HXD3机车一二系弹簧工作高超高的原因分析与处理

徐世武

（天津电力机车有限公司，天津 300000）

HXD3机车一二系弹簧工作高超高的原因分析与处理

徐世武

（天津电力机车有限公司，天津 300000）

针对HXD3机车一二系弹簧在检修中发现工作高超高的现象，从弹簧生产制造过程、检测条件、检修工艺等方面阐述了弹簧工作高超高的影响因素，并提出了处理的方法。

弹簧；工作高；超高；分析；处理

1 概述

HXD3系列电力机车一、二系悬挂装置采用圆柱压缩螺旋弹簧，根据机车检修技术规程的要求，一、二系弹簧对自由高、工作高都有限度要求，但在机车检修过程中发现，部分弹簧试验压缩高（简称“工作高”）有增高的现象（见表1）。

表1 一二簧工作高超高数量统计表

其中，一系簧（即“轴箱弹簧”）自由高限度要求为 222+2-4mm，加压 47.5kN，试验压缩高应在173.4+2-4mm。累计检查3840件，工作高超高的一系簧共426件，占比11.09%。二系簧（即“高圆簧”）自由高度限度要求为565+5-4mm，加压73.6kN，试验压缩高限度要求为460.8+3-4mm。累计检查160台份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 弹簧制造的影响

弹簧的主要生产工艺过程为:下料→端部加热→碾尖→电阻炉整体加热→热卷簧→余热淬火→回火→预压→支撑圈平磨→抛丸→磁粉探伤→喷漆[1]。弹簧整体回火处理能释放热卷簧、淬火过程中产生的残余应力，消除效率可达50%～70%。弹簧表面抛丸处理也能降低一部分残余应力，并在弹簧表面形成压应力层，对提高弹簧的抗疲劳强度有一定作用。

在弹簧热卷形变过程中，弹簧外表面受拉应力，内表面受压应力，外部应力超过棒材屈服极限，使弹簧变形弯曲成螺旋形。在机车运用中，由于轮轨接触振动及车内设备工作的原因，车体、构架处于高频振动状态，频繁地振动施压使弹簧内部残余应力逐渐释放。应力释放使弹簧发生形变，从高度方向看有使弹簧增高的可能性，这种现象只存在于弹簧运用初期，且影响有限，如图1所示。

图1 弹簧内部应力示意图

2.2 试验设备的影响

机车一二系弹簧压力试验机采用TLW-HG300型机车弹簧专用压力试验机，据设备生产厂家提供数据，设备测量误差与测试弹簧高度有关，测量误差=±(50+0.15L)μm，其中L为弹簧测试工作高度。由此可知，高圆簧工作高测量误差为±0.119mm、轴箱弹簧工作高测量误差为±0.076mm。

为测试设备试验误差范围是否在允许范围内，对同一轴箱弹簧每隔1天进行1次测量，共测量12次，所得工作高最大值与最小值相差0.22mm，超出设备允许误差±0.034mm。

2.3 试验压力的影响

按照TB/T2211-2010《机车车辆悬挂装置钢制

螺旋弹簧》的规定，弹簧试验压力允差在公称值的1%公差范围内。弹簧刚度、试验力、轴向位移三者的关系如下：

式中：（Fv-Fu）是工作高与自由高测试试验力之差，（Lu-Lv）是在（Fv-Fu）力作用下的轴向位移，Ks是轴向刚度（单位kN/mm）。

由此公式计算可知，HXD3机车轴箱弹簧名义刚度为0.975kN/mm，高圆簧名义刚度0.417kN/mm。如果弹簧制造单位与检修单位试验力均符合要求但存在±1%的误差，由上述公式计算可知，同一轴箱弹簧或高圆簧工作高测量可能存在±0.486mm或± 1.76mm的误差。

2.4 漆膜厚度影响

现场调查机车弹簧检修工艺过程，弹簧工作高检测在喷漆后进行，弹簧上下端面、端圈与相邻圈接触线等六处漆膜会对检测结果发生影响。

为了测试漆膜对试验工作高度的影响程度，选择24组轴箱弹簧，分别在喷漆前与喷漆后进行工作高的检测。经对比发现，弹簧喷漆后工作高增加量在（0.1～0.50）mm。由于漆膜厚度无法严格控制，接触线处漆膜厚度无法测量，漆膜厚度对弹簧试验工作高度的测量的影响是不确定的，应予排除。

2.5 抛丸过程的影响

抛丸处理是弹簧检修过程中的一个环节。检修弹簧抛丸的目的是去除弹簧表面的漆层、铁锈、氧化皮，露出弹簧金属表面，方便探伤。在弹簧制造过程中，也要进行抛丸，目的是去除表面氧化皮并进行表面强化。TB/T2211-2010中规定，弹簧表面抛丸后，表面以下0.2mm深度内压应力应达到500MPa，弹簧表面以下0.5mm深度内压应力应达到100MPa。

考虑到抛丸对工件表面的硬化作用会使弹簧轴向刚度发生变化，进而影响工作高测试结果，故对机车上拆解下的轴箱弹簧抛丸前后工作高分别进行测试。对比发现，抛丸前后轴箱弹簧工作高存在增高的现象，增高幅度（0.50～0.70）mm，但对自由高影响不大。这说明，弹簧表面抛丸处理对弹簧工作高增加有较大影响。

3 分析结论

综上所述，大部分弹簧工作高超高量在1.0mm以内，少量弹簧工作高在1.5mm以上。结合以上试验、分析结果，导致弹簧工作高超高的主要原因是漆膜厚度和抛丸过程影响所致。此外，弹簧内部残余应力释放、试验设备测量误差、不同试验力误差对弹簧测量结果也有一定影响。

4 处理措施

定期检定试验设备，保证设备测量数据、试验力在可控范围内，避免设备精度误差导致的误判。喷漆过程中漆膜厚度不易控制，对测量数据存在不良影响，弹簧工作高的测量须安排在喷漆前进行。

弹簧工作高少量超限，对弹簧运用而言没有不良影响。从工艺质量控制角度考虑，应适当提高工作高检测限度。根据多方测试分析结果，建议将一二系弹簧工作高上限值上调2mm。但不同位置弹簧的配组误差保持不变，以保证机车轴重、轮重分布的均匀性。目前，HXD3、HXD3C型电力机车C5检修技术规程已就此作出了变更[5]。

个别试验工作高度超限较大弹簧，可在平面磨床上修磨，以达到技术标准规定的要求。需要注意的是，磨削端面后，原有的预制压应力层被破坏，需要重新进行抛丸处理。

5 结束语

弹簧工作高检测是弹簧检修中的重要环节，检测数据的准确性对机车轴重的调整十分重要。通过分析、试验和数据比对，使我们对影响弹簧工作高检测的各种因素有了充分的认识。通过消除不良因素，完善检测环境，制定科学合理的检测工艺标准，弹簧工作高测量超高的现象得到了妥善解决，既保证了机车检修过程中测量数据的准确性，也解决了生产中遇到的技术障碍。

[1] 焦力隆，侯现军，李绍杰，等.铁路机车用52CrMoV4弹簧失效分析[J].河北冶金，2013，（5).

[2] 王树明，孙守志.HXD3B型机车轴箱弹簧断裂原因分析及预防措施[J].的的铁道机车与动车，2014，（10）.

[3] 樊云霞，刘春艳，王青权.轴箱弹簧刚度对车辆运行性能影响研究[J].城市轨道交通研究，2014，（11）.

[4] 铁路行业标准[S].TB/T2211-2010机车车辆悬挂装置钢制螺旋弹簧，铁道部，2011.

[5] 中国铁路总公司，HXD3电力机车检修技术规程（C5修）V1.0[J].中国铁道出版社，2015.

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