軌道狀態對一系鋼彈簧壽命的影響研究

李茂春，喻佳文，秦 濤，汪林峰，賀世忠

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

隨著我國各大城市的快速發展，作為城市交通骨干的地鐵軌道交通有效緩解了城市交通擁堵，提高了交通效率。然而，地鐵車輛長期高負荷運行會造成鋼軌軌面波磨[1]，其激勵產生的輪軌中高頻振動會傳遞到車輛各部件，甚至產生共振現象，造成車輛部件損傷和破壞[2]。

轉向架一般設計有兩系懸掛，其中一系懸掛可緩沖來自軌道的振動，對車輛的運行平穩性、乘坐舒適性及安全性等有重要影響。一系懸掛采用鋼彈簧時，其自振頻率與輪軌激擾的振動頻率關系密切。為保證車輛正常運行，有必要針對軌道波磨后的振動對一系鋼彈簧的影響進行深入研究。

1 一系鋼彈簧故障現象

ZMA120型轉向架一系懸掛采用轉臂式鋼彈簧結構[3]，鋼彈簧服役多年表現正常，但是隨著線路條件的惡化，一系鋼彈簧陸續出現斷裂現象(圖1)，斷簧數量逐年增加。根據統計可知：一系鋼彈簧內簧斷裂占98%，一系鋼彈簧斷裂位置為下端的占59%，一系鋼彈簧斷簧位置與車輛和軸位關聯性小，為離散性分布。

圖1 一系鋼彈簧斷裂示意圖

2 一系鋼彈簧斷裂原因分析

2.1 一系鋼彈簧強度計算

根據TB/T 2211—2018《機車車輛圓柱螺旋鋼彈簧》規定，一系鋼彈簧疲勞試驗的動載系數取0.25，考慮到地鐵載荷較大，將動載系數提高至0.3，對一系鋼彈簧疲勞強度進行校核，仍能滿足標準要求。

2.2 一系鋼彈簧斷口分析

從斷口形貌上分析，鋼彈簧疲勞斷裂源處于端圈和有效圈接觸部位，即彈簧的過渡部位[4]，斷裂面有明顯的裂紋萌生、擴展和瞬時斷裂3個部分，擴展區占斷面的1/4～1/3，瞬時斷裂區占斷面的2/3～3/4，如圖2所示，斷裂均呈現明顯的扭轉彎曲剪切疲勞斷裂特征。鋼彈簧的材料、機械性能、硬度、金相組織檢測結果均正常。

圖2 鋼彈簧斷裂截面

2.3 一系鋼彈簧動應力測試

為查找一系鋼彈簧斷裂原因，在線路上進行了動應力測試，彈簧應力測點布置見圖3。

圖3 彈簧應力測點布置

測試結果表明，線路部分區段的一系鋼彈簧應力遠高于設計允許值，最大動載系數超過0.8，甚至超出彈簧壓并時的靜態應力。通過頻譜分析，軌道振動主頻接近60 Hz，與安裝狀態下內彈簧的固有頻率重合，表明內彈簧在這個頻率發生了共振響應[5]，如圖4、圖5所示。

圖4 彈簧應力測試結果

圖5 頻譜分析

2.4 車輪不圓度調查

為驗證車輪不圓或多邊形的影響[6]，對車輪旋輪前后的不圓度進行測試并進行在線應力監測。結果顯示，旋輪前后的車輪均無明顯的多邊形現象，且旋輪后的彈簧應力無明顯下降。由此可以判斷出，彈簧應力過大不是由于車輪不圓或多邊形引起。

2.5 軌道狀態調查

輪軌激勵除了車輪多邊形還有軌道波磨因素，對照鋼彈簧動應力和軌道型式(圖6)，發現應力動載系數超過0.3的區段集中出現在普通短軌枕道床上，且應力過大時對應的鋼軌處均存在不同程度的波浪形磨損(簡稱波磨)。軌道波磨的波長分布范圍為125～600 mm，且與行車速度成反比關系，致使不同波長處的列車通過頻率主要在50～80 Hz。

2.6 共振模擬

在試驗臺上對安裝狀態下的鋼彈簧施加振動激勵，測試不同振幅、不同頻率下的鋼彈簧應力，模擬鋼彈簧共振情況[7]。通過共振模擬試驗得知：(1)當鋼彈簧發生共振時，彈簧應力激增，當振動頻率與共振頻率錯開5 Hz時，應力降低80%；當振動頻率與共振頻率錯開10 Hz時，基本可避開共振帶來的影響，但軌道振動頻率相當豐富，調整彈簧頻率難以完全避開所有頻率。(2)鋼彈簧共振時，施加的振幅越大，鋼彈簧應力越大，0.75 mm振幅激起的應力相當于動載系數為0.6的鋼彈簧應力水平。

根據上述分析與驗證，說明一系鋼彈簧斷裂的主要原因為：普通短軌枕處的鋼軌產生波磨，車輛通過波磨區段的振動頻率與一系鋼彈簧的固有頻率重疊引起共振，導致鋼彈簧動應力過大而斷裂。

3 改善措施及效果

3.1 鋼軌打磨

通過鋼軌打磨可以降低鋼軌不平順，減少輪軌沖擊。圖7為某區間鋼軌打磨前后的鋼彈簧應力變化情況。結果顯示，降低鋼軌不平順可以顯著降低鋼彈簧應力。

圖7 某區間鋼軌打磨前后的鋼彈簧應力變化情況

從部分區段鋼軌打磨前后斷簧率的統計結果看，鋼軌打磨后的斷簧率有了明顯下降，平均斷簧率降幅為46%。由于傳統鋼軌打磨方式難以消除長波波磨，不能徹底解決長波波磨區段的共振問題，也就難以徹底杜絕鋼彈簧斷裂現象。

3.2 優化行車速度

為解決長波波磨區段的共振問題，擬采取列車局部區段變速方案，從而改變列車通過時的振動頻率。通過試驗得出，改變行車速度后，鋼彈簧最大應力相差38.5%，鋼彈簧最大應力水平顯著降低。在此基礎上，對應力最大的關鍵區段進行行車速度調整以后，一系鋼彈簧的斷簧率下降83%。

3.3 改變鋼彈簧生產工藝

圓柱壓縮螺旋彈簧端圈一般采取制扁碾尖工藝，隨著數控碾尖機的應用，碾尖處與有效圈的接觸比較平順，但在共振情況下難以避免接觸點處出現應力集中，而端部不碾尖工藝能夠相對減少點接觸現象[8]。經過鋼軌打磨和行車速度優化后，在一列車端部試裝了采用不碾尖工藝生產的鋼彈簧，經過50萬km運行考核后，未發生斷裂現象。

4 結論

測試研究表明，在普通短軌枕道床上存在不同程度的鋼軌波磨，車輛通過時的振動頻率與一系鋼彈簧固有頻率重疊，產生共振現象，導致鋼彈簧應力顯著增大，遠大于設計應力，這是一系鋼彈簧斷裂的主要原因。

通過對鋼軌進行打磨處理，降低了輪軌不平順激勵，減小了鋼彈簧應力，斷簧率下降了46%；優化個別關鍵區段地鐵行車速度，改變車輛通過時的振動頻率，可錯開鋼彈簧自振頻率，該方法與鋼軌打磨聯合作用下，斷簧率下降了83%；在鋼軌打磨和行車速度優化后，試裝在一列車上的采用不碾尖工藝生產的鋼彈簧，通過了50萬km運行考核，未出現斷裂現象。