HXD1C型機車一系圓簧斷裂原因分析

摘要：針對HXD1C型機車圓簧斷裂現象，從圓簧制造、端口分析、化學分析、金相檢驗和使用方面進行分析，通過改進達到減少機車走行部故障和臨修的目的。

關鍵詞：機車；圓簧；斷裂；

1．問題提出

高速機車車輛的動力學性能及運行品質在很大程度上取決于彈簧懸掛系統的特性，運行中若發生懸掛彈簧斷裂將嚴重危及行車安全。機車一系彈簧位于軸箱與構架之間，除承擔車體、構架的重量外，對于采用軸箱單拉桿的結構形式還要提供橫向剛度，幫助輪對導向，此外，一系彈簧還必須有能力將線路對輪對的沖擊緩沖后再傳給構架，以減小線路對構架的動作用力。因此，一系彈簧的工作環境是比較惡劣的，線路越差，則其工作條件就越差，這會極大地影響彈簧壽命。2013年1月11日，襄陽機務段支配使用HXD1C型0244機車第5輪對發現一系彈簧斷裂，給機車運行安全帶來很大的隱患。為了減少圓簧斷裂故障的發生，現對HXD1C型機車一系圓簧斷裂原因進行分析。

2．原因分析

2.1 線路條件

一系彈簧動荷系數與線路條件之間的定性關系是明確的，但目前還沒有定量關系，按照一般設計要求，一系彈簧至少要達到2×106次的疲勞壽命。而疲勞壽命不僅取決于彈簧的基礎應力，也取決于彈簧的動荷系數，而動荷系數應與線路條件以及機車的運行速度相適應。線路條件是一系彈簧斷裂的誘因，但不是根本原因。

2.2 動荷系數

我國鐵路機車車輛用作懸掛的彈簧，其動荷系數見TB/T1025-2000《機車車輛用熱卷螺旋壓縮彈簧供貨技術條件》。標準規定：內燃、電力機車彈簧的動荷系數K=0.25。HXD1C型機車的設計強度符合要求。但機車動荷系數沒有一、二系之分，但是經過一系懸掛的衰減，二系動荷要比一系小得多，個人認為不合理。

2.3 斷口分析

HXD1C型0244機車一系彈簧斷裂位置見圖1，從斷裂位置看，斷裂發生在一系上支承圈彈簧第3圈上（第2有效圈，即下支承圈）, 距下支承圈末端（碾尖頭部）約20mm，接近制扁位。斷口形貌見圖 2，從斷口形貌分析，斷口與彈簧圓鋼軸線約呈45°，整個斷口與典型的疲勞斷裂形態非常相似。機務段初步判斷為彈簧工作狀態下在該處受到支承圈末端擠壓而產生表面損傷, 萌生疲勞裂紋源。認為HXD1C型0244機車一系彈簧斷裂為設計強度不足所致。

圖1圖2

2.4 金相組織分析

斷裂的彈簧送株洲機車有限公司進行了檢測分析，經南方匯通股份有限公司試驗室取樣金相分析。斷簧的表層、?R處、心部金相組織一致，均為回火索氏體+回火屈氏體+少量鐵素體組織，屬于合格組織。

2.5 硬度檢測

切割后的斷口試樣經檢驗，硬度為48 HRC，符合圖紙及技術要求的45-50HRC。

2.6 裂紋分析

彈簧的裂紋源在磨削面，用砂紙在磨削面上打磨，發現磨削面有裂紋，見圖3。

在失效彈簧斷口附近取樣，用硝酸酒精腐蝕顯微組織，組織含有二次馬氏體，見圖4。

圖3 圖4

根據檢測結果得出，彈簧的斷裂原因是：磨削過程產生硬而脆的二次馬氏體（淬硬層），使彈簧制扁位在應力作用下易于產生微裂紋導致彈簧斷裂。彈簧生產過程中端面及制扁位需要進行磨削加工。因此認為HXD1C型0244機車一系彈簧斷裂是在彈簧生產過程中端面及制扁位磨削時產生淬硬層的問題。

3．分析與討論

（1）線路條件是外部因素，為彈簧斷裂的誘因，加劇了彈簧的疲勞，但不應是彈簧斷裂的根本因素。

（2）斷簧的動荷系數、表層、?R處、心部金相組織及硬度檢測均符合技術規范要求，彈簧設計強度不存在問題。

（3）從斷簧斷口宏觀分析可知，該彈簧斷裂斷口與彈簧圓鋼軸線約呈45°，整個斷口與典型的疲勞斷裂形態非常相似，斷裂發生在彈簧的第 3 圈（下支承圈制扁位并緊處)，疲勞裂紋萌生后沿彈簧圓鋼軸線約45°的方向擴展，擴展至一定面積后則產生瞬時斷裂。

（4）一般符合設計要求的彈簧不允許有淬硬層，其硬而脆，易于產生微裂紋，其自身的抗御載荷能力不足, 當在交變載荷持續作用下，多處萌生微裂紋并擴展為疲勞裂紋，疲勞裂紋在后續的服役中繼續擴展，當斷簧受力截面無法支撐所受載荷的抗力時，快速擴展發生瞬間斷裂。

4．結束語

（1）該彈簧由于生產過程中端面及制扁位磨削時操作存在不足，致使支撐圈硬度偏低和表面產生二次馬氏體，二次馬氏體硬而脆，形成淬硬層，在應力作用下產生微裂紋，并擴展為疲勞裂紋，隨后疲勞裂紋不斷擴展，最后導致彈簧疲勞斷裂。

（2）為了確保機車一系彈簧的疲勞壽命，首先應提高彈簧的支撐圈表面的質量，保證其表面光滑平整，不產生淬硬層。

（3）對于出廠合格的一系圓簧，應消除上述工藝過程中的影響，并將其納入壽命管理或運行公里數管理。

（4）在機車整備作業及出入庫走行部檢查時，對一系彈簧檢查仍然是確保機車安全運行的重要手段之一。

5．參考文獻

[1] 徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社,2007.

[2] 顧樸.材料力學[M].北京：高等教育出版社,1985.

[3] TB/T1025-2000,機車車輛用熱卷螺旋壓縮彈簧供貨技術條件[S].

[4] 王隨. 機車一系圓簧斷裂原因分析[J].電力機車與城軌車輛,2009(5)45-47.

作者簡介

欒金明（1983-）男，漢，湖北襄陽人，武漢鐵路局襄陽機務段，工程師，本科學歷，機車檢修方向。