一种轻型高性能空心车轴及使用方法和制品与流程

本发明涉及一种可用于高铁、汽车等高速运载工具上的车轴，特别涉及一种可降低车轴重量，并带有一定内压力和减振效果的轻型高性能空心车轴及使用方法和制品，属于交通运输配件领域。

背景技术：

近年来，中国高速铁路进入到快速发展阶段，对高速列车的要求也在不断提高。其中，为保证列车运行速度，降低磨擦对能量的损耗，减轻列车重量已成为高速列车发展的必然。

高铁车轮托举和承载着整个高铁的重量，也是运行过程中磨损最严重、受冲击力最大的地方，连接在一对对车轮之间的车轴是车轮正常、安全行驶的关键，车轴抗扭、抗震性能的好坏直接影响着车轮及整个车辆的安全，对高速运行的高铁车辆来说至关重要。

从运动学角度来说，速度越快，重量越大，车轴承受的冲击、扭曲力越大，特别是在紧急制动时，车轴会受到高出正常运行时几倍的惯性力冲击，这种惯性力冲击对车轴有巨大的破坏性。随着高铁速度的提高，高铁车轴所能承受的综合负荷力已达到极限，即使在车轴材料中加一些稀有金属，也只能解决通常情况下的高速行驶，现在试验的高铁车轴速度能达到520公里，而目标时速为600公里，高铁车轴速度设定值是有一定的极限值要求的，超过车轴的极限值，也只有选用磁悬浮列车了。高铁车轴在实际运行中的受载状态同样比较复杂，受外界天气、地域的影响，除承受着自身制动力、重力和车轮反作用力等作用力的作用外，在车轴与各部件的配合部位还存在着大小不一的轴向力、径向力、剪切力、弯矩、扭矩等单独作用力或共同作用力，对车轴都会产生巨大损伤。其中，轮子踏面与轨道接触时产生的震动，对车轴产生的波振会严重损害车轴寿命，车轴损伤极易导致车辆发生事故，而在车轴损伤中有近2/3是由疲劳破坏引起的。

随着车辆运行速度提高，车轴应力循环频率加快，降低车轴重量的前提下，对车轴进行结构及疲劳寿命研究，提高使用性能，就成为本发明想要解决的问题。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种有优良综合机械性能、成本低、重量轻、抗疲劳强度高、使用效果好、适于大批量生产的轻型高性能空心车轴，以满足高速列车车轴、重载列车车轴、轻轨列车车轴、普通列车车轴以及汽车车轴等高速运输工具的使用需要。

在高速运载工具中，由于轮对承载着车辆的全部重量，且在高速运行时受力情况非常复杂，尤其是时速350公里的高铁空心车轴必须具有足够的强度和良好韧性，即具有良好的综合机械性能才能保证运行安全。为保证运行速度，减轻簧下质量，希望空心车轴内孔直径越大越好，但这又会降低车轴强度，影响运行安全。为使降低簧下质量与保证车轴强度相互协调，只有使车轴内力增加才能满足二者的需求，所以最佳选择方式就是使用变径空心车轴，同时，在变径空心车轴的空腔中注入有效的可抗疲劳损伤的防护液，提高变径空心车轴的抗疲劳强度，进而再通过注入压力气体，使变径空心车轴的抗压强度和抗压变形能力提高，全面提升变径空心车轴的整体抗振性、耐冲击性、抗压性等综合机械性能，从而保证运载工具在高速行驶过程中空心车轴使用的安全性和可靠性。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种轻型高性能空心车轴，包括等径或变径的车轴本体，还包括两个堵丝和两个单向阀，车轴本体为贯通的空心车轴，空心车轴的内径为等径或变径结构，空心车轴的两端端口上设有螺纹，两个堵丝分别螺纹连接在空心车轴两端的端口上，堵丝上设有与空心车轴空腔贯通的通气孔，两个单向阀分别连接在两个堵丝的通气孔上，堵丝和单向阀位于空心车轴的端面内侧，空心车轴内还加注有防护液。

所述防护液的注液量小于车轴内径容积的1/5。

所述防护液为低温防护液、中温防护液、高温防护液或合成防护液。

所述空心车轴内还加注有防冻液。

所述防护液和防冻液的整体注液量小于车轴内径容积的1/5。

所述空心车轴内还加注有压力气体，压力气体的公称工作压力为2-20mpa。

所述压力气体为空气、氮气或惰性气体，或者为空气、氮气和惰性气体三者中任意两种或三种的混合体。

一种轻型高性能空心车轴的使用方法，具体步骤包括：

步骤1、将安装在等径或变径空心车轴端面上堵丝中的单向阀取下，利用取下单向阀后堵丝上的通气孔将防护液和/或防冻液注入到空心车轴的空腔中，确保注液量小于空心车轴内径容积的1/5。

步骤2、重新装上单向阀，形成对空心车轴空腔的密封，转动空心车轴，使防护液和/或防冻液均匀涂覆在空心车轴空腔的内壁上，注液后的空心车轴即可使用。如需调整防护液和/或防冻液，取下单向阀就可进行正常防护液和/或防冻液的添加或更换。

步骤3、利用单向阀向空心车轴的空腔中注入压力气体，保持压力气体的工作压力为2-20mpa。

步骤4、将注入压力气体后的空心车轴连接在待安装车辆的车轮之间，注液和注压后的空心车轴即可使用。如需补充或更换压力气体，利用单向阀继续向空心车轴的空腔中注入压力气体，或者操作单向阀将空心车轴内压力气体放出，再注入新的压力气体即可；如需补充或更换防护液和/或防冻液，首先将压力气体放出，然后拆下单向阀，通过堵丝上的通气孔将防护液和/或防冻液补充进空腔中，或者在拆下单向阀后将防护液和/或防冻液倒出，然后再注入新的防护液和/或防冻液，最后装上单向阀，注入压力气体即可。

一种根据上述一种轻型高性能空心车轴制成的运载工具，包括所述轻型高性能空心车轴，空心车轴内注入有防护液和/或防冻液；或者空心车轴内注入有防护液、防冻液和压力气体；或者空心车轴内注入有防护液和压力气体。

本发明所述一种轻型高性能空心车轴及使用方法和制品，通过在变径或等径空心车轴的空腔中注入防护液、防冻液和压力气体，利用防护液在空腔内形成均匀的防护膜，并在后期高速运转过程中形成一定的雾化现象，降低空心车轴的振动强度，破坏空心车轴振动频率，阻尼振波传导，加入防冻液能预防因冬季严寒车轴产生金属淬裂，提高车轴运行安全性，进而增强空心车轴的整体抗疲劳效果，延长空心车轴使用寿命，同时，利用压力气体在空腔内形成均匀内压，弥补了空心化车轴带来的机械性能降低的不足，提高了空心车轴的抗压、抗冲击强度以及抗弯和抗扭能力，在降低车轴重量、提高运行速度的前提下，有效保证了空心车轴的机械性能，再辅助注入氮气或惰性气体的情况下，能全面、充分的保证运行过程压力气体的安全性和可靠性，满足不同环境温度下的使用需要。具有整体结构简单，安装和使用过程方便，综合机械性能优良，成本低，使用效果好的优点，特别适合制作高速列车车轴、重载列车车轴、轻轨列车车轴、普通列车车轴以及汽车车轴等。

附图说明

图1为本发明所述一种轻型高性能空心车轴的结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明所述一种轻型高性能空心车轴做进一步的详细描述：

本发明所述的一种轻型高性能空心车轴，包括变径的车轴本体1、两个堵丝4和两个单向阀5。变径的车轴本体1可以降低车轴重量，车轴本体1内贯通有通孔3，使得贯通的车轴本体1形成了一个带有空腔的空心车轴，为进一步降低空心车轴的重量，同时，确保相应的车轴强度，随着车轴本体1表面变径过程，在车轴本体1内的通孔3上也进行了相应地变径处理。

空心车轴的两端端口上设有螺纹，两个堵丝4分别螺纹连接在空心车轴两端的端口上，堵丝4上设有与空心车轴空腔贯通的通气孔，两个单向阀5分别连接在两个堵丝4的通气孔上，同时，为避免堵丝4和单向阀5对空心车轴使用的影响，堵丝4和单向阀5都位于空心车轴的端面内侧。

为增加空心化后车轴机械化性能的损失，本例中，在空心车轴内还加注有防护液2，防护液2为低温防护液。当然，防护液2还可为中温防护液、高温防护液或合成防护液。其中，环境温度在5℃以下使用低温防护液，环境温度在6-29℃使用中温防护液，环境温度在30-65℃时使用高温防护液，在特定场合下还可使用合成防护液。以油基为例，低温环境下使用低粘度的低温防护液，如油基牌号为：0w、5w、10w、15w、20w、25w；中温环境下使用中等粘度的中温防护液，如油基牌号为：20、30、40；高温环境下使用高粘度的高温防护液，如油基牌号为：40、50。或者在冬、夏季节直接使用通用油，牌号为：5w-20、5w-30、5w-40、5w-50、10w-20、10w-30、10w-40、10w-50、15w-20、15w-30、15w-40、15w-50、20w-20、20w-30、20w-40、20w-50等。防护液2的注液量为车轴内径容积的1/7，防护液2在空心车轴内的空腔内壁上可以形成保护膜，随着空心车轴的高速旋转还可形成部分雾化，破坏空心车轴振动频率，阻尼振波传导，从而提高车轴的抗疲劳强度和抗振性能，消除空心化带来的对车轴性能的影响，延长空心车轴使用寿命。

为进一步提高空心车轴的抗压性和抗冲击性，本例中，在空心车轴内还加注有压力空气6，压力空气6的公称工作压力为5mpa，较大的内压可在内部对空心车轴形成支撑，有效缓解空心车轴在高速运行过程中轮座部位受到的冲击，缓解应力集中对空心车轴的影响，从而提高了空心车轴的结构强度，确保了降低重量后的使用安全。

当然，上述注液过程也可包含防冻液，使得空心车轴在较冷地区使用时，不会因温度原因造成防护液2冻结，形成不了很好的防护膜保护。或者，在注入的压力空气6中也可根据降温需要混入氮气，利用氮气的吸热性能来降低空心车轴整体温度，确保空心车轴内压力的安全。当然，压力气体也可为性能稳定的惰性气体，或者为空气、氮气和惰性气体三者中任意两种或三种的混合体，其搭配方式以实际使用环境、使用温度和使用要求而定。

上述一种轻型高性能空心车轴的使用方法，具体步骤包括：

步骤1、将安装在变径空心车轴端面上堵丝中的单向阀取下，利用取下单向阀后堵丝上的通气孔将防护液注入到空心车轴的空腔中，确保注液量为空心车轴内径容积的1/7。

注入防护液的过程既可以在空心车轴加工完成后进行注入，也可以在用户使用前进行防护液的注入，注入的时间和注入的种类可根据需要而定。

拆下单向阀，堵丝上设置的通气孔形成了连接空心车轴空腔与外界的通道，利用通气孔可以方便地将防护液注入到空心车轴的空腔中，不需要复杂的操作过程，只使用简单工具就可完成拆装和防护液的注入。为在空腔内形成良好、完整的防护膜，本例中，注液量为空心车轴内径容积的1/7。当然，注液量也可为1/6、1/8或1/9等。

步骤2、重新装上单向阀，形成对空心车轴空腔的密封，转动空心车轴，使防护液均匀涂覆在空心车轴空腔的内壁上。

重新装上单向阀后，单向阀、堵丝与车轴本体一起对空心车轴空腔形成密封，确保了空腔对防护液或后期注入压力气体的密封。注入的防护液随着空心车轴的转动会形成一个均匀涂覆在空心车轴内壁上的防护膜，后期随着空心车轴的高速转动，防护液还可产生部分雾化，从而降低车轴的振动强度，破坏车轴振动频率，阻尼振波传导，延长车轴使用寿命，提高空心车轴运行过程的安全性。

当然，注入液体中还可包括防冻液，防冻液能预防寒冬时节空心车轴产生的金属淬裂以及注入的防护液产生冻结，确保防护液使用的安全性和可靠性。

步骤3、利用单向阀向空心车轴的空腔中注入压力空气，保持注入压力空气的工作压力为5mpa。

由于单向阀能对气体形成有效单向阻挡，所以装上单向阀后，可以通过外界空气压缩装置将空气压人到空心车轴的空腔中，从而在空心车轴内形成内压，以提高空心车轴内部的抗压和抗冲击强度，弥补空心化对车轴强度带来的影响。注入的压力空气的工作压力可以在2-20mpa中选择，其主要以空心车轴的使用环境、载重量、运行速度和空心车轴的壁厚等条件而决定。

当然，根据使用环境需要，在注入的压力空气中也可混有氮气，利用氮气对压力空气进行降温处理，确保空腔内压力气体的使用安全性和可靠性；或者在注入的压力空气中混入惰性气体，利用惰性气体提高特殊环境下压力空气的稳定性；或者注入的压力空气中混有氮气和惰性气体等多种气体；再或者直接注入氮气或惰性气体等，其方式可多种多样，多种组合。

步骤4、将注入压力气体后的空心车轴连接在待安装车辆的车轮之间，空心车轴安装完成。

按此方式组装的空心车轴不仅降低了车轴的重量，而且利用防护液和压力气体的联合作用弥补了空心化带来的对车轴机械性能的影响，满足了对车轴高速、轻量化、强度高、性能稳定等的使用要求。

步骤5、当使用过程中，如需补充或更换压力气体时，利用单向阀可继续向空心车轴的空腔中注入压力气体，或者操作单向阀将空心车轴内的压力气体放出后，再通过单向阀向空腔中注入新的压力气体；如需补充或更换防护液时，首先将压力气体放出，然后拆下单向阀，通过堵丝上的通气孔将防护液补充进空腔中，或者在拆下单向阀后将防护液倒出，甚至清洗后，再注入新的防护液，最后再装上单向阀，注入压力气体即可。

一种利用上述轻型高性能空心车轴制成的运载工具，除包括运载工具本身各部分结构外，其连接在车轮之间的车轴为上述轻型高性能空心车轴，空心车轴内注入有防护液和压力气体。制成的运载工具包括但不限于高速列车、重载列车、轻轨列车、普通列车以及重载卡车、汽车等。