地铁车辆一系簧断裂问题的试验研究

方配丰 熊晨彩 陈智江 黄江伟

摘 要：国内某项目地铁车辆运行中出现一系钢簧断裂现象，依据断裂位置及现象进行金相分析及在线试验。结果表明，车辆在部分运营区间弹簧应力很大，在大的交变载荷下产生疲劳源并造成疲劳断裂。应力频率与转向架振动频率基本一致，且与仿真计算的弹簧安装状态下固有频率一致，判断产生了共振现象。

关键词：地铁车辆；一系钢簧；弹簧应力；疲劳断裂；频率；共振

中图分类号：U279 文献标志码：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

螺旋鋼弹簧元件具有以下优点：静挠度大、固有频率低、低频隔振性能好、耐受油、水和溶剂等的侵蚀，不受温度变化的影响，不会老化或者蠕变，批量生产时特性变化很小。但是钢弹簧本身阻尼很小，在共振时传递率非常大，容易产生摇摆运动。目前国内多数地铁项目都是使用螺旋钢弹簧作为一系弹簧，车辆总体运行情况良好，但是个别项目一系钢弹簧在运行过程中出现断裂，且呈现发生频率增加，弹簧寿命降低的现象，部分钢弹簧在运行20000km～30000km时就发生断裂。为了找出弹簧断裂的原因，针对钢弹簧进行了金相分析与在线试验。

1 弹簧断口分析

弹簧断裂主要发生在小弹簧上，断裂位置如图1所示，可以看出断裂都发生在端部第1圈（支撑圈）与第2圈（工作圈）之间，基本在1.2圈处。断口形貌如图2所示，从形貌分析，断口与弹簧圆钢轴线约成45°，疲劳裂纹源起始于弹簧中径处表面，裂纹源处存在明显的塑性变形压痕，与其相对应的支撑圈表面可见塑性变形压痕，且塑性变形压痕只在局部很小范围内出现。疲劳裂纹产生后扩展至一定面积则会产生瞬时断裂。从整个断口面积看，疲劳裂纹扩展区较小，不到整个断口的1/4，而瞬时断裂区较大，说明弹簧在运行中承受较大的应力。国内深圳地铁4号线车辆一系弹簧也发生过弹簧断裂现象，断裂特征也很相似。

2 金相分析

弹簧钢丝材料为51CrV4（材料号1.8159），这种材料具有良好的力学性能和工艺性能，良好的韧性，具有比较高的疲劳强度和屈服比，广泛用于轨道交通车辆弹簧材料，但材料焊接性差，冷变形塑性低。经过多年发展，国内弹簧制造工艺也基本满足要求，这种螺旋钢弹簧基本是经油淬火—回火弹簧钢丝热卷制而成，末端并紧且磨平。

对断裂弹簧进行金相检测及分析，断口经超声波清洗后在扫描电镜中观察，裂纹源区未发现明显非金属夹杂物，扩展区可见大量非金属夹杂物，做能谱分析知该非金属夹杂物为硫化物。弹簧化学成分检测结果见表1，符合该牌号的标准要求，硬度检测也符合要求，金相检验显示断裂起始位置有一层因挤压而形成的硬化层，最终判断该断裂弹簧属扭转疲劳断裂，在车辆运行过程中，在交变应力的作用下，二者形成小能量的相互冲击，导致第一工作圈与支撑圈接触面因塑性变形而形成硬化层，应力的突变进而萌生疲劳裂纹直至最终瞬断，断面局部区域观察到较多硫化物，说明断裂弹簧材料纯净度一般。

3 在线试验研究

根据弹簧断裂位置，在新弹簧相同地方粘贴应变片，测试弹簧在运行过程中的应力情况，同时测试转向架的振动。同一组弹簧在有断裂现象发生的线路（以下简称线路1）及运行正常的线路（以下简称线路2）的应力情况对比如图3及图4所示。

从图3、图4中可以看出，弹簧在线路1的部分区间应力远大于其余区间，也远大于线路2的弹簧应力，达到了200MPa～300MPa，而线路2没有弹簧断裂的现象发生，说明车辆运行时弹簧在这些区间受到大的交变载荷导致弹簧产生疲劳源，形成疲劳扩展并造成弹簧瞬时断裂。

对弹簧应力频率及转向架轴箱体振动频率进行分析，弹簧应力主频率为60Hz（如图5所示），轴箱体振动主频率为64Hz～65Hz（如图6所示），两者的频率非常接近，可知弹簧的振动是由轮轨传上来的。弹簧安装状态下的仿真计算结果显示，弹簧在安装状态下的固有频率约为60Hz，由此表明，在线路1的这部分区间，振动由轮轨往上传递，且造成弹簧与转向架的共振，从而导致振动加剧，弹簧应力异常。

结论

针对国内某地铁项目运行中出现的一系钢簧断裂现象，通过断口及金相检测、在线试验，可以得出以下结论。

（1）通过弹簧断裂情况的统计，可知弹簧断裂基本发生在支撑圈与工作圈之间1.2圈处，且有明显的局部塑性变形压痕，判断发生了局部较大的冲击和振动。

（2）弹簧材料及加工质量满足要求，可以排除弹簧质量问题。

（3）通过弹簧的在线比对试验，证明了弹簧在线路1部分区间受到大的应力，导致弹簧产生疲劳源，形成疲劳扩展并造成弹簧瞬时断裂。

（4）通过频率分析，判断弹簧在这部分区间发生共振，从而导致振动加剧，引起弹簧应力异常。弹簧断裂与车辆在这部分区间的运行有关，可以对轨道状态及结构进行检查与测试，进一步查找原因。

参考文献

[1]ISO 683—14—2004，淬火回火弹簧用热轧钢[S].

[2]陶曦东，卢俊平，亓蕾，等.地铁车辆一系弹簧断裂分析[J].机车车辆工艺，2013（1）：33-34.

[3]EN 10089—2003，可调质处理弹簧用热轧钢供货技术条件[S].