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目前，在軌道交通裝備制造過(guò)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(chē)輛的使用性能，而且會(huì )危急乘客安全。本文選取城軌車(chē)輛斷裂圓柱螺旋彈簧作為試樣進(jìn)行分析。

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(chēng)主懸掛，設置在機車(chē)轉向架構架和軸箱之間。二系懸掛，又稱(chēng)次懸掛，設置在車(chē)體底部與轉向架構架之間。某城軌用一系彈簧在使用過(guò)程中多次發(fā)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(jìn)行失效分析。

（2）斷口分析

斷裂部位為彈簧內簧上端面D一工作圈，斷裂面與彈簧軸線(xiàn)約呈45°夾角，如圖1所示。斷裂源緊挨著(zhù)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Z終瞬斷區三個(gè)部分，可見(jiàn)明顯疲勞擴展貝紋線(xiàn)。瞬斷區域占斷口面積的1/2，說(shuō)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D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，結果如表1所示。

表1   斷裂彈簧化學(xué)成分（質(zhì)量分數）（%）

元素	C	Si	Mn	S	P	Cr	V
實(shí)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(jìn)行洛氏硬度檢測，結果見(jiàn)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(shí)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(jīng)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(wú)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(shuō)明其熱處理狀態(tài)正常，如圖6所示。

斷裂起源位置可見(jiàn)擠壓痕跡，并可見(jiàn)掃帚狀滑移線(xiàn)，如圖7所示。裂口微觀(guān)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(zhì)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(wú)脫碳現象，且金相組織正常，說(shuō)明其熱處理工藝正常。

斷口宏、微觀(guān)分析結果表明，該彈簧屬疲勞斷裂，產(chǎn)生的原因主要是在地鐵運行過(guò)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(zhù)交變載荷的持續，疲勞源前沿的滑移線(xiàn)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(xiàn)又成為裂紋。這使裂紋的發(fā)展得到一次飛躍，當裂紋的發(fā)展使該處截面所受剪切力超過(guò)抗拉彈度時(shí)，彈簧即破裂。

彈簧的支承圈端部和D一工作圈在工作狀態(tài)下形成局部點(diǎn)接觸而不是線(xiàn)接觸，運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，導致應力集中在一點(diǎn)，從而形成疲勞裂紋源，因此如解決接觸磨損問(wèn)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(jìn)行分析，該斷裂一系彈簧加工過(guò)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(guò)程中產(chǎn)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(kāi)長(cháng)度進(jìn)行碾尖，彈簧卷制成形后，碾尖部分形成支撐圈結構，這時(shí)，支撐圈的橫向斷面形狀從圓柱形過(guò)渡到矩形。這種工藝的特點(diǎn)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(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確，對卷制出來(lái)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(shí)，彈簧端部磨削工作量加大；由于碾尖是采用熱碾變形，尖部易出現較嚴重的氧化問(wèn)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(xiàn)的重要性。特別是在彈簧端圈碾尖過(guò)程中，如果不考慮彈簧的接觸線(xiàn)和碾尖形式，那么彈簧的支撐圈與d一圈在工作狀態(tài)下如果不是線(xiàn)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(xiàn)長(cháng)度檢測實(shí)驗，監測支撐圈端部與d一工作圈的接觸狀態(tài)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d一工作圈壓并后接觸線(xiàn)的長(cháng)度，個(gè)別彈簧的檢測結果為局部點(diǎn)接觸，如圖10所示。廠(chǎng)家經(jīng)過(guò)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(xiàn)長(cháng)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d一工作圈為線(xiàn)接觸，從而避免了車(chē)輛運行過(guò)程中產(chǎn)生的應力集中，提高了彈簧的抗疲勞性，有效延長(cháng)了彈簧的使用壽命。彈簧疲勞斷裂的原因為支撐圈端部與d一工作圈形成局部點(diǎn)接觸，在機車(chē)運行過(guò)程中于該處產(chǎn)生應力集中而萌發(fā)疲勞裂紋源，進(jìn)而在交變載荷持續作用下擴展至Z終破裂。建議廠(chǎng)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(xiàn)接觸。

（摘自網(wǎng)絡(luò )，如有不妥，請告之刪除）

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