城軌列車用圓柱螺旋彈簧疲勞失效原因分析
目前，在軌道交通裝備制造過程中，廣泛采用了圓柱螺旋彈簧裝置承載和減振，圓柱螺旋彈簧作為關(guān)鍵受力部件，其斷裂不但影響軌道車輛的使用性能，而且會(huì)危急乘客安全。本文選取城軌車輛斷裂圓柱螺旋彈簧作為試樣進(jìn)行分析。
相關(guān)關(guān)鍵詞: 鋼材性能,機(jī)械性能,力學(xué)性能,物理性能,,化學(xué)成份,顯微組織,金相組織,晶體結(jié)構(gòu),開裂,裂紋,彈簧鋼,疲勞失效,斷裂,硬度檢測(cè),金相檢測(cè).
1.原因分析
（1）事件介紹
在軌道交通裝備中一般都采用兩系彈簧懸掛裝置。一系懸掛，又稱主懸掛，設(shè)置在機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和軸箱之間。二系懸掛，又稱次懸掛，設(shè)置在車體底部與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間。某城軌用一系彈簧在使用過程中多次發(fā)生斷裂，且斷裂形式以疲勞扭轉(zhuǎn)斷裂為主，為查明一系彈簧斷裂原因，取一斷裂內(nèi)簧進(jìn)行失效分析。
（2）斷口分析
斷裂部位為彈簧內(nèi)簧上端面第一工作圈，斷裂面與彈簧軸線約呈45°夾角，如圖1所示。斷裂源緊挨著支撐圈端部，斷口形貌如圖2所示，屬扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。由圖2可看到斷裂面分為裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終瞬斷區(qū)三個(gè)部分，可見明顯疲勞擴(kuò)展貝紋線。瞬斷區(qū)域占斷口面積的1/2，說明該彈簧在斷裂的一瞬間所受到的沖擊力比較大。另外，在裂紋起始位置可看到彈簧支撐圈端部與第一工作圈互擠壓的痕跡，如圖3、圖4所示。
（3）化學(xué)成分分析
在斷裂的彈簧上取樣，采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。
表1 斷裂彈簧化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
元素 | C | Si | Mn | S | P | Cr | V |
實(shí)測(cè)值 | 0.53 | 0.21 | 0.98 | 0.002 | 0.011 | 1.10 | 0.15 |
51CrV4 | 0.47~0.55 | ≤0.40 | 0.70~1.10 | ≤0.025 | ≤0.025 | 0.90~1.20 | 0.10~0.25 |
（4）硬度檢測(cè)
對(duì)斷裂的彈簧進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見表2所示。
表2 硬度檢測(cè)結(jié)果
試樣編號(hào) | 檢測(cè)值HRC | 平均值HRC | ||
實(shí)測(cè)值 | 47.0 | 47.0 | 46.5 | 46.8 |
標(biāo)準(zhǔn)值 | 45~51 | |||
（5）金相檢測(cè)
在斷口位置取樣做金相檢測(cè)，試樣打磨、拋光，經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后，置于OLYMPUS GX71顯微鏡上做金相檢測(cè)，試樣表面無明顯的脫碳現(xiàn)象，如圖5所示。彈簧金相組織為回火托氏體，說明其熱處理狀態(tài)正常，如圖6所示。
斷裂起源位置可見擠壓痕跡，并可見掃帚狀滑移線，如圖7所示。裂口微觀形貌為解理斷口，如圖8所示。
2.綜合分析
由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂彈簧的材質(zhì)成分符合EN10089:2002中對(duì)51CrV4的要求，硬度符合EN13298:2003的要求，試樣表面無脫碳現(xiàn)象，且金相組織正常，說明其熱處理工藝正常。
斷口宏、微觀分析結(jié)果表明，該彈簧屬疲勞斷裂，產(chǎn)生的原因主要是在地鐵運(yùn)行過程中支撐圈端部與彈簧表面不斷擠壓、碰撞，使得該區(qū)域因應(yīng)力集中而萌生出疲勞裂紋，隨著交變載荷的持續(xù)，疲勞源前沿的滑移線就擴(kuò)展成為裂紋，并又在其末端形成掃帚狀的滑移束，使滑移束中的一條滑移線又成為裂紋。這使裂紋的發(fā)展得到一次飛躍，當(dāng)裂紋的發(fā)展使該處截面所受剪切力超過抗拉彈度時(shí)，彈簧即破裂。
彈簧的支承圈端部和第一工作圈在工作狀態(tài)下形成局部點(diǎn)接觸而不是線接觸，運(yùn)行中因接觸磨損而產(chǎn)生的磨損平面與彈簧材料的外圓面形成銳角，導(dǎo)致應(yīng)力集中在一點(diǎn)，從而形成疲勞裂紋源，因此如解決接觸磨損問題，彈簧接觸磨損斷裂現(xiàn)象完全可以解除。
從彈簧加工工藝入手進(jìn)行分析，該斷裂一系彈簧加工過程中采用熱卷成型，其制造工藝流程如圖9所示。
從斷裂彈簧制造工藝流程可知，彈簧支撐圈端部表面缺陷是在碾尖即“豬尾巴”卷制過程中產(chǎn)生的。
彈簧支撐圈加工工藝是先對(duì)材料兩頭按照支承圈的展開長(zhǎng)度進(jìn)行碾尖，彈簧卷制成形后，碾尖部分形成支撐圈結(jié)構(gòu)，這時(shí)，支撐圈的橫向斷面形狀從圓柱形過渡到矩形。這種工藝的特點(diǎn)是：碾尖工序?qū)⒉牧霞庸こ龇浅Ｒ?guī)范的支撐圈截面的形狀，節(jié)省了原材料；碾尖后支撐圈部分的材料組織為全纖維組織；碾尖工序既然將材料加工出了非常規(guī)范的支撐圈截面，也就要求在卷簧機(jī)上卷制彈簧時(shí)尖部需要擺正，這樣也就增加了彈簧卷制加工的難度。同時(shí)，為了保證支撐圈形狀準(zhǔn)確，對(duì)卷制出來的彈簧增加了簧圈調(diào)整工序，這對(duì)提高工作效率不利；支撐圈調(diào)整不夠平整時(shí)，彈簧端部磨削工作量加大；由于碾尖是采用熱碾變形，尖部易出現(xiàn)較嚴(yán)重的氧化問題和碾尖時(shí)產(chǎn)生的變形缺陷。
大部分彈簧的斷裂幾乎都是在靠近端部的有效圈上斷裂。這就反映出彈簧接觸線的重要性。特別是在彈簧端圈碾尖過程中，如果不考慮彈簧的接觸線和碾尖形式，那么彈簧的支撐圈與第一圈在工作狀態(tài)下如果不是線接觸而是形成局部點(diǎn)接觸，那么在這種情況下彈簧極易發(fā)生疲勞斷裂。
由此可知，進(jìn)行接觸線長(zhǎng)度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)支撐圈端部與第一工作圈的接觸狀態(tài)的重要性。
將彈簧置于規(guī)定工作載荷下測(cè)量彈簧支撐圈端部與第一工作圈壓并后接觸線的長(zhǎng)度，個(gè)別彈簧的檢測(cè)結(jié)果為局部點(diǎn)接觸，如圖10所示。廠家經(jīng)過修磨，消除彈簧支撐圈端部的表面缺陷后再次進(jìn)行接觸線長(zhǎng)度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。
由圖11可以看出彈簧支撐圈端部與彈簧第一工作圈為線接觸，從而避免了車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中，提高了彈簧的抗疲勞性，有效延長(zhǎng)了彈簧的使用壽命。
3.建議
彈簧疲勞斷裂的原因?yàn)橹稳Χ瞬颗c第一工作圈形成局部點(diǎn)接觸，在機(jī)車運(yùn)行過程中于該處產(chǎn)生應(yīng)力集中而萌發(fā)疲勞裂紋源，進(jìn)而在交變載荷持續(xù)作用下擴(kuò)展至最終破裂。
建議廠家采用新型的上滾鍛面和下滾鍛面上均有弧形凹槽的碾尖滾鍛模進(jìn)行彈簧端頭的碾尖，使其上表面和下表面為弧形表面，在卷繞成彈簧后，彈簧支撐圈端頭可以與相鄰的有效彈簧圈形成良好的線接觸。
作者：龔蘭芳、陳智江、劉海蘭
單位：南車株洲電力機(jī)車有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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