和諧內(nèi)5型機(jī)車三位軸箱彈簧折斷分析

潘忠銘，王軼峰，杜 強(qiáng)

1.哈爾濱鐵路局安全監(jiān)管辦駐哈爾濱機(jī)務(wù)段驗(yàn)收室，黑龍江 哈爾濱 150001

2.哈爾濱機(jī)務(wù)段，黑龍江 哈爾濱 150001

3.哈爾濱鐵路局安全監(jiān)管辦駐大功率機(jī)車檢修基地驗(yàn)收室，黑龍江 哈爾濱 150001

2009年5月至今哈爾濱機(jī)務(wù)段陸續(xù)配置了300臺和諧內(nèi)5型機(jī)車（以下均簡稱為HXN5型機(jī)車）。該型機(jī)車是由美國GE公司設(shè)計(jì)戚墅堰機(jī)車廠生產(chǎn)的交流傳動機(jī)車，具有功率大、牽引力大、油耗低、排放低、檢修方便等特點(diǎn)。 同時新型號機(jī)車投入運(yùn)用一年來也暴露出了許多設(shè)計(jì)和質(zhì)量上的問題，特別是機(jī)車第三位軸箱彈簧經(jīng)常折斷。給機(jī)車正常安全運(yùn)用帶來了很大的安全隱患。下面就對造成機(jī)車第三位軸箱彈簧經(jīng)常折斷的原因進(jìn)行深入分析和探討，并制定防止斷裂的措施。

1 故障現(xiàn)象

2011年1月份～2月份HXN5型機(jī)車出現(xiàn)了9起軸箱彈簧折斷故障，嚴(yán)重影響了機(jī)車安全運(yùn)用，通過對故障機(jī)車進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)有以下故障共性。

1）多數(shù)斷裂發(fā)生在三位軸箱彈簧；

2）三位輪對輪緣基本不磨耗；

3）三位輪踏面磨耗凹陷嚴(yán)重；

4）三位軸箱橫動量比較小；

5）彈簧折斷部位基本在每一有效圈。

2 彈簧斷裂分析

2.1 彈簧斷口位置及斷面分析

發(fā)生彈簧折斷的位置是機(jī)車1、3、4位軸，其中6起發(fā)生在機(jī)車的三位軸箱上。根據(jù)斷口照片顯示，機(jī)車軸箱彈簧發(fā)生斷裂的部位均在彈簧上端1-1.5圈位置如圖1所示。

圖1 軸箱彈簧斷口形狀和位置

從圖1可看出軸箱彈簧折斷位置基本相同，裂口形狀大置也相同，說明軸箱折斷由同一原因所致。由斷口可以看到，彈簧斷裂全部發(fā)生在第一有效圓，從斷口形狀分析，斷口下部分為疲勞斷面，可見由交變應(yīng)力作用產(chǎn)生的海灘紋，斷口海灘紋以上區(qū)域快斷粗瓷性斷口。斷口處有一處剪切唇。

2.2 軸箱及軸箱橫動量對彈簧的影響

經(jīng)過對折斷彈簧所在軸位輪對踏面形狀觀察，發(fā)現(xiàn)輪對踏面磨耗極不均勻，主要集中在踏面中間，向內(nèi)凹陷嚴(yán)重。機(jī)車輪對在鋼軌上即要做滾動運(yùn)動，為了使輪對踏面能夠均勻磨耗還要做蛇行運(yùn)動。由于HXN5型新造機(jī)車三位輪對橫動量較小，GE公司規(guī)定為3位輪導(dǎo)框橫向間隙為5 mm （報廢極限9mm）。經(jīng)過對多臺機(jī)車實(shí)測3位輪最小的橫動量僅為1.25mm，最大的橫動量為4mm。這么小的橫動量不能保證機(jī)車輪對在鋼軌上做蛇行運(yùn)動，導(dǎo)致鋼軌只在輪對踏面中間部位磨耗，最終在鋼軌上磨出一條凹陷的深溝。

另一方面，由于HXN5型機(jī)車軸箱固定方式采用導(dǎo)框鋼性定位方式，縱向和橫向量都比較小，軸箱彈簧下部移動被限定在一個很小的范圍內(nèi)。而且2、5位輪的橫動量較大為：為14mm（報廢極限為18mm0）一直沒有出現(xiàn)彈簧折斷現(xiàn)象，所以基本排除縱向和橫向方面剪切的原因及材質(zhì)方面原因。

2.3 輪對踏面形狀對彈簧的影響

由于HXN5型機(jī)車是單端繰縱機(jī)車，3、6位輪始終不參與導(dǎo)向，并且3、6位輪橫動量較小，造成輪對踏面不能在軌面上做蛇形運(yùn)動，輪對踏面在鋼軌上滾動始終局限在一個位置，磨耗時間長了就會在踏面上形成一個鋼軌軌面形狀的深溝并且輪緣加厚。例如，HXN50164機(jī)車三位軸箱彈簧在同一部位折斷三次，之后經(jīng)過對踏面鏇輪恢復(fù)踏面形狀后，軸箱彈簧再沒有發(fā)生折斷。下圖左為該車輪軸箱彈簧折斷后所拍的輪對踏面。這條凹陷的溝反過來又將輪對橫向固定在鋼軌上，在機(jī)車通過曲線時，只能靠僅有的軸箱橫動量和轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)位移通過曲線。如果轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)阻力大就會迫使輪對踏面的外側(cè)、中間、輪緣側(cè)做蛇形運(yùn)動。

圖2 圖左為輪對踏凹陷、中間為輪對踏外側(cè)在鋼軌下狀態(tài)、右為輪對踏面里側(cè)在鋼軌上狀態(tài)

2.4 輪對踏面不圓度及同轉(zhuǎn)向架輪經(jīng)差對軸箱彈簧的影響

由于機(jī)車3位輪踏面凹陷造成輪對踏面橫向不圓度加大，車輪滾動圓不圓度將對軸箱彈簧的垂向造成額外周期性沖擊載荷，當(dāng)周期性沖擊載荷大于彈簧疲勞載荷振幅時，彈簧就有斷裂的危險。另外，由于HXN5型機(jī)車檢修工藝中對輪徑差要求尺寸不嚴(yán)造輪經(jīng)差較大，工藝中規(guī)定同轉(zhuǎn)向架不超過19mm。這么大的輪徑差如果發(fā)生三位輪上，會造成三位輪垂向額外周期性沖擊載荷成倍增加，加速軸箱彈簧斷裂。

3 結(jié)論

由于HXN5型機(jī)車3位輪軸箱橫量小，在正常直線運(yùn)用時，輪對踏面不做蛇行運(yùn)動。就會在輪對踏面正中磨出一個凹陷深溝，另一方面由于同一轉(zhuǎn)向架輪徑差較大。在機(jī)車通過曲線時輪對踏面就會在不同的輪徑上，上下滾動（如圖2中、右所示）。造成對軸箱彈簧的垂向額外周期性沖擊載荷加大，最終導(dǎo)致軸箱彈簧疲勞斷裂。

4 預(yù)防軸箱彈簧斷裂措施

1）定期對機(jī)車踏面形狀進(jìn)行檢測，踏面凹陷比較嚴(yán)重的（超過1.5mm）必須進(jìn)行恢復(fù)原型；

2）嚴(yán)格限定同軸和同一轉(zhuǎn)向架輪徑差（同軸為不超過1mm，同一轉(zhuǎn)向架不超過10mm），在更換輪對時根據(jù)輪徑差大小對軸箱彈簧加墊調(diào)整；

3）可適當(dāng)放大1、3、4、6位輪對軸箱橫動量，保證輪對在鋼軌上做正常蛇形運(yùn)動，使輪對踏面均勻磨耗。

[1]鐵路機(jī)車檢修百科全.

[2]現(xiàn)代鐵路機(jī)車故障診斷檢修手冊.

[3]HXN5型機(jī)車一、二級培訓(xùn)教程.