K16礦石車ZCZ1型轉向架故障分析及改進

胡元杰

（蘭州鐵路局嘉峪關車輛段,甘肅 嘉峪關 735103）

1 K16礦石車概述

K16礦石車ZCZ1型轉向架于上世紀六十年代開始設計及運用，主要用于為酒鋼生產的K16型礦石漏斗車。八十年代末期，在原鐵道部組織下，原株洲車輛廠對K16型漏斗車進行改進，定型為K16A，在K16型漏斗車進行改進的同時，對ZCZ1型轉向架（滾動軸承）進行了改進設計，構架主要材質更換為Q345qE。1989-1999年共批量生產67輛。

2002年原株洲車輛廠對ZCZ1型轉向架 （滾動軸承）再次進行了修改，采用SKF197726軸承、LZ50鋼車軸、LM磨耗型踏面HDS型車輪等。2002-2004年三批共批量生產100輛。2010年再次對ZCZ1型轉向架進行了優化改進，采用組合式制動梁、HDSA-26型輾鋼薄輪緣中間輪對車輪等。2011年共生產80輛。

K16礦石車主要結構：車輛由車體、底門開閉機構、開閉機構風路控制裝置、車鉤緩沖裝置、制動裝置及轉向架等部件組成如圖1和圖2所示。

圖1 K16礦石車三維結構示意圖

圖2 K16礦石車平面圖

車體：車體為全鋼焊接結構，由底架、側墻、端墻、漏斗和底門等組成。底架主要型材、板材采09CuPCrNi-A耐候鋼或Q450NQR1高強度耐候鋼。

轉向架：該轉向架主要由整體構架、輪對彈簧均衡裝置、基礎制動裝置、斜楔及間隙旁承等組成如圖3所示。

圖3 ZCZ1型轉向架三維示意圖

輪對彈簧均衡裝置：該裝置主要由貨車D軸滾動軸承裝置、均衡梁組成、貨車RD2型輪對、中間輪對、軸箱、承載彈簧等組成如圖4所示。采用SKF197726型或352226X2-2RZ型雙列圓錐滾子軸承。均衡梁由厚16mm上、下蓋板，厚20mm雙腹板等組成，其中板材的材質為Q345qE。轉向架輪對由RD2型輪對及中間輪對組成，其中中間輪對車輪為HDSA-26型車輪，踏面為LM-26型踏面，其它車輪采用HDSA車輪，踏面為LM磨耗型。軸箱由承載鞍和磨耗板組焊而成，承載鞍材質為ZG230-450。承載彈簧為內、外兩級剛度彈簧，彈簧材質為60Si2CrVAT。

圖4 輪對彈簧均衡裝置

2 轉向架主要故障類型

K16礦石車故障主要故障類型為裂紋、磨耗過限、作用不良以及折斷。故障主要是由于車輛在設計、制造時，未能充分考慮該車型實際運行工況而造成的疲勞裂紋、配件干涉以及實際檢修和運用過程中的管理問題而造成的裂紋、磨耗超限等故障。

2.1 構架裂紋

構架裂紋部位主要發生在均衡梁導框與構架焊接部位的兩側，側粱下蓋板與腹板均出現裂紋，如圖5所示。

圖5 均衡梁導框與構架焊接部位裂紋

2.2 基礎制動裝置緩解不良

在車輛運用過程中，裝用組合式制動梁的K16A型車專列在列車卸貨剩余6輛或剩余3輛或全列卸完后（重車轉空車后），頻繁發生車輛緩解后閘瓦抱輪而使機車拉不動列車的現象，需要人工撬開制動梁及閘瓦才能拉動列車。在20d的時間內，有4次出現卸貨后制動梁不回位、閘瓦抱輪而使機車拉不動列車的現象，同時伴有單滑槽與側梁的連接焊縫開裂的現象。

2.3 基礎制動裝置制動力不均及中位中拉桿磨軸

在運用中發現部分K16A型礦石漏斗車轉向架中間軸上部中位中拉桿存在磨軸現象，如圖6所示，伴有中位中拉桿斷裂故障，且車輛內側兩軸的制動力較大，而車輛外側兩軸的制動力較小或沒有，造成車輪異常磨耗，如圖7所示。

圖6 中拉桿磨軸

圖7 內側車輪異常磨耗

2.4 均衡梁連接銷上開口銷折斷

由于K16礦石車運營線路上彎道較多，轉向架所受到的橫向載荷較大且頻繁，均衡梁連接圓銷上的開口銷無法承受該使用條件，導致該開口銷頻繁被剪斷。

2.5 軸箱磨耗板磨耗嚴重

日常檢修過程中，經常發現10mm軸箱磨耗板被磨平或嚴重偏磨，嚴重者磨耗板破損。約44%的軸箱磨耗板磨耗過限需要更換，直接增大了檢修工作量。

3 原因分析及改進方法

3.1 構架裂紋故障原因分析及改進

分析構架產生裂紋主要有2個原因：一是設計原因。蓋板自身強度不足，存在薄弱部位，不足以承受由于線路不平順造成的心盤的垂向沖擊，在交變載荷作用下，薄弱部位擴展。二是由于制造原因。將均衡梁導框焊接于構架時，焊角不均勻，焊波熔深不良，造成焊縫處應力集中，在外力載荷作用下，焊縫處蓋板開裂。

改進后，側梁下蓋板與橫梁下蓋板由同為16mm厚的Q345qE改為20mm厚的Q345qE，如圖8所示，相應的側梁腹板及隔板、橫梁腹板及隔板、端梁立板縮短4mm。整個構架的外形輪廓尺寸不變。構架靜強度及疲勞強度計算分析表明最大應力位置均為橫梁上蓋板與心盤梁相連處，改進方案結構強度提高了14%，在疲勞大應力區域的動應力幅和相應的平均應力均比原構架有所減少。按該優化方案生產的構架目前運用良好，未發現有裂紋故障，優化效果明顯。

圖8 構架改進

3.2 基礎制動裝置緩解不良故障原因分析及改進

由于制動梁端頭滑塊磨耗套與滑槽磨耗板之間的間隙偏小，重車轉空車后，由于制動梁上升導致制動梁端頭卡滯，使得轉向架基礎制動裝置難以緩解。但在重車工況下，由于制動梁滑塊磨耗套與滑槽磨耗板之間存在3.6mm間隙，不存在緩解不良的現象，如圖9和圖10所示。

圖9 滑塊磨耗套與滑槽磨耗板位置圖

圖10 重車滑塊磨耗套與滑槽磨耗板位置圖

為解決基礎制動裝置緩解不良的問題，將原“U”形卡入式滑槽磨耗板改為“L”形滑槽磨耗板，焊固在制動梁滑槽下表面上。改進前、后對比如圖11和圖12。既有車輛改造后運用良好，再未出現緩解不良的現象。

圖11 滑槽磨耗板改進前、后對比圖

圖12 滑槽磨耗板改進前、后三維對比圖

3.3 基礎制動裝置制動力不均及中位中拉桿磨軸故障原因分析及改進

由于在新輪閘瓦全磨耗（剩余量18mm）重車制動工況下,轉向架基礎制動杠桿在A處與B處發生了干涉，如圖13所示，使得遠離游動杠桿的兩條輪對失去制動力，只有靠近游動杠桿的一條輪對收制動力作用。

圖13 新輪閘瓦全磨耗（剩余量18mm）重車制動工況下

由于轉向架基礎制動裝置中位中拉桿與中間軸之間在重車新輪新瓦制動工況下達到最小距離，其值為29mm，如圖14所示。轉向架承載彈簧當量擾度為40.4mm，重車工況下的動載系數為0.27，彈簧允許的永久變形為4mm，考慮彈簧及彈簧座公差4mm，滑槽磨耗板及滑塊磨耗套各磨耗3mm，所以，轉向架技術制動裝置在重車工況下可能的下降數值為40.4×0.27+4+4+3+3=24.9(mm),即中位中拉桿與中間軸之間的最小距離為29mm-24.9mm=4.1mm。此處沒有考慮軸箱和構架心盤梁下蓋板與測梁下蓋板之間的尺寸公差，顯然此處制造公差的存在是可以導致中位中拉桿與中間軸之間的距離消失，出現相互干涉，導致磨軸現象的發生。

圖14 新輪新瓦重車制動工況

由于采用槽鋼滾子式制動梁的中位中拉桿磨軸比例相對采用組合式制動梁的中位中拉桿磨軸比例偏高，說明采用槽鋼滾子式制動梁時，由于存在制動梁搭頭現象，造成整個基礎制動裝置杠桿位置下降，使得中位中拉桿與中間軸之間的距離更小，更容易產生磨軸現象。

為避免由于閘瓦及車輪踏面磨耗引起的制動杠桿與構架橫梁及心盤梁下蓋板發生干涉現象，通過合理調整杠桿孔以達到轉向架基礎制動裝置各閘瓦制動力均衡，通過校核計算，需對C、D部位的上拉桿、中位中拉桿進行優化改進，如圖15所示，調整其尺寸，同時為避免中位中拉板上平面與心盤梁下蓋板干涉及磨軸現象，對中位中拉板結構進行了優化，如圖16所示。

圖15 新輪新瓦重車制動工況

圖16 改進后中位中拉桿

重車閘瓦壓力10.4KN/0.78=13.3KN，重車制動工況中位中拉桿受力大小為25.53KN，如圖17和圖18所示。

圖17 改進前中位中拉桿應力及變形（應力44.7MPa+變形0.015mm）

圖18 改進后中位中拉桿應力及變形（應力86.7MPa+變形1.51mm）

根據計算結果，將中位中拉板中間板單元部分的材料由Q235A改為Q345qE,增加其許用應力。

改進后在新輪新瓦重車制動工況，中位中拉桿與中間軸的最小距離為36mm，較改進前的29mm，增加了7mm，可以有效緩解中位中拉桿磨軸現象。

3.4 均衡梁連接銷上開口銷折斷故障原因分析及改進

因運營線路上彎道較多，轉向架所受到的橫向載荷較大且頻繁，均衡梁連接圓銷上的開口銷無法承受該使用條件，導致該開口銷頻繁被剪斷。

原均衡梁連接圓銷采用開口銷進行防松，因開口截面積小，在承受橫向載荷時，易發生彎曲變形和剪斷。因此，在均衡梁有限的空間內，將圓銷更換為扁孔圓銷，同時將開口銷更換為扁開口銷，其開口銷的截面積增大140%，扁開口銷在極限載荷下（橫向力全部由扁開口銷承擔，約為13kN），其應力為108MPa，低于Q215A的許用應力（147MPa）。改造前后情況見表1。

表1 改進前后配件明細

3.5 軸箱磨耗板磨耗故障原因分析及改進

由于軸箱設計制造時，未考慮重載惡劣條件下，車輛運行技術狀態，造成K16礦石車運行時，軸箱與導框緊密接觸并發生摩擦，導致軸箱嚴重磨耗。

為減少軸箱與導框的磨耗，對軸箱結構進行了優化，如圖19所示。軸向材質由ZG230-450改為B+級鋼，軸箱應力為125MPa，低于B+級鋼的許用應力185MPa，如圖19所示。同時增加了材質為尼龍的軸箱橫向磨耗板，采用短尾拉鉚釘緊固。

圖19 軸箱改進前后對比

4 結論

本文就目前K16礦石車ZCZ1型轉向架在檢修和運用過程中發現的主要故障進行分析，分析故障原因，制定改進措施，并對轉向架改進后的效果進行追蹤驗證。通過研究分析轉向架主要故障原因、實施改進方案，并對改進后方案進行分析得出以下結論：

1）ZCZ1型轉向架構架產生裂紋的主要原因為設計制造時未能充分考慮實際運用工況，說明構架結構設計環節具有一定局限性，對實際運用工況分析不充分。

2）ZCZ1型轉向架基礎制動裝置緩解不良原因是制動梁端頭滑塊磨耗套與滑槽磨耗板之間的間隙偏小，重車轉空車后，制動梁上升導致制動梁端頭卡滯。說明制動梁滑槽設計時，對空重車影響車輛運行技術狀態考慮不全面，設計、驗證環節需要繼續完善。

3）由于沒有考慮軸箱和構架心盤梁下蓋板與測梁下蓋板之間的尺寸公差，導致中位中拉桿與中間軸之間的距離消失，出現相互干涉，發生磨軸現象。在車輛設計制造時應充分考慮尺寸公差對制造、裝配的影響。

4）加強K16礦石車檢修和運用管理，完善作業要求，強化過程質量控制，提高檢修和運用故障信息反饋，確保車輛安全正常使用。