毛越法 上海鐵路局南京鐵路辦事處

近年來，25G型DC600 V客車作為既有客車的主型車種之一，被全路各鐵路局廣泛采購運用，例如上海鐵路局配屬的南京西-廣州K527/8次，系南京鋪鎮(zhèn)車輛廠2008年12月新造車，車型25GDC600 V。運行一段時間后，該批客車因輪對故障集中發(fā)生，導致轉(zhuǎn)向架及車體震動異常，進而使得轉(zhuǎn)向架配件故障也集中發(fā)生。

1 故障概況

2009年初，K527/8次利用新車體運行，至5月份，乘務人員提交關于車輛震動大的反饋信息越來越多，檢查發(fā)現(xiàn)部分輪對出現(xiàn)剝離、微小擦傷等故障，但經(jīng)處理后，效果不大。在后續(xù)運用過程中，車輛震動現(xiàn)象越發(fā)嚴重，幾乎每輛車都出現(xiàn)了高頻震動現(xiàn)象，同時軸箱彈性定位套開膠、撕裂，軸箱油壓減震器漏油失效，軸園簧折斷，輪對偏磨、局部碾寬超限，輪緣鋒芒，輪對滾動圓不正圓度超標等故障也頻繁被發(fā)現(xiàn)。

2 故障原因分析

2.1 故障特點

通過對所有車輛的全面檢查和發(fā)生故障的綜合分析，發(fā)現(xiàn)相同車次的同批客車故障具備以下特點。一是早期出現(xiàn)彈性定位套開膠、撕裂故障。二是車輛振動較大合并輪對故障，車輛輪對左右輪徑差較大，最大達到6.00 mm（2010年3月1日檢測K528次3組中YZ25G 351669車 1、2位輪徑差達6.00 mm）。車輪踏面局部碾寬和輪緣局部初步鋒芒嚴重，踏面滾動圓不正圓度達2.65 mm，實測輪廓如圖所示（見圖1）。三是軸箱彈簧折斷故障頻發(fā)，通過分析均為疲勞斷裂，折斷部位多為彈簧彈性作用圈與支撐圈接觸的部位（見圖2）。輪對局部碾寬嚴重的車輛對應位置的軸圓簧折斷較多，最多的位置重復發(fā)生3次。從運用時間看，編組于其他車次的同批次客車故障發(fā)生時間較南京西～廣州K528次遲3個月左右，發(fā)生數(shù)量相對少一些。四是油壓減震器故障主要表現(xiàn)為密封失效、漏油。五是上述故障往往同時發(fā)生在同一輛車上，各配件故障發(fā)生時間有一般性規(guī)律，即：先期轉(zhuǎn)向架軸箱橡膠定位套撕裂，中期發(fā)現(xiàn)存在輪對故障，軸箱彈簧折斷故障隨后集中發(fā)生。各配件故障發(fā)生過程中伴隨油壓減震器漏油、折斷等故障。

圖1 踏面滾動圓不正圓度測量結果

圖2 軸箱彈簧支承圈折斷示意圖

2.2 輪對故障對轉(zhuǎn)向架其他配件的影響分析

2.2.1 振動的產(chǎn)生

輪對故障是車輛運行中產(chǎn)生振動的主要原因，振動能源作用于定位套、軸圓簧等，導致轉(zhuǎn)向架這些部件發(fā)生故障，同時導致車體的振動。

輪對故障主要表現(xiàn)為輪對擦傷、輪對踏面剝離、輪對踏面碾寬、輪對滾動圓不正圓等，擦傷、踏面剝離、滾動圓不正圓等故障輪對在運行中形成了直接振動的來源，對一系軸箱彈簧、二系搖枕彈簧和車體均形成振動源。

以車輪原型尺寸為915 mm為例計算輪對一處擦傷產(chǎn)生的車輛轉(zhuǎn)向架振動頻率：

輪對周長915π mm，即2.87 m，若輪對僅1處擦傷（或碾堆凸出），則每運行2.87 m，將有一次激振，根據(jù)速度計算激振頻率為：按照110 km/h速度運行計算，1處擦傷時，車輪振動頻率為10.65 Hz，若輪對有2處擦傷，振動頻率將增加1倍達到21.3 Hz，若輪對有3處擦傷，振動頻率將是達31.8 Hz。

由上述計算推斷輪徑越小，振動頻率越高，速度越高，振動頻率也越高。也就是說，在速度達到110 km/h時，一處凹入的輪對振動頻率為10.65 Hz,個別車輛輪對有多處凹入的，振動頻率將成倍增加，輪對震動是車輛震動的振動源，震動能源經(jīng)過一次軸向彈簧、二次搖枕彈簧懸掛裝置和油壓減震器等衰減傳到到車輛上部，在線路、速度等多重因素作用下，表現(xiàn)為車輛上部車體的高頻震動，給旅客帶來不舒適感、不安全感。按照人體工程學原理，振動頻率超過10 Hz屬于高頻振動，給人體帶來極不舒適感覺，也會對人體產(chǎn)生振動危害。

同時，高頻振動對轉(zhuǎn)向架簧下部件沖擊經(jīng)過軸箱油壓減震器阻尼衰減，而大部分油壓減震器漏油使得阻尼失效，運行中輪對自激振動能量將直接作用于軸箱彈簧。

2.2.2 軸箱彈簧剛度與振動的關系

在K527/8次的車輛運行區(qū)間為廣州～南京，最高限速120 km/h，列車超員現(xiàn)象時有存在，在投入運營10個月后，陸續(xù)發(fā)生彈簧折斷故障。在對故障車輛進行全面技術檢查后，普遍存在車輪踏面剝離、磨損、多邊形等不良現(xiàn)象，特別是部分車輛車輪踏面滾動圓不正圓度達到2.68 mm。在德標DIN27204-1中規(guī)定，運行速度為60 km/h～160 km/h的車輛，車輪踏面滾動圓不正圓度的限制值為1 mm，而國內(nèi)的運用檢修規(guī)程只對輪對踏面擦傷、剝離、凹入等局部故障進行了限度規(guī)定，對輪對的整體不正圓度尚無相應規(guī)定。

軸箱彈簧剛度影響輪對激振源的阻尼。由于早期軸箱彈簧折斷故障頻發(fā)，在2009年12月份統(tǒng)一更換了軸箱彈簧，新?lián)Q的軸箱彈簧由于剛度相對較大，振動衰減不明顯，從而導致車體的高頻振動，車輛在高頻振動條件下運行時，振動沖擊作用加速了輪對滾動圓的形變。

振動和阻尼的相互消減是運行中的車輛固然存在的，這種影響客觀地反映在輪對和軸圓簧、油壓減震器、彈性定位套等配件之間的相互作用。也就是說輪對故障和1系懸掛的軸箱鋼彈簧發(fā)生故障是互相影響的，車輛運用部門在故障處理過程中必須全面檢查，綜合分析和整治，才能達到有效控制故障發(fā)生。

2.3 輪對故障對彈簧工況的影響

輪對故障對軸箱彈簧造成垂向周期性額外沖擊，當周期性載荷大于疲勞試驗載荷振幅時，彈簧疲勞強度試驗不能包絡該工況，彈簧就有斷裂的危險。同時，彈簧定位套開裂和偏磨、左右輪徑差過大也將加劇軸箱彈簧承受的垂向和橫向載荷。輪對擦傷、踏面剝離、滾動圓不正圓度等對彈簧受力影響最為嚴重。

采用多體動力學軟件SIMPACK8.8，建立故障車輛多缸體動力學模型，將車輛滾動圓不正圓度展開生成軌道激擾，假設計算車輛在定員狀態(tài)，以110 km/h的速度運行，仿真計算的結果（不正圓度引起軸箱彈簧的動荷系數(shù)）如圖3。

圖3 車輪不圓與軸箱彈簧動荷系數(shù)關系

由圖3可以看出，車輪踏面滾動圓不正圓度較大時，軸箱彈簧的動荷系數(shù)為周期性的諧波，隨著車輪踏面滾動圓不正圓度的增大，軸箱彈簧的動荷系數(shù)逐漸增大。當不正圓度達到2.68 mm時，軸箱彈簧的動荷系數(shù)達到-0.428～0.408，遠遠超過軸箱彈簧疲勞強度實驗時的動荷系數(shù)；當車輪踏面不正圓度達到2 mm時，軸箱彈簧的動荷系數(shù)達到-0.363～0.387；當不正圓度達到1.5 mm時，軸箱彈簧的動荷系數(shù)達到-0.285～0.299，小于疲勞試驗的標準值0.35，此時，軸向彈簧的疲勞試驗工況可以覆蓋，標明軸箱彈簧可以安全運用。

2.4 軸箱彈簧折斷故障分析

2.4.1 材質(zhì)分析

彈簧折斷故障多數(shù)發(fā)生在支撐圈，斷面明顯分三個區(qū)域，上側區(qū)域呈現(xiàn)以上下簧條接觸點為圓心的波紋形態(tài)，判斷為交變應力作用產(chǎn)生的斷面，波紋以下為脆性斷面，無紋路，斷面下側外圈為1 mm左右剪切層，判斷為斷簧發(fā)生過程中最后剪切區(qū)。

在廠方軸園簧制造商的支持下，進行取樣分析（分析結果見表1），顯示該批軸圓簧化學成分符合標準GB/T1222中60Si2Mn配比要求。

表1 軸圓簧化學成分取樣檢測表

依據(jù)標準GB/T230.1-2004進行洛氏硬度試驗（試驗結果見表 2）。

表2 軸圓簧洛氏硬度試驗表

彈簧的表層、內(nèi)層金相組織均為回火屈氏體組織，回火組織3級，判斷為合格金相組織。通過對彈簧樣本分析，可以說明彈簧材質(zhì)、硬度、熱處理等三個指標基本符合TB/T1025-2000的要求。

2.4.2 軸箱彈簧受力分析

車輪踏面擦傷、踏面磨耗異常、踏面滾動圓不正圓度過大等故障是客車運行中產(chǎn)生振動的主要原因。車輛的振動使得軸箱彈簧承受了較大的垂向交變應力，同時左右輪徑差較大、彈性定位套開裂等也加劇了彈簧的服役工況。軸箱彈簧在垂向交變應力的作用下，第一有效圈與支撐圈長時間發(fā)生接觸摩擦和擊打，產(chǎn)生摩擦擊打變形，類似于冷作硬化，誘發(fā)該接觸部位發(fā)生金屬晶?；?，畸變晶粒與未畸變晶粒之間產(chǎn)生了斷層，萌生疲勞裂紋源。在繼續(xù)服役過程中，疲勞裂紋源因應力集中開始擴展，當接觸點有效承載能力無法抵抗載荷的作用時，軸箱彈簧從接觸點處瞬間斷裂。

綜上所述，軸圓簧折斷故障可以排除由于軸圓簧本身故障引發(fā)，主要原因系輪對在運行中的振動沖擊形成了疲勞外力導致軸圓簧支承圈之間形成疲勞擊打而最終折斷。

2.5 故障處理及運行驗證

運用部門在廠家的配合下，經(jīng)過分析討論，決定對編組中振動現(xiàn)象比較突出的部分車輛進行全數(shù)更換輪對處理，同步對轉(zhuǎn)向架配件進行了換件修。

截止2010年1月，運用部門對該批客車橡膠定位套進行了全數(shù)更換，陸續(xù)更換軸圓簧59只，累計更換該批客車輪對146條，對漏油的油壓減震器進行了更換。通過綜合處理，客車運行平穩(wěn)性提高，車輛振動現(xiàn)象明顯得到緩解，后期在車輛進入段修修程后，檢修部門對車輛轉(zhuǎn)向架及其摘要配件進行了全面檢修，車輛運用狀況得以改善，基本遏制了振動的產(chǎn)生，相應的軸圓簧折斷、輪對缺陷等故障也明顯減少。

3 建議預防措施

3.1 有效監(jiān)控輪對不正圓度

由于普查發(fā)現(xiàn)輪對不正圓度超過限制值的故障量比較大，對應車體振動現(xiàn)象比較普遍，故有效監(jiān)控輪對不正圓度是主要的防范手段。

3.2 控制標準

上述故障車輛的車輪踏面滾動圓不正圓度最大達到2.68 mm。雖然在德標DIN27204-1中規(guī)定，運行速度為60 km/h～160 km/h的車輛，車輪踏面滾動圓不正圓度的限制值為1 mm，而國內(nèi)的運用檢修規(guī)程中尚無相應規(guī)定。但是，我們以《鐵路客車運用維修規(guī)程》（鐵運[2006]27號文件）中關于輪對運用限度的規(guī)定，可以將車輪踏面滾動圓不正圓度雷同于平緩的踏面擦傷故障進行參照和控制，當不正圓度為0 mm時，踏面擦傷＞0.5 mm時，必須進行換輪處理，如果將擦傷0.5 mm看成輪對踏面滾動圓的不正圓度，那么不正圓度也達到0.5 mm。

3.3 控制手段

為了檢測輪對不正圓度，可以對乘務人員反饋的測量震動大的信息進行針對性測量，按照0.5 mm的不正圓度進行換輪或不落輪鏇修處理。

3.4 檢測手段

建議車輛檢修運用單位配備輪對不正圓度檢測設備或器具。

為了盡可能避免軸箱彈簧早期折斷、定位套開膠、油壓減震器漏油等故障，保障鐵路運輸安全，建議在運用中將25G車輪踏面不正圓度控制在1.5 mm之內(nèi)，并納入《鐵路客車運用維修規(guī)程》相關附錄中，同時，用戶須加強車輪踏面檢查和旋修，配件制造商必須嚴格控制配件材質(zhì)及工藝質(zhì)量。