HXD1C型机车一系圆簧断裂原因分析

摘要：针对HXD1C型机车圆簧断裂现象，从圆簧制造、端口分析、化学分析、金相检验和使用方面进行分析，通过改进达到减少机车走行部故障和临修的目的。

关键词：机车；圆簧；断裂；

1．问题提出

高速机车车辆的动力学性能及运行品质在很大程度上取决于弹簧悬挂系统的特性，运行中若发生悬挂弹簧断裂将严重危及行车安全。机车一系弹簧位于轴箱与构架之间，除承担车体、构架的重量外，对于采用轴箱单拉杆的结构形式还要提供横向刚度，帮助轮对导向，此外，一系弹簧还必须有能力将线路对轮对的冲击缓冲后再传给构架，以减小线路对构架的动作用力。因此，一系弹簧的工作环境是比较恶劣的，线路越差，则其工作条件就越差，这会极大地影响弹簧寿命。2013年1月11日，襄阳机务段支配使用HXD1C型0244机车第5轮对发现一系弹簧断裂，给机车运行安全带来很大的隐患。为了减少圆簧断裂故障的发生，现对HXD1C型机车一系圆簧断裂原因进行分析。

2．原因分析

2.1 线路条件

一系弹簧动荷系数与线路条件之间的定性关系是明确的，但目前还没有定量关系，按照一般设计要求，一系弹簧至少要达到2×106次的疲劳寿命。而疲劳寿命不仅取决于弹簧的基础应力，也取决于弹簧的动荷系数，而动荷系数应与线路条件以及机车的运行速度相适应。线路条件是一系弹簧断裂的诱因，但不是根本原因。

2.2 动荷系数

我国铁路机车车辆用作悬挂的弹簧，其动荷系数见TB/T1025-2000《机车车辆用热卷螺旋压缩弹簧供货技术条件》。标准规定：内燃、电力机车弹簧的动荷系数K=0.25。HXD1C型机车的设计强度符合要求。但机车动荷系数没有一、二系之分，但是经过一系悬挂的衰减，二系动荷要比一系小得多，个人认为不合理。

2.3 断口分析

HXD1C型0244机车一系弹簧断裂位置见图1，从断裂位置看，断裂发生在一系上支承圈弹簧第3圈上（第2有效圈，即下支承圈）, 距下支承圈末端（碾尖头部）约20mm，接近制扁位。断口形貌见图 2，从断口形貌分析，断口与弹簧圆钢轴线约呈45°，整个断口与典型的疲劳断裂形态非常相似。机务段初步判断为弹簧工作状态下在该处受到支承圈末端挤压而产生表面损伤, 萌生疲劳裂纹源。认为HXD1C型0244机车一系弹簧断裂为设计强度不足所致。

图1图2

2.4 金相组织分析

断裂的弹簧送株洲机车有限公司进行了检测分析，经南方汇通股份有限公司试验室取样金相分析。断簧的表层、½R处、心部金相组织一致，均为回火索氏体+回火屈氏体+少量铁素体组织，属于合格组织。

2.5 硬度检测

切割后的断口试样经检验，硬度为48 HRC，符合图纸及技术要求的45-50HRC。

2.6 裂纹分析

弹簧的裂纹源在磨削面，用砂纸在磨削面上打磨，发现磨削面有裂纹，见图3。

在失效弹簧断口附近取样，用硝酸酒精腐蚀显微组织，组织含有二次马氏体，见图4。

圖3 图4

根据检测结果得出，弹簧的断裂原因是：磨削过程产生硬而脆的二次马氏体（淬硬层），使弹簧制扁位在应力作用下易于产生微裂纹导致弹簧断裂。弹簧生产过程中端面及制扁位需要进行磨削加工。因此认为HXD1C型0244机车一系弹簧断裂是在弹簧生产过程中端面及制扁位磨削时产生淬硬层的问题。

3．分析与讨论

（1）线路条件是外部因素，为弹簧断裂的诱因，加剧了弹簧的疲劳，但不应是弹簧断裂的根本因素。

（2）断簧的动荷系数、表层、½R处、心部金相组织及硬度检测均符合技术规范要求，弹簧设计强度不存在问题。

（3）从断簧断口宏观分析可知，该弹簧断裂断口与弹簧圆钢轴线约呈45°，整个断口与典型的疲劳断裂形态非常相似，断裂发生在弹簧的第 3 圈（下支承圈制扁位并紧处)，疲劳裂纹萌生后沿弹簧圆钢轴线约45°的方向扩展，扩展至一定面积后则产生瞬时断裂。

（4）一般符合设计要求的弹簧不允许有淬硬层，其硬而脆，易于产生微裂纹，其自身的抗御载荷能力不足, 当在交变载荷持续作用下，多处萌生微裂纹并扩展为疲劳裂纹，疲劳裂纹在后续的服役中继续扩展，当断簧受力截面无法支撑所受载荷的抗力时，快速扩展发生瞬间断裂。

4．结束语

（1）该弹簧由于生产过程中端面及制扁位磨削时操作存在不足，致使支撑圈硬度偏低和表面产生二次马氏体，二次马氏体硬而脆，形成淬硬层，在应力作用下产生微裂纹，并扩展为疲劳裂纹，随后疲劳裂纹不断扩展，最后导致弹簧疲劳断裂。

（2）为了确保机车一系弹簧的疲劳寿命，首先应提高弹簧的支撑圈表面的质量，保证其表面光滑平整，不产生淬硬层。

（3）对于出厂合格的一系圆簧，应消除上述工艺过程中的影响，并将其纳入寿命管理或运行公里数管理。

（4）在机车整备作业及出入库走行部检查时，对一系弹簧检查仍然是确保机车安全运行的重要手段之一。

5．参考文献

[1] 徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社,2007.

[2] 顾朴.材料力学[M].北京：高等教育出版社,1985.

[3] TB/T1025-2000,机车车辆用热卷螺旋压缩弹簧供货技术条件[S].

[4] 王随. 机车一系圆簧断裂原因分析[J].电力机车与城轨车辆,2009(5)45-47.

作者简介

栾金明（1983-）男，汉，湖北襄阳人，武汉铁路局襄阳机务段，工程师，本科学历，机车检修方向。