HXD3機(jī)車一二系彈簧工作高超高的原因分析與處理

徐世武

（天津電力機(jī)車有限公司，天津 300000）

HXD3機(jī)車一二系彈簧工作高超高的原因分析與處理

徐世武

（天津電力機(jī)車有限公司，天津 300000）

針對HXD3機(jī)車一二系彈簧在檢修中發(fā)現(xiàn)工作高超高的現(xiàn)象，從彈簧生產(chǎn)制造過程、檢測條件、檢修工藝等方面闡述了彈簧工作高超高的影響因素，并提出了處理的方法。

彈簧；工作高；超高；分析；處理

1 概述

HXD3系列電力機(jī)車一、二系懸掛裝置采用圓柱壓縮螺旋彈簧，根據(jù)機(jī)車檢修技術(shù)規(guī)程的要求，一、二系彈簧對自由高、工作高都有限度要求，但在機(jī)車檢修過程中發(fā)現(xiàn)，部分彈簧試驗壓縮高（簡稱“工作高”）有增高的現(xiàn)象（見表1）。

表1 一二簧工作高超高數(shù)量統(tǒng)計表

其中，一系簧（即“軸箱彈簧”）自由高限度要求為 222+2-4mm，加壓 47.5kN，試驗壓縮高應(yīng)在173.4+2-4mm。累計檢查3840件，工作高超高的一系簧共426件，占比11.09%。二系簧（即“高圓簧”）自由高度限度要求為565+5-4mm，加壓73.6kN，試驗壓縮高限度要求為460.8+3-4mm。累計檢查160臺份1920件，工作高超高的二系簧共250件，占比13.02%。

2 原因分析

2.1 彈簧制造的影響

彈簧的主要生產(chǎn)工藝過程為:下料→端部加熱→碾尖→電阻爐整體加熱→熱卷簧→余熱淬火→回火→預(yù)壓→支撐圈平磨→拋丸→磁粉探傷→噴漆[1]。彈簧整體回火處理能釋放熱卷簧、淬火過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，消除效率可達(dá)50%～70%。彈簧表面拋丸處理也能降低一部分殘余應(yīng)力，并在彈簧表面形成壓應(yīng)力層，對提高彈簧的抗疲勞強(qiáng)度有一定作用。

在彈簧熱卷形變過程中，彈簧外表面受拉應(yīng)力，內(nèi)表面受壓應(yīng)力，外部應(yīng)力超過棒材屈服極限，使彈簧變形彎曲成螺旋形。在機(jī)車運(yùn)用中，由于輪軌接觸振動及車內(nèi)設(shè)備工作的原因，車體、構(gòu)架處于高頻振動狀態(tài)，頻繁地振動施壓使彈簧內(nèi)部殘余應(yīng)力逐漸釋放。應(yīng)力釋放使彈簧發(fā)生形變，從高度方向看有使彈簧增高的可能性，這種現(xiàn)象只存在于彈簧運(yùn)用初期，且影響有限，如圖1所示。

圖1 彈簧內(nèi)部應(yīng)力示意圖

2.2 試驗設(shè)備的影響

機(jī)車一二系彈簧壓力試驗機(jī)采用TLW-HG300型機(jī)車彈簧專用壓力試驗機(jī)，據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供數(shù)據(jù)，設(shè)備測量誤差與測試彈簧高度有關(guān)，測量誤差=±(50+0.15L)μm，其中L為彈簧測試工作高度。由此可知，高圓簧工作高測量誤差為±0.119mm、軸箱彈簧工作高測量誤差為±0.076mm。

為測試設(shè)備試驗誤差范圍是否在允許范圍內(nèi)，對同一軸箱彈簧每隔1天進(jìn)行1次測量，共測量12次，所得工作高最大值與最小值相差0.22mm，超出設(shè)備允許誤差±0.034mm。

2.3 試驗壓力的影響

按照TB/T2211-2010《機(jī)車車輛懸掛裝置鋼制

螺旋彈簧》的規(guī)定，彈簧試驗壓力允差在公稱值的1%公差范圍內(nèi)。彈簧剛度、試驗力、軸向位移三者的關(guān)系如下：

式中：（Fv-Fu）是工作高與自由高測試試驗力之差，（Lu-Lv）是在（Fv-Fu）力作用下的軸向位移，Ks是軸向剛度（單位kN/mm）。

由此公式計算可知，HXD3機(jī)車軸箱彈簧名義剛度為0.975kN/mm，高圓簧名義剛度0.417kN/mm。如果彈簧制造單位與檢修單位試驗力均符合要求但存在±1%的誤差，由上述公式計算可知，同一軸箱彈簧或高圓簧工作高測量可能存在±0.486mm或± 1.76mm的誤差。

2.4 漆膜厚度影響

現(xiàn)場調(diào)查機(jī)車彈簧檢修工藝過程，彈簧工作高檢測在噴漆后進(jìn)行，彈簧上下端面、端圈與相鄰圈接觸線等六處漆膜會對檢測結(jié)果發(fā)生影響。

為了測試漆膜對試驗工作高度的影響程度，選擇24組軸箱彈簧，分別在噴漆前與噴漆后進(jìn)行工作高的檢測。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，彈簧噴漆后工作高增加量在（0.1～0.50）mm。由于漆膜厚度無法嚴(yán)格控制，接觸線處漆膜厚度無法測量，漆膜厚度對彈簧試驗工作高度的測量的影響是不確定的，應(yīng)予排除。

2.5 拋丸過程的影響

拋丸處理是彈簧檢修過程中的一個環(huán)節(jié)。檢修彈簧拋丸的目的是去除彈簧表面的漆層、鐵銹、氧化皮，露出彈簧金屬表面，方便探傷。在彈簧制造過程中，也要進(jìn)行拋丸，目的是去除表面氧化皮并進(jìn)行表面強(qiáng)化。TB/T2211-2010中規(guī)定，彈簧表面拋丸后，表面以下0.2mm深度內(nèi)壓應(yīng)力應(yīng)達(dá)到500MPa，彈簧表面以下0.5mm深度內(nèi)壓應(yīng)力應(yīng)達(dá)到100MPa。

考慮到拋丸對工件表面的硬化作用會使彈簧軸向剛度發(fā)生變化，進(jìn)而影響工作高測試結(jié)果，故對機(jī)車上拆解下的軸箱彈簧拋丸前后工作高分別進(jìn)行測試。對比發(fā)現(xiàn)，拋丸前后軸箱彈簧工作高存在增高的現(xiàn)象，增高幅度（0.50～0.70）mm，但對自由高影響不大。這說明，彈簧表面拋丸處理對彈簧工作高增加有較大影響。

3 分析結(jié)論

綜上所述，大部分彈簧工作高超高量在1.0mm以內(nèi)，少量彈簧工作高在1.5mm以上。結(jié)合以上試驗、分析結(jié)果，導(dǎo)致彈簧工作高超高的主要原因是漆膜厚度和拋丸過程影響所致。此外，彈簧內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放、試驗設(shè)備測量誤差、不同試驗力誤差對彈簧測量結(jié)果也有一定影響。

4 處理措施

定期檢定試驗設(shè)備，保證設(shè)備測量數(shù)據(jù)、試驗力在可控范圍內(nèi)，避免設(shè)備精度誤差導(dǎo)致的誤判。噴漆過程中漆膜厚度不易控制，對測量數(shù)據(jù)存在不良影響，彈簧工作高的測量須安排在噴漆前進(jìn)行。

彈簧工作高少量超限，對彈簧運(yùn)用而言沒有不良影響。從工藝質(zhì)量控制角度考慮，應(yīng)適當(dāng)提高工作高檢測限度。根據(jù)多方測試分析結(jié)果，建議將一二系彈簧工作高上限值上調(diào)2mm。但不同位置彈簧的配組誤差保持不變，以保證機(jī)車軸重、輪重分布的均勻性。目前，HXD3、HXD3C型電力機(jī)車C5檢修技術(shù)規(guī)程已就此作出了變更[5]。

個別試驗工作高度超限較大彈簧，可在平面磨床上修磨，以達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。需要注意的是，磨削端面后，原有的預(yù)制壓應(yīng)力層被破壞，需要重新進(jìn)行拋丸處理。

5 結(jié)束語

彈簧工作高檢測是彈簧檢修中的重要環(huán)節(jié)，檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對機(jī)車軸重的調(diào)整十分重要。通過分析、試驗和數(shù)據(jù)比對，使我們對影響彈簧工作高檢測的各種因素有了充分的認(rèn)識。通過消除不良因素，完善檢測環(huán)境，制定科學(xué)合理的檢測工藝標(biāo)準(zhǔn)，彈簧工作高測量超高的現(xiàn)象得到了妥善解決，既保證了機(jī)車檢修過程中測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也解決了生產(chǎn)中遇到的技術(shù)障礙。

[1] 焦力隆，侯現(xiàn)軍，李紹杰，等.鐵路機(jī)車用52CrMoV4彈簧失效分析[J].河北冶金，2013，（5).

[2] 王樹明，孫守志.HXD3B型機(jī)車軸箱彈簧斷裂原因分析及預(yù)防措施[J].的的鐵道機(jī)車與動車，2014，（10）.

[3] 樊云霞，劉春艷，王青權(quán).軸箱彈簧剛度對車輛運(yùn)行性能影響研究[J].城市軌道交通研究，2014，（11）.

[4] 鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].TB/T2211-2010機(jī)車車輛懸掛裝置鋼制螺旋彈簧，鐵道部，2011.

[5] 中國鐵路總公司，HXD3電力機(jī)車檢修技術(shù)規(guī)程（C5修）V1.0[J].中國鐵道出版社，2015.

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