HXN5機(jī)車橡膠堆故障分析

張東東 高文

南車戚墅堰機(jī)車有限公司產(chǎn)品設(shè)計部，江蘇 常州 213011

概述

針對HXN5機(jī)車轉(zhuǎn)向架在運(yùn)用中暴露出橡膠堆開裂、工作高超差的問題，對HXN5橡膠堆故障原因作了分析，與DF8B機(jī)車的橡膠堆做了對照，提出了質(zhì)量控制建議。

HXN5機(jī)車轉(zhuǎn)向架的旁承由一個中心橡膠堆和兩個側(cè)橡膠堆組成，中心橡膠堆由8層橡膠和9塊鋼板組成疊層結(jié)構(gòu)；側(cè)橡膠堆由7層橡膠和8塊鋼板組成疊層結(jié)構(gòu)。橡膠堆的保證無修理運(yùn)用期為90萬公里或機(jī)車落成后的48個月，但是HXN5機(jī)車二年檢的時候，已出現(xiàn)橡膠堆開裂、工作高超差的情況。

1 故障描述

1.1 橡膠堆開裂

通過HXN5機(jī)車在機(jī)務(wù)段運(yùn)用的情況，中心橡膠堆和側(cè)橡膠堆存在開裂的現(xiàn)象，如圖1所示。橡膠堆開裂會導(dǎo)致橡膠堆的失效，必須對開裂的橡膠堆及時更換。根據(jù)HXN5機(jī)車的檢修要求，只要一個橡膠堆損壞，就需要更換轉(zhuǎn)向架的所有3個橡膠堆，故障橡膠堆的維護(hù)成本很高。

1.2 工作高超差

圖1 開裂的橡膠堆

按HXN5機(jī)車技術(shù)要求，中心橡膠堆的工作高要求為227±0.7，側(cè)橡膠堆的工作高為182±0.7。在HXN5機(jī)車二年檢時，部分中心橡膠堆和側(cè)橡膠堆存在超差的現(xiàn)象，即中心橡膠堆的工作高小于226.3，側(cè)橡膠堆的工作高小于181.3。

2 原因分析

2.1 橡膠堆應(yīng)力對開裂的影響

2.1.1 HXN5機(jī)車中心橡膠堆壓應(yīng)力及剪切應(yīng)力計算

已知 橡膠層半徑r=138mm

橡膠層高度 H=20.5mm

橡膠層數(shù) n=8層

橡膠硬度50HS

彈性模量E=2.32N/mm2

剪切模量G=0.8N/mm2

a）橡膠堆橫向剛度計算

一層橡膠橫向剛度

八層橡膠的串聯(lián)橫向剛度，即橡膠堆的橫向剛度：

b）壓應(yīng)力計算

已知中心橡膠堆的垂向載荷

則壓應(yīng)力

c) 剪切應(yīng)力計算

從HXN5機(jī)車的幾何曲線通過計算可知，中心橡膠堆最大剪切位移X=150

則橡膠堆最大剪切位移時的剪切力Q2=150*280.2=42030N

則橡膠堆的剪切應(yīng)力

2.1.2 同理，可知HXN5 機(jī)車側(cè)橡膠堆壓應(yīng)力為4.028N/mm2，剪切應(yīng)力為0.694 N/mm2。

2.1.3 HXN5與DF8B橡膠堆的應(yīng)力對比，見表1。

表1 應(yīng)力對比

DF8B機(jī)車橡膠堆由8層橡膠和9塊鋼板組成疊層結(jié)構(gòu)，橡膠堆自由高度為（280±4）mm，在垂向載荷132.06kN時，撓度為9+2-3mm。通常橡膠堆可以滿足一個大修期（90萬公里或四年）無修理的要求，從大修車上更換下來的橡膠堆來看，其狀態(tài)仍然很好，沒有開裂，撕裂等故障。

通過表1中數(shù)據(jù)的對比，HXN5機(jī)車的橡膠堆相對DF8B機(jī)車的橡膠堆來說，HXN5橡膠堆的壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力都相對較大。因此，HXN5機(jī)車的橡膠堆承受的應(yīng)力水平是比較高的。

2.2 橡膠堆的硬度對開裂影響

橡膠堆的開裂是由于橡膠的物理性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成裂紋并逐步擴(kuò)展，最終形成破壞導(dǎo)致開裂。

橡膠堆的硬度越小，導(dǎo)致彈性模量和剪切模量也越低，垂向和橫向的剛度也隨之較低，則橡膠堆承受相同的外力時產(chǎn)生的變形越大。較大的變形導(dǎo)致橡膠堆裂紋的擴(kuò)展，達(dá)到一定程度則出現(xiàn)開裂。

HXN5橡膠堆橡膠的橡膠硬度為50HS,一般橡膠堆橡膠的硬度范圍為55HS～70HS，HXN5機(jī)車橡膠堆比較軟，可以推斷出，在機(jī)車運(yùn)行中，橡膠堆由于承受動態(tài)壓縮、剪切和扭曲作用力，產(chǎn)生較大的變形，從而一定程度上使橡膠堆在不到使用壽命的時間內(nèi)出現(xiàn)開裂等故障。

2.3 橡膠蠕變堆對工作高的影響

橡膠堆的蠕變特性是工作高超差的主要因素，蠕變是指在一定的應(yīng)力下，橡膠的應(yīng)變隨時間的增長而增大的現(xiàn)象。按照TB/T2843-2007，橡膠堆在壽命期內(nèi)的蠕變不大于20%。因為HXN5中心橡膠堆靜撓度為12mm，側(cè)橡膠堆靜撓度為8mm，則HXN5中心橡膠堆和側(cè)橡膠堆的蠕變最大分別可達(dá)2.4mm和1.6mm，都已經(jīng)超出工作高公差±0.7mm的范圍。

3.故障的處理方法

3.1 橡膠堆開裂

橡膠堆制造過程中，通過調(diào)整橡膠層形狀、適當(dāng)調(diào)高橡膠硬度、提高工藝質(zhì)量等措施，可減少橡膠堆開裂的情況。

橡膠堆在裝車運(yùn)用時，檢查橡膠堆的狀態(tài)，如橡膠堆裂紋長度超過50mm或裂紋深度大于13mm須進(jìn)行更換。

3.2 工作高超差

通常情況下，機(jī)車車體的調(diào)高和調(diào)平，都是通過橡膠堆加調(diào)整墊片來進(jìn)行。HXN5機(jī)車通過橡膠堆的工作高控制在±0.7mm，以及調(diào)整墊片固定在車體的方式來調(diào)高和調(diào)平。HXN5機(jī)車第一次調(diào)高和調(diào)平后，此后HXN5機(jī)車的架車、落車都不需要調(diào)高和調(diào)平，具有一定的先進(jìn)性。

如果通過篩選滿足工作高要求的橡膠堆裝車，就會有部分橡膠堆未使用到兩年就不能使用，此方法不具有經(jīng)濟(jì)性。對于HXN5機(jī)車修理時發(fā)現(xiàn)工作高超差的橡膠堆，可以通過檢驗橡膠堆的剛度，如果橡膠堆的剛度滿足中心橡膠堆18000N±30%，側(cè)橡膠堆17000N±30%的要求，可通過加調(diào)整墊片，使中心橡膠堆的工作高達(dá)到227±0.7，側(cè)橡膠堆的工作高達(dá)到182±0.7，從而繼續(xù)使用。

4.結(jié)語

在實際運(yùn)用中，HXN5機(jī)車橡膠堆出現(xiàn)的故障如開裂、工作高超差都不同程度的存在，沒有達(dá)到一個大修期無修理的要求。可見，HXN5機(jī)車橡膠堆由于壓應(yīng)力較大、橡膠硬度較軟，需要對制造有較高的要求，須嚴(yán)格控制制造工藝，才能滿足橡膠堆的運(yùn)用要求。

[1]QSJZ13-00JS.1.雙司機(jī)室HXN5B內(nèi)燃機(jī)車幾何曲線通過計算

[2]QSJ7-51-01JS.東風(fēng)8型內(nèi)燃機(jī)車橡膠堆旁承計算

[3]鮑維千主編.機(jī)車總體及轉(zhuǎn)向架.北京：中國鐵道出版社,2010.8