hxn5型内燃机车转向故障分析

hxn5型内燃机车转向故障分析

hxn5内燃机车是由南车齐福亭机车有限公司（以下简称ge）生产、加工而成的大规模国内能源设备。电机重量为25吨，配备gevo16发动机。采用电子辐射管理系统、通信辅助机械生产线、5gmg201e1主缸、5geb32b1引导装置、3个轴压结构和单驾驶员室。它具有三种机器重量连接功能，采用微型逻辑控制技术和励磁励磁系统，具有全功率自负荷试验功能。HXN5型内燃机车排放低、节能好,具有卓越的防空转、防滑行功能,较高的黏着利用率,良好的动力学性能和制动性能。HXN5型内燃机车投入运用一段时间后,机车转向架先后出现了一系弹簧批量折断、轮缘踏面非正常磨耗、轮对托座磨损等故障。1运行故障原因分析1.1轴箱弹簧力学性能HXN5型内燃机车一系悬挂采用圆柱螺旋钢簧串联橡胶垫承载结构,但弹簧座底部的橡胶垫太薄(8mm)、太硬(90度),起不到良好的缓冲轮轨间高频振动的作用;轴箱弹簧的设计应力偏高,弹簧静载荷下基础应力太大,比国产机车的轴箱弹簧应力都要高。公司设计的DF8B型机车轴箱弹簧静载荷下基础应力较高,但HXN5型内燃机车轴箱弹簧应力是DF8B型的1.12倍、DF11型的1.2倍。大部分弹簧折断均发生在支撑圈与其他圈的相邻部位,从折断弹簧的部位可以明显看出,接触线存在一定的不均匀现象,折断发生的起始部位大都是该接触部位,支撑圈与起始工作圈接触状态不良也是引起弹簧折断的原因之一。同时,机车运用中踏面非正常磨耗形成的凹槽加剧了弹簧承受的动载荷,导致了轴箱弹簧的早期失效。1.2hxn5型内燃机车轮缘与机构间的相互影响调整HXN5型内燃机车的牵引功率较大,低速区段的牵引力也设置的相当大,几乎可以发挥到黏着极限。因此,牵引吨位较重时机车踏面磨耗较快,同时,碰到轨面黏着状态较差时车轮极易出现打滑现象。造成了车轮踏面的较快磨损和擦伤,极易造成车轮不圆。车轮一旦不圆,机车运行时将产生明显的垂向振动并加剧车轮不圆现象。另外,当机车通过曲线时,由于曲线黏着系数下降的客观存在,牵引力大时极易发生空转。在曲线上一旦发生空转,对导向轮而言,相对于镟削轮缘,进一步加剧导向轮的轮缘磨耗。HXN5型内燃机车为单司机室结构,单机牵引时只能单方向运行,导向轮运行时在钢轨上横向位移较多,过曲线时轮缘贴靠钢轨也较多,因此其轮缘有磨耗、踏面磨耗也较正常,而其他轴运行时在钢轨上横向位移较小,过曲线时轮缘贴靠钢轨也较小,极易造成非导向轮轴车轮的踏面凹陷现象。有一定深度的凹陷形成后,当机车运行在直线区段时,钢轨与凹槽形成很好的配合,机车运行平稳,感觉不到横向晃动情况。但当机车以一定速度进入曲线时,因冲角和动能的原因,车轮的磨耗凹槽会失去与钢轨的良好配合,突出部位冲上轨面又迅速滑落,造成轮轨垂向冲击,形成机车垂向振动,这种冲击加速了车轮的不圆现象。同时,因为机车进出曲线时前转向架的冲角较大,蛇行也较严重,造成前转向架踏面凹陷较为严重的第二、第三轴冲击严重,这种情况在踏面磨耗凹陷最明显的第三轴尤为严重。HXN5型内燃机车转向架轴箱定位为导框结构,特点是轴箱相对于构架之间的导框定位,发生相对横向位移时需克服摩擦副的摩擦力。摩擦力的大小与摩擦系数和正压力的乘积直接相关,与机车运用工况(如牵引力大小)密切相关。当机车发挥高牵引力时,转向架的后轮对轮轴横向力(远小于前轮对)不足以克服导框摩擦力,因而后轮对横向位移很小。长期运行极易在踏面与钢轨经常接触的区域形成凹槽。凹槽形成后,如果再有较大的横向位移,凹槽可能会被磨成平滑过渡;反之,如果横向位移较小,凹槽会越来越深。1.3导框衬垫上涌动HXN5型内燃机车一系定位采用导框结构,导框衬垫下部(与轮对托座接触处)宽边较薄,导致强度较低,在导框衬垫上下窜动的过程中造成下部产生裂纹,并引起下部变形、弯曲,最终下移。轮对托座为铸铝件,质地较软,经过长时间与导框衬垫接触,造成轮对托座上平面磨损。由于轮对托座的磨损,加快了导框衬垫下部的开裂,开裂后导框衬垫的原型尺寸发生变化,加快导框衬垫的下移。2启动阶段改善措施基于以上分析,可通过以下措施解决HXN5型内燃机车转向架存在的问题。2.1悬架弹簧改进方案一系橡胶垫改用一个具有一定厚度(30mm左右)、硬度较低(邵氏65度左右)的橡胶垫,其设计思路是机车运行时缓冲轮轨间的高频冲击。针对弹簧设计安全余量偏小的问题进行了弹簧的改进设计,新老方案弹簧的平均直径基本不变;改进弹簧的棒料直径有所增加;改进弹簧的有效圈数稍有增加。改进前后弹簧的支撑圈都为3/4圈。改进方案比原设计基础应力降低8.75%;改进弹簧修正后的弹簧应力比原方案降低8%。2.2hxn5型内燃机车双向运行保障针对HXN5型内燃机车牵引力大,建议运用部门合理确定牵引定数,减少车轮空转机率,尽可能双向运行以均匀各轴位的车轮磨耗。但HXN5型内燃机车为单司机室结构,司机室与机车运行方向不同向时不利于司机瞭望。因此,对既有HXN5型内燃机车可通过以下方法实现双向运行:(1)通过重联实现双向运行;(2)对单机作业的机车通过调换前后转向架间接实现机车双向运行的效果。以上措施均可改善车轮磨耗不均等问题,有助于机车的安全可靠运行,节省维修费用和劳动力成本,同时提高车轮的使用寿命。2.3导框衬垫的承载面在轮对托座与导框衬垫之间增加一块3mm厚的钢板,并适当增大导框衬垫的承载面。该钢板应具有两个作用:(1)提高与导框衬垫接触部分材质的硬度;(2)增大导框衬垫的承载面,使其不易下移。将原有轮对托座从上平面加工掉3mm,保证托座下部与轴箱下部间的空间维持不变。3改进效果3.1弹簧应力比原方案在轴箱弹簧下改设一个具有一定厚度、刚度较小的橡胶垫,在一定程度上缓解了轮轨冲击的相互影响,新方案的弹簧应力比原方案有明显降低。两者配套改进后的一系悬挂参数对整车动力学性能影响较小。该方案自2010年底实施,迄今已装用约500台机车,未发生弹簧折断现象。3.2转向架性能试验验证为验证措施的有效性,公司与GE公司、哈尔滨铁路局共同制定了调换前后转向架间接实现机车双向运行的方案。方案确定后,得到了哈尔滨铁路局各机务段的大力支持,最后选定了牡丹江机务段的11台机车进行相关试验验证。调换转向架前后对比见表1。可见,调换转向架前后,HXN5型内燃机车在牡丹江机务段每个镟轮周期内的运行里程增加了23%。3.3发动机损坏不再发生经过整改后的新造机车及各机务段运用机车,未有类似轮对托座磨损故障报告,效果明显,整改措施有效。4轮磨耗的回收从调换转向架前后的对比情况来看,在现有条件下,双向运行是改善HXN5型内燃机车车轮磨耗的最有效途径之一。此外,针对原设计转向架采用导框轴箱定位结构和机车单司机室单向运行对车轮非正常磨耗产生的不利影响,公司已研制出新结构转向架配双司机室的改进型HXN5型内燃机车,改进型HXN5型内燃机车的投入使用会更有效地解决车轮非正常磨耗的问题。4.1轴箱连续式内燃机车单杆定位方式原HXN5型内燃机车转向架轴箱采用导框定位(见图1),该结构在轴箱体与构架导框座间存在磨擦副,运用中暴露出了车轮磨耗较快等问题。除北美机车以外,国际上已很少采用这种定位方式,我国铁路也从20世纪70年代开始新造机车不再采用这种定位方式,而全面采用无磨擦副的轴箱拉杆定位方式。此次引进的大功率交流传动电力、内燃机车,除HXN5型内燃机车外,也全部采用轴箱拉杆定位方式,而且大多是单拉杆定位。HXN5型内燃机车单拉杆转向架(见图2)总体设计思路:维持原导框转向架总体高度不变,尽量保持转向架与车体上部的接口不变,即三点式旁承、中心销牵引结构不变;维持转向架一、二系悬挂参数不变;转向架主要改动的大部件有构架和轴箱,基础制动仍采用单元制动器,但安装方式需作调整;轮对及牵引电动机滚动轴承抱轴悬挂(Combo,含轴箱轴承)维持不变。4.2轴位车轮磨耗远单拉杆结构转向架装HXN5-2001号机车经过型式试验知,动力学性能良好,通过曲线时运行平稳,各轴位车轮磨耗远小于原HXN5型内燃机车,且更趋于均匀。从HXN5-2001号机车线路运用考核数据来看,整车轮缘和踏面平均磨耗比原HXN5型内燃机车分别改善了49%和17%。5弹簧应力降低。在基础应力比原设计降低了4.(1)HXN5型内燃机车轴箱弹簧改设一个具有一定厚度、刚度较小的橡胶垫,在一定程度上缓解了轮轨冲击的相互影响,并改进弹簧,新弹簧的基础应力比原设计降低了8.75%。修正