HXD3機車一二系彈簧工作高超高的原因分析與處理

徐世武

（天津電力機車有限公司，天津 300000）

HXD3機車一二系彈簧工作高超高的原因分析與處理

徐世武

（天津電力機車有限公司，天津 300000）

針對HXD3機車一二系彈簧在檢修中發現工作高超高的現象，從彈簧生產制造過程、檢測條件、檢修工藝等方面闡述了彈簧工作高超高的影響因素，并提出了處理的方法。

彈簧；工作高；超高；分析；處理

1 概述

HXD3系列電力機車一、二系懸掛裝置采用圓柱壓縮螺旋彈簧，根據機車檢修技術規程的要求，一、二系彈簧對自由高、工作高都有限度要求，但在機車檢修過程中發現，部分彈簧試驗壓縮高（簡稱“工作高”）有增高的現象（見表1）。

表1 一二簧工作高超高數量統計表

其中，一系簧（即“軸箱彈簧”）自由高限度要求為 222+2-4mm，加壓 47.5kN，試驗壓縮高應在173.4+2-4mm。累計檢查3840件，工作高超高的一系簧共426件，占比11.09%。二系簧（即“高圓簧”）自由高度限度要求為565+5-4mm，加壓73.6kN，試驗壓縮高限度要求為460.8+3-4mm。累計檢查160臺份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 彈簧制造的影響

彈簧的主要生產工藝過程為:下料→端部加熱→碾尖→電阻爐整體加熱→熱卷簧→余熱淬火→回火→預壓→支撐圈平磨→拋丸→磁粉探傷→噴漆[1]。彈簧整體回火處理能釋放熱卷簧、淬火過程中產生的殘余應力，消除效率可達50%～70%。彈簧表面拋丸處理也能降低一部分殘余應力，并在彈簧表面形成壓應力層，對提高彈簧的抗疲勞強度有一定作用。

在彈簧熱卷形變過程中，彈簧外表面受拉應力，內表面受壓應力，外部應力超過棒材屈服極限，使彈簧變形彎曲成螺旋形。在機車運用中，由于輪軌接觸振動及車內設備工作的原因，車體、構架處于高頻振動狀態，頻繁地振動施壓使彈簧內部殘余應力逐漸釋放。應力釋放使彈簧發生形變，從高度方向看有使彈簧增高的可能性，這種現象只存在于彈簧運用初期，且影響有限，如圖1所示。

圖1 彈簧內部應力示意圖

2.2 試驗設備的影響

機車一二系彈簧壓力試驗機采用TLW-HG300型機車彈簧專用壓力試驗機，據設備生產廠家提供數據，設備測量誤差與測試彈簧高度有關，測量誤差=±(50+0.15L)μm，其中L為彈簧測試工作高度。由此可知，高圓簧工作高測量誤差為±0.119mm、軸箱彈簧工作高測量誤差為±0.076mm。

為測試設備試驗誤差范圍是否在允許范圍內，對同一軸箱彈簧每隔1天進行1次測量，共測量12次，所得工作高最大值與最小值相差0.22mm，超出設備允許誤差±0.034mm。

2.3 試驗壓力的影響

按照TB/T2211-2010《機車車輛懸掛裝置鋼制

螺旋彈簧》的規定，彈簧試驗壓力允差在公稱值的1%公差范圍內。彈簧剛度、試驗力、軸向位移三者的關系如下：

式中：（Fv-Fu）是工作高與自由高測試試驗力之差，（Lu-Lv）是在（Fv-Fu）力作用下的軸向位移，Ks是軸向剛度（單位kN/mm）。

由此公式計算可知，HXD3機車軸箱彈簧名義剛度為0.975kN/mm，高圓簧名義剛度0.417kN/mm。如果彈簧制造單位與檢修單位試驗力均符合要求但存在±1%的誤差，由上述公式計算可知，同一軸箱彈簧或高圓簧工作高測量可能存在±0.486mm或± 1.76mm的誤差。

2.4 漆膜厚度影響

現場調查機車彈簧檢修工藝過程，彈簧工作高檢測在噴漆后進行，彈簧上下端面、端圈與相鄰圈接觸線等六處漆膜會對檢測結果發生影響。

為了測試漆膜對試驗工作高度的影響程度，選擇24組軸箱彈簧，分別在噴漆前與噴漆后進行工作高的檢測。經對比發現，彈簧噴漆后工作高增加量在（0.1～0.50）mm。由于漆膜厚度無法嚴格控制，接觸線處漆膜厚度無法測量，漆膜厚度對彈簧試驗工作高度的測量的影響是不確定的，應予排除。

2.5 拋丸過程的影響

拋丸處理是彈簧檢修過程中的一個環節。檢修彈簧拋丸的目的是去除彈簧表面的漆層、鐵銹、氧化皮，露出彈簧金屬表面，方便探傷。在彈簧制造過程中，也要進行拋丸，目的是去除表面氧化皮并進行表面強化。TB/T2211-2010中規定，彈簧表面拋丸后，表面以下0.2mm深度內壓應力應達到500MPa，彈簧表面以下0.5mm深度內壓應力應達到100MPa。

考慮到拋丸對工件表面的硬化作用會使彈簧軸向剛度發生變化，進而影響工作高測試結果，故對機車上拆解下的軸箱彈簧拋丸前后工作高分別進行測試。對比發現，拋丸前后軸箱彈簧工作高存在增高的現象，增高幅度（0.50～0.70）mm，但對自由高影響不大。這說明，彈簧表面拋丸處理對彈簧工作高增加有較大影響。

3 分析結論

綜上所述，大部分彈簧工作高超高量在1.0mm以內，少量彈簧工作高在1.5mm以上。結合以上試驗、分析結果，導致彈簧工作高超高的主要原因是漆膜厚度和拋丸過程影響所致。此外，彈簧內部殘余應力釋放、試驗設備測量誤差、不同試驗力誤差對彈簧測量結果也有一定影響。

4 處理措施

定期檢定試驗設備，保證設備測量數據、試驗力在可控范圍內，避免設備精度誤差導致的誤判。噴漆過程中漆膜厚度不易控制，對測量數據存在不良影響，彈簧工作高的測量須安排在噴漆前進行。

彈簧工作高少量超限，對彈簧運用而言沒有不良影響。從工藝質量控制角度考慮，應適當提高工作高檢測限度。根據多方測試分析結果，建議將一二系彈簧工作高上限值上調2mm。但不同位置彈簧的配組誤差保持不變，以保證機車軸重、輪重分布的均勻性。目前，HXD3、HXD3C型電力機車C5檢修技術規程已就此作出了變更[5]。

個別試驗工作高度超限較大彈簧，可在平面磨床上修磨，以達到技術標準規定的要求。需要注意的是，磨削端面后，原有的預制壓應力層被破壞，需要重新進行拋丸處理。

5 結束語

彈簧工作高檢測是彈簧檢修中的重要環節，檢測數據的準確性對機車軸重的調整十分重要。通過分析、試驗和數據比對，使我們對影響彈簧工作高檢測的各種因素有了充分的認識。通過消除不良因素，完善檢測環境，制定科學合理的檢測工藝標準，彈簧工作高測量超高的現象得到了妥善解決，既保證了機車檢修過程中測量數據的準確性，也解決了生產中遇到的技術障礙。

[1] 焦力隆，侯現軍，李紹杰，等.鐵路機車用52CrMoV4彈簧失效分析[J].河北冶金，2013，（5).

[2] 王樹明，孫守志.HXD3B型機車軸箱彈簧斷裂原因分析及預防措施[J].的的鐵道機車與動車，2014，（10）.

[3] 樊云霞，劉春艷，王青權.軸箱彈簧剛度對車輛運行性能影響研究[J].城市軌道交通研究，2014，（11）.

[4] 鐵路行業標準[S].TB/T2211-2010機車車輛懸掛裝置鋼制螺旋彈簧，鐵道部，2011.

[5] 中國鐵路總公司，HXD3電力機車檢修技術規程（C5修）V1.0[J].中國鐵道出版社，2015.

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