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鍵受力部件，其斷裂不但影響軌道車輛的使用性能，而且會危急乘客安全。本文選取城軌車輛斷裂圓柱螺旋彈簧作為試樣進行分析。
相關關鍵詞: 鋼材性能,機械性能,力學性能,物理性能,,化學成份,顯微組織,金相組織,晶體結構,開裂,裂紋,彈簧鋼,疲勞失效,斷裂,硬度檢測,金相檢測.
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，設置在機車轉向架構架和軸箱之間。二系懸掛，又稱次懸掛，設置在車體底部與轉向架構架之間。某城軌用一系彈簧在使用過程中多次發生斷裂，且斷裂形式以疲勞扭轉斷裂為主，為查明一系彈簧斷裂原因，取一斷裂內簧進行失效分析。
（2）斷口分析
斷裂部位為彈簧內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，屬扭轉疲勞斷裂。由圖2可看到斷裂面分為裂紋源、裂紋擴展區和最終瞬斷區三個部分，可見明顯疲勞擴展貝紋線。瞬斷區域占斷口面積的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）化學成分分析
在斷裂的彈簧上取樣，采用直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示。
表1 斷裂彈簧化學成分（質量分數）（%）
元素 | C | Si | Mn | S | P | Cr | V |
實測值 | 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
對斷裂的彈簧進行洛氏硬度檢測，結果見表2所示。
表2 硬度檢測結果
試樣編號 | 檢測值HRC | 平均值HRC | ||
實測值 | 47.0 | 47.0 | 46.5 | 46.8 |
標準值 | 45~51 | |||
（5）金相檢測
在斷口位置取樣做金相檢測，試樣打磨、拋光，經4%硝酸酒精溶液侵蝕后，置于OLYMPUS GX71顯微鏡上做金相檢測，試樣表面無明顯的脫碳現象，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
由以上理化檢驗結果可知，斷裂彈簧的材質成分符合EN10089:2002中對51CrV4的要求，硬度符合EN13298:2003的要求，試樣表面無脫碳現象，且金相組織正常，說明其熱處理工藝正常。
斷口宏、微觀分析結果表明，該彈簧屬疲勞斷裂，產生的原因主要是在地鐵運行過程中支撐圈端部與彈簧表面不斷擠壓、碰撞，使得該區域因應力集中而萌生出疲勞裂紋，隨著交變載荷的持續，疲勞源前沿的滑移線就擴展成為裂紋，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。這使裂紋的發展得到一次飛躍，當裂紋的發展使該處截面所受剪切力超過抗拉彈度時，彈簧即破裂。
彈簧的支承圈端部和第一工作圈在工作狀態下形成局部點接觸而不是線接觸，運行中因接觸磨損而產生的磨損平面與彈簧材料的外圓面形成銳角，導致應力集中在一點，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象完全可以解除。
從彈簧加工工藝入手進行分析，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”卷制過程中產生的。
彈簧支撐圈加工工藝是先對材料兩頭按照支承圈的展開長度進行碾尖，彈簧卷制成形后，碾尖部分形成支撐圈結構，這時，支撐圈的橫向斷面形狀從圓柱形過渡到矩形。這種工藝的特點是：碾尖工序將材料加工出非常規范的支撐圈截面的形狀，節省了原材料；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范的支撐圈截面，也就要求在卷簧機上卷制彈簧時尖部需要擺正，這樣也就增加了彈簧卷制加工的難度。同時，為了保證支撐圈形狀準確，對卷制出來的彈簧增加了簧圈調整工序，這對提高工作效率不利；支撐圈調整不夠平整時，彈簧端部磨削工作量加大；由于碾尖是采用熱碾變形，尖部易出現較嚴重的氧化問題和碾尖時產生的變形缺陷。
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下如果不是線接觸而是形成局部點接觸，那么在這種情況下彈簧極易發生疲勞斷裂。
由此可知，進行接觸線長度檢測實驗，監測支撐圈端部與第一工作圈的接觸狀態的重要性。
將彈簧置于規定工作載荷下測量彈簧支撐圈端部與第一工作圈壓并后接觸線的長度，個別彈簧的檢測結果為局部點接觸，如圖10所示。廠家經過修磨，消除彈簧支撐圈端部的表面缺陷后再次進行接觸線長度檢測，檢測結果如圖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，從而避免了車輛運行過程中產生的應力集中，提高了彈簧的抗疲勞性，有效延長了彈簧的使用壽命。
3.建議
彈簧疲勞斷裂的原因為支撐圈端部與第一工作圈形成局部點接觸，在機車運行過程中于該處產生應力集中而萌發疲勞裂紋源，進而在交變載荷持續作用下擴展至最終破裂。
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：南車株洲電力機車有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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