和谐内5型机车三位轴箱弹簧折断分析

潘忠铭，王轶峰，杜 强

1.哈尔滨铁路局安全监管办驻哈尔滨机务段验收室，黑龙江 哈尔滨 150001

2.哈尔滨机务段，黑龙江 哈尔滨 150001

3.哈尔滨铁路局安全监管办驻大功率机车检修基地验收室，黑龙江 哈尔滨 150001

2009年5月至今哈尔滨机务段陆续配置了300台和谐内5型机车（以下均简称为HXN5型机车）。该型机车是由美国GE公司设计戚墅堰机车厂生产的交流传动机车，具有功率大、牵引力大、油耗低、排放低、检修方便等特点。 同时新型号机车投入运用一年来也暴露出了许多设计和质量上的问题，特别是机车第三位轴箱弹簧经常折断。给机车正常安全运用带来了很大的安全隐患。下面就对造成机车第三位轴箱弹簧经常折断的原因进行深入分析和探讨，并制定防止断裂的措施。

1 故障现象

2011年1月份～2月份HXN5型机车出现了9起轴箱弹簧折断故障，严重影响了机车安全运用，通过对故障机车进行全面检查，发现有以下故障共性。

1）多数断裂发生在三位轴箱弹簧；

2）三位轮对轮缘基本不磨耗；

3）三位轮踏面磨耗凹陷严重；

4）三位轴箱横动量比较小；

5）弹簧折断部位基本在每一有效圈。

2 弹簧断裂分析

2.1 弹簧断口位置及断面分析

发生弹簧折断的位置是机车1、3、4位轴，其中6起发生在机车的三位轴箱上。根据断口照片显示，机车轴箱弹簧发生断裂的部位均在弹簧上端1-1.5圈位置如图1所示。

图1 轴箱弹簧断口形状和位置

从图1可看出轴箱弹簧折断位置基本相同，裂口形状大置也相同，说明轴箱折断由同一原因所致。由断口可以看到，弹簧断裂全部发生在第一有效圆，从断口形状分析，断口下部分为疲劳断面，可见由交变应力作用产生的海滩纹，断口海滩纹以上区域快断粗瓷性断口。断口处有一处剪切唇。

2.2 轴箱及轴箱横动量对弹簧的影响

经过对折断弹簧所在轴位轮对踏面形状观察，发现轮对踏面磨耗极不均匀，主要集中在踏面中间，向内凹陷严重。机车轮对在钢轨上即要做滚动运动，为了使轮对踏面能够均匀磨耗还要做蛇行运动。由于HXN5型新造机车三位轮对横动量较小，GE公司规定为3位轮导框横向间隙为5 mm （报废极限9mm）。经过对多台机车实测3位轮最小的横动量仅为1.25mm，最大的横动量为4mm。这么小的横动量不能保证机车轮对在钢轨上做蛇行运动，导致钢轨只在轮对踏面中间部位磨耗，最终在钢轨上磨出一条凹陷的深沟。

另一方面，由于HXN5型机车轴箱固定方式采用导框钢性定位方式，纵向和横向量都比较小，轴箱弹簧下部移动被限定在一个很小的范围内。而且2、5位轮的横动量较大为：为14mm（报废极限为18mm0）一直没有出现弹簧折断现象，所以基本排除纵向和横向方面剪切的原因及材质方面原因。

2.3 轮对踏面形状对弹簧的影响

由于HXN5型机车是单端缲纵机车，3、6位轮始终不参与导向，并且3、6位轮横动量较小，造成轮对踏面不能在轨面上做蛇形运动，轮对踏面在钢轨上滚动始终局限在一个位置，磨耗时间长了就会在踏面上形成一个钢轨轨面形状的深沟并且轮缘加厚。例如，HXN50164机车三位轴箱弹簧在同一部位折断三次，之后经过对踏面镟轮恢复踏面形状后，轴箱弹簧再没有发生折断。下图左为该车轮轴箱弹簧折断后所拍的轮对踏面。这条凹陷的沟反过来又将轮对横向固定在钢轨上，在机车通过曲线时，只能靠仅有的轴箱横动量和转向架回转位移通过曲线。如果转向架回转阻力大就会迫使轮对踏面的外侧、中间、轮缘侧做蛇形运动。

图2 图左为轮对踏凹陷、中间为轮对踏外侧在钢轨下状态、右为轮对踏面里侧在钢轨上状态

2.4 轮对踏面不圆度及同转向架轮经差对轴箱弹簧的影响

由于机车3位轮踏面凹陷造成轮对踏面横向不圆度加大，车轮滚动圆不圆度将对轴箱弹簧的垂向造成额外周期性冲击载荷，当周期性冲击载荷大于弹簧疲劳载荷振幅时，弹簧就有断裂的危险。另外，由于HXN5型机车检修工艺中对轮径差要求尺寸不严造轮经差较大，工艺中规定同转向架不超过19mm。这么大的轮径差如果发生三位轮上，会造成三位轮垂向额外周期性冲击载荷成倍增加，加速轴箱弹簧断裂。

3 结论

由于HXN5型机车3位轮轴箱横量小，在正常直线运用时，轮对踏面不做蛇行运动。就会在轮对踏面正中磨出一个凹陷深沟，另一方面由于同一转向架轮径差较大。在机车通过曲线时轮对踏面就会在不同的轮径上，上下滚动（如图2中、右所示）。造成对轴箱弹簧的垂向额外周期性冲击载荷加大，最终导致轴箱弹簧疲劳断裂。

4 预防轴箱弹簧断裂措施

1）定期对机车踏面形状进行检测，踏面凹陷比较严重的（超过1.5mm）必须进行恢复原型；

2）严格限定同轴和同一转向架轮径差（同轴为不超过1mm，同一转向架不超过10mm），在更换轮对时根据轮径差大小对轴箱弹簧加垫调整；

3）可适当放大1、3、4、6位轮对轴箱横动量，保证轮对在钢轨上做正常蛇形运动，使轮对踏面均匀磨耗。

[1]铁路机车检修百科全.

[2]现代铁路机车故障诊断检修手册.

[3]HXN5型机车一、二级培训教程.