胡元杰

（蘭州鐵路局嘉峪關(guān)車輛段,甘肅 嘉峪關(guān) 735103）

1 K16礦石車概述

K16礦石車ZCZ1型轉(zhuǎn)向架于上世紀(jì)六十年代開始設(shè)計(jì)及運(yùn)用，主要用于為酒鋼生產(chǎn)的K16型礦石漏斗車。八十年代末期，在原鐵道部組織下，原株洲車輛廠對K16型漏斗車進(jìn)行改進(jìn)，定型為K16A，在K16型漏斗車進(jìn)行改進(jìn)的同時，對ZCZ1型轉(zhuǎn)向架（滾動軸承）進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，構(gòu)架主要材質(zhì)更換為Q345qE。1989-1999年共批量生產(chǎn)67輛。

2002年原株洲車輛廠對ZCZ1型轉(zhuǎn)向架 （滾動軸承）再次進(jìn)行了修改，采用SKF197726軸承、LZ50鋼車軸、LM磨耗型踏面HDS型車輪等。2002-2004年三批共批量生產(chǎn)100輛。2010年再次對ZCZ1型轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，采用組合式制動梁、HDSA-26型輾鋼薄輪緣中間輪對車輪等。2011年共生產(chǎn)80輛。

K16礦石車主要結(jié)構(gòu)：車輛由車體、底門開閉機(jī)構(gòu)、開閉機(jī)構(gòu)風(fēng)路控制裝置、車鉤緩沖裝置、制動裝置及轉(zhuǎn)向架等部件組成如圖1和圖2所示。

圖1 K16礦石車三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 K16礦石車平面圖

車體：車體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻、漏斗和底門等組成。底架主要型材、板材采09CuPCrNi-A耐候鋼或Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼。

轉(zhuǎn)向架：該轉(zhuǎn)向架主要由整體構(gòu)架、輪對彈簧均衡裝置、基礎(chǔ)制動裝置、斜楔及間隙旁承等組成如圖3所示。

圖3 ZCZ1型轉(zhuǎn)向架三維示意圖

輪對彈簧均衡裝置：該裝置主要由貨車D軸滾動軸承裝置、均衡梁組成、貨車RD2型輪對、中間輪對、軸箱、承載彈簧等組成如圖4所示。采用SKF197726型或352226X2-2RZ型雙列圓錐滾子軸承。均衡梁由厚16mm上、下蓋板，厚20mm雙腹板等組成，其中板材的材質(zhì)為Q345qE。轉(zhuǎn)向架輪對由RD2型輪對及中間輪對組成，其中中間輪對車輪為HDSA-26型車輪，踏面為LM-26型踏面，其它車輪采用HDSA車輪，踏面為LM磨耗型。軸箱由承載鞍和磨耗板組焊而成，承載鞍材質(zhì)為ZG230-450。承載彈簧為內(nèi)、外兩級剛度彈簧，彈簧材質(zhì)為60Si2CrVAT。

圖4 輪對彈簧均衡裝置

2 轉(zhuǎn)向架主要故障類型

K16礦石車故障主要故障類型為裂紋、磨耗過限、作用不良以及折斷。故障主要是由于車輛在設(shè)計(jì)、制造時，未能充分考慮該車型實(shí)際運(yùn)行工況而造成的疲勞裂紋、配件干涉以及實(shí)際檢修和運(yùn)用過程中的管理問題而造成的裂紋、磨耗超限等故障。

2.1 構(gòu)架裂紋

構(gòu)架裂紋部位主要發(fā)生在均衡梁導(dǎo)框與構(gòu)架焊接部位的兩側(cè)，側(cè)粱下蓋板與腹板均出現(xiàn)裂紋，如圖5所示。

圖5 均衡梁導(dǎo)框與構(gòu)架焊接部位裂紋

2.2 基礎(chǔ)制動裝置緩解不良

在車輛運(yùn)用過程中，裝用組合式制動梁的K16A型車專列在列車卸貨剩余6輛或剩余3輛或全列卸完后（重車轉(zhuǎn)空車后），頻繁發(fā)生車輛緩解后閘瓦抱輪而使機(jī)車?yán)粍恿熊嚨默F(xiàn)象，需要人工撬開制動梁及閘瓦才能拉動列車。在20d的時間內(nèi)，有4次出現(xiàn)卸貨后制動梁不回位、閘瓦抱輪而使機(jī)車?yán)粍恿熊嚨默F(xiàn)象，同時伴有單滑槽與側(cè)梁的連接焊縫開裂的現(xiàn)象。

2.3 基礎(chǔ)制動裝置制動力不均及中位中拉桿磨軸

在運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)部分K16A型礦石漏斗車轉(zhuǎn)向架中間軸上部中位中拉桿存在磨軸現(xiàn)象，如圖6所示，伴有中位中拉桿斷裂故障，且車輛內(nèi)側(cè)兩軸的制動力較大，而車輛外側(cè)兩軸的制動力較小或沒有，造成車輪異常磨耗，如圖7所示。

圖6 中拉桿磨軸

圖7 內(nèi)側(cè)車輪異常磨耗

2.4 均衡梁連接銷上開口銷折斷

由于K16礦石車運(yùn)營線路上彎道較多，轉(zhuǎn)向架所受到的橫向載荷較大且頻繁，均衡梁連接圓銷上的開口銷無法承受該使用條件，導(dǎo)致該開口銷頻繁被剪斷。

2.5 軸箱磨耗板磨耗嚴(yán)重

日常檢修過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)10mm軸箱磨耗板被磨平或嚴(yán)重偏磨，嚴(yán)重者磨耗板破損。約44%的軸箱磨耗板磨耗過限需要更換，直接增大了檢修工作量。

3 原因分析及改進(jìn)方法

3.1 構(gòu)架裂紋故障原因分析及改進(jìn)

分析構(gòu)架產(chǎn)生裂紋主要有2個原因：一是設(shè)計(jì)原因。蓋板自身強(qiáng)度不足，存在薄弱部位，不足以承受由于線路不平順造成的心盤的垂向沖擊，在交變載荷作用下，薄弱部位擴(kuò)展。二是由于制造原因。將均衡梁導(dǎo)框焊接于構(gòu)架時，焊角不均勻，焊波熔深不良，造成焊縫處應(yīng)力集中，在外力載荷作用下，焊縫處蓋板開裂。

改進(jìn)后，側(cè)梁下蓋板與橫梁下蓋板由同為16mm厚的Q345qE改為20mm厚的Q345qE，如圖8所示，相應(yīng)的側(cè)梁腹板及隔板、橫梁腹板及隔板、端梁立板縮短4mm。整個構(gòu)架的外形輪廓尺寸不變。構(gòu)架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析表明最大應(yīng)力位置均為橫梁上蓋板與心盤梁相連處，改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高了14%，在疲勞大應(yīng)力區(qū)域的動應(yīng)力幅和相應(yīng)的平均應(yīng)力均比原構(gòu)架有所減少。按該優(yōu)化方案生產(chǎn)的構(gòu)架目前運(yùn)用良好，未發(fā)現(xiàn)有裂紋故障，優(yōu)化效果明顯。

圖8 構(gòu)架改進(jìn)

3.2 基礎(chǔ)制動裝置緩解不良故障原因分析及改進(jìn)

由于制動梁端頭滑塊磨耗套與滑槽磨耗板之間的間隙偏小，重車轉(zhuǎn)空車后，由于制動梁上升導(dǎo)致制動梁端頭卡滯，使得轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置難以緩解。但在重車工況下，由于制動梁滑塊磨耗套與滑槽磨耗板之間存在3.6mm間隙，不存在緩解不良的現(xiàn)象，如圖9和圖10所示。

圖9 滑塊磨耗套與滑槽磨耗板位置圖

圖10 重車滑塊磨耗套與滑槽磨耗板位置圖

為解決基礎(chǔ)制動裝置緩解不良的問題，將原“U”形卡入式滑槽磨耗板改為“L”形滑槽磨耗板，焊固在制動梁滑槽下表面上。改進(jìn)前、后對比如圖11和圖12。既有車輛改造后運(yùn)用良好，再未出現(xiàn)緩解不良的現(xiàn)象。

圖11 滑槽磨耗板改進(jìn)前、后對比圖

圖12 滑槽磨耗板改進(jìn)前、后三維對比圖

3.3 基礎(chǔ)制動裝置制動力不均及中位中拉桿磨軸故障原因分析及改進(jìn)

由于在新輪閘瓦全磨耗（剩余量18mm）重車制動工況下,轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動杠桿在A處與B處發(fā)生了干涉，如圖13所示，使得遠(yuǎn)離游動杠桿的兩條輪對失去制動力，只有靠近游動杠桿的一條輪對收制動力作用。

圖13 新輪閘瓦全磨耗（剩余量18mm）重車制動工況下

由于轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置中位中拉桿與中間軸之間在重車新輪新瓦制動工況下達(dá)到最小距離，其值為29mm，如圖14所示。轉(zhuǎn)向架承載彈簧當(dāng)量擾度為40.4mm，重車工況下的動載系數(shù)為0.27，彈簧允許的永久變形為4mm，考慮彈簧及彈簧座公差4mm，滑槽磨耗板及滑塊磨耗套各磨耗3mm，所以，轉(zhuǎn)向架技術(shù)制動裝置在重車工況下可能的下降數(shù)值為40.4×0.27+4+4+3+3=24.9(mm),即中位中拉桿與中間軸之間的最小距離為29mm-24.9mm=4.1mm。此處沒有考慮軸箱和構(gòu)架心盤梁下蓋板與測梁下蓋板之間的尺寸公差，顯然此處制造公差的存在是可以導(dǎo)致中位中拉桿與中間軸之間的距離消失，出現(xiàn)相互干涉，導(dǎo)致磨軸現(xiàn)象的發(fā)生。

圖14 新輪新瓦重車制動工況

由于采用槽鋼滾子式制動梁的中位中拉桿磨軸比例相對采用組合式制動梁的中位中拉桿磨軸比例偏高，說明采用槽鋼滾子式制動梁時，由于存在制動梁搭頭現(xiàn)象，造成整個基礎(chǔ)制動裝置杠桿位置下降，使得中位中拉桿與中間軸之間的距離更小，更容易產(chǎn)生磨軸現(xiàn)象。

為避免由于閘瓦及車輪踏面磨耗引起的制動杠桿與構(gòu)架橫梁及心盤梁下蓋板發(fā)生干涉現(xiàn)象，通過合理調(diào)整杠桿孔以達(dá)到轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置各閘瓦制動力均衡，通過校核計(jì)算，需對C、D部位的上拉桿、中位中拉桿進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如圖15所示，調(diào)整其尺寸，同時為避免中位中拉板上平面與心盤梁下蓋板干涉及磨軸現(xiàn)象，對中位中拉板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖16所示。

圖15 新輪新瓦重車制動工況

圖16 改進(jìn)后中位中拉桿

重車閘瓦壓力10.4KN/0.78=13.3KN，重車制動工況中位中拉桿受力大小為25.53KN，如圖17和圖18所示。

圖17 改進(jìn)前中位中拉桿應(yīng)力及變形（應(yīng)力44.7MPa+變形0.015mm）

圖18 改進(jìn)后中位中拉桿應(yīng)力及變形（應(yīng)力86.7MPa+變形1.51mm）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將中位中拉板中間板單元部分的材料由Q235A改為Q345qE,增加其許用應(yīng)力。

改進(jìn)后在新輪新瓦重車制動工況，中位中拉桿與中間軸的最小距離為36mm，較改進(jìn)前的29mm，增加了7mm，可以有效緩解中位中拉桿磨軸現(xiàn)象。

3.4 均衡梁連接銷上開口銷折斷故障原因分析及改進(jìn)

因運(yùn)營線路上彎道較多，轉(zhuǎn)向架所受到的橫向載荷較大且頻繁，均衡梁連接圓銷上的開口銷無法承受該使用條件，導(dǎo)致該開口銷頻繁被剪斷。

原均衡梁連接圓銷采用開口銷進(jìn)行防松，因開口截面積小，在承受橫向載荷時，易發(fā)生彎曲變形和剪斷。因此，在均衡梁有限的空間內(nèi)，將圓銷更換為扁孔圓銷，同時將開口銷更換為扁開口銷，其開口銷的截面積增大140%，扁開口銷在極限載荷下（橫向力全部由扁開口銷承擔(dān)，約為13kN），其應(yīng)力為108MPa，低于Q215A的許用應(yīng)力（147MPa）。改造前后情況見表1。

表1 改進(jìn)前后配件明細(xì)

3.5 軸箱磨耗板磨耗故障原因分析及改進(jìn)

由于軸箱設(shè)計(jì)制造時，未考慮重載惡劣條件下，車輛運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)，造成K16礦石車運(yùn)行時，軸箱與導(dǎo)框緊密接觸并發(fā)生摩擦，導(dǎo)致軸箱嚴(yán)重磨耗。

為減少軸箱與導(dǎo)框的磨耗，對軸箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖19所示。軸向材質(zhì)由ZG230-450改為B+級鋼，軸箱應(yīng)力為125MPa，低于B+級鋼的許用應(yīng)力185MPa，如圖19所示。同時增加了材質(zhì)為尼龍的軸箱橫向磨耗板，采用短尾拉鉚釘緊固。

圖19 軸箱改進(jìn)前后對比

4 結(jié)論

本文就目前K16礦石車ZCZ1型轉(zhuǎn)向架在檢修和運(yùn)用過程中發(fā)現(xiàn)的主要故障進(jìn)行分析，分析故障原因，制定改進(jìn)措施，并對轉(zhuǎn)向架改進(jìn)后的效果進(jìn)行追蹤驗(yàn)證。通過研究分析轉(zhuǎn)向架主要故障原因、實(shí)施改進(jìn)方案，并對改進(jìn)后方案進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

1）ZCZ1型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)生裂紋的主要原因?yàn)樵O(shè)計(jì)制造時未能充分考慮實(shí)際運(yùn)用工況，說明構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)具有一定局限性，對實(shí)際運(yùn)用工況分析不充分。

2）ZCZ1型轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置緩解不良原因是制動梁端頭滑塊磨耗套與滑槽磨耗板之間的間隙偏小，重車轉(zhuǎn)空車后，制動梁上升導(dǎo)致制動梁端頭卡滯。說明制動梁滑槽設(shè)計(jì)時，對空重車影響車輛運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)考慮不全面，設(shè)計(jì)、驗(yàn)證環(huán)節(jié)需要繼續(xù)完善。

3）由于沒有考慮軸箱和構(gòu)架心盤梁下蓋板與測梁下蓋板之間的尺寸公差，導(dǎo)致中位中拉桿與中間軸之間的距離消失，出現(xiàn)相互干涉，發(fā)生磨軸現(xiàn)象。在車輛設(shè)計(jì)制造時應(yīng)充分考慮尺寸公差對制造、裝配的影響。

4）加強(qiáng)K16礦石車檢修和運(yùn)用管理，完善作業(yè)要求，強(qiáng)化過程質(zhì)量控制，提高檢修和運(yùn)用故障信息反饋，確保車輛安全正常使用。