和諧內(nèi)5型機(jī)車(chē)三位軸箱彈簧折斷分析

潘忠銘，王軼峰，杜 強(qiáng)

1.哈爾濱鐵路局安全監(jiān)管辦駐哈爾濱機(jī)務(wù)段驗(yàn)收室，黑龍江 哈爾濱 150001

2.哈爾濱機(jī)務(wù)段，黑龍江 哈爾濱 150001

3.哈爾濱鐵路局安全監(jiān)管辦駐大功率機(jī)車(chē)檢修基地驗(yàn)收室，黑龍江 哈爾濱 150001

2009年5月至今哈爾濱機(jī)務(wù)段陸續(xù)配置了300臺(tái)和諧內(nèi)5型機(jī)車(chē)（以下均簡(jiǎn)稱為HXN5型機(jī)車(chē)）。該型機(jī)車(chē)是由美國(guó)GE公司設(shè)計(jì)戚墅堰機(jī)車(chē)廠生產(chǎn)的交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)，具有功率大、牽引力大、油耗低、排放低、檢修方便等特點(diǎn)。 同時(shí)新型號(hào)機(jī)車(chē)投入運(yùn)用一年來(lái)也暴露出了許多設(shè)計(jì)和質(zhì)量上的問(wèn)題，特別是機(jī)車(chē)第三位軸箱彈簧經(jīng)常折斷。給機(jī)車(chē)正常安全運(yùn)用帶來(lái)了很大的安全隱患。下面就對(duì)造成機(jī)車(chē)第三位軸箱彈簧經(jīng)常折斷的原因進(jìn)行深入分析和探討，并制定防止斷裂的措施。

1 故障現(xiàn)象

2011年1月份～2月份HXN5型機(jī)車(chē)出現(xiàn)了9起軸箱彈簧折斷故障，嚴(yán)重影響了機(jī)車(chē)安全運(yùn)用，通過(guò)對(duì)故障機(jī)車(chē)進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)有以下故障共性。

1）多數(shù)斷裂發(fā)生在三位軸箱彈簧；

2）三位輪對(duì)輪緣基本不磨耗；

3）三位輪踏面磨耗凹陷嚴(yán)重；

4）三位軸箱橫動(dòng)量比較??；

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(fā)生彈簧折斷的位置是機(jī)車(chē)1、3、4位軸，其中6起發(fā)生在機(jī)車(chē)的三位軸箱上。根據(jù)斷口照片顯示，機(jī)車(chē)軸箱彈簧發(fā)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(shuō)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(fā)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(jiàn)由交變應(yīng)力作用產(chǎn)生的海灘紋，斷口海灘紋以上區(qū)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(dòng)量對(duì)彈簧的影響

經(jīng)過(guò)對(duì)折斷彈簧所在軸位輪對(duì)踏面形狀觀察，發(fā)現(xiàn)輪對(duì)踏面磨耗極不均勻，主要集中在踏面中間，向內(nèi)凹陷嚴(yán)重。機(jī)車(chē)輪對(duì)在鋼軌上即要做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，為了使輪對(duì)踏面能夠均勻磨耗還要做蛇行運(yùn)動(dòng)。由于HXN5型新造機(jī)車(chē)三位輪對(duì)橫動(dòng)量較小，GE公司規(guī)定為3位輪導(dǎo)框橫向間隙為5 mm （報(bào)廢極限9mm）。經(jīng)過(guò)對(duì)多臺(tái)機(jī)車(chē)實(shí)測(cè)3位輪最小的橫動(dòng)量?jī)H為1.25mm，最大的橫動(dòng)量為4mm。這么小的橫動(dòng)量不能保證機(jī)車(chē)輪對(duì)在鋼軌上做蛇行運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致鋼軌只在輪對(duì)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(jī)車(chē)軸箱固定方式采用導(dǎo)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(dòng)被限定在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。而且2、5位輪的橫動(dòng)量較大為：為14mm（報(bào)廢極限為18mm0）一直沒(méi)有出現(xiàn)彈簧折斷現(xiàn)象，所以基本排除縱向和橫向方面剪切的原因及材質(zhì)方面原因。

2.3 輪對(duì)踏面形狀對(duì)彈簧的影響

由于HXN5型機(jī)車(chē)是單端繰縱機(jī)車(chē)，3、6位輪始終不參與導(dǎo)向，并且3、6位輪橫動(dòng)量較小，造成輪對(duì)踏面不能在軌面上做蛇形運(yùn)動(dòng)，輪對(duì)踏面在鋼軌上滾動(dòng)始終局限在一個(gè)位置，磨耗時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)在踏面上形成一個(gè)鋼軌軌面形狀的深溝并且輪緣加厚。例如，HXN50164機(jī)車(chē)三位軸箱彈簧在同一部位折斷三次，之后經(jīng)過(guò)對(duì)踏面鏇輪恢復(fù)踏面形狀后，軸箱彈簧再?zèng)]有發(fā)生折斷。下圖左為該車(chē)輪軸箱彈簧折斷后所拍的輪對(duì)踏面。這條凹陷的溝反過(guò)來(lái)又將輪對(duì)橫向固定在鋼軌上，在機(jī)車(chē)通過(guò)曲線時(shí)，只能靠?jī)H有的軸箱橫動(dòng)量和轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)位移通過(guò)曲線。如果轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)阻力大就會(huì)迫使輪對(duì)踏面的外側(cè)、中間、輪緣側(cè)做蛇形運(yùn)動(dòng)。

圖2 圖左為輪對(duì)踏凹陷、中間為輪對(duì)踏外側(cè)在鋼軌下?tīng)顟B(tài)、右為輪對(duì)踏面里側(cè)在鋼軌上狀態(tài)

2.4 輪對(duì)踏面不圓度及同轉(zhuǎn)向架輪經(jīng)差對(duì)軸箱彈簧的影響

由于機(jī)車(chē)3位輪踏面凹陷造成輪對(duì)踏面橫向不圓度加大，車(chē)輪滾動(dòng)圓不圓度將對(duì)軸箱彈簧的垂向造成額外周期性沖擊載荷，當(dāng)周期性沖擊載荷大于彈簧疲勞載荷振幅時(shí)，彈簧就有斷裂的危險(xiǎn)。另外，由于HXN5型機(jī)車(chē)檢修工藝中對(duì)輪徑差要求尺寸不嚴(yán)造輪經(jīng)差較大，工藝中規(guī)定同轉(zhuǎn)向架不超過(guò)19mm。這么大的輪徑差如果發(fā)生三位輪上，會(huì)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(jié)論

由于HXN5型機(jī)車(chē)3位輪軸箱橫量小，在正常直線運(yùn)用時(shí)，輪對(duì)踏面不做蛇行運(yùn)動(dòng)。就會(huì)在輪對(duì)踏面正中磨出一個(gè)凹陷深溝，另一方面由于同一轉(zhuǎn)向架輪徑差較大。在機(jī)車(chē)通過(guò)曲線時(shí)輪對(duì)踏面就會(huì)在不同的輪徑上，上下滾動(dòng)（如圖2中、右所示）。造成對(duì)軸箱彈簧的垂向額外周期性沖擊載荷加大，最終導(dǎo)致軸箱彈簧疲勞斷裂。

4 預(yù)防軸箱彈簧斷裂措施

1）定期對(duì)機(jī)車(chē)踏面形狀進(jìn)行檢測(cè)，踏面凹陷比較嚴(yán)重的（超過(guò)1.5mm）必須進(jìn)行恢復(fù)原型；

2）嚴(yán)格限定同軸和同一轉(zhuǎn)向架輪徑差（同軸為不超過(guò)1mm，同一轉(zhuǎn)向架不超過(guò)10mm），在更換輪對(duì)時(shí)根據(jù)輪徑差大小對(duì)軸箱彈簧加墊調(diào)整；

3）可適當(dāng)放大1、3、4、6位輪對(duì)軸箱橫動(dòng)量，保證輪對(duì)在鋼軌上做正常蛇形運(yùn)動(dòng)，使輪對(duì)踏面均勻磨耗。

[1]鐵路機(jī)車(chē)檢修百科全.

[2]現(xiàn)代鐵路機(jī)車(chē)故障診斷檢修手冊(cè).

[3]HXN5型機(jī)車(chē)一、二級(jí)培訓(xùn)教程.