呼和浩特铁路局集团有限公司包头车辆段 内蒙古包头 014000
摘要：一直以来，国内铁路客车转向架轴箱钢弹簧总会不断发生断裂失效，总体来说，断裂失效与弹簧设计、制造以及轮轨冲击振动有着密不可分的关系。轴箱钢弹簧安装于转向架一系悬挂系统中，目前国内铁路客车轴箱钢弹簧为双卷圆柱螺旋弹簧，材质为60Si2CrVAT，一般来说弹簧下还设有橡胶缓冲垫。
关键词：铁路客车轴箱钢弹簧；断裂失效；分析研究
引言
轴箱钢弹簧（又称一系钢弹簧）装配在机车车辆转向架轴箱与构架之间，其作用主要体现在两个方面：一是使车辆的质量及载荷比较均匀地传递给轮轴；二是缓和因线路的不平顺、轨缝、道岔、钢轨磨耗和不均匀下沉，以及因车轮擦伤、车轮不圆、轴颈偏心等原因引起车辆的振动和冲击。一般情况下，机车车辆转向架轴箱钢弹簧采用圆钢棒料热卷而成，弹簧端部采用碾尖磨削或压并磨削的方式进行处理，以适应两端的安装．本文以某动车组转向架轴箱钢弹簧断裂故障的调查处理为例，通过分析及试验，对比钢弹簧端部不同结构对使用性能的影响．机车车辆转向架轴箱钢弹簧几乎全部采用较大直径的棒料热卷而成，钢弹簧端部修整和磨削，工作时端部支撑圈不参与变形，只起支撑作用．
1.目前现状分析
目前国内外普遍采用的端部结构形式有两种：一种是压并磨削结构，接触线为两圆柱面的交线；另一种为碾尖结构，接触线为圆柱面与平面的交线．钢弹簧端部是否锻扁，国内外仍存在争议．从接触力学考虑，碾尖结构理论上能提供更为可靠的接触，但在制造过程中要严格控制碾尖平面的成形角度，否则碾尖平面卷制过程中形成高点将会与工作圈接触不均产生摩擦造成损伤，碾尖不平也会使工作圈损伤．所以，无论何种端部结构形式，都必须使支撑圈与工作圈之间在工作状态均匀接触．支撑圈的圈数一般没有严格的规定，但为保证弹簧使用的可靠性，避免因接触疲劳造成弹簧的早期破坏，在国内外标准中均规定了钢弹簧端部接触线长度要求，一般规定钢弹簧承受给定轴向载荷时端部接触线长度不低于公称直径的1/3．为了达到标准规定的接触线长度，弹簧在自由状态下支撑圈与工作圈之间应形成合理的过渡夹角，夹角越小，接触线长度越长，相应的钢弹簧实际支撑圈数量越多．
2.弹簧有效圈断裂后车辆动力学仿真分析
根据以上分析以及车辆其他参数，在动力学仿真软件ＳＩＭＰＡＣＫ中建立弹簧断裂后的模型。
在建立仿真模型时，做以下假设：（１）断裂弹簧对结构安全性的影响暂不考虑；（2）弹簧有效圈断裂后，弹簧下降1个弹簧间距的高度，弹簧刚度变大，仍然起一定的支撑和减振作用；（3）断裂面处垂向力通过弹簧上下圈接触传递，同时由于摩擦等作用，弹簧水平横向刚度仍起作用｡建立仿真模型后，对车辆不同速度等级､不同曲线半径､6种轨道扭曲工况下的临界速度､平稳性指标､轮轴横向力､轮重减载率､脱轨系数､轮轨垂向力等动力学指标进行计算分析｡计算结果表明，弹簧断裂后车辆临界速度基本不发生改变（因为轴箱弹簧刚度在一系轴箱整体的纵横向刚度中所占比例较小），平稳性的影响也较小；在曲线半径800m曲线轨道上运行速度120km/h以内､半径1 200m曲线轨道上运行速度140km/h以内运行时，车辆的各项安全性指标也均满足相关动力学标准要求；在考虑最恶劣的扭曲线路的工况下，脱轨系数均小于1.2，减载率均小于第1限度标准（0.65），满足相关规范的安全限度要求｡
3.优化措施分析
3.1车辆其他关联部件的影响分析
因为转向架是一个系统部件，轴箱钢弹簧作为其中承载的一部分，也受其他关联部件的影响，所以弹簧的断裂除去参数设计和制造过程之外，还与其他关联部件的影响有着密不可分的关系｡由于轴箱钢弹簧直接承受来自轮轨的冲击振动，所以主要对其产生影响的部件就是转向架轮对的状态，车轮在车辆运用过程中会出现例如失圆､踏面剥离（擦伤）､磨耗不均､轮缘锋芒等问题｡对于踏面或者轮缘的缺陷可以直观地看出来，车辆运用方会及时地处理故障轮对；但是对于车轮失圆､磨耗不均导致的左右轮径差超差等问题就无法及时地发现并处理，虽然现在大部分既有铁路干线都布置了冲击当量传感器，但是达到一定的限度才会引发报警，所以弹簧经常性地承受异常冲击，这也是弹簧断裂的一个不可忽视的重要原因｡另外，转向架水平方向的定位刚度主要由弹性节点提供，当弹性节点发生故障时，轴箱钢弹簧也会承受异常的水平力，这也是断簧的一个分析方向｡
3.2断裂钢弹簧工作状态仿真及分析
针对前述故障轴箱钢弹簧，进行了线路动应力和钢弹簧的横向变位测试，结果显示在故障发生线路最大横向变位达8mm，而其它线路为5mm；结合断裂故障的具体情况，钢弹簧在接触线末端以外的区域发生接触并产生磨损，分析认为在较大横向变位情况下，故障轴箱钢弹簧端部出现了失稳现象.在横向载荷作用下，钢弹簧上端发生移动，使垂向载荷的作用位置随之发生变化，势必影响钢弹簧的受力状态.为再现上述分析情况，按照该故障钢弹簧的实际参数建立了模型，以实际测得的垂向载荷及横向变位为输入，模拟分析钢弹簧的工作情况.模拟结果表明，按照3∶1频率施加垂向及横向载荷，在载荷叠加的某一时刻，钢弹簧接触线部位发生了脱离，钢弹簧倒向相邻一侧，而接触线尾端的点即为过渡支点，此处也恰好是钢弹簧断裂部位，与实际故障情况相符｡
3.3不同端部结构钢弹簧对比试验
为对比验证不同端部结构钢弹簧受力情况，按照该动车组转向架原结构轴箱钢弹簧的簧条直径､公称直径､有效圈数､自由高制造端部碾尖结构､支撑圈为1.7~1.8圈的新结构钢弹簧，新结构钢弹簧与既有结构钢弹簧刚度一致.两种结构钢弹簧施加相同的工作载荷进行台架疲劳试验，试验循环次数按照200万次进行，垂向及横向载荷按照3∶1频率施加，在疲劳试验的同时测试端部过渡区､中间工作圈内外表面的应力情况｡
3.4断裂弹簧的安全性试验台验证
为验证以上分析结果，对断裂弹簧进行了试验台安全性验证｡试验过程中，对断裂弹簧施加10mm的横向位移，并考虑到弹簧在实际运行过程中的极限翘曲工况，将弹簧两端面调整为4.16°夹角，然后进行加载试验｡由于试验存在一定的危险性，在试验时使用了1个安全铁桶进行保护，因此加载过程中未观察到断裂弹簧上下部位的接触面是否发生了滑移，但是试验机上的刚度曲线显示不存在突变，与理论弹簧曲线趋势完全一致，可以判断断裂弹簧上下部位的接触面之间没有产生相对滑移，验证了轴箱弹簧断裂后不会脱落或崩出转向架｡
结语
综上所述，轴箱钢弹簧作为一个系统的缓冲部件，其断裂原因不能从单一的方面去分析，很多时候是多种因素耦合的结果，本文从实际发生过的一些案例中总结出来几个分析方向，如何经济有效地提高轴箱钢弹簧的疲劳寿命，还需要更为深入的研究｡根据计算分析及试验结果，可以判断该客车转向架轴箱钢弹簧发生断裂后不会脱落或崩出转向架｡因此，在运行或临检过程中，如果发现弹簧断裂故障，建议车辆限速运行至维修单位再进行更换处理，这样可大大提高车辆的可用性和维修维护性，同时又不造成安全性影响｡
参考文献：
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