軌道狀態(tài)對一系鋼彈簧壽命的影響研究

李茂春，喻佳文，秦 濤，汪林峰，賀世忠

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001)

隨著我國各大城市的快速發(fā)展，作為城市交通骨干的地鐵軌道交通有效緩解了城市交通擁堵，提高了交通效率。然而，地鐵車輛長期高負(fù)荷運(yùn)行會(huì)造成鋼軌軌面波磨[1]，其激勵(lì)產(chǎn)生的輪軌中高頻振動(dòng)會(huì)傳遞到車輛各部件，甚至產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成車輛部件損傷和破壞[2]。

轉(zhuǎn)向架一般設(shè)計(jì)有兩系懸掛，其中一系懸掛可緩沖來自軌道的振動(dòng)，對車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性、乘坐舒適性及安全性等有重要影響。一系懸掛采用鋼彈簧時(shí)，其自振頻率與輪軌激擾的振動(dòng)頻率關(guān)系密切。為保證車輛正常運(yùn)行，有必要針對軌道波磨后的振動(dòng)對一系鋼彈簧的影響進(jìn)行深入研究。

1 一系鋼彈簧故障現(xiàn)象

ZMA120型轉(zhuǎn)向架一系懸掛采用轉(zhuǎn)臂式鋼彈簧結(jié)構(gòu)[3]，鋼彈簧服役多年表現(xiàn)正常，但是隨著線路條件的惡化，一系鋼彈簧陸續(xù)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象(圖1)，斷簧數(shù)量逐年增加。根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知：一系鋼彈簧內(nèi)簧斷裂占98%，一系鋼彈簧斷裂位置為下端的占59%，一系鋼彈簧斷簧位置與車輛和軸位關(guān)聯(lián)性小，為離散性分布。

圖1 一系鋼彈簧斷裂示意圖

2 一系鋼彈簧斷裂原因分析

2.1 一系鋼彈簧強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)TB/T 2211—2018《機(jī)車車輛圓柱螺旋鋼彈簧》規(guī)定，一系鋼彈簧疲勞試驗(yàn)的動(dòng)載系數(shù)取0.25，考慮到地鐵載荷較大，將動(dòng)載系數(shù)提高至0.3，對一系鋼彈簧疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核，仍能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 一系鋼彈簧斷口分析

從斷口形貌上分析，鋼彈簧疲勞斷裂源處于端圈和有效圈接觸部位，即彈簧的過渡部位[4]，斷裂面有明顯的裂紋萌生、擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂3個(gè)部分，擴(kuò)展區(qū)占斷面的1/4～1/3，瞬時(shí)斷裂區(qū)占斷面的2/3～3/4，如圖2所示，斷裂均呈現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)彎曲剪切疲勞斷裂特征。鋼彈簧的材料、機(jī)械性能、硬度、金相組織檢測結(jié)果均正常。

圖2 鋼彈簧斷裂截面

2.3 一系鋼彈簧動(dòng)應(yīng)力測試

為查找一系鋼彈簧斷裂原因，在線路上進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力測試，彈簧應(yīng)力測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 彈簧應(yīng)力測點(diǎn)布置

測試結(jié)果表明，線路部分區(qū)段的一系鋼彈簧應(yīng)力遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)允許值，最大動(dòng)載系數(shù)超過0.8，甚至超出彈簧壓并時(shí)的靜態(tài)應(yīng)力。通過頻譜分析，軌道振動(dòng)主頻接近60 Hz，與安裝狀態(tài)下內(nèi)彈簧的固有頻率重合，表明內(nèi)彈簧在這個(gè)頻率發(fā)生了共振響應(yīng)[5]，如圖4、圖5所示。

圖4 彈簧應(yīng)力測試結(jié)果

圖5 頻譜分析

2.4 車輪不圓度調(diào)查

為驗(yàn)證車輪不圓或多邊形的影響[6]，對車輪旋輪前后的不圓度進(jìn)行測試并進(jìn)行在線應(yīng)力監(jiān)測。結(jié)果顯示，旋輪前后的車輪均無明顯的多邊形現(xiàn)象，且旋輪后的彈簧應(yīng)力無明顯下降。由此可以判斷出，彈簧應(yīng)力過大不是由于車輪不圓或多邊形引起。

2.5 軌道狀態(tài)調(diào)查

輪軌激勵(lì)除了車輪多邊形還有軌道波磨因素，對照鋼彈簧動(dòng)應(yīng)力和軌道型式(圖6)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力動(dòng)載系數(shù)超過0.3的區(qū)段集中出現(xiàn)在普通短軌枕道床上，且應(yīng)力過大時(shí)對應(yīng)的鋼軌處均存在不同程度的波浪形磨損(簡稱波磨)。軌道波磨的波長分布范圍為125～600 mm，且與行車速度成反比關(guān)系，致使不同波長處的列車通過頻率主要在50～80 Hz。

2.6 共振模擬

在試驗(yàn)臺上對安裝狀態(tài)下的鋼彈簧施加振動(dòng)激勵(lì)，測試不同振幅、不同頻率下的鋼彈簧應(yīng)力，模擬鋼彈簧共振情況[7]。通過共振模擬試驗(yàn)得知：(1)當(dāng)鋼彈簧發(fā)生共振時(shí)，彈簧應(yīng)力激增，當(dāng)振動(dòng)頻率與共振頻率錯(cuò)開5 Hz時(shí)，應(yīng)力降低80%；當(dāng)振動(dòng)頻率與共振頻率錯(cuò)開10 Hz時(shí)，基本可避開共振帶來的影響，但軌道振動(dòng)頻率相當(dāng)豐富，調(diào)整彈簧頻率難以完全避開所有頻率。(2)鋼彈簧共振時(shí)，施加的振幅越大，鋼彈簧應(yīng)力越大，0.75 mm振幅激起的應(yīng)力相當(dāng)于動(dòng)載系數(shù)為0.6的鋼彈簧應(yīng)力水平。

根據(jù)上述分析與驗(yàn)證，說明一系鋼彈簧斷裂的主要原因?yàn)椋浩胀ǘ誊壵硖幍匿撥壆a(chǎn)生波磨，車輛通過波磨區(qū)段的振動(dòng)頻率與一系鋼彈簧的固有頻率重疊引起共振，導(dǎo)致鋼彈簧動(dòng)應(yīng)力過大而斷裂。

3 改善措施及效果

3.1 鋼軌打磨

通過鋼軌打磨可以降低鋼軌不平順，減少輪軌沖擊。圖7為某區(qū)間鋼軌打磨前后的鋼彈簧應(yīng)力變化情況。結(jié)果顯示，降低鋼軌不平順可以顯著降低鋼彈簧應(yīng)力。

圖7 某區(qū)間鋼軌打磨前后的鋼彈簧應(yīng)力變化情況

從部分區(qū)段鋼軌打磨前后斷簧率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，鋼軌打磨后的斷簧率有了明顯下降，平均斷簧率降幅為46%。由于傳統(tǒng)鋼軌打磨方式難以消除長波波磨，不能徹底解決長波波磨區(qū)段的共振問題，也就難以徹底杜絕鋼彈簧斷裂現(xiàn)象。

3.2 優(yōu)化行車速度

為解決長波波磨區(qū)段的共振問題，擬采取列車局部區(qū)段變速方案，從而改變列車通過時(shí)的振動(dòng)頻率。通過試驗(yàn)得出，改變行車速度后，鋼彈簧最大應(yīng)力相差38.5%，鋼彈簧最大應(yīng)力水平顯著降低。在此基礎(chǔ)上，對應(yīng)力最大的關(guān)鍵區(qū)段進(jìn)行行車速度調(diào)整以后，一系鋼彈簧的斷簧率下降83%。

3.3 改變鋼彈簧生產(chǎn)工藝

圓柱壓縮螺旋彈簧端圈一般采取制扁碾尖工藝，隨著數(shù)控碾尖機(jī)的應(yīng)用，碾尖處與有效圈的接觸比較平順，但在共振情況下難以避免接觸點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中，而端部不碾尖工藝能夠相對減少點(diǎn)接觸現(xiàn)象[8]。經(jīng)過鋼軌打磨和行車速度優(yōu)化后，在一列車端部試裝了采用不碾尖工藝生產(chǎn)的鋼彈簧，經(jīng)過50萬km運(yùn)行考核后，未發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

4 結(jié)論

測試研究表明，在普通短軌枕道床上存在不同程度的鋼軌波磨，車輛通過時(shí)的振動(dòng)頻率與一系鋼彈簧固有頻率重疊，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼彈簧應(yīng)力顯著增大，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)應(yīng)力，這是一系鋼彈簧斷裂的主要原因。

通過對鋼軌進(jìn)行打磨處理，降低了輪軌不平順激勵(lì)，減小了鋼彈簧應(yīng)力，斷簧率下降了46%；優(yōu)化個(gè)別關(guān)鍵區(qū)段地鐵行車速度，改變車輛通過時(shí)的振動(dòng)頻率，可錯(cuò)開鋼彈簧自振頻率，該方法與鋼軌打磨聯(lián)合作用下，斷簧率下降了83%；在鋼軌打磨和行車速度優(yōu)化后，試裝在一列車上的采用不碾尖工藝生產(chǎn)的鋼彈簧，通過了50萬km運(yùn)行考核，未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。