HXD2型电力机车轴箱体缺陷原因分析和工艺改进

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摘要： 本文对HXD2型电力机车轴箱体缺陷产生原因进行了分析，并提出了轴箱体的改进措施。

Abstract： This paper analyzes the causes of HXD2 electric locomotive axle box body defect and puts forward the improvement measures of the axle box body.

关键词： 轴箱体;缩孔;气孔;分析;措施

Key words： axle box body;sinkhole;pore;analysis;measure

中图分类号：U260.331                                  文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2015）04-0076-02

1  基本情况

随着我国铁路运输事业的飞速发展，铁路电气化趋势越来越强，同时电力牵引机车在铁路运输中担负的重任也越来越大。HXD2型电力机车作为牵引运输的重要力量，其配件质量直接影响着机车的安全运行，同时对机车配件的质量要求也在不断提高。2013年6月，大同益达铸造有限责任公司生产的HXD2型电力型机车轴箱体半精加工后发现存在以下缺陷：

1.1 在轴孔端面（字号面）靠近上拉杆部位M20螺纹孔内存在着缩孔，缩孔位置比较固定，且有缩孔的轴箱总数量超过60%，有10%轴箱体缺陷严重超标而报废。

1.2 在轴孔上端面（冒口面）有星点状的孔洞，个别铸件在轴孔上端面有弥漫性蜂窝状的气孔，且缺陷铸件数量超过80%。多数铸件在半精加工后出现，铸件多数需进行返修。以上缺陷的存在，严重地影响了产品质量和生产进度。

HXD2型电力机车轴箱体是转向架的重要组件，在整个运转过程中主要承受着横向力、纵向力和垂向力。

①横向力是通过曲线时，由离心力和横向震动共同作用所产生的附加力，其传递途径为：车体→横向和摇头止挡→构架→轴箱止挡→轴箱→轴承→车轴→车轮→钢轨。

②纵向力是电力机车的牵引力和制动力，其传递途径为：钢轨和车轮相互作用产生→车轴→轴箱→轴箱拉杆→构架→牵引杆→车体→车钩→列车。

③垂向力是机车在运行时，受重力作用在垂向震动时引起的附加载荷，其传递途径为：车体→二系弹簧→构架→轴箱弹簧→轴箱体→轴承→车轴→车轮→钢轨。

在机车的实际运行过程中，这三个方向的力必须通过轴箱体进行传递。因此，为保证HXD2型电力机车的正常运行，轴箱体必须完好无损，不得存在任何缺陷。

2  原因分析

①轴孔端面（字号面）靠近上拉杆部位M20螺纹孔内缩孔缺陷形成的原因分析：轴孔冒口离拉杆连接部位较远，不易使钢水对其产生补缩。冒口补贴高度尺寸小，补贴通道没有涉及到要补缩的拉杆部位，且形状不利于铸件的充分补缩，凝固时形成了颈缩现象（俗称卡脖现象）铸件凝固时先凝固了补缩通道，使大量的金属液不能通过此通道给予铸件充分补充，最后形成了铸件批量的缩孔缺陷，缺陷的位置比较固定，只是缩孔的尺寸大小不一致。见图1。

②轴孔上端面（冒口面）气孔缺陷形成的原因分析：在设计铸造工艺时，为保证下型面的拉杆座部位组织的致密性，在3#芯与4#芯内分别设置了A70/100型的发热保温冒口，冒口顶面的排气道直接通至了铸型的上型中。在浇注过程时，保温发热冒口充满钢水后就发热并燃烧，燃烧时产生一定量的气体，气体和钢水一起停留在型腔内。同时铸型中也产生的大量的气体，如果这时型内产生负压，气体不能很快地排出，就会导致气体侵入钢液，最后形成气孔。见图2。

3  采取措施

3.1 针对轴孔端面靠近上拉杆部位M20螺纹孔内缩孔缺陷进行详细的分析和计算，认为冒口的选用可能满足不了铸件的补缩要求。冒口的补缩距离与铸件的结构形状、铸件的纵向温度梯度、合金的粘度、合金的凝固区域的宽窄、冷却条件、冒口的补缩压力及析出气体的反压力等因素有关。增加纵向温度梯度能有效的增加冒口的补缩距离。重新计算如下：

①轴孔端的模数

V件1=2272×3.14×88-1772×3.14×51-120.52×3.14×（88-51）=7548475.22

S件1=454×3.14×88+241×3.14×（88-51）+354×3.14×51+（2272-1772）×3.14+（1772-120.52）×3.14

=247146.97

M件1=V件1/S件1

=7548475.22÷247146.97

=30.5

②2端的模数

V件2=2402×3.14×58+1/3×3.14×（113-58）×（2252+1682+225×168）-171.52×3.14×71-120.52×3.14×（108-71）-1352×3.14×（113-108）

=8674943.94

S件2=480×3.14×58+3.14×79.2×（225+168）+（2402-171.52）×3.14+（171.52-120.52）×3.14+343×3.14×71+120.5×3.14×（108-71）+270×3.14×（113-108）

=415129.509

M件2= V件2/S件2

=8674943.94÷415129.509

=20.9

③拉杆连接部位冒口的设计计算

M冒= M件×（1.1-1.2）

M冒1= M件1×1.1=30.5×1.2=36.6

M冒2= M件2×1.1=20.9×1.2=25.08

查《铸造手册》第五卷表[1]3—253可知

1）端的冒口尺寸为腰形冒口2个，160×240×240，冒口补贴高175，宽度100/80。

2）端的冒口为95×115×205。

拉杆连接部位冒口70/100发热冒口。

④计算冒口的补缩能力：

设计材质E300-520，其化学成份为：

C 0.22～0.28  Si 0.30～0.45  Mn1.10～1.30  P≤0.04  S≤0.04

据《铸造工艺学》表7—16[2]查得体收缩系数

ε=εc+εx      εc=4.6%   εx=∑Ki*Xi

Mn的Ki=+0.0585，Si的Ki=+1.03

取Mn的Xi=1.2%   Si的Xi=0.37%

故ε=4.6%+1.2%×0.0585+0.37%×1.03=5.06%

由《铸造工艺学》表7—13[2]查得保温冒口的补缩效率η=25%，由公式  7-17[2]得可补缩铸件的最大体积为

V件=V冒×（η-ε）÷ε=612000×（25-5.06）÷5.06=4896000

而铸件的体收缩为

V缩1=V件1×ε=7548475.22×5.06%=377423.761

V缩2=V件2×ε=8674943.94×5.06%=438952.2

冒口的补缩能力可以满足铸件所需的补缩体积，由于在设计初期计算时只计算了局部的模数，所以冒口不再减小。只需改变冒口补贴的尺寸及形状，使冒口补贴有足够的钢水并保证其高度将缩松区域全部覆盖，保证补缩通道畅通，避免出现颈缩现象。其次，加大型腔的排气能力，避免在浇注过程中型腔内产生负压，来提高冒口的补缩效率，消除缩孔缺陷。见图3。

3.2 针对轴孔上端面的气孔缺陷采取的工艺改进方法：首先改变3#砂芯与4#砂芯内发热保温冒口的排气方向，把排气道改在分型面处，浇注时产生发热冒口产生的大量气体，应顺着芯头处的气道能够及时排出。其次，在上、下型的分型面处开挖排气槽，并在上型的芯头处的适当部位多扎出气孔，在轴孔的两个大冒口内扎ф20的出气道，且控制生产过程的各个环节，制芯时保证气道的安放位置，并将原来的通气道用芯砂堵死，浇注时把握慢→快→慢→点浇的浇注原则，避免断流浇注，卷入气体，形成缺陷。更改排气道后的下芯图。见图4。

4  工艺改进效果

①采用新工艺投入批量生产后的铸件，轴孔下端面（字号面）靠近上拉杆部位M20螺纹孔内缩孔缺陷已完全消失，现质量稳定。通过对铸件跟踪观察和统计，到目前为止，已精加工1500余件，轴孔端面（字号面）靠近上拉杆部位M20螺纹孔内未发现有缩孔现象，通过大量的验证说明，工艺改进效果较好。

②针对轴孔上端面的气孔缺陷的新工艺，已投入批量的生产，下工序从5月开始陆续加工工艺改进后的轴箱体，截止目前为止，已加工成品15台（180个），端面无气孔缺陷。

工艺改进后，轴箱体的质量得到很大的改善，不仅提高了铸件的质量，还能提高生产效率，减少铸件的返修，节约焊修材料。

参考文献：

[1]中国机械工程学会铸造分会编.铸造手册[M].机械工业出版社，2002.

[2]刘峰，柴树繁.消除大型主轴箱体缩孔和缩松缺陷的探索[J].金属加工（热加工），2008（15）.

[3]熊利，唐和雍，邓炎，张继海，郭维.曲轴箱体压铸件内部缺陷的质量改进[J].铸造技术，2008（06）.

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作者简介：扈玉兰（1962-），女，山西大同人，大同益达铸造有限责任公司工程师，大专，从事铸造工业设计。

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