摘要：铁路部门最关键的问题是保证旅客列车的绝对安全，本文针对25G型客车用轴箱弹簧折断问题，分析了其形成原因，并提出了相应的改进建议。
关键词：轴箱弹簧；折断；原因；对策
Abstract: the railway departments most key of the problem is that the absolute safety of passenger trains, this article in view of the 25 G type with spring break car-body passenger cars, analyses the reasons, and puts forward corresponding Suggestions for improvement.
Keywords: car-body spring; Break; Reason; countermeasures
今年来因弹簧装置而影响客车运行性能及段修竣工客车交验的故障逐渐增多，给客车安全造成隐患。较为典型的有：因弹簧裂纹造成簧条折断；因压缩高、自由高选配不当造成车体、转向架发生倾斜或车辆轴重分配不 均等。提高弹簧装置的检修质量，改善提速后客车运行稳定性，确保运行安全已成为客车设计、检修、运用部门共同面临的课题。
25G型客车(在K161／162次 (南京西一北京)、K527／528次(南京西一广州)、 K107／108次(徐州一北京)等3组列车中，全部采用209P型转向架，该型转向架自2009年投入运用以来，截至2011年2月底，共发生轴箱弹簧折断(见图1)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折断故障分析其特点，寻其原因，并提出可行的防止措施及建议。
图1轴箱弹赞折断图
表1209P型转向架轴箱弹赞折断故障统计
序号 车次 运行区间 数量
1 K161/162-k8369 常州-南京西-北京 3
2 K527/528 南京西一广州 37
3 K107/108 徐州一北京 11
一、 折断轴箱弹簧的形貌和金相组织
折断轴箱弹簧的宏观形貌及断口见图2～图5。
图2 折断轴箱弹簧的整体形貌（箭头所指为折断位置）
图3 轴箱弹簧折断部位一侧
图4断口疲劳源及扩展区
图5 疲劳源对应的弹簧表面（箭头所指为表面凹和疲劳源）
从折断的轴箱弹簧整体宏观形貌及弹簧折断部位的两侧形貌中可见折断发生在工作圈无挤压接触位置，断口有明显的折断源，折断源位于折断弹簧内侧。以折断源为中心，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折断区，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。
折断弹簧的材料为60Si2MnA，其心部的金相组织为淬回火组织，未见有异常组织。折断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6凹陷位置的表面脱碳层图7末凹陷位置的表面脱碳层
图8表面脱碳层非金属夹杂物
经测量，折断弹簧凹陷位置全脱碳层最大厚度约为0.25mm，全脱碳层+半脱碳层最大厚度约为0.62mm；无凹陷位置全脱碳层最大厚度约为0.10mm，全脱碳层+半脱碳层最大厚度约为0.43mm。
折断弹簧的硬度值检测结果见表2，其表层硬度值和心部硬度值(HRC)分布在43.4～45.3之间，符合TB／T1025-1991《机车车辆圆柱螺旋弹簧技术条件》的要求。
表2轴箱弹簧硬度(HRC)检测结果
表层硬度 心部硬度
检测值 平均值 检测值 平均值
43.6/43.4/44.2 43.7 45.3/44.7/44.9 45.0
二、轴箱弹簧折断与故障轮对的关系
该批车辆在运行中除了出现大量的轴箱弹簧折断故障外，还不断地出现轮对故障，故障形式多为剥离、凹入、辗堆、锋芒等。针对故障超限或状态严重不良，如踏面滚动圆径向跳动不良等轮对故障，合肥车辆段采取了换轮措施，到2010年7月已累计更换轮对270条，几乎每辆车更换2条，临修换轮比例极高。
以轴箱弹簧折断数较多的K527／528次车组为例。该车组运行于南京西一广州之间，共有3组车底51辆车，最高运行速度120km／h，平均运行速度约72km／h。截至2010年3月，有17辆车发生轴箱弹簧折断故障，约占该车组车辆总数的1／3，共计更换折断轴箱弹簧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49.5。
若把折断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折断的位置
与故障轮对同轮或同轴，如YZ25G3351655硬座车3位车轴l0位、12位轴箱弹簧折断，其中，12位轴箱弹簧重复折断，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2.49mm，引起踏面跳动，导致该轴上的轴箱弹簧折断；YW25G677688号硬卧车1位车轴2位、4位轴箱弹簧折断，对应的1位车轮凹人到限YW25G677692号硬卧车2位车轴5位、6位、7位轴箱弹簧折断，对应的3位车轮踏面滚动圆径向跳动不良可以看出，折断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。
三、轴箱弹簧折断的原因分析
1、影响轴箱弹簧疲劳折断的因素
从上述轴箱弹簧断口形貌和金相组织图可以看出，轴箱弹簧折断是一种疲劳折断，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折断源，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，弹簧发生瞬间折断。
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。从折断的轴箱弹簧来看，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折断的源点所在。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△Kth时，裂纹不会发生扩展；当△K大于△Kth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折断所以，在车辆运用中，轴箱弹簧折断是在运行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，汽车弹簧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，运行于南京西一广州间的K527／528次列车车
组的轴箱弹簧折断数比运行于南京西一北京、徐州一北京的车组高得多。
2、轮对故障对轴箱弹簧疲劳裂纹扩展速率的影响
从折断的轴箱弹簧的统计和分布中可以看出：(1)折断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)处理折断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)在处理轴箱弹簧折断的故障中，还有在同一位置重复折断的现象，在统计的时间段内，同一辆车、同一位数轴箱弹簧重复折断就有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折断而转入正常运用状态的。如：YZzc351655号硬座车在2010年2月23日12位轴箱弹簧折断做更换处理，至2010年3月10日在同一位置轴箱弹簧又发生了折断，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，轴箱弹簧的折断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折断。
图9 不同应力循环特性下的da/dN-△K
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折断的根源；而故障轮对的运行是提高弹簧疲劳裂纹扩展速率、加速轴箱弹簧折断的重要因素。
四、措施和建议
(1)由于轮对的运用状态与轴箱弹簧的运用状态有着密切的关联度，因此，在对轴箱弹簧进行检查和处理的同时，必须加强对轮对的检查和处理。不仅对像擦伤、剥离、凹入、辗堆等有明确的库列检检修限度要求的故障轮对要严格执行和实施，尤其要注意车轮踏面滚动圆的径向跳动检查，并建议有关部门提出合理的运用限度。
(2)由浦镇公司2008年11月制造的133辆25G型客车在运行中频繁出现轮对故障尤其是轮对踏面故障，这与转向架本身结构有关。在这批209P型转向架中，虽然采用了盘形制动，但它既未安装踏面清扫器，也无电子防滑器，故在较高速度运行时，就容易出现轮对踏面故障。因此，建议工厂在转向架的结构上能多加考虑。
(3)建议弹簧制造工厂加强对轴箱弹簧制造质量的控制和对产品质量的检验，选择合格的轴箱弹簧组装。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
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