
解决疲劳问题的专业方法已在多年前开发用于铁路车轴设计，这些方法以车轴运行情况反馈为基础，结合实验室车轴故障检验和疲劳试验，优化车轴设计并发挥了材料特性。20世纪70年代初期，欧洲工作组在UIC（国际铁路联盟）的支持下开始对这些方法实行标准化，这使ORE（国际铁路联盟研究实验室）文件适用于货运拖车车轴，并合并到（法国、德国、意大利）国家标准，最终转化为国际铁路联盟规程。参考文献列出了参考使用的相关文件。其中讲述的方法主要基于常规载荷，在应力计算上使用了梁理论。形式和应力推荐规范是由实验室试验得出的，是经多年在各种铁路系统上操作验证得出的结果。
本标准主要基于经过改进且范围扩大的方法。注：以上为EN13103：2009引言翻译。考虑到国内车轴材质现状、车轴防护不利、车辆利用率高、使用环境恶劣等因素，当采用本标准时应根据经验确定安全裕量（许用应力/计算应力）。I
本标准规定了：
铁道车辆非动力车轴设计方法
设计应考虑到的基于重量和制动工况的力和力矩：a）
外轴颈车轴应力计算方法；
对EN13261:2009定义的EA1N钢，在计算中采用的许用应力；c）
对于其他钢种，怎样获得许用应力；d)
确定车轴各截面的直径，为确保使用性能首选的形状和过渡型式。本标准适用于：
铁路客、货车用实心和空心车轴；EN13261:2009规定的车轴；
各种轨距\。
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本标准适用于正常条件下运行的铁道车辆上安装的车轴的设计。使用本标准前，如果对铁路运营条件是否正常有疑问，应确定是否需要给最大允许应力添加补充设计因数。对于特种用途（例如夯实/村砌/平整设备）的轮轴计算，只有当独立运行和在列车编组内运行时车轴的受力工况才可根据本标准进行。本标准不适用于工作负荷的情况，它们需要单独计算。对于轻轨和有轨电车，需采用经客户和供货商协商同意的其他标准或文件。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单)适用于本文件。EN13260：2009铁路应用一轮对和转向架一轮对一产品要求EN13261:20094
铁路应用一轮对和转向架一车轴一产品要求3符号和定义
本标准采用的符号和定义见表1。表1符号和定义
1)对非标准轨距，一些公式需要修改。说
每轮对轴颈上的重量（包括轴承和轴箱的重量）轮对重量和车轮两滚动圆之间在轮对上的重量（制动盘等）轮对作用于钢轨上的重量
重力加速度
每轮对施加在钢轨上的垂向力之半（\，+m，）2
当载荷对称时每轴颈上的垂向静载荷61
TB/T2705-2010
M\，M'
表1(续）
增载侧轴颈上的垂向力
减载侧轴颈上的垂向力
机械制动系统的制动力的一部分增载侧垂直于钢轨的轮轨水平力减载侧垂直于钢轨的轮轨水平力平衡Y，和Y，的力
增载侧车轮垂向反力
减载侧车轮垂向反力
安装在两车轮之间的簧下元件（制动盘等）的重量施加的力一个车轮同一闸瓦托上闸瓦或一个制动盘闸片界面上的最大压力运行中重量引起的弯矩
制动引起的弯矩
制动引起的扭矩
弯矩之和
扭矩之和
合成力矩
两轴颈上垂向力作用点间距
两车轮滚动圆间距
轮对承载重量的重心到车轴中心线的高度力F，到一个车轮滚动圆间的距离从力P，的作用截面到任一计算截面的距离车轮与闸瓦间或制动盘与闻片间平均摩擦系数一个截面的计算应力
疲劳应力集中系数
车轮滚动圆名义半径
制动圆半径
车轴某截面的直径
空心轴内孔直径
用于确定K值的直径
用于确定K值的过渡圆弧或沟槽半径安全系数
光滑试件旋转弯曲1×10″次的疲劳极限缺口试件旋转弯曲1×10次的疲劳极限未平衡横向加速度
侧向系数
车轴设计的主要阶段如下：
a）确定要考虑的力，计算车轴各截面的力矩；选定车轴轴身和轴颈的直径，在这些直径的基础上计算其他截面的直径；b)
以下列方式验证选定的结果：
-对每个截面计算应力；
计算应力与许用应力比较。
许用应力主要由下列因素确定：钢种；
一车轴是实心还是空心。
数据计算表格示例参见附录A。
需要考虑的力和力矩
力的类型
应考虑两种类型的力：
a）运动中的重量引起的力；
b）制动力。
5.2运动中重量的作用
运动中重量产生的力穿过轴中心线集中作用在垂向对称面（y，z)（见图1)上。图
TB/T2705—2010
除非用户另有规定，对主要铁路应用应考虑的重量（ml+mz）的规定见表2。对特殊应用，例如市郊车，应根据特殊使用要求另行规定重量。表2
车辆类型
客车包括旅客坐席铺位，行李区或邮件干线车辆”
对主要铁路应用应考虑的重量
重量（m，+mz）
运用中允许的最大载重下的货车重量分摊到计算车轴的部分整备重量+1.2×有效载重：
“整备重量”的定义为：无乘客车辆重量，箱装满水、砂、燃料等；“有效载重”的定义为：每位乘客重量包括随身行李约80kg：一每坐席1个乘客；
走廊和通过台每平方米2个乘客；每个乘务员室2名人员；
行李车厢每平方米按300kg计
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车辆类型
市郊车4.6
表2(续）
重量（m+mz）
整备重量+1.2×有效载重：
“整备重量”的定义为：无乘客车辆重量，箱装满水、砂、燃料等；“有效载重”的定义为：每位乘客重量包括小行李或无行李重约70kg：每坐席1个乘客：
—走廊区每平方米3个乘客：
通过台区域每平方米4个或5个乘客；行李车厢每平方米按300kg计
“广泛参照UIC成员正常运用的干线和市郊车状态确定计算用有效载荷。如果运用条件与上述显著不同，重量应修改，例如增加或减少走廊和通过台每平方米乘客数目。“市郊车有时与旅客列车的等级有关。按照图2中的力P,P2.Q.，Q，Y，Y,和F，计算任一截面的弯矩M,。它代表了车轴最不利的状态，例如：
a）力的不对称分布；
簧下零件重量引起的力F，的方向选定为由其产生的弯矩与垂向力引起的弯矩相加；b)
每个簧下重量增加的力F，为重量乘1g。G：重心
表3给出了由m，计算出的力值。公式的系数适用于标准轨距车轴和通用的悬挂系统。对差别比较大的轨距（如米轨或新的悬挂系统如摆式系统），应考虑其他的系数值（参见附录B和附录C）。表3由m，计算出的力值
非导向轴”
导向轴“
P,=(0.625+0.075h,/b)mlg
Pz= (0.625-0.075h,/b)mlg
Y,=0.30mg
Yz=0.15mlg
H=Y,-Y,=0.15mag
P,=(0.625+0.0875h,/b)mg
P,=(0.625-0.0875h,/b)mg
Y,=0.175mlgbzxz.net
H=Y,-Y,=0.175mg
全部车轴
表3（续）
[P,(b+s)-P,(b-s)+(Y,-Y,)R-EiF(2s-y,)]25
Q2=[P(6+s)-P,(6-s)-(Y,-Y,)R-ZiFy)TB/T2705—2010
导向轴是指用于可逆运行列车头部车辆的第一个（导向）转向架的车轴。如果车轴可用于两种位置（导向或非导向)则按导向轴考虑。
表4给出了车轴每个区域计算M，的公式和沿轴变化的弯矩图。表4各区域计算M，的公式与沿轴变化的弯矩图车轴区域
载荷面与滚动圆之间
两滚动圆之间
弯矩图
M,=Piy
M,=P,y-Q,(y-b+s)+Y,R-Z.F.(y-b+s-y)P
F：位于计算断面左侧的力
“对非对称轴应在两轴颈交替加载确定最不利情况后进行计算。5.3制动作用
制动产生的横截面力矩可用3个分量（M\，、M，、M,)表示（见图3）：弯矩M，由平行于Z轴的垂直力引起；a）
弯矩M\，由平行于X轴的水平力引起；扭矩M，指向车轴中心线（Y轴），由施加在车轮的切向力引起。5
TB/T2705—2010
每种制动方式的M、M\，、M\见表5。M
如果几种制动方式同时作用，则应将相应每种制动方式的值相加。注：如果使用其他制动方式，根据表5相同的原则能够得到计算用力和力矩，应特别注意分量M\，的计算，它直接与代表车轴运动重量引起的M，相加。曲线通过和车轮几何形状的影响5.4
对于非制动轮对，扭矩M\，=0.2PR，考虑了可能存在的轮径差和通过曲线的影响。对于制动轮对，这些影响包含在制动作用中。5.5合成力矩的计算
每一截面用合成力矩MR计算最大应力（见下面的注）MR=MX+MY+MZ
其中MX，MY和MZ为运行中车轴负荷和制动引起的各分量之和：MX-M.+ZM\
MY=EM'
MZ-EM\
注：在直径为d的实心（同样也适用于空心)车轴的外表面的一点，MX，MY和MZ产生：对应于MX和MZ的正应力；
对应于MY的剪切应力。
正应力计算如下（圆截面梁的弯曲）：32MX+MZ
剪应力计算如下（圆截面梁的扭转）：结果可以得到两个主应力，和z：0, =9. + Vo. +4g?
a,-o+40
因为正应力比剪应力的值大的多（10倍～20倍），所以选择最大莫尔圆直径（该场合为α-）来检验d的取值：
VMX+MZ+MY
0=0,-02=0+40--
故，合成力矩规定为：
MR=MX\+MY+MZ
M\、M\、M\,
M\、M'、M\
表5每种制动方式的横截面力矩分量制动类型
双侧踏面闸瓦制动
载荷面与滚动面之间
M\.=0.3F.Fy..b
M=F(0.3+F)y
滚动面之间
M\=0.3F,F(6-s)b
M=F(0.3+F)(6-s)
M\,=0.3P\R\d
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单侧踏面闸瓦制动
载荷面与滚动面之间
M',=F(1+)y
制动类型
两制动盘安装在车轴上
载荷面与滚动面之间
M'=F,ryh
滚动面之间
制动盘之间
M=Fr(b-S+y)
动面之间
M=FF(6-S)
M\=F.(1+r)(b-s)
M',=0.3P\R°d
两制动盘安装在车轮轮毂上
载荷面与滚动面之间
M,=F,ry
滚动面之间
M=F,r(b-$+y.)b
TB/T2705—-2010
M、M\M\,
表5（续）
制动类型
两制动盘安装在车轴上
载荷面与滚动面之间
M'..M'..M'
滚动面之间
M=0.3P'Rd.
一个制动盘安装在车轴上
第一个载荷面与盘
制动盘之间
(b-s)h
M\=0.3P'Rd.
两制动盘安装在车轮轮毂上
载荷面与滚动面之间
M',=FF
制动类型
滚动面之间
M,=Fr(6-s)
M\,=0.3P'Rd,
一个制动盘安装在车轮轮毂上
盘与第二个载荷面
(b+s-y)
(6-s+y)
(26-y）
第一个载荷面与盘
盘与第二个载荷面
F,FY(b+s-y)b
(6-$+y)
-(26-y）
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