关于209P型客车转向架轴箱弹簧断裂的分析及建议_陆激燕
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以轴箱弹簧 断裂 数较多 的 K527/ 528 次车 组为 例。该车组运行于南京西 ) 广州之间, 共有 3 组车底 51 辆车, 最高运行速度 120 km / h, 平均运行速度约 72 km / h。截至 2010 年 3 月, 有 17 辆车发生轴箱弹簧断 裂故障, 约占该车组车辆总数的 1/ 3, 共计更换断裂轴 箱弹簧 37 只; 有 38 辆车因轮对故障而换轮, 约占该车 组车辆总数的 2/ 3, 共计 换轮 101 条, 占轮对 总数的 491 5% 。
使疲劳裂纹扩展速率降低, 此外, 疲劳裂纹扩展的门槛 值一般也是随着温度的升高而降低。所以, 运行于南 京西 ) 广州间的 K527/ 528 次列车车组的轴箱弹簧断 裂数比运行于南京西 ) 北京、徐州 ) 北京的车组高得 多。 3. 2 轮对故障对轴箱弹簧疲劳裂纹扩展速率的影响
从断裂的轴箱弹簧的统计和分布中可以看出: ( 1) 断裂轴箱弹簧的位置相对轮对故障的位置基本是一致 的, 其与故障轮对或同轮或同轴。( 2) 处理断裂轴箱弹 簧的时间与处理轮对故障的时间相隔比较近, 有的就 差一二个往返。( 3) 在处理轴箱弹簧断裂的故障中, 还 有在同一位置重复断裂的现象, 在统计的时间段内, 同 一辆车、同一位数轴箱弹簧重复断裂就有 6 起, 共 12 只轴箱弹簧, 都是在检查出轮对故障并换轮后才终止 了断裂而转入正常运 用状态的。如: Y Z25G 351655 号 硬座车在 2010 年 2 月 23 日 12 位轴箱弹簧断裂做更 换处理, 至 2010 年 3 月 10 日在同一位置轴箱弹簧又 发生了断裂, 后经检查发现对应的 6 位车轮直径差过 大, 造成车轮踏面跳动, 于 2010 年 3 月 12 日换轮后, 该轴箱弹簧正常运用至今。种种现象表明, 轴箱弹簧 的断裂与轮对的状态有着密切关系。这是因为轴箱弹 簧承受和传递的垂直载荷源自于轮对与钢轨间的作用 力, 带有如剥离、凹入、辗堆等故障的轮对在运行中轮 轨耦合的高频冲击增加了动载荷, 加大了平 均应力。 从不同应力循环特性下的 da/ dN- $K 曲线图( 图 9) 中 可以看出, 随着应力循环特性 R 的提高, 平均应力水 平也随之提高, 其结果是裂纹扩展速率的提高, 从而加 速了轴箱弹簧的断裂。
要原因及与故障轮对之间的关系, 并提出了检修 措施和建议。
关键词: 209P 型转向架; 轴箱弹簧; 断裂; 分析; 建议
中图分类号: U 270. 331+ . 4
文献标识码: B
209P 型转 向架是 25G 型客 车用主 型转向 架之 一, 轴箱弹簧与轮对、导柱、弹性定位套、定位座、支柱 环及橡胶缓冲垫等配件组成转向架的一系悬挂装置, 其运行状态正常与否直接关系到车辆的行车安全、运行 平稳性及旅客乘坐舒适性。因此, 无论是在运行中还是 在车辆日常检修中都应对其予以充分重视和关注。
配属于上海铁路局合肥车辆段的 133 辆 25G 型 客车( 南车南 京浦 镇车辆 有限 公司 2008 年 11 月制 造) , 全部 采用 209P 型转向架, 编组 在 K161/ 162 次 ( 南 京 西 ) 北 京) 、K527/ 528 次 ( 南 京 西 ) 广 州 ) 、 K107/ 108 次( 徐州 ) 北京) 等 3 组列车中, 自 2009 年 1 月开始上线运用。经过一段时间的运行, 从 2009 年 12 月( 约运行 40 余万 km) 开始上述车组陆续出现轴 箱弹簧断裂( 见图 1) 故障, 且数量不断增加。据统计, 截至 2011 年 2 月底, 共发生轴箱弹簧断裂故障 51 起, 其中, K527/ 528 次车组最多( 见表 1) 。本文将通过大 量的轴箱弹簧断裂故障分析其特点, 寻找其原因, 并提 出可行的防止措施及建议。
收稿日期: 2011-04-15 作者简介: 陆激燕( 1963- ) , 女, 工程师。
# 37 #
铁道车辆 第 49 卷第 7 期 2011 年 7 月
图 5 疲劳源区对应的弹簧表面 ( 箭头所指 为表面凹陷和疲劳源)
从断裂的轴箱弹簧整体宏观形貌及弹簧断裂部位 的两侧形貌中可见断裂发生在工作圈 无挤压接触位 置, 断口有明显的断裂源, 断裂源位于断裂弹簧内侧。 以断裂源为中心, 周围的贝壳纹呈现向外扩散痕迹, 其 以下部分为快断粗瓷状断口, 断口最后的部分即是快 速断裂区, 具有明显的疲劳扩展特征。弹簧表面未见 明显的受力挤压痕迹, 断口疲劳源区对应弹簧外表面 有沿卷制方向的凹陷。
运用 检修
铁道车辆 第 49 卷第 7 期 2011 年 7 月
文章编号: 1002-7602( 2011) 07-0037- 04
关于 209P 型客车转向架轴箱弹簧 断裂的分析及建议
陆激燕
( 上海铁路局 车 辆处, 上海 200071)
摘 要: 对 25G 型提速客车运用中发生的 209P 型转向架轴箱弹簧断裂故障进行了分析, 找出了轴箱 弹簧断裂的主
断裂弹簧的材料为 60Si2MnA, 其 心部的金相组 织为淬回火 组织, 未见 有异常 组织。断裂 弹簧表 面 凹陷位置和正 常位 置 的表 层均 有脱 碳层 ( 图 6~ 图 8) 。
图 8 表面脱碳层非金属夹杂物
经测量, 断裂弹簧凹陷位置全脱碳层最大厚度约 为 01 25 m m, 全 脱 碳层 + 半 脱 碳 层最 大 厚 度约 为 01 62 mm ; 无 凹陷位置全脱 碳层最大厚度 约为 01 10 mm, 全脱碳层+ 半脱碳层最大厚度约为01 43 m m。
3 轴箱弹簧断裂的原因分析
3. 1 影响轴箱弹簧疲劳断裂的因素
从上述轴箱弹簧断口 形貌和金相组 织图可以看 出, 轴箱弹簧断裂是一种疲劳断裂, 且多发生在第 1 有 效圈内侧承载较大应力处。轴箱弹簧表面凹陷处脱碳 层及非金属夹杂物处, 因其屈服极限和疲劳强度降低, 均可成为断裂源, 并发展为疲劳裂纹, 在后续的交变载 荷作用下疲劳裂纹扩展, 当裂纹扩展到临界裂纹尺寸 时, 裂纹将以极快的速度迅速扩展, 当弹簧有效截面抗 力小于承载应力时, 弹簧发生瞬间断裂。
转向架轴箱弹簧是在交变载荷作用下工作的, 故 疲劳破坏是一种重要的破坏形式。合格的轴箱弹簧可 以在规定的检修周期内安全工作, 但当弹簧表面存在 非金属夹杂物或其他表面缺陷时, 金属的不连续性必 然导致应力集中, 而应力集中处往往是疲劳裂纹最容 易形成的地方, 同时也是疲劳裂纹扩展速度较快的部 位。从断裂的轴箱弹簧来看, 其表面脱碳层、非金属夹 杂物及沿卷制方向的凹陷等均是引起轴箱弹簧断裂的 源点所在。而这些都与钢材冶炼工艺、弹簧的热处理 工艺及卷制工艺等有关。
带有缺陷的轴箱弹簧在一定的交变载荷作用下仍 然可以正常工作一段时间, 当裂纹尖端的应力强度因 子幅度 $K 小于疲劳裂纹扩展的门槛值 $K th时, 裂纹 不会发生扩展; 当 $K 大于 $K th 时, 裂纹会缓慢发展, 在裂纹尺寸达到其临界裂纹尺寸之前不会发生断裂。 所以, 在车辆运用中, 轴箱弹簧断裂是在运行 40 万 km 以后才陆续发生的。但能够正常工作的时间又有很大 差异, 这与疲劳裂纹的扩展速率 da/ dN 有关( dN 表示 交变载荷循环次数的增量, da 表示与 dN 相对应的裂 纹长度的增加量) 。$K 是决定材料的疲劳裂纹扩展 速率的主要力学参数, 此外, 构件的平均应力、应力状 态、材料的机械性能、工作环境( 温度和介质) 及加载频 率等对疲劳裂纹的扩展速率都有影响。例如, 低温可
若把断裂轴箱弹簧的位置与故障轮对的位置联系 起来, 可以发现大多数轴箱弹簧断裂的位置与故障轮 对同轮或同轴, 如 Y Z25G 351655 号硬座车 3 位车轴 10 位、12 位轴箱弹簧断裂, 其 中, 12 位轴箱 弹簧重复断
关于 209P 型客车转向架轴箱弹簧断裂的分析及建议 陆激燕
裂, 后经会同浦镇公司详查, 发现对应的 6 位车轮直径 最大偏差达 21 649 m m, 引起踏面跳动, 导致该轴上的 轴箱弹 簧断 裂; Y W25 G 677688 号 硬卧 车 1 位 车轴 2 位、4 位轴 箱弹 簧 断裂, 对 应的 1 位车 轮凹 入到 限; Y W25G 677692 号硬卧车 2 位车轴 5 位、6 位、7 位轴箱 弹簧断裂, 对应的 3 位车轮踏面滚动圆径向跳动不良。 可以看出, 断裂轴箱弹簧的位置相对故障轮对的位置 基本上是一致的。在车辆以较高速度运行时, 除了常 见的轮对故障形式外, 还必须注意车轮踏面的滚动圆 径向跳动问题。
收稿日期: 2011-01-30; 修订日期: 2011- 05-04 作者简介: 胡广胜( 1978- ) , 男, 工程师。
研、强度校核, 制定了补强方案, 并协助柳州机车车辆 厂对锈蚀构架进行了补强处理。
图 1 侧梁下盖板鱼腹处腐蚀示意图
1 营运现车锈蚀情况调查
在配合柳州机车车辆厂进行构架补强的同时, 四 方 股 份 公司 对 南 方 几 个 营 运维 护 单 位 的 20 6 P型 转 向
图 9 不同应 力循环特性下的 da/ dN- $K 曲线
综上所述, 弹簧表面的凹陷或非金属夹杂物以及 较严重的脱碳层组织是弹簧断裂的根源; 而故障轮对 的运行是提高弹簧疲劳裂纹扩展速率、加速轴箱弹簧 断裂的重要因素。
# 39 #
运用检 修
铁道车辆 第 49 卷第 7 期 2011 年 7 月
文章编号: 1002-7602( 2011) 07-0040- 03
关键词: 焊接构架; 锈蚀; 原因; 补强
中图分类号: U 270. 331+ . 8
文献标识码: B
206P 型转向架构架采用钢板焊接箱式结构, 多年 的运用考核证明, 该构架具有足够的刚度和疲劳强度。 但在多年的运营过程中, 发现构架侧梁下盖板鱼腹处 发生大面积锈蚀, 导致部分构架提前报废, 经济损失严 重, 同时也造成了一定的安全隐患。
表 1 209P 型转向架轴箱弹簧断裂故障统计
序号
车次
使疲劳裂纹扩展速率降低, 此外, 疲劳裂纹扩展的门槛 值一般也是随着温度的升高而降低。所以, 运行于南 京西 ) 广州间的 K527/ 528 次列车车组的轴箱弹簧断 裂数比运行于南京西 ) 北京、徐州 ) 北京的车组高得 多。 3. 2 轮对故障对轴箱弹簧疲劳裂纹扩展速率的影响
从断裂的轴箱弹簧的统计和分布中可以看出: ( 1) 断裂轴箱弹簧的位置相对轮对故障的位置基本是一致 的, 其与故障轮对或同轮或同轴。( 2) 处理断裂轴箱弹 簧的时间与处理轮对故障的时间相隔比较近, 有的就 差一二个往返。( 3) 在处理轴箱弹簧断裂的故障中, 还 有在同一位置重复断裂的现象, 在统计的时间段内, 同 一辆车、同一位数轴箱弹簧重复断裂就有 6 起, 共 12 只轴箱弹簧, 都是在检查出轮对故障并换轮后才终止 了断裂而转入正常运 用状态的。如: Y Z25G 351655 号 硬座车在 2010 年 2 月 23 日 12 位轴箱弹簧断裂做更 换处理, 至 2010 年 3 月 10 日在同一位置轴箱弹簧又 发生了断裂, 后经检查发现对应的 6 位车轮直径差过 大, 造成车轮踏面跳动, 于 2010 年 3 月 12 日换轮后, 该轴箱弹簧正常运用至今。种种现象表明, 轴箱弹簧 的断裂与轮对的状态有着密切关系。这是因为轴箱弹 簧承受和传递的垂直载荷源自于轮对与钢轨间的作用 力, 带有如剥离、凹入、辗堆等故障的轮对在运行中轮 轨耦合的高频冲击增加了动载荷, 加大了平 均应力。 从不同应力循环特性下的 da/ dN- $K 曲线图( 图 9) 中 可以看出, 随着应力循环特性 R 的提高, 平均应力水 平也随之提高, 其结果是裂纹扩展速率的提高, 从而加 速了轴箱弹簧的断裂。
要原因及与故障轮对之间的关系, 并提出了检修 措施和建议。
关键词: 209P 型转向架; 轴箱弹簧; 断裂; 分析; 建议
中图分类号: U 270. 331+ . 4
文献标识码: B
209P 型转 向架是 25G 型客 车用主 型转向 架之 一, 轴箱弹簧与轮对、导柱、弹性定位套、定位座、支柱 环及橡胶缓冲垫等配件组成转向架的一系悬挂装置, 其运行状态正常与否直接关系到车辆的行车安全、运行 平稳性及旅客乘坐舒适性。因此, 无论是在运行中还是 在车辆日常检修中都应对其予以充分重视和关注。
配属于上海铁路局合肥车辆段的 133 辆 25G 型 客车( 南车南 京浦 镇车辆 有限 公司 2008 年 11 月制 造) , 全部 采用 209P 型转向架, 编组 在 K161/ 162 次 ( 南 京 西 ) 北 京) 、K527/ 528 次 ( 南 京 西 ) 广 州 ) 、 K107/ 108 次( 徐州 ) 北京) 等 3 组列车中, 自 2009 年 1 月开始上线运用。经过一段时间的运行, 从 2009 年 12 月( 约运行 40 余万 km) 开始上述车组陆续出现轴 箱弹簧断裂( 见图 1) 故障, 且数量不断增加。据统计, 截至 2011 年 2 月底, 共发生轴箱弹簧断裂故障 51 起, 其中, K527/ 528 次车组最多( 见表 1) 。本文将通过大 量的轴箱弹簧断裂故障分析其特点, 寻找其原因, 并提 出可行的防止措施及建议。
收稿日期: 2011-04-15 作者简介: 陆激燕( 1963- ) , 女, 工程师。
# 37 #
铁道车辆 第 49 卷第 7 期 2011 年 7 月
图 5 疲劳源区对应的弹簧表面 ( 箭头所指 为表面凹陷和疲劳源)
从断裂的轴箱弹簧整体宏观形貌及弹簧断裂部位 的两侧形貌中可见断裂发生在工作圈 无挤压接触位 置, 断口有明显的断裂源, 断裂源位于断裂弹簧内侧。 以断裂源为中心, 周围的贝壳纹呈现向外扩散痕迹, 其 以下部分为快断粗瓷状断口, 断口最后的部分即是快 速断裂区, 具有明显的疲劳扩展特征。弹簧表面未见 明显的受力挤压痕迹, 断口疲劳源区对应弹簧外表面 有沿卷制方向的凹陷。
运用 检修
铁道车辆 第 49 卷第 7 期 2011 年 7 月
文章编号: 1002-7602( 2011) 07-0037- 04
关于 209P 型客车转向架轴箱弹簧 断裂的分析及建议
陆激燕
( 上海铁路局 车 辆处, 上海 200071)
摘 要: 对 25G 型提速客车运用中发生的 209P 型转向架轴箱弹簧断裂故障进行了分析, 找出了轴箱 弹簧断裂的主
断裂弹簧的材料为 60Si2MnA, 其 心部的金相组 织为淬回火 组织, 未见 有异常 组织。断裂 弹簧表 面 凹陷位置和正 常位 置 的表 层均 有脱 碳层 ( 图 6~ 图 8) 。
图 8 表面脱碳层非金属夹杂物
经测量, 断裂弹簧凹陷位置全脱碳层最大厚度约 为 01 25 m m, 全 脱 碳层 + 半 脱 碳 层最 大 厚 度约 为 01 62 mm ; 无 凹陷位置全脱 碳层最大厚度 约为 01 10 mm, 全脱碳层+ 半脱碳层最大厚度约为01 43 m m。
3 轴箱弹簧断裂的原因分析
3. 1 影响轴箱弹簧疲劳断裂的因素
从上述轴箱弹簧断口 形貌和金相组 织图可以看 出, 轴箱弹簧断裂是一种疲劳断裂, 且多发生在第 1 有 效圈内侧承载较大应力处。轴箱弹簧表面凹陷处脱碳 层及非金属夹杂物处, 因其屈服极限和疲劳强度降低, 均可成为断裂源, 并发展为疲劳裂纹, 在后续的交变载 荷作用下疲劳裂纹扩展, 当裂纹扩展到临界裂纹尺寸 时, 裂纹将以极快的速度迅速扩展, 当弹簧有效截面抗 力小于承载应力时, 弹簧发生瞬间断裂。
转向架轴箱弹簧是在交变载荷作用下工作的, 故 疲劳破坏是一种重要的破坏形式。合格的轴箱弹簧可 以在规定的检修周期内安全工作, 但当弹簧表面存在 非金属夹杂物或其他表面缺陷时, 金属的不连续性必 然导致应力集中, 而应力集中处往往是疲劳裂纹最容 易形成的地方, 同时也是疲劳裂纹扩展速度较快的部 位。从断裂的轴箱弹簧来看, 其表面脱碳层、非金属夹 杂物及沿卷制方向的凹陷等均是引起轴箱弹簧断裂的 源点所在。而这些都与钢材冶炼工艺、弹簧的热处理 工艺及卷制工艺等有关。
带有缺陷的轴箱弹簧在一定的交变载荷作用下仍 然可以正常工作一段时间, 当裂纹尖端的应力强度因 子幅度 $K 小于疲劳裂纹扩展的门槛值 $K th时, 裂纹 不会发生扩展; 当 $K 大于 $K th 时, 裂纹会缓慢发展, 在裂纹尺寸达到其临界裂纹尺寸之前不会发生断裂。 所以, 在车辆运用中, 轴箱弹簧断裂是在运行 40 万 km 以后才陆续发生的。但能够正常工作的时间又有很大 差异, 这与疲劳裂纹的扩展速率 da/ dN 有关( dN 表示 交变载荷循环次数的增量, da 表示与 dN 相对应的裂 纹长度的增加量) 。$K 是决定材料的疲劳裂纹扩展 速率的主要力学参数, 此外, 构件的平均应力、应力状 态、材料的机械性能、工作环境( 温度和介质) 及加载频 率等对疲劳裂纹的扩展速率都有影响。例如, 低温可
若把断裂轴箱弹簧的位置与故障轮对的位置联系 起来, 可以发现大多数轴箱弹簧断裂的位置与故障轮 对同轮或同轴, 如 Y Z25G 351655 号硬座车 3 位车轴 10 位、12 位轴箱弹簧断裂, 其 中, 12 位轴箱 弹簧重复断
关于 209P 型客车转向架轴箱弹簧断裂的分析及建议 陆激燕
裂, 后经会同浦镇公司详查, 发现对应的 6 位车轮直径 最大偏差达 21 649 m m, 引起踏面跳动, 导致该轴上的 轴箱弹 簧断 裂; Y W25 G 677688 号 硬卧 车 1 位 车轴 2 位、4 位轴 箱弹 簧 断裂, 对 应的 1 位车 轮凹 入到 限; Y W25G 677692 号硬卧车 2 位车轴 5 位、6 位、7 位轴箱 弹簧断裂, 对应的 3 位车轮踏面滚动圆径向跳动不良。 可以看出, 断裂轴箱弹簧的位置相对故障轮对的位置 基本上是一致的。在车辆以较高速度运行时, 除了常 见的轮对故障形式外, 还必须注意车轮踏面的滚动圆 径向跳动问题。
收稿日期: 2011-01-30; 修订日期: 2011- 05-04 作者简介: 胡广胜( 1978- ) , 男, 工程师。
研、强度校核, 制定了补强方案, 并协助柳州机车车辆 厂对锈蚀构架进行了补强处理。
图 1 侧梁下盖板鱼腹处腐蚀示意图
1 营运现车锈蚀情况调查
在配合柳州机车车辆厂进行构架补强的同时, 四 方 股 份 公司 对 南 方 几 个 营 运维 护 单 位 的 20 6 P型 转 向
图 9 不同应 力循环特性下的 da/ dN- $K 曲线
综上所述, 弹簧表面的凹陷或非金属夹杂物以及 较严重的脱碳层组织是弹簧断裂的根源; 而故障轮对 的运行是提高弹簧疲劳裂纹扩展速率、加速轴箱弹簧 断裂的重要因素。
# 39 #
运用检 修
铁道车辆 第 49 卷第 7 期 2011 年 7 月
文章编号: 1002-7602( 2011) 07-0040- 03
关键词: 焊接构架; 锈蚀; 原因; 补强
中图分类号: U 270. 331+ . 8
文献标识码: B
206P 型转向架构架采用钢板焊接箱式结构, 多年 的运用考核证明, 该构架具有足够的刚度和疲劳强度。 但在多年的运营过程中, 发现构架侧梁下盖板鱼腹处 发生大面积锈蚀, 导致部分构架提前报废, 经济损失严 重, 同时也造成了一定的安全隐患。
表 1 209P 型转向架轴箱弹簧断裂故障统计
序号
车次
