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車軸是高速機車車輛轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵承載部件，其強度決定著高速列車的運行安全我國鐵道機車車輛車軸強度的計算方法主要有：有限元分析法和鐵標(biāo)TB/T 2395機車車軸設(shè)計與強度計算方法。近幾年，主要采用有限元法，計算結(jié)果可靠，但分析周期較長計算成本較高，須配備先進的計算機設(shè)備和有限元軟件，鐵標(biāo)TB/T 2395給出的計算方法僅適用于運行速度小于120 km/h的機車車軸強度計算，對高速動力車車軸是否適用還有待于進一步研究，本文以我國270 km/h對空心軸式高速動力車轉(zhuǎn)向架車軸為例，提出確定高速動力車車軸危險斷面應(yīng)力的工程計算方法。
高速動力車運行時，車軸載荷主要包括：動力車上部結(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；驅(qū)動齒輪和制動盤質(zhì)量載藏可分為以下3類：(1)簧上質(zhì)量載荷；(2)驅(qū)動載荷；( 3)制動載荷。
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)量運動產(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)動系統(tǒng)集中質(zhì)量和制動系統(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)動載荷為驅(qū)動扭矩MG，通過內(nèi)外空心軸傳動系統(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軸承安裝部位和滾動軸承定位部位在鐵標(biāo)TB/T 2395中，計算斷面應(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《鐵道機車車輛轉(zhuǎn)向架車軸計算方法》和歐洲鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)EN13041/13042-199(鐵道轉(zhuǎn)向架驅(qū)動車軸設(shè)計和計算方法)，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軸承安裝及定位部位材料機械性能對結(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)時由公式進行修正。
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)計和強度計算帶來困難在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鋼制造的實心和空心車軸的設(shè)計許用應(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力車為例，用本文計算方法分析車軸危險斷面的應(yīng)力狀態(tài)。
目前，我國關(guān)于高速鐵道機車車輛車軸強度計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)動輪對車軸計算)的規(guī)定確定高速動力車轉(zhuǎn)向架車軸強度計算的載荷工況分別為：(1)曲線制動工況；(2)啟動工況；(3)緊急制動工況。
在給出的計算載荷值下，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，計算結(jié)果表明，文中方法和有限元法計算結(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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