B型车一系弹簧断裂原因分析

朱强强　居晓凡　刘晨光

摘 要：为了调查武汉地铁2号线一系弹簧断裂故障原因，通过一系弹簧的服役状态分析、现场一系弹簧动应力测试及一系弹簧固有特性分析。发现在弹簧服役过程中，一系弹簧发生共振，出现局部并圈和工作圈非均匀螺距现象，随着列车运行过程中的振动和冲击，接触区域弹簧圆弧表面将会产生挤压损伤，从而形成磨损区域，当局部某点在一定深度时形成微小裂纹源，最终裂纹扩展导致弹簧断裂。

关键词：一系弹簧;固有特性;共振

1 一系弹簧断裂情况

武汉地铁2号线一期车在2015年首次发现一系弹簧断裂故障（图1所示），在之后的几年断簧现象越来越频繁。一系弹簧的设计使用寿命为200万公里，但有的弹簧才使用几万公里后就出现断裂故障，这远远低于设计寿命。图2所示的是最近几年弹簧断裂数量统计，从图中可以看出2015年至2018年弹簧断裂故障发生次数不断增加，从2015年出现断簧开始，断簧数量每年以成倍的速度增加，呈现出倍数型增长的趋势。

2 原因分析

2.1 弹簧服役状态分析

一系弹簧（图3所示）由圆柱自立螺旋弹簧组构成，该弹簧组包括一个大弹簧和一个小弹簧，大弹簧右旋、小弹簧左旋，大、小弹簧材料相同。为了满足弹簧的自立平放要求，需要将弹簧两端并紧、磨平。并紧导致非均匀弹簧螺距现象，即弹簧两端端部的螺距由小变大，弹簧中部（工作圈）的螺距均匀分布。磨平导致非均匀簧丝截面现象，即两端部簧丝截面小、且渐变，中部簧丝截面大、且均匀。

根据以往的弹簧设计规范，认为一系弹簧在理想的受压作用下、相邻簧丝间的相对距离的变化量具有相同的数值。换句话说就是，在理想状态下，弹簧中部的螺距均匀分布。结合垂向止档的限位作用，即使是超载工况（AW3），弹簧的工作圈都不会出现相互接触现象。

然而，一系弹簧在服役过程中存在工作圈相互接触现象，如图4所示。图4中的A区域为簧丝螺距均匀的工作圈范围，在理想状态下该区域的相邻簧丝不会出现相互接触现象，但图片显示相邻簧丝之间有掉漆现象。因此，可以断定在弹簧服役过程中存在相邻簧丝相互接触的现象。另外，正线运营时弹簧服役视频显示，弹簧服役过程中存在簧丝快速、大幅度振动现象，尤其是小弹簧。

2号线客流量很大，在大部分状态下车辆处于超载工况，导致弹簧相邻簧丝出现接触现象，随着列车运行过程中的振动和冲击，接触区域弹簧圆弧表面将会产生挤压损伤，从而形成磨损区域，当局部某点在一定深度时形成微小裂纹源，最终裂纹扩展导致弹簧断裂。

2.2 弹簧应力测试

为进一步确定一系弹簧断裂的原因，通过现场试验对车辆运行时弹簧的应力进行了测试。

图5给出车辆运行时弹簧的应力历程图，可以看出在多个区间弹簧的应力幅值都超过了150 MPa。图6给出应力较大区间虎泉-街道口弹簧应力时频图。在时频图中弹簧应力均表现为频率为60 Hz左右的峰值，且在运行过程中60 Hz左右频率持续存在。说明弹簧在运行过程中表现为60 Hz左右的主频。

2.3 弹簧固有特性

对弹簧进行预应力模态分析，计算其工作模态。模态分析结果如图7所示，为弹簧1阶固有模态。弹簧固有模态58.8 Hz与弹簧应力主频60 Hz基本一致，说明是由于弹簧发生共振，导致弹簧应力出现60 Hz的主频。

3 结论

（1）在弹簧服役过程中，有局部并圈和工作圈非均匀螺距现象，随着列车运行过程中的振动和冲击，接触区域弹簧圆弧表面将会产生挤压损伤，从而形成磨损区域，当局部某点在一定深度时形成微小裂纹源，最终裂纹扩展导致弹簧断裂。

（2）车辆运行过程中由于轮轨激励，导致一系弹簧发生共振，加剧一系弹簧的断裂。

参考文献：

[1]周凯林.地铁车辆转向架一系弹簧接触及疲劳研究[D].成都：西南交通大学，2019.

[2]方配豐，熊晨彩，陈智江，等.地铁车辆一系簧断裂问题的试验研究[J].中国新技术新产品，2018（18）：53-55.