HXD1C型機(jī)車一系圓簧斷裂原因分析

摘要：針對HXD1C型機(jī)車圓簧斷裂現(xiàn)象，從圓簧制造、端口分析、化學(xué)分析、金相檢驗(yàn)和使用方面進(jìn)行分析，通過改進(jìn)達(dá)到減少機(jī)車走行部故障和臨修的目的。

關(guān)鍵詞：機(jī)車；圓簧；斷裂；

1．問題提出

高速機(jī)車車輛的動力學(xué)性能及運(yùn)行品質(zhì)在很大程度上取決于彈簧懸掛系統(tǒng)的特性，運(yùn)行中若發(fā)生懸掛彈簧斷裂將嚴(yán)重危及行車安全。機(jī)車一系彈簧位于軸箱與構(gòu)架之間，除承擔(dān)車體、構(gòu)架的重量外，對于采用軸箱單拉桿的結(jié)構(gòu)形式還要提供橫向剛度，幫助輪對導(dǎo)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(gòu)架，以減小線路對構(gòu)架的動作用力。因此，一系彈簧的工作環(huán)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(jī)務(wù)段支配使用HXD1C型0244機(jī)車第5輪對發(fā)現(xiàn)一系彈簧斷裂，給機(jī)車運(yùn)行安全帶來很大的隱患。為了減少圓簧斷裂故障的發(fā)生，現(xiàn)對HXD1C型機(jī)車一系圓簧斷裂原因進(jìn)行分析。

2．原因分析

2.1 線路條件

一系彈簧動荷系數(shù)與線路條件之間的定性關(guān)系是明確的，但目前還沒有定量關(guān)系，按照一般設(shè)計(jì)要求，一系彈簧至少要達(dá)到2×106次的疲勞壽命。而疲勞壽命不僅取決于彈簧的基礎(chǔ)應(yīng)力，也取決于彈簧的動荷系數(shù)，而動荷系數(shù)應(yīng)與線路條件以及機(jī)車的運(yùn)行速度相適應(yīng)。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(shù)

我國鐵路機(jī)車車輛用作懸掛的彈簧，其動荷系數(shù)見TB/T1025-2000《機(jī)車車輛用熱卷螺旋壓縮彈簧供貨技術(shù)條件》。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：內(nèi)燃、電力機(jī)車彈簧的動荷系數(shù)K=0.25。HXD1C型機(jī)車的設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合要求。但機(jī)車動荷系數(shù)沒有一、二系之分，但是經(jīng)過一系懸掛的衰減，二系動荷要比一系小得多，個(gè)人認(rèn)為不合理。

2.3 斷口分析

HXD1C型0244機(jī)車一系彈簧斷裂位置見圖1，從斷裂位置看，斷裂發(fā)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(gè)斷口與典型的疲勞斷裂形態(tài)非常相似。機(jī)務(wù)段初步判斷為彈簧工作狀態(tài)下在該處受到支承圈末端擠壓而產(chǎn)生表面損傷, 萌生疲勞裂紋源。認(rèn)為HXD1C型0244機(jī)車一系彈簧斷裂為設(shè)計(jì)強(qiáng)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(jī)車有限公司進(jìn)行了檢測分析，經(jīng)南方匯通股份有限公司試驗(yàn)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(jīng)檢驗(yàn)，硬度為48 HRC，符合圖紙及技術(shù)要求的45-50HRC。

2.6 裂紋分析

彈簧的裂紋源在磨削面，用砂紙?jiān)谀ハ髅嫔洗蚰?，發(fā)現(xiàn)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(jù)檢測結(jié)果得出，彈簧的斷裂原因是：磨削過程產(chǎn)生硬而脆的二次馬氏體（淬硬層），使彈簧制扁位在應(yīng)力作用下易于產(chǎn)生微裂紋導(dǎo)致彈簧斷裂。彈簧生產(chǎn)過程中端面及制扁位需要進(jìn)行磨削加工。因此認(rèn)為HXD1C型0244機(jī)車一系彈簧斷裂是在彈簧生產(chǎn)過程中端面及制扁位磨削時(shí)產(chǎn)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(yīng)是彈簧斷裂的根本因素。

（2）斷簧的動荷系數(shù)、表層、?R處、心部金相組織及硬度檢測均符合技術(shù)規(guī)范要求，彈簧設(shè)計(jì)強(qiáng)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(gè)斷口與典型的疲勞斷裂形態(tài)非常相似，斷裂發(fā)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(kuò)展，擴(kuò)展至一定面積后則產(chǎn)生瞬時(shí)斷裂。

（4）一般符合設(shè)計(jì)要求的彈簧不允許有淬硬層，其硬而脆，易于產(chǎn)生微裂紋，其自身的抗御載荷能力不足, 當(dāng)在交變載荷持續(xù)作用下，多處萌生微裂紋并擴(kuò)展為疲勞裂紋，疲勞裂紋在后續(xù)的服役中繼續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)斷簧受力截面無法支撐所受載荷的抗力時(shí)，快速擴(kuò)展發(fā)生瞬間斷裂。

4．結(jié)束語

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

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

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

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

5．參考文獻(xiàn)

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[4] 王隨. 機(jī)車一系圓簧斷裂原因分析[J].電力機(jī)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(jī)務(wù)段，工程師，本科學(xué)歷，機(jī)車檢修方向。