25G型客车轮对故障对转向架其它配件影响的分析

2014-05-04毛越法上海铁路局南京铁路办事处

上海铁道增刊 2014年2期

毛越法上海铁路局南京铁路办事处

近年来，25G型DC600 V客车作为既有客车的主型车种之一，被全路各铁路局广泛采购运用，例如上海铁路局配属的南京西-广州K527/8次，系南京铺镇车辆厂2008年12月新造车，车型25GDC600 V。运行一段时间后，该批客车因轮对故障集中发生，导致转向架及车体震动异常，进而使得转向架配件故障也集中发生。

1 故障概况

2009年初，K527/8次利用新车体运行，至5月份，乘务人员提交关于车辆震动大的反馈信息越来越多，检查发现部分轮对出现剥离、微小擦伤等故障，但经处理后，效果不大。在后续运用过程中，车辆震动现象越发严重，几乎每辆车都出现了高频震动现象，同时轴箱弹性定位套开胶、撕裂，轴箱油压减震器漏油失效，轴园簧折断，轮对偏磨、局部碾宽超限，轮缘锋芒，轮对滚动圆不正圆度超标等故障也频繁被发现。

2 故障原因分析

2.1 故障特点

通过对所有车辆的全面检查和发生故障的综合分析，发现相同车次的同批客车故障具备以下特点。一是早期出现弹性定位套开胶、撕裂故障。二是车辆振动较大合并轮对故障，车辆轮对左右轮径差较大，最大达到6.00 mm（2010年3月1日检测K528次3组中YZ25G 351669车 1、2位轮径差达6.00 mm）。车轮踏面局部碾宽和轮缘局部初步锋芒严重，踏面滚动圆不正圆度达2.65 mm，实测轮廓如图所示（见图1）。三是轴箱弹簧折断故障频发，通过分析均为疲劳断裂，折断部位多为弹簧弹性作用圈与支撑圈接触的部位（见图2）。轮对局部碾宽严重的车辆对应位置的轴圆簧折断较多，最多的位置重复发生3次。从运用时间看，编组于其他车次的同批次客车故障发生时间较南京西～广州K528次迟3个月左右，发生数量相对少一些。四是油压减震器故障主要表现为密封失效、漏油。五是上述故障往往同时发生在同一辆车上，各配件故障发生时间有一般性规律，即：先期转向架轴箱橡胶定位套撕裂，中期发现存在轮对故障，轴箱弹簧折断故障随后集中发生。各配件故障发生过程中伴随油压减震器漏油、折断等故障。

图1 踏面滚动圆不正圆度测量结果

图2 轴箱弹簧支承圈折断示意图

2.2 轮对故障对转向架其他配件的影响分析

2.2.1 振动的产生

轮对故障是车辆运行中产生振动的主要原因，振动能源作用于定位套、轴圆簧等，导致转向架这些部件发生故障，同时导致车体的振动。

轮对故障主要表现为轮对擦伤、轮对踏面剥离、轮对踏面碾宽、轮对滚动圆不正圆等，擦伤、踏面剥离、滚动圆不正圆等故障轮对在运行中形成了直接振动的来源，对一系轴箱弹簧、二系摇枕弹簧和车体均形成振动源。

以车轮原型尺寸为915 mm为例计算轮对一处擦伤产生的车辆转向架振动频率：

轮对周长915π mm，即2.87 m，若轮对仅1处擦伤（或碾堆凸出），则每运行2.87 m，将有一次激振，根据速度计算激振频率为：按照110 km/h速度运行计算，1处擦伤时，车轮振动频率为10.65 Hz，若轮对有2处擦伤，振动频率将增加1倍达到21.3 Hz，若轮对有3处擦伤，振动频率将是达31.8 Hz。

由上述计算推断轮径越小，振动频率越高，速度越高，振动频率也越高。也就是说，在速度达到110 km/h时，一处凹入的轮对振动频率为10.65 Hz,个别车辆轮对有多处凹入的，振动频率将成倍增加，轮对震动是车辆震动的振动源，震动能源经过一次轴向弹簧、二次摇枕弹簧悬挂装置和油压减震器等衰减传到到车辆上部，在线路、速度等多重因素作用下，表现为车辆上部车体的高频震动，给旅客带来不舒适感、不安全感。按照人体工程学原理，振动频率超过10 Hz属于高频振动，给人体带来极不舒适感觉，也会对人体产生振动危害。

同时，高频振动对转向架簧下部件冲击经过轴箱油压减震器阻尼衰减，而大部分油压减震器漏油使得阻尼失效，运行中轮对自激振动能量将直接作用于轴箱弹簧。

2.2.2 轴箱弹簧刚度与振动的关系

在K527/8次的车辆运行区间为广州～南京，最高限速120 km/h，列车超员现象时有存在，在投入运营10个月后，陆续发生弹簧折断故障。在对故障车辆进行全面技术检查后，普遍存在车轮踏面剥离、磨损、多边形等不良现象，特别是部分车辆车轮踏面滚动圆不正圆度达到2.68 mm。在德标DIN27204-1中规定，运行速度为60 km/h～160 km/h的车辆，车轮踏面滚动圆不正圆度的限制值为1 mm，而国内的运用检修规程只对轮对踏面擦伤、剥离、凹入等局部故障进行了限度规定，对轮对的整体不正圆度尚无相应规定。

轴箱弹簧刚度影响轮对激振源的阻尼。由于早期轴箱弹簧折断故障频发，在2009年12月份统一更换了轴箱弹簧，新换的轴箱弹簧由于刚度相对较大，振动衰减不明显，从而导致车体的高频振动，车辆在高频振动条件下运行时，振动冲击作用加速了轮对滚动圆的形变。

振动和阻尼的相互消减是运行中的车辆固然存在的，这种影响客观地反映在轮对和轴圆簧、油压减震器、弹性定位套等配件之间的相互作用。也就是说轮对故障和1系悬挂的轴箱钢弹簧发生故障是互相影响的，车辆运用部门在故障处理过程中必须全面检查，综合分析和整治，才能达到有效控制故障发生。

2.3 轮对故障对弹簧工况的影响

轮对故障对轴箱弹簧造成垂向周期性额外冲击，当周期性载荷大于疲劳试验载荷振幅时，弹簧疲劳强度试验不能包络该工况，弹簧就有断裂的危险。同时，弹簧定位套开裂和偏磨、左右轮径差过大也将加剧轴箱弹簧承受的垂向和横向载荷。轮对擦伤、踏面剥离、滚动圆不正圆度等对弹簧受力影响最为严重。

采用多体动力学软件SIMPACK8.8，建立故障车辆多缸体动力学模型，将车辆滚动圆不正圆度展开生成轨道激扰，假设计算车辆在定员状态，以110 km/h的速度运行，仿真计算的结果（不正圆度引起轴箱弹簧的动荷系数）如图3。

图3 车轮不圆与轴箱弹簧动荷系数关系

由图3可以看出，车轮踏面滚动圆不正圆度较大时，轴箱弹簧的动荷系数为周期性的谐波，随着车轮踏面滚动圆不正圆度的增大，轴箱弹簧的动荷系数逐渐增大。当不正圆度达到2.68 mm时，轴箱弹簧的动荷系数达到-0.428～0.408，远远超过轴箱弹簧疲劳强度实验时的动荷系数；当车轮踏面不正圆度达到2 mm时，轴箱弹簧的动荷系数达到-0.363～0.387；当不正圆度达到1.5 mm时，轴箱弹簧的动荷系数达到-0.285～0.299，小于疲劳试验的标准值0.35，此时，轴向弹簧的疲劳试验工况可以覆盖，标明轴箱弹簧可以安全运用。

2.4 轴箱弹簧折断故障分析

2.4.1 材质分析

弹簧折断故障多数发生在支撑圈，断面明显分三个区域，上侧区域呈现以上下簧条接触点为圆心的波纹形态，判断为交变应力作用产生的断面，波纹以下为脆性断面，无纹路，断面下侧外圈为1 mm左右剪切层，判断为断簧发生过程中最后剪切区。

在厂方轴园簧制造商的支持下，进行取样分析（分析结果见表1），显示该批轴圆簧化学成分符合标准GB/T1222中60Si2Mn配比要求。

表1 轴圆簧化学成分取样检测表

依据标准GB/T230.1-2004进行洛氏硬度试验（试验结果见表 2）。

表2 轴圆簧洛氏硬度试验表

弹簧的表层、内层金相组织均为回火屈氏体组织，回火组织3级，判断为合格金相组织。通过对弹簧样本分析，可以说明弹簧材质、硬度、热处理等三个指标基本符合TB/T1025-2000的要求。

2.4.2 轴箱弹簧受力分析

车轮踏面擦伤、踏面磨耗异常、踏面滚动圆不正圆度过大等故障是客车运行中产生振动的主要原因。车辆的振动使得轴箱弹簧承受了较大的垂向交变应力，同时左右轮径差较大、弹性定位套开裂等也加剧了弹簧的服役工况。轴箱弹簧在垂向交变应力的作用下，第一有效圈与支撑圈长时间发生接触摩擦和击打，产生摩擦击打变形，类似于冷作硬化，诱发该接触部位发生金属晶粒畸变，畸变晶粒与未畸变晶粒之间产生了断层，萌生疲劳裂纹源。在继续服役过程中，疲劳裂纹源因应力集中开始扩展，当接触点有效承载能力无法抵抗载荷的作用时，轴箱弹簧从接触点处瞬间断裂。

综上所述，轴圆簧折断故障可以排除由于轴圆簧本身故障引发，主要原因系轮对在运行中的振动冲击形成了疲劳外力导致轴圆簧支承圈之间形成疲劳击打而最终折断。

2.5 故障处理及运行验证

运用部门在厂家的配合下，经过分析讨论，决定对编组中振动现象比较突出的部分车辆进行全数更换轮对处理，同步对转向架配件进行了换件修。

截止2010年1月，运用部门对该批客车橡胶定位套进行了全数更换，陆续更换轴圆簧59只，累计更换该批客车轮对146条，对漏油的油压减震器进行了更换。通过综合处理，客车运行平稳性提高，车辆振动现象明显得到缓解，后期在车辆进入段修修程后，检修部门对车辆转向架及其摘要配件进行了全面检修，车辆运用状况得以改善，基本遏制了振动的产生，相应的轴圆簧折断、轮对缺陷等故障也明显减少。

3 建议预防措施

3.1 有效监控轮对不正圆度

由于普查发现轮对不正圆度超过限制值的故障量比较大，对应车体振动现象比较普遍，故有效监控轮对不正圆度是主要的防范手段。

3.2 控制标准

上述故障车辆的车轮踏面滚动圆不正圆度最大达到2.68 mm。虽然在德标DIN27204-1中规定，运行速度为60 km/h～160 km/h的车辆，车轮踏面滚动圆不正圆度的限制值为1 mm，而国内的运用检修规程中尚无相应规定。但是，我们以《铁路客车运用维修规程》（铁运[2006]27号文件）中关于轮对运用限度的规定，可以将车轮踏面滚动圆不正圆度雷同于平缓的踏面擦伤故障进行参照和控制，当不正圆度为0 mm时，踏面擦伤＞0.5 mm时，必须进行换轮处理，如果将擦伤0.5 mm看成轮对踏面滚动圆的不正圆度，那么不正圆度也达到0.5 mm。