HXD2 型機(jī)車一系懸掛圓簧斷裂原因分析和防治措施探討

賈洧

（中鐵建軌道運(yùn)營(yíng)有限公司，北京 100072）

1 圓簧介紹

HXD2 型機(jī)車一系懸掛圓簧為圓柱壓縮螺旋圓簧，具有固定螺距，由圓鋼繞制而成。其尺寸參數(shù)：黃條直徑為38.6mm，中徑為191mm，有效圈為4 圈，自由高度為325mm，在FA 下的高度270mm，壓并高度為227mm，軸向剛度為7.847×105N/m±5%，性能試驗(yàn)后，在圓簧下方第一個(gè)有效圈上繞兩圈電氣類型的膠帶以標(biāo)明橫向自由偏移方向，組裝時(shí)按橫向自由偏移的方向組裝。

1.1 圓簧功能作用

利用圓簧受附加載荷時(shí)產(chǎn)生的圓性變形，將振動(dòng)沖擊能量轉(zhuǎn)化為元件變形的位能，然后將位能釋放出來(lái)，形成元件及簧上部分的振動(dòng)，在振動(dòng)過(guò)程中，沖擊能量轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)掉，使振動(dòng)加速度和動(dòng)作用力大大降低，從而為機(jī)車平穩(wěn)運(yùn)行提供保障。

1.2 材料性能指標(biāo)

機(jī)車運(yùn)行時(shí)圓簧不僅受到車體的軸向動(dòng)載荷作用，同時(shí)還提供必要的水平偏移和扭轉(zhuǎn)來(lái)滿足車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的扭轉(zhuǎn)，其受力工況是惡劣的，因此要求圓簧材料必須滿足較高的屈強(qiáng)比和高的疲勞強(qiáng)度，并有足夠的塑性和韌性以及表面質(zhì)量，還要求較好的淬透性和低的脫碳敏感性，因此要求使用機(jī)械性能優(yōu)越的合金圓簧鋼。HXD2 型機(jī)車一系懸掛圓簧為B 類圓簧，符合EN 13298 標(biāo)準(zhǔn)，選用51CrV4 材料,符合EN 10089 標(biāo)準(zhǔn)，合金元素中主要含有Cr 和V，這兩種金屬元素主要作用是提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，降低過(guò)熱敏感性，提高了強(qiáng)度和韌性，具有高的疲勞強(qiáng)度，屈服比也較高，具有良好的力學(xué)性能和工藝性能。

51CrV4 力學(xué)性能：材料的抗拉屈服點(diǎn)σs ≥1175MPa，材料抗拉強(qiáng)度σb ≥1500MPa，δs ≥6%，ψ ≥40%，剪切和扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力≥1050MPa。疲勞壽命達(dá)到300 萬(wàn)次。

1.3 圓簧的生產(chǎn)工藝流程

彈簧加工制造過(guò)程中，關(guān)鍵工序如下：

（1）材料檢驗(yàn)及下料：原材料的選定和入廠復(fù)驗(yàn)→核對(duì)下料尺寸→切料→切口缺陷的清除。

（2）制扁：制扁時(shí)彈簧加熱到950℃左右，終鍛溫度應(yīng)不低于800℃，制扁尺寸、表面形貌、內(nèi)部組織的控制，打號(hào)記錄。

（3）卷繞：調(diào)整設(shè)備工裝，卷簧加熱時(shí)爐溫控制在950～1050℃，料溫控制在1000℃左右，檢查垂直度、螺距和高度等。

（4）熱處理（淬火＋回火）：淬火介質(zhì)主要為油，介質(zhì)溫度控制：油溫40 ～80℃。彈簧淬火后應(yīng)立即回火，回火溫度控制在440 ～520℃，冷卻方式為水冷或空冷。

（5）彈簧檢測(cè)：彈簧熱處理后檢測(cè)硬度并進(jìn)行全壓縮消除殘余變形，然后進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，經(jīng)探傷、壓力試驗(yàn)合格后包裝交出。

2 圓簧斷裂原因分析

2.1 初步原因分析

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比檢查2 起斷裂圓簧（見(jiàn)圖1），斷裂位置均發(fā)生在圓簧的第二圈并且處于端圈與有效圈接觸區(qū)域內(nèi)。

圖1 斷裂圓簧對(duì)比圖

對(duì)斷裂圓簧斷口位置進(jìn)行初步分析（見(jiàn)圖2）可以看出兩根圓簧斷裂情況一致，均為有效圈斷裂，斷裂位置均位于有效圈第1/4 圈位置。

圖2 圓簧斷口

對(duì)兩根圓簧的斷口形態(tài)情況分析（見(jiàn)圖3），可以看出兩根圓簧的斷口均為疲勞斷口。均有明顯的疲勞源、疲勞擴(kuò)展區(qū)和撕裂區(qū)。其中，疲勞源出現(xiàn)在與端圈的接觸位置。

圖3 圓簧斷口形態(tài)

2.2 計(jì)算校核分析

（1）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 13906 及EN 13298 進(jìn)行計(jì)算校核。原材料許用應(yīng)力[τ]=σb/n=750MPa。計(jì)算結(jié)果顯示圓簧最大切應(yīng)力663MPa 不超過(guò)圓簧許用應(yīng)力；圓簧的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)圖4）。同時(shí)，在2×106次疲勞交變載荷作用下，圓簧應(yīng)力點(diǎn)落在材料的Goodman 曲線界限內(nèi)(見(jiàn)圖5)，圓簧的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 許用應(yīng)力曲線圖

圖5 圓簧疲勞校核

（2）圓簧有限元仿真分析。通過(guò)ANSYS 軟件對(duì)一系圓簧進(jìn)行模擬分析（見(jiàn)圖6），并得出以下結(jié)論：①在垂向載荷的作用下，軸箱圓簧有效圈內(nèi)側(cè)表面剪應(yīng)力明顯高于外側(cè)表面，這與EN13906 相符。②在垂向載荷的作用下，軸箱圓簧端圈和有效圈產(chǎn)生接觸的部位影響端圈與有效圈的過(guò)渡區(qū)域的應(yīng)力大小，產(chǎn)生接觸區(qū)域中的端圈應(yīng)力明顯小于有效圈。③在垂向載荷和橫向載荷共同作用下，軸箱圓簧端圈與有效圈接觸應(yīng)力狀態(tài)和接觸區(qū)域隨橫向加載的方向而改變。④相同垂向載荷作用下，軸箱圓簧端圈與有效圈接觸應(yīng)力大小和接觸狀態(tài)有關(guān)。接觸線越平順，無(wú)明顯應(yīng)力高點(diǎn)時(shí)，接觸應(yīng)力越小。⑤在模擬圓簧接觸線存在明顯應(yīng)力高點(diǎn)時(shí)，接觸線因不平順產(chǎn)生高接觸壓應(yīng)力。

圖6 模擬分析

2.3 斷裂圓簧失效分析

對(duì)兩組斷簧送專業(yè)機(jī)構(gòu)“揚(yáng)州市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所”進(jìn)行了專業(yè)鑒定，內(nèi)容包括宏觀斷口、化學(xué)成分、硬度、脫碳、金相等。分析意見(jiàn)為化學(xué)成分、硬度、脫碳、金相等符合要求，圓簧斷裂位置位于端圈與工作圈的貼合位置，在運(yùn)行中外部反復(fù)應(yīng)力的作用下，有磨損和溫升，形成裂紋源，向材料內(nèi)部不斷擴(kuò)展（擴(kuò)展區(qū)紋路清晰），最終疲勞斷裂。

2.4 圓簧檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

（1）圓簧檢測(cè)。對(duì)首臺(tái)故障機(jī)車C4 修拆解下的總計(jì)32根一系懸掛圓簧的檢測(cè)工作。檢測(cè)結(jié)果顯示：圓簧自由高、工作高、剛度、內(nèi)徑、簧絲直徑、垂直度、表面探傷等項(xiàng)點(diǎn)均合格。后續(xù)對(duì)第二臺(tái)故障機(jī)車圓簧總計(jì)32 根一系懸掛圓簧檢測(cè)工作。檢測(cè)結(jié)果顯示：圓簧自由高、工作高、剛度、內(nèi)徑、簧絲直徑、垂直度、表面探傷等項(xiàng)點(diǎn)均合格。通過(guò)兩次圓簧檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)圓簧的問(wèn)題主要集中在接觸線狀態(tài)，圖7 為通過(guò)復(fù)寫紙壓痕檢測(cè)到的圓簧端圈與有效圈高點(diǎn)接觸現(xiàn)象。

圖7 復(fù)寫紙壓痕

（2）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。在對(duì)圓簧檢測(cè)同時(shí)，也對(duì)其圓簧制造工藝等方面進(jìn)行了調(diào)研。其中，第二家供貨商為提升接觸線合格率，更改了圓簧制扁工藝。圓簧棒料輾扁后端頭厚度較小且為梯形形狀，輾扁面不平，經(jīng)高溫加熱后卷制，卷制過(guò)程中端頭容易彎曲，輾扁面容易翻邊，造成輾扁面凸起，輾扁面與相鄰圈無(wú)法完全貼合，導(dǎo)致圓簧接觸線接觸線不良。圓簧端部不采用輾扁處理，而是在圓簧卷制完成后進(jìn)行切割。由于圓簧棒料沒(méi)有輾壓制扁后端頭厚度與中間不同的現(xiàn)象，故卷制時(shí)不容易產(chǎn)生端頭彎曲及翻邊現(xiàn)象。為驗(yàn)證更改制造工藝后的效果，選取了3 根半成品HXD2 型機(jī)車一系圓簧進(jìn)行抽檢，結(jié)果證明改變后接觸線狀態(tài)確有提升見(jiàn)圖8。

圖8 更改工藝后復(fù)寫紙接觸線

對(duì)于接觸線不良的圓簧，供應(yīng)商對(duì)其支撐圈進(jìn)行打磨處理，打磨后對(duì)圓簧接觸線狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

3 斷裂原因結(jié)論

通過(guò)以上綜合分析可以確定導(dǎo)致兩起圓簧斷裂是由于圓簧端圈和有效圈接觸線存在明顯的應(yīng)力高點(diǎn)，接觸線接觸不良導(dǎo)致接觸應(yīng)力顯著增加，機(jī)車在復(fù)雜的線路上運(yùn)行時(shí)，圓簧不斷的工作，在圓簧的接觸面產(chǎn)生疲勞磨損，生成疲勞裂紋，最終導(dǎo)致圓簧發(fā)生斷裂。

4 解決措施

4.1 使用方措施

（1）落實(shí)好檢修范圍。結(jié)合HXD2 型機(jī)車C4 修工作，對(duì)圓簧下車檢查，主要檢查圓簧的力學(xué)性能，對(duì)圓簧進(jìn)行探傷。對(duì)圓簧進(jìn)行探傷時(shí)，縱向的表面微裂紋允許用打磨圓滑的方法除去，表面粗糙度應(yīng)在Ra3.2 以上，且打磨深度應(yīng)不大于0.3mm。每個(gè)圓簧發(fā)生表面裂紋超過(guò)兩處或有橫向裂紋時(shí)應(yīng)更換圓簧。

（2）發(fā)揮大數(shù)據(jù)作用，做好日常分析。通過(guò)對(duì)斷裂圓簧的機(jī)車軸報(bào)數(shù)據(jù)分析，發(fā)生斷裂前兩臺(tái)機(jī)車前期曾多次報(bào)軸承一級(jí)報(bào)警，經(jīng)分析其報(bào)警與圓簧斷裂有著同樣的預(yù)警作用，建議在發(fā)現(xiàn)報(bào)警時(shí)，應(yīng)引起使用方數(shù)據(jù)分析中心的關(guān)注，數(shù)據(jù)分析中心繼續(xù)做好相關(guān)數(shù)據(jù)的整理匯總分析，發(fā)揮大數(shù)據(jù)作用。

（3）建議增加整備日檢范圍。由于斷裂原因?yàn)槠跀嗔咽Ｊ皆驅(qū)е碌?，即圓簧接觸線為高點(diǎn)接觸，長(zhǎng)期應(yīng)力作用導(dǎo)致斷裂，因此建議做好對(duì)HXD2 型機(jī)車轉(zhuǎn)向架一系懸掛圓簧進(jìn)行日常普查、檢測(cè)工作，結(jié)合日常整備時(shí)機(jī)，使用0.05mm 塞尺檢測(cè)一系懸掛圓簧首尾兩端，確定其接觸線區(qū)域，在接觸線區(qū)域內(nèi)再次使用塞尺進(jìn)行檢測(cè)，若有縫隙則檢測(cè)相鄰兩處縫隙間隙，若間隙≤10mm 則圓簧接觸線為高點(diǎn)接觸，有高點(diǎn)接觸現(xiàn)象的圓簧,以降低圓簧斷裂風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行更換圓簧。

4.2 廠方措施

圓簧廠家加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程控制，通過(guò)原材料質(zhì)量、圓簧制造過(guò)程、加熱處理過(guò)程、嚴(yán)格噴丸工藝等進(jìn)行控制，避免產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。對(duì)更改制造工藝后的圓簧進(jìn)行持續(xù)追蹤，以驗(yàn)證其改善效果。

5 結(jié)語(yǔ)

HXD2 型機(jī)車是目前和諧型家族機(jī)車的主力機(jī)型，機(jī)車運(yùn)用已超過(guò)5年，部分機(jī)車走行公里超70 萬(wàn)，其一系懸掛圓簧作為機(jī)車走行部的重要部件，發(fā)生的斷裂問(wèn)題是不容忽視的，2 起圓簧斷裂原因雖確定為疲勞斷裂，但必須作為苗頭性問(wèn)題對(duì)待，密切關(guān)注圓簧的質(zhì)量，提高安全意識(shí)，確保機(jī)車運(yùn)行安全。