鐵路客車(chē)軸箱彈簧斷裂問(wèn)題分析及改進(jìn)

郭繼祥，姚建軍，趙 靜，王 影，孫克強(qiáng)

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 河北省軌道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架技術(shù)創(chuàng)新中心，1.高級(jí)工程師，2.3.4.5.工程師，河北 唐山 063035）

1 前言

軌道交通在中國(guó)迅猛發(fā)展，隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的提高和振動(dòng)程度的加劇，其各部件實(shí)際運(yùn)行的條件更加惡劣。轉(zhuǎn)向架作為走行部是車(chē)輛的重要組成部分，擔(dān)當(dāng)著運(yùn)行、導(dǎo)向、承載、減震的任務(wù)，同時(shí)也是牽引和制動(dòng)最終執(zhí)行者，在使用過(guò)程中承受垂向、橫向、縱向和斜對(duì)稱(chēng)等載荷，屬于復(fù)雜的多軸疲勞載荷，是一個(gè)典型的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。如運(yùn)行中轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧突發(fā)斷裂，會(huì)造成動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和性能突變影響車(chē)輛的行車(chē)安全［1-2］。2019年8月至12月某型客車(chē)轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧斷裂問(wèn)題發(fā)生17起，故障率高。彈簧斷裂原因復(fù)雜，材料表面的缺陷及材料的熱處理工藝均可導(dǎo)致彈簧失效［3］，為研究其斷裂原因，需從多方面進(jìn)行分析與研究。

2 問(wèn)題研究

2.1 彈簧結(jié)構(gòu)

彈簧為圓截面圓柱螺旋壓縮彈簧，兩端面磨平（如圖1），主要對(duì)車(chē)輛起減震作用。

2.2 彈簧斷裂原因分析

針對(duì)彈簧斷裂問(wèn)題，從軸箱彈簧入廠(chǎng)鑒定、過(guò)程組裝等生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了調(diào)研，均符合規(guī)定。下面對(duì)斷裂彈簧材質(zhì)、宏觀(guān)及微觀(guān)形態(tài)、硬度等進(jìn)行分析。

2.2.1 彈簧材質(zhì)分析 在彈簧斷裂處截取樣品，采用光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，材質(zhì)符合其技術(shù)要求。

圖2b中斷裂源區(qū)熱氧化火色明顯，說(shuō)明該處受到異常沖擊擠壓和磨損，產(chǎn)生熱量較高，導(dǎo)致裂紋源高溫氧化，在較嚴(yán)重的擠壓點(diǎn)處斷裂成為裂紋源。

圖2c為彈簧斷口照片，斷口具有非常明顯的貝紋區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)、疲勞瞬斷區(qū)，疲勞源位于第一道接觸磨痕（見(jiàn)圖3a），在接近彈簧尾尖方向即將結(jié)束的接觸部位，斷口沿近似切線(xiàn)45°方向，屬于典型接觸疲勞斷口［4］。

圖2 彈簧斷裂外觀(guān)

彈簧在承受正常負(fù)荷工作過(guò)程中，正常接觸線(xiàn)應(yīng)在距彈簧尾尖約1/4圈范圍，而由圖2a可知彈簧表面有兩處磨痕，彈簧在工作期間的接觸線(xiàn)分布在距彈簧尾尖3/4圈范圍，說(shuō)明彈簧承受載荷較大。

圖3a中磨痕1與圖3b中磨痕2表面均有摩擦過(guò)熱造成的銹蝕現(xiàn)象，磨痕1的寬度大于磨痕2的寬度，氧化顏色比磨痕2要重，說(shuō)明磨痕1所受的摩擦力大于磨痕2，產(chǎn)生的熱量相對(duì)比磨痕2高。

圖3 彈簧磨痕外觀(guān)

磨痕1和磨痕2出現(xiàn)的磨損，說(shuō)明彈簧在受縱向載荷的同時(shí)也承受橫向載荷，只有兩接觸面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)才能形成磨損，單純的縱向接觸運(yùn)動(dòng)只能在接觸部位形成壓痕。磨痕1是正常工作狀態(tài)下長(zhǎng)期受力和橫向位移作用造成的磨痕，磨痕2是周期性受力和橫向位移作用的磨痕，周期性的接觸容易在彈簧端部平面出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，使構(gòu)件容易出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，也解釋了磨痕1寬度大于磨痕2寬度的原因。

綜上分析彈簧在運(yùn)用過(guò)程中，可能存在超載和橫向作用，從而引發(fā)彈簧早期接觸疲勞破壞。

2.2.3 彈簧失效微觀(guān)分析 對(duì)彈簧斷口進(jìn)行微觀(guān)觀(guān)察，掃描電鏡下低倍觀(guān)察斷口的疲勞條帶非常清晰，沿?cái)U(kuò)展方向找到源區(qū)位置（見(jiàn)圖4a和4b），發(fā)現(xiàn)裂紋源位于表面受異常擠壓的位置，在該位置未見(jiàn)夾雜物等冶金缺陷痕跡（見(jiàn)圖5）。在裂紋源附近的擠壓面發(fā)現(xiàn)多條較細(xì)的顯微裂紋（見(jiàn)圖6），觀(guān)察疲勞擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋（見(jiàn)圖7），斷口瞬斷區(qū)高倍形貌呈準(zhǔn)解理斷口特征（見(jiàn)圖8）。微觀(guān)斷口表明彈簧斷裂為典型的疲勞失效。

圖5 微觀(guān)斷口冶金成分

圖6 顯微裂紋

圖7 疲勞輝紋

圖8 斷口瞬斷區(qū)形貌

2.2.4 金相分析 采用金相顯微鏡對(duì)試樣做縱向的非金屬夾雜物形態(tài)分析并對(duì)縱橫向顯微組織進(jìn)行觀(guān)察分析，結(jié)果表明材料內(nèi)部只有極少量細(xì)小硫化物夾雜（見(jiàn)圖9），純凈度較好。橫向中心顯微組織見(jiàn)圖10，邊緣顯微組織見(jiàn)圖11，在彈簧內(nèi)側(cè)邊緣發(fā)現(xiàn)少量針狀鐵素體（見(jiàn)圖12）；縱向金相顯微組織中心處高倍下可見(jiàn)針片狀鐵素體（見(jiàn)圖13），邊緣組織均勻細(xì)?。ㄒ?jiàn)圖14）。

圖9 細(xì)小硫化物夾

圖10 橫向中心

圖11 橫向邊緣

圖12 內(nèi)側(cè)邊緣

圖13 縱向中心高倍

圖14 縱向邊緣

可見(jiàn)試樣的顯微組織為中溫回火馬氏體，均勻細(xì)小，邊緣與中心組織較均勻，淬透性較好，中心部位發(fā)現(xiàn)輕微針狀鐵素體，未見(jiàn)脫碳、氧化等缺陷。金相分析表明彈簧材料顯微組織符合技術(shù)要求。

對(duì)照組用雌激素軟膏（國(guó)藥準(zhǔn)字：J20090033）治療，清洗外陰后將藥物涂抹于陰道內(nèi)，1次/d；觀(guān)察組在對(duì)照組的基礎(chǔ)上給予保婦康栓治療，清洗外陰后將藥物置于陰道內(nèi)，1次/d。兩組均治療14 d。

2.2.5 硬度檢測(cè) 從斷裂彈簧的疲勞裂紋源處截取硬度測(cè)試試樣，洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，結(jié)果符合技術(shù)要求。

表2 洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果

3 原因分析

通過(guò)對(duì)斷裂彈簧的材質(zhì)化學(xué)成分、硬度等進(jìn)行檢測(cè)，均符合其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，材質(zhì)合格。金相分析斷裂彈簧的組織為屈氏體加索氏體，是彈簧正?；鼗鸾M織，未見(jiàn)冶金缺陷，符合技術(shù)要求。

對(duì)斷裂彈簧的斷口宏觀(guān)和微觀(guān)觀(guān)察，同時(shí)結(jié)合彈簧受力分析，確定彈簧破壞形式為疲勞斷裂。彈簧斷裂位置為第一圈斷面磨平的彈簧與第二圈整圓彈簧過(guò)渡處，該處受到了較為嚴(yán)重的周期沖擊擠壓，從而導(dǎo)致彈簧局部壓潰開(kāi)裂，這些細(xì)小裂紋成為疲勞源，導(dǎo)致彈簧發(fā)生疲勞開(kāi)裂［5］。

4 改進(jìn)措施及效果

4.1 改善支撐圈附近彈簧受力及應(yīng)力狀態(tài)

優(yōu)化彈簧支撐圈圈數(shù)，通過(guò)仿真計(jì)算，彈簧支撐圈由1.5圈改為1.75圈，將大大降低該處的彈簧應(yīng)力。

4.2 優(yōu)化支撐圈結(jié)構(gòu)

仿真計(jì)算表明，彈簧端部制扁長(zhǎng)度≥0.75圈，寬度為（0.75~1）d（d為彈簧料徑），同時(shí)調(diào)整工作圈與支撐圈之間間隙可改善該處的應(yīng)力狀態(tài)［6］。

4.3 調(diào)整彈簧安裝方位

同一輪對(duì)軸箱彈簧簧尖對(duì)向安裝，以改善其在車(chē)輛運(yùn)行中的受力狀態(tài)。

對(duì)軸箱彈簧進(jìn)行上述優(yōu)化后，取得了良好效果，改進(jìn)后的彈簧隨車(chē)輛運(yùn)行至今未再發(fā)生斷裂故障。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)斷裂彈簧制造過(guò)程、材質(zhì)和斷口形貌等分析，表明彈簧受到嚴(yán)重的周期載荷沖擊擠壓，導(dǎo)致彈簧局部壓潰開(kāi)裂形成疲勞源，是彈簧發(fā)生疲勞開(kāi)裂的原因。

針對(duì)分析結(jié)果，通過(guò)仿真計(jì)算，優(yōu)化了彈簧支撐圈數(shù)、支撐圈結(jié)構(gòu)和彈簧在轉(zhuǎn)向架上的安裝方位，可有效改善車(chē)輛運(yùn)行中彈簧支撐圈處的應(yīng)力狀態(tài)，解決了彈簧發(fā)生疲勞斷裂的問(wèn)題。