南京地鐵車輛鋼彈簧斷裂分析與整治

摘" 要：為解決南京地鐵車輛頻發(fā)一系懸掛鋼彈簧斷裂故障，對鋼彈簧斷口開展宏觀與微觀檢查，還測試鋼彈簧的硬度及疲勞壽命。為進一步明確鋼彈簧斷裂的根本原因，在生產(chǎn)車間進行調(diào)研，對不合格工藝進行改進。最后，根據(jù)理化分析結(jié)果和實地考察，總結(jié)南京地鐵車輛鋼彈簧突發(fā)大量斷裂的主要原因與改善措施，以杜絕類似的斷裂情況發(fā)生。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；一系懸掛；鋼彈簧；斷裂；硬度

中圖分類號：U279" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0149-04

南京地鐵車輛轉(zhuǎn)向架采用一系懸掛與二系懸掛兩級減振技術(shù)，一系懸掛裝置采用轉(zhuǎn)臂式定位偏置式螺旋鋼彈簧結(jié)構(gòu)（含內(nèi)簧與外簧）[1]。在長三角地區(qū)，南京地鐵車輛的運用強度高、環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是橫跨城市主要交通線路的地鐵線路，在換乘區(qū)間內(nèi)，人流量變化較大，車輛載荷變化頻繁，對列車轉(zhuǎn)向架一系懸掛設(shè)備的使用壽命有較大的影響。因為頻繁的載荷變化，會引起頻繁的垂向沖擊，而轉(zhuǎn)向架的垂向剛度通過位于轉(zhuǎn)臂和轉(zhuǎn)向架側(cè)架之間并定位于車軸中線上部的2根同軸的鋼彈簧提供。而且一系鋼彈簧斷裂失效往往發(fā)生在一瞬間，而車輛高速運行過程中，無法立即檢測并停車檢查，更無法及時對一系鋼彈簧進行更換[2]。因此，列車轉(zhuǎn)向架的鋼彈簧性能及狀態(tài)對保障列車運行穩(wěn)定、安全可靠性有著重大影響。

南京地鐵檢修人員在日常檢修作業(yè)中多次發(fā)現(xiàn)某型號車輛轉(zhuǎn)向架鋼彈簧出現(xiàn)斷裂的情況。在發(fā)生第一起斷裂故障后，便加強了列車的檢查力度且及時處理斷裂鋼彈簧，因此該故障未造成嚴重后果。本文對鋼彈簧斷裂失效原因進行深入分析，同時提出相應(yīng)的整改措施，避免此類故障的再次發(fā)生，保證列車的運行安全和可靠性。

1" 鋼彈簧結(jié)構(gòu)及故障描述

1.1" 鋼彈簧結(jié)構(gòu)及工作原理

鋼彈簧是轉(zhuǎn)向架在彈簧座和軸箱之間起到連接和緩沖功能的一個鑄造部件，鋼彈簧安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端部和一系支撐座之間的一系減振器提供一系阻尼的作用，它直接關(guān)系到車輛的平穩(wěn)性和人們乘車時的舒適性[3]。鋼彈簧定位轉(zhuǎn)臂間通過絕緣套、絕緣墊、一系彈性止擋和M16X60螺栓固定在一起。其中位于鋼彈簧內(nèi)部的彈性止檔塊（圖1和圖2）限制了轉(zhuǎn)向架的向下運動，轉(zhuǎn)向架的向上運動通過一個擋銷限制，它能夠與轉(zhuǎn)臂端部接觸；通過這種方式，鋼彈簧保障了輪對和轉(zhuǎn)向架間的驅(qū)動力和制動力的傳遞，并為輪對提供必要的平面剛度，以保證轉(zhuǎn)向架的動態(tài)穩(wěn)定性。

1.2" 鋼彈簧故障統(tǒng)計

鋼彈簧的斷裂第一次發(fā)現(xiàn)后，便開展了全線網(wǎng)同型號列車鋼彈簧的普查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼彈外簧斷裂主要集中在簧體上部出現(xiàn)，同時，也發(fā)現(xiàn)了鋼彈簧的內(nèi)簧也出現(xiàn)了少量的斷裂情況。斷裂情況見表1。

根據(jù)普查結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鋼彈簧斷裂故障總共發(fā)生了33起（表中內(nèi)外簧斷裂分開統(tǒng)計故障數(shù)），且故障只發(fā)生在該型號列車之中。新增列車使用年限僅2年左右，列車最大運行公里數(shù)不超過30 000 km。鋼彈簧為鑄造件，其設(shè)計疲勞壽命為兩百萬次以上，可滿足8年以上的使用壽命[4]。鋼彈簧作為列車轉(zhuǎn)向架的重要組成部件，若出現(xiàn)斷裂情況，對列車的正線運營會帶來極大的安全風(fēng)險，因而對其故障原因進行分析。

2" 故障分析

為了分析鋼彈簧斷裂的具體原因，本文對故障件進行了理化分析和未斷裂簧的對比實驗，從設(shè)備、材料和工藝的角度分析其斷裂原因。由于故障只發(fā)生在某型號列車，但根據(jù)生產(chǎn)廠家提供文件表明，故障型號列車生產(chǎn)的鋼彈簧材質(zhì)為51CrV4鋼，所使用的原材料供應(yīng)商與其他同類型車輛所使用材料一致。

2.1" 理化檢驗及分析

對斷裂的鋼彈簧進行理化檢驗分析，通過斷口分析、電鏡分析和顯微組織檢驗等方法，判斷該產(chǎn)品是否滿足DIN EN 10089—2003 中關(guān)于51CrV4鋼的技術(shù)規(guī)范相關(guān)技術(shù)要求。

2.1.1" 斷口分析

鋼彈簧斷口宏觀形貌（圖3），斷口分為3個區(qū)域，即疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)、快斷區(qū)。疲勞擴展區(qū)可見“貝紋狀”疲勞弧線；其余大部分為快斷區(qū)，為“粗瓷狀”形貌。根據(jù)斷口圖片分析，故障鋼彈簧疲勞源處的鋼彈簧表面有明顯的擠壓痕跡，可見疲勞源的形成與支承圈和工作圈的接觸存在明顯的相關(guān)性?？赏茰y，故障鋼彈簧疲勞源的形成位置局部存在接觸不均勻的應(yīng)力集中點，在長時間反復(fù)擠壓的情況下產(chǎn)生塑性變形形成微裂紋而成為疲勞源，微裂紋在交變應(yīng)力作用下逐步擴展，材料受力截面減小，達到臨界值后產(chǎn)生瞬時斷裂。

2.1.2" 電鏡分析

對鋼彈簧斷口進行掃描電鏡（SEM）檢查發(fā)現(xiàn)，各區(qū)形貌如圖3所示。疲勞源區(qū)未見原始缺陷（圖4）；對“貝殼紋”區(qū)域（疲勞擴展區(qū)）進行電鏡查看，可見疲勞輝紋和二次裂紋（圖5），呈疲勞斷口微觀特征；快斷區(qū)可見準解理斷口形貌（圖6）。

2.1.3" 顯微組織分析

在斷裂鋼彈簧的斷口處進行取樣，對樣本進行金相分析，結(jié)果見表2。

2.1.4" 硬度測試

同樣在鋼彈簧斷裂位置附近取樣，用洛氏硬度計進行硬度測試，結(jié)果見表3。

2.1.5" 化學(xué)成分分析

在彈簧斷裂位置附近取樣，用直讀光譜儀進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表4。

根據(jù)51CrV4鋼材質(zhì)鋼彈簧的執(zhí)行標(biāo)準DIN EN 10089—2003，鋼彈簧材料的化學(xué)成分符合執(zhí)行標(biāo)準的要求。

2.1.6" 疲勞壽命檢測

將斷裂鋼彈簧的故障車同一轉(zhuǎn)向架的未斷裂鋼彈簧進行拆卸，并送至專業(yè)機構(gòu)進行疲勞試驗。根據(jù)TB/T 2211—2018《機車車輛用壓縮鋼制螺旋彈簧》的標(biāo)準可知，鋼彈簧的疲勞壽命要求為2 000 000次，經(jīng)過2 001 695次循環(huán)加載后，檢測鋼彈簧未斷裂，未出現(xiàn)肉眼可見的裂紋。見表5。

2.1.7" 理化分析結(jié)論

由上述理化分析數(shù)據(jù)可知：鋼彈簧符合TB/T 2211—2018《機車車輛用壓縮鋼制螺旋彈簧》標(biāo)準的機械性能要求，也滿足DIN EN 10089—2003中對51CrV4鋼化學(xué)成分的技術(shù)要求，但是其硬度測試中測試結(jié)果低于DIN EN 10089—2003 對51CrV4鋼的標(biāo)準要求。經(jīng)檢測，鋼彈簧的斷裂模式為疲勞斷裂，斷裂原因為鋼彈簧支撐圈端部與工作圈擠壓，使工作圈表面材料局部發(fā)生塑性變形，容易形成疲勞源，誘發(fā)疲勞裂紋，裂紋在交變工作載荷的作用下繼續(xù)擴大至一定程度后鋼彈簧瞬間斷裂。斷裂鋼彈簧的硬度測試結(jié)果合格，但其硬度數(shù)值偏低，接近于下限值45，懷疑其熱處理工藝上存在缺陷，但是送檢疲勞壽命測試鋼彈簧的測試結(jié)果良好，因而還需要進一步分析其故障原因。

2.2" 工藝流程核查

鋼彈簧的主要生產(chǎn)工藝流程如下：原材料進行剪裁并進行兩頭碾尖，然后對剪裁后的材料進行鋼印刻打和打磨，再對打磨后的鋼材卷制壓縮成型。對粗制的鋼彈簧進行淬火、回火，再經(jīng)過兩端面的打磨切削，探傷后進行拋丸處理，再進行鋼彈簧的外觀檢測、性能檢測，最后將合格產(chǎn)品噴漆包裝。

經(jīng)過實際的現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)該批次生產(chǎn)的鋼彈簧所使用原材料的供應(yīng)商未發(fā)生變化，且原材料檢驗表均合格；再對現(xiàn)場的制造工藝進行審核，發(fā)現(xiàn)其中接觸線工藝執(zhí)行存在偏差，工藝標(biāo)準為接觸線的長度至少要大于鋼彈簧0.33倍中徑，實際產(chǎn)品的控制量為外簧大于等于40 mm；內(nèi)簧大于等于30 mm，復(fù)查生產(chǎn)現(xiàn)場留存的接觸線拓片，約有80%鋼彈簧接觸線達不到技術(shù)標(biāo)準的情況；（如圖9所示）經(jīng)查閱文獻可知，如果鋼彈簧的接觸線數(shù)值要達到0.33倍的鋼彈簧中徑，鋼彈簧的接觸控制難度會增大，現(xiàn)場的生產(chǎn)效率低。因此，生產(chǎn)方的工藝技術(shù)部門結(jié)合TB/T 2211—2018的接觸線的標(biāo)準、城市軌道交通的技術(shù)規(guī)范以及實際生產(chǎn)情況、同已運營的其它地鐵項目的接觸線長度控制標(biāo)準（大于等于20 mm）及供貨業(yè)績，綜合評估了質(zhì)量的風(fēng)險，將該項目的地鐵彈簧的接觸線標(biāo)準按照外簧大于等于40 mm；內(nèi)簧大于等于30 mm來進行批量生產(chǎn)和管控。但是鋼彈簧的接觸線長度與彈簧的剛度成正比，接觸線過短極有可能會導(dǎo)致鋼彈簧的剛度超差。

再進一步檢查現(xiàn)場的工藝文件，根據(jù)51CrV4鋼的DIN EN 10089—2003執(zhí)行標(biāo)準，要求鋼彈簧的回火處理溫度為450±10 ℃，但是實際生產(chǎn)過程中卻是按照430±10 ℃執(zhí)行。查閱相關(guān)文獻[5]，在淬火溫度不變的前提下：隨著回火溫度的升高，強度降低，塑性升高[6]。根據(jù)51CrV4鋼的材料特性，經(jīng)過450 ℃回火處理的材料，其塑性要優(yōu)于430 ℃回火處理的材料，但是回火溫度由430 ℃升高至450 ℃，材料的強度卻基本一樣。隨著材料的塑性變差，導(dǎo)致鋼彈簧在剛度降低的情況下，當(dāng)列車載荷所施加的復(fù)雜交變應(yīng)力超過了材料的抗拉強度，使得鋼彈簧容易出現(xiàn)突然斷裂的情況。

2.3" 斷裂原因分析

通過將斷裂鋼彈簧進行理化分析和對制造現(xiàn)場的工藝檢查，綜合可得：因制造過程中鋼彈簧生產(chǎn)工藝標(biāo)準的接觸線控制標(biāo)準降低，導(dǎo)致了車輛上所使用的鋼彈簧為剛度較低的產(chǎn)品；而且鋼彈簧在加工熱處理過程中，其回火溫度控制不夠嚴謹，導(dǎo)致材料的塑性降低，當(dāng)外部應(yīng)力較大，鋼彈簧發(fā)生塑性變形時，鋼彈簧更容易發(fā)生斷裂。因上述2種原因的綜合作用，導(dǎo)致了本線路車輛突然出現(xiàn)大批量的鋼彈簧斷裂。

3" 結(jié)論

本文針對南京地鐵某型車的一系懸掛鋼彈簧斷裂故障，通過對斷裂鋼彈簧的斷口分析、電鏡分析、顯微組織觀察、硬度測試和化學(xué)成分分析等途徑，再結(jié)合對生產(chǎn)方的生產(chǎn)工藝實際核查，可以得出以下結(jié)論。

1）根據(jù)之前的理化分析結(jié)果，斷裂鋼彈簧的化學(xué)成分、脫碳、金相組織符合標(biāo)準要求。而通過斷口分析，鋼彈簧局部存在接觸不均勻的應(yīng)力集中點，在長時間反復(fù)擠壓的情況下形成微裂紋，微裂紋在交變應(yīng)力作用下逐步擴展，達到臨界值后產(chǎn)生瞬時斷裂。

2）生產(chǎn)方對于生產(chǎn)工藝的執(zhí)行不到位，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量和性能下降。在列車的長期運營過程中，尤其是在人流量較大的地鐵線路，鋼彈簧的使用壽命大打折扣。嚴肅要求生產(chǎn)方對其存在的問題進行整改：提高產(chǎn)品質(zhì)量及工藝執(zhí)行水平；優(yōu)化升級鋼彈簧卷制加工過程的溫度和時間；落實接觸線調(diào)修時的工藝要求。

鋼彈簧作為地鐵車輛一系懸掛的重要組成部分，其狀態(tài)的良好和穩(wěn)定性會極大地影響地鐵車輛的安全運營。本文僅是針對具體車型故障展開了具體分析，并且提出了相應(yīng)的解決措施。實際上鋼彈簧斷裂原因還有很多，例如，輪軌關(guān)系引起車輛振動增加也會導(dǎo)致鋼彈簧斷裂。因本文中鋼彈簧斷裂僅發(fā)生在某種車型之間，因此未展開分析更多原因。

參考文獻：

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Abstract： In order to solve the frequent fracture failures of primary suspension steel springs in Nanjing subway vehicles， macro and micro inspections were carried out on the fracture of the steel springs， and the hardness and fatigue life of the steel springs were also tested. In order to further clarify the root cause of steel spring rupture， investigation was conducted in the production workshop to improve the unqualified process. Finally， based on the physical and chemical analysis results and field inspections， the main reasons for the sudden and large number of steel springs of Nanjing subway vehicles and improvement measures are summarized to prevent similar fractures.

作者簡介：龔晨陽（1996-），男，工程師。研究方向為城市軌道交通車輛運營與維護。