地鐵車輛一系簧斷裂問題的試驗研究

方配豐 熊晨彩 陳智江 黃江偉

摘 要：國內(nèi)某項目地鐵車輛運行中出現(xiàn)一系鋼簧斷裂現(xiàn)象，依據(jù)斷裂位置及現(xiàn)象進行金相分析及在線試驗。結(jié)果表明，車輛在部分運營區(qū)間彈簧應力很大，在大的交變載荷下產(chǎn)生疲勞源并造成疲勞斷裂。應力頻率與轉(zhuǎn)向架振動頻率基本一致，且與仿真計算的彈簧安裝狀態(tài)下固有頻率一致，判斷產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。

關鍵詞：地鐵車輛；一系鋼簧；彈簧應力；疲勞斷裂；頻率；共振

中圖分類號：U279 文獻標志碼：A

Abstract：Primary steel spring breaks occur during operation of a certain domestic metro vehicle，metallographic analysis and online testing based on fracture location and phenomena.The results show that the vehicle has large spring stress in some operating intervals，which produce fatigue sources and cause fatigue fracture under large alternating loads.The stress frequency is basically the same as the bogie vibration frequency，it is consistent with the natural frequency calculated by the simulation in the spring installation state，judging that is the resonance phenomenon.

Keywords：Metro vehicle；Primary steel spring；Spring stress；Fatigue fracture；Frequency；Resonance

0 前言

螺旋鋼彈簧元件具有以下優(yōu)點：靜撓度大、固有頻率低、低頻隔振性能好、耐受油、水和溶劑等的侵蝕，不受溫度變化的影響，不會老化或者蠕變，批量生產(chǎn)時特性變化很小。但是鋼彈簧本身阻尼很小，在共振時傳遞率非常大，容易產(chǎn)生搖擺運動。目前國內(nèi)多數(shù)地鐵項目都是使用螺旋鋼彈簧作為一系彈簧，車輛總體運行情況良好，但是個別項目一系鋼彈簧在運行過程中出現(xiàn)斷裂，且呈現(xiàn)發(fā)生頻率增加，彈簧壽命降低的現(xiàn)象，部分鋼彈簧在運行20000km～30000km時就發(fā)生斷裂。為了找出彈簧斷裂的原因，針對鋼彈簧進行了金相分析與在線試驗。

1 彈簧斷口分析

彈簧斷裂主要發(fā)生在小彈簧上，斷裂位置如圖1所示，可以看出斷裂都發(fā)生在端部第1圈（支撐圈）與第2圈（工作圈）之間，基本在1.2圈處。斷口形貌如圖2所示，從形貌分析，斷口與彈簧圓鋼軸線約成45°，疲勞裂紋源起始于彈簧中徑處表面，裂紋源處存在明顯的塑性變形壓痕，與其相對應的支撐圈表面可見塑性變形壓痕，且塑性變形壓痕只在局部很小范圍內(nèi)出現(xiàn)。疲勞裂紋產(chǎn)生后擴展至一定面積則會產(chǎn)生瞬時斷裂。從整個斷口面積看，疲勞裂紋擴展區(qū)較小，不到整個斷口的1/4，而瞬時斷裂區(qū)較大，說明彈簧在運行中承受較大的應力。國內(nèi)深圳地鐵4號線車輛一系彈簧也發(fā)生過彈簧斷裂現(xiàn)象，斷裂特征也很相似。

2 金相分析

彈簧鋼絲材料為51CrV4（材料號1.8159），這種材料具有良好的力學性能和工藝性能，良好的韌性，具有比較高的疲勞強度和屈服比，廣泛用于軌道交通車輛彈簧材料，但材料焊接性差，冷變形塑性低。經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)彈簧制造工藝也基本滿足要求，這種螺旋鋼彈簧基本是經(jīng)油淬火—回火彈簧鋼絲熱卷制而成，末端并緊且磨平。

對斷裂彈簧進行金相檢測及分析，斷口經(jīng)超聲波清洗后在掃描電鏡中觀察，裂紋源區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯非金屬夾雜物，擴展區(qū)可見大量非金屬夾雜物，做能譜分析知該非金屬夾雜物為硫化物。彈簧化學成分檢測結(jié)果見表1，符合該牌號的標準要求，硬度檢測也符合要求，金相檢驗顯示斷裂起始位置有一層因擠壓而形成的硬化層，最終判斷該斷裂彈簧屬扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，在車輛運行過程中，在交變應力的作用下，二者形成小能量的相互沖擊，導致第一工作圈與支撐圈接觸面因塑性變形而形成硬化層，應力的突變進而萌生疲勞裂紋直至最終瞬斷，斷面局部區(qū)域觀察到較多硫化物，說明斷裂彈簧材料純凈度一般。

3 在線試驗研究

根據(jù)彈簧斷裂位置，在新彈簧相同地方粘貼應變片，測試彈簧在運行過程中的應力情況，同時測試轉(zhuǎn)向架的振動。同一組彈簧在有斷裂現(xiàn)象發(fā)生的線路（以下簡稱線路1）及運行正常的線路（以下簡稱線路2）的應力情況對比如圖3及圖4所示。

從圖3、圖4中可以看出，彈簧在線路1的部分區(qū)間應力遠大于其余區(qū)間，也遠大于線路2的彈簧應力，達到了200MPa～300MPa，而線路2沒有彈簧斷裂的現(xiàn)象發(fā)生，說明車輛運行時彈簧在這些區(qū)間受到大的交變載荷導致彈簧產(chǎn)生疲勞源，形成疲勞擴展并造成彈簧瞬時斷裂。

對彈簧應力頻率及轉(zhuǎn)向架軸箱體振動頻率進行分析，彈簧應力主頻率為60Hz（如圖5所示），軸箱體振動主頻率為64Hz～65Hz（如圖6所示），兩者的頻率非常接近，可知彈簧的振動是由輪軌傳上來的。彈簧安裝狀態(tài)下的仿真計算結(jié)果顯示，彈簧在安裝狀態(tài)下的固有頻率約為60Hz，由此表明，在線路1的這部分區(qū)間，振動由輪軌往上傳遞，且造成彈簧與轉(zhuǎn)向架的共振，從而導致振動加劇，彈簧應力異常。

結(jié)論

針對國內(nèi)某地鐵項目運行中出現(xiàn)的一系鋼簧斷裂現(xiàn)象，通過斷口及金相檢測、在線試驗，可以得出以下結(jié)論。

（1）通過彈簧斷裂情況的統(tǒng)計，可知彈簧斷裂基本發(fā)生在支撐圈與工作圈之間1.2圈處，且有明顯的局部塑性變形壓痕，判斷發(fā)生了局部較大的沖擊和振動。

（2）彈簧材料及加工質(zhì)量滿足要求，可以排除彈簧質(zhì)量問題。

（3）通過彈簧的在線比對試驗，證明了彈簧在線路1部分區(qū)間受到大的應力，導致彈簧產(chǎn)生疲勞源，形成疲勞擴展并造成彈簧瞬時斷裂。

（4）通過頻率分析，判斷彈簧在這部分區(qū)間發(fā)生共振，從而導致振動加劇，引起彈簧應力異常。彈簧斷裂與車輛在這部分區(qū)間的運行有關，可以對軌道狀態(tài)及結(jié)構(gòu)進行檢查與測試，進一步查找原因。

參考文獻

[1]ISO 683—14—2004，淬火回火彈簧用熱軋鋼[S].

[2]陶曦東，盧俊平，亓蕾，等.地鐵車輛一系彈簧斷裂分析[J].機車車輛工藝，2013（1）：33-34.

[3]EN 10089—2003，可調(diào)質(zhì)處理彈簧用熱軋鋼供貨技術(shù)條件[S].