HXN5机车橡胶堆故障分析

张东东 高文

南车戚墅堰机车有限公司产品设计部，江苏 常州 213011

概述

针对HXN5机车转向架在运用中暴露出橡胶堆开裂、工作高超差的问题，对HXN5橡胶堆故障原因作了分析，与DF8B机车的橡胶堆做了对照，提出了质量控制建议。

HXN5机车转向架的旁承由一个中心橡胶堆和两个侧橡胶堆组成，中心橡胶堆由8层橡胶和9块钢板组成叠层结构；侧橡胶堆由7层橡胶和8块钢板组成叠层结构。橡胶堆的保证无修理运用期为90万公里或机车落成后的48个月，但是HXN5机车二年检的时候，已出现橡胶堆开裂、工作高超差的情况。

1 故障描述

1.1 橡胶堆开裂

通过HXN5机车在机务段运用的情况，中心橡胶堆和侧橡胶堆存在开裂的现象，如图1所示。橡胶堆开裂会导致橡胶堆的失效，必须对开裂的橡胶堆及时更换。根据HXN5机车的检修要求，只要一个橡胶堆损坏，就需要更换转向架的所有3个橡胶堆，故障橡胶堆的维护成本很高。

1.2 工作高超差

图1 开裂的橡胶堆

按HXN5机车技术要求，中心橡胶堆的工作高要求为227±0.7，侧橡胶堆的工作高为182±0.7。在HXN5机车二年检时，部分中心橡胶堆和侧橡胶堆存在超差的现象，即中心橡胶堆的工作高小于226.3，侧橡胶堆的工作高小于181.3。

2 原因分析

2.1 橡胶堆应力对开裂的影响

2.1.1 HXN5机车中心橡胶堆压应力及剪切应力计算

已知 橡胶层半径r=138mm

橡胶层高度 H=20.5mm

橡胶层数 n=8层

橡胶硬度50HS

弹性模量E=2.32N/mm2

剪切模量G=0.8N/mm2

a）橡胶堆横向刚度计算

一层橡胶横向刚度

八层橡胶的串联横向刚度，即橡胶堆的横向刚度：

b）压应力计算

已知中心橡胶堆的垂向载荷

则压应力

c) 剪切应力计算

从HXN5机车的几何曲线通过计算可知，中心橡胶堆最大剪切位移X=150

则橡胶堆最大剪切位移时的剪切力Q2=150*280.2=42030N

则橡胶堆的剪切应力

2.1.2 同理，可知HXN5 机车侧橡胶堆压应力为4.028N/mm2，剪切应力为0.694 N/mm2。

2.1.3 HXN5与DF8B橡胶堆的应力对比，见表1。

表1 应力对比

DF8B机车橡胶堆由8层橡胶和9块钢板组成叠层结构，橡胶堆自由高度为（280±4）mm，在垂向载荷132.06kN时，挠度为9+2-3mm。通常橡胶堆可以满足一个大修期（90万公里或四年）无修理的要求，从大修车上更换下来的橡胶堆来看，其状态仍然很好，没有开裂，撕裂等故障。

通过表1中数据的对比，HXN5机车的橡胶堆相对DF8B机车的橡胶堆来说，HXN5橡胶堆的压应力和剪切应力都相对较大。因此，HXN5机车的橡胶堆承受的应力水平是比较高的。

2.2 橡胶堆的硬度对开裂影响

橡胶堆的开裂是由于橡胶的物理性能和结构发生变化，形成裂纹并逐步扩展，最终形成破坏导致开裂。

橡胶堆的硬度越小，导致弹性模量和剪切模量也越低，垂向和横向的刚度也随之较低，则橡胶堆承受相同的外力时产生的变形越大。较大的变形导致橡胶堆裂纹的扩展，达到一定程度则出现开裂。

HXN5橡胶堆橡胶的橡胶硬度为50HS,一般橡胶堆橡胶的硬度范围为55HS～70HS，HXN5机车橡胶堆比较软，可以推断出，在机车运行中，橡胶堆由于承受动态压缩、剪切和扭曲作用力，产生较大的变形，从而一定程度上使橡胶堆在不到使用寿命的时间内出现开裂等故障。

2.3 橡胶蠕变堆对工作高的影响

橡胶堆的蠕变特性是工作高超差的主要因素，蠕变是指在一定的应力下，橡胶的应变随时间的增长而增大的现象。按照TB/T2843-2007，橡胶堆在寿命期内的蠕变不大于20%。因为HXN5中心橡胶堆静挠度为12mm，侧橡胶堆静挠度为8mm，则HXN5中心橡胶堆和侧橡胶堆的蠕变最大分别可达2.4mm和1.6mm，都已经超出工作高公差±0.7mm的范围。

3.故障的处理方法

3.1 橡胶堆开裂

橡胶堆制造过程中，通过调整橡胶层形状、适当调高橡胶硬度、提高工艺质量等措施，可减少橡胶堆开裂的情况。

橡胶堆在装车运用时，检查橡胶堆的状态，如橡胶堆裂纹长度超过50mm或裂纹深度大于13mm须进行更换。

3.2 工作高超差

通常情况下，机车车体的调高和调平，都是通过橡胶堆加调整垫片来进行。HXN5机车通过橡胶堆的工作高控制在±0.7mm，以及调整垫片固定在车体的方式来调高和调平。HXN5机车第一次调高和调平后，此后HXN5机车的架车、落车都不需要调高和调平，具有一定的先进性。

如果通过筛选满足工作高要求的橡胶堆装车，就会有部分橡胶堆未使用到两年就不能使用，此方法不具有经济性。对于HXN5机车修理时发现工作高超差的橡胶堆，可以通过检验橡胶堆的刚度，如果橡胶堆的刚度满足中心橡胶堆18000N±30%，侧橡胶堆17000N±30%的要求，可通过加调整垫片，使中心橡胶堆的工作高达到227±0.7，侧橡胶堆的工作高达到182±0.7，从而继续使用。

4.结语

在实际运用中，HXN5机车橡胶堆出现的故障如开裂、工作高超差都不同程度的存在，没有达到一个大修期无修理的要求。可见，HXN5机车橡胶堆由于压应力较大、橡胶硬度较软，需要对制造有较高的要求，须严格控制制造工艺，才能满足橡胶堆的运用要求。

[1]QSJZ13-00JS.1.双司机室HXN5B内燃机车几何曲线通过计算

[2]QSJ7-51-01JS.东风8型内燃机车橡胶堆旁承计算

[3]鲍维千主编.机车总体及转向架.北京：中国铁道出版社,2010.8