1、 锁闭铁断裂分析及其改进措施_天津铁路信号工厂 王渤 魏少敏一、问题产生的来由外锁闭装置是由铁道部道岔中心转让的技术，适用于铁路提速道岔的专用锁闭器材。97 年开始我厂先后为“哈、沈、沪、广、济、郑”六个铁路局供应外锁闭装置 1752 组。1998 年 4 月济南局发生锁闭铁断裂事故 17 起，广州电务段 1 起。该事故引起铁路上下高度重视，铁道部刘志军副部长提出“此事事关安全，责任重于泰山”工厂为此进行了停产并认真整改。现就问题产生原因分析如下： 上图为原工件图上图为安装图 二、问题产生的原因：1、对断裂件进行分析发现，该工件毛坯在外厂铸造时，热处理未能达到设计要求的性能，工艺过程也未经过鉴
2、定，再加之过程监控力度不够，致使部分热处理不合格的工件进入我厂加工成型，流入铁路运输提速现场。2、受力状况：锁闭铁安装在铁轨上，处于外锁闭装置的关键受力部位，断裂处承受锁闭杆件的重量 18kg 和震动加速度100g 的震动力，以及钢轨锁闭力 10 吨。断裂处为两处 32.5X40mm2 截面可承受剪力 11.7 吨,对锁闭力和静力而言安全系数为 1.15，但对冲击力而言,该强度则达不到安全标准,危险截面接近断裂处。3、工件材料选择存在的问题：由于设计考虑提高工件耐磨性，和使用寿命，因此在工件锁闭斜面增加淬火要求，把原试验时选用的 ZG230450 改为 ZG310570，而工件材质改变，致使材
3、料冲击韧性 Aku25 降为 Aku15，下降 40%；抗拉强度上升 27%；含碳量上升导致铸件体积收缩率逐渐增加，工件在成型过程中易产生热裂纹。断裂件在断裂处发现热裂纹，说明铸件在热处理前已存在铸造缺陷。铸钢含碳量在 0.4%时热裂纹抗力最低;而含碳量在 0.2%热裂纹抗力比较好,是含碳量 0.4%的 3 倍以上,因此材料选择不当也是问题产生的原因。4、结构工艺性差: a).铸件尺寸愈大,在收缩时受到铸型或型芯的阻碍愈大,愈容易产生热裂纹，最容易产生热裂纹的是一些箱体型或框架型铸件，该件是此类零件; b) 由于 52X110 槽口内含有一键槽，槽底厚 10mm，与槽两侧厚 35mm 相比厚度
4、差较大，在冷却过程中由于冷却速度相差较大很容易产生缩孔、缩松和裂纹。5、结构的抗震性差：该件连接部位外侧有加强筋，该结构增强了工件刚性，但造成该工件抗震性能下降，导致震动力全部由断裂部位承担,危险截面处于断裂部分。6、铸造毛坯委托外加工前，未能考虑浇铸过程中的工艺性，致使浇铸过程产生“热结” 。在浇铸过程中，工件反向使上半部所有铁水流经断裂部位造成断裂部位成为“热结” ，上述原因形成断裂部位最后冷却，冷却过程中铸造缺陷的形成，成为必然结果。7、该件未能在生产前进行严格工艺分析 ，致使铸造、热处理 、检查各环节失控。8、该件关键部位设计未能提出探伤要求，未引起工艺人员重视。9、现场安装时该件外形
5、与相邻件干涉，设计又在断裂上方去除材料形成了斜角 25X45mm,更加剧结构的不合理性。10、工件在安装过程中，由于现场安装条件和工件不能完全匹配，造成锁闭杆与锁闭铁接触位置不完全相同。当锁闭铁处于低头或扬头位置时所受震动力的打击位置与正常状态有很大不同,这也使工件所受剪力与正常状态差 1.24 倍。另外,由于提速刚开始路基施工标准不完善,路基施工质量的好坏也会使震动力改变 。二、改进措施及其方法上图为改进后的毛坯图1、改进工件材质：由铸钢 ZG310570 改为铸钢 ZG270500提高冲击韧性，改善铸造工艺性, 取消淬火要求。2、改进工件结构取消加强筋，增加工艺筋。既提高工件铸造刚性又可避
6、免工件柔韧性不足的缺陷。3、改变工件的毛坯形状，增加铸钢件浇铸时的工艺通道避免断裂部位产生“热结” 。4、改进工件结构，使工件壁厚均匀，槽的壁厚形成变截面设计，避免冷却速度差造成浇铸后形成的内应力;增加断裂处的厚度,提高抗弯能力。5、严格热处理控制，把热处理工序改为厂内加工，用电炉进行热处理。保证热处理过程的可靠性。增加连体试棒检验，加强对委外厂家铸造质量监控。6、工艺过程增加超声波检验，避免带有内部铸造缺陷的工件混入合格品。7、减少加工面，改进工艺面：a) 以 110 槽底为粗基准，减少槽底及 22前端面加工，以及两安装孔的加工;b) 110 槽两侧毛坯做成斜面，尽量减少加工长度;c) 对危
7、险的截面提高表面粗糙度，减小由于表面状况不佳而对疲劳寿命带来的影响；d)槽底面不加工，受力部位中间高,两头低,可使安装位置不同的工件受力情况得到改善。该改进结果经 6 年上道检验使用结果良好。尽管如此，我们工艺水平与国外产品相差悬殊，奥钢联的锁闭铁重量不足我们的 1/3，铸钢材质比铸钢 ZG230450 韧性大且强度高，含碳量 0.1%上下,槽壁厚度只有 16mm,加工面极少只有槽内侧及 22 部位和弯曲处等极少部位加工。但唯有两处即: 1 、断裂处厚度大于我厂产品 7mm我厂工件断裂截面的抗弯截面模数，W =ab 6 mm 3 当 a=35 b=35 W1=42875 mm3国外产品零件弯曲
8、受力截面的抗弯截面模数，按等强度材料计算当 a=16 b=42 W2=28224 W2 /W10.66 而产品厚 a=35 =受到工艺影响大，而产品厚 a=16 =受到工艺影响小。铸铁 HT350 壁 厚 a=I6 与 a=35 抗拉强度 b 相差 25% ，按此比例两种不同厚度的铸钢件，抗弯截面模数几乎相同。 铸钢虽然未有标准说明,但实际生产中与铸铁相同。而实际上国外材料的选用强度高于我国材料许多。2、槽底部不加工带来的好处。槽底部在铸造成型后呈中间鼓两头低的状况，不加工可改善工件的受力状况，解决现场安装出现的问题。总结失败的教训,使我们从中得到启示，铁路信号器材的质量关系到铁路行车安全，作为制作单位应在批量生产前加强对产品可靠性分析，避免因产品质量给铁路安全带来灾祸,是极其重要的。上图为改进后的工件图2004 年 7 月 20 日
