和諧內5型機車三位軸箱彈簧折斷分析

潘忠銘，王軼峰，杜 強

1.哈爾濱鐵路局安全監管辦駐哈爾濱機務段驗收室，黑龍江 哈爾濱 150001

2.哈爾濱機務段，黑龍江 哈爾濱 150001

3.哈爾濱鐵路局安全監管辦駐大功率機車檢修基地驗收室，黑龍江 哈爾濱 150001

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

1 故障現象

2011年1月份～2月份HXN5型機車出現了9起軸箱彈簧折斷故障，嚴重影響了機車安全運用，通過對故障機車進行全面檢查，發現有以下故障共性。

1）多數斷裂發生在三位軸箱彈簧；

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

發生彈簧折斷的位置是機車1、3、4位軸，其中6起發生在機車的三位軸箱上。根據斷口照片顯示，機車軸箱彈簧發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，可見由交變應力作用產生的海灘紋，斷口海灘紋以上區域快斷粗瓷性斷口。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

經過對折斷彈簧所在軸位輪對踏面形狀觀察，發現輪對踏面磨耗極不均勻，主要集中在踏面中間，向內凹陷嚴重。機車輪對在鋼軌上即要做滾動運動，為了使輪對踏面能夠均勻磨耗還要做蛇行運動。由于HXN5型新造機車三位輪對橫動量較小，GE公司規定為3位輪導框橫向間隙為5 mm （報廢極限9mm）。經過對多臺機車實測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車輪對在鋼軌上做蛇行運動，導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型機車軸箱固定方式采用導框鋼性定位方式，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。而且2、5位輪的橫動量較大為：為14mm（報廢極限為18mm0）一直沒有出現彈簧折斷現象，所以基本排除縱向和橫向方面剪切的原因及材質方面原因。

2.3 輪對踏面形狀對彈簧的影響

由于HXN5型機車是單端繰縱機車，3、6位輪始終不參與導向，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機車三位軸箱彈簧在同一部位折斷三次，之后經過對踏面鏇輪恢復踏面形狀后，軸箱彈簧再沒有發生折斷。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，在機車通過曲線時，只能靠僅有的軸箱橫動量和轉向架回轉位移通過曲線。如果轉向架回轉阻力大就會迫使輪對踏面的外側、中間、輪緣側做蛇形運動。

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

2.4 輪對踏面不圓度及同轉向架輪經差對軸箱彈簧的影響

由于機車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型機車檢修工藝中對輪徑差要求尺寸不嚴造輪經差較大，工藝中規定同轉向架不超過19mm。這么大的輪徑差如果發生三位輪上，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 結論

由于HXN5型機車3位輪軸箱橫量小，在正常直線運用時，輪對踏面不做蛇行運動。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向架輪徑差較大。在機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，最終導致軸箱彈簧疲勞斷裂。

4 預防軸箱彈簧斷裂措施

1）定期對機車踏面形狀進行檢測，踏面凹陷比較嚴重的（超過1.5mm）必須進行恢復原型；

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

3）可適當放大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動，使輪對踏面均勻磨耗。

[1]鐵路機車檢修百科全.

[2]現代鐵路機車故障診斷檢修手冊.

[3]HXN5型機車一、二級培訓教程.