受流器彈簧斷裂機(jī)理分析及改進(jìn)措施

石鵬飛　左佳

【摘 要】 本文針對(duì)天津地鐵3號(hào)線車輛所采用德國(guó)STEMMANN受流器的擺臂彈簧大量斷裂失效現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)其斷裂現(xiàn)象提出了相關(guān)改進(jìn)方案和實(shí)驗(yàn)措施，通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)和在實(shí)際運(yùn)用過程中的驗(yàn)證，得出擺臂彈簧斷裂的基本因素，為軌道交通行業(yè)選用可靠受流器相關(guān)設(shè)備提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】 地鐵；受流器；擺臂彈簧；軌道交通

引言：

受流器又名集電靴，為列車滿足電力需求從三軌進(jìn)行動(dòng)態(tài)取流的一套設(shè)備。因第三軌供電在隧道內(nèi)占用空間小，維護(hù)維修方便，可實(shí)現(xiàn)列車的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的可靠受流，為地鐵列車的穩(wěn)定運(yùn)行提供電源保障。

目前國(guó)外研究受流器的主要廠家有德國(guó)的STEMMANN、奧地利的SCHUNK、法國(guó)的FAIVELEY、美國(guó)的WABTEC、英國(guó)的BRECKN ELL WILLIS，但對(duì)相關(guān)受流器的運(yùn)營(yíng)使用情況并無(wú)相關(guān)的公開數(shù)據(jù)，本文主要從德國(guó)STEMMANN的受流器在天津地鐵的使用情況出發(fā)，對(duì)使用中存在的問題進(jìn)行分析并提供相關(guān)解決措施，為今后軌道交通對(duì)受流器產(chǎn)品的選購(gòu)提供相關(guān)技術(shù)支持。

1 受流器的組成

天津地鐵3號(hào)線車輛采用下部受流形式對(duì)車輛供電，主要由絕緣安裝背板、熔斷器、受流器鎖閉裝置、擺臂、電氣線路組成，絕緣背板通過螺栓安裝在轉(zhuǎn)向架上，受流器擺臂與熔斷器安裝在絕緣背板上，碳滑靴下部接觸三軌再通過電氣線路和熔斷器對(duì)車輛進(jìn)行供電。

2 受流器彈簧的作用

天津地鐵3號(hào)線車輛每臺(tái)受流器如圖1所示，都安裝了一個(gè)RH彈簧和一個(gè)LH彈簧，來(lái)提供受流器碳滑靴與三軌之間的接觸力。在車輛沿軌道運(yùn)行過程中，三軌處于非連續(xù)狀態(tài)，端部彎頭會(huì)受到受流器的沖擊，為了保證穩(wěn)定的載流效果，受流器彈簧主要為了保持碳滑靴與三軌的接觸力，在車輛順利通過斷電區(qū)時(shí)既不會(huì)對(duì)三軌造成沖擊，又能良好的從三軌受流。

3 受流器彈簧斷裂分析

從車輛兩臺(tái)受流器拆取2件斷裂彈簧RH（編號(hào)S1、S2）和1件良好彈簧LH（編號(hào)S3）進(jìn)行分析。

3.1外觀及顯微鏡下觀察斷裂表面

通過電鏡掃描，S1彈簧由于彎折疲勞致使斷裂，斷裂從彈簧臂的彎折部位外側(cè)開始。斷裂處變灰色的部分是由于外部環(huán)境因素影響，清晰的部分是最終斷裂的痕跡。S2彈簧由于彎折疲勞致使斷裂，斷裂從彈簧彎折部位外側(cè)開始并受到第二次從內(nèi)側(cè)開始的斷裂，最終導(dǎo)致斷裂。如圖2為S1、S2彈簧斷裂側(cè)視圖。

3.2 X-射線能譜儀對(duì)其重量比率分析

X-射線能譜儀對(duì)斷裂彈簧和正常彈簧進(jìn)行分析，其成分和DIN17224對(duì)1.4310鋼鐵要求標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

通過上表表格可以看出，金屬成分分析滿足標(biāo)準(zhǔn)。金相分析顯示，由于冷拔絲產(chǎn)生的硬化奧氏體結(jié)構(gòu)，在邊緣區(qū)域有點(diǎn)不同，其余地方基本相同如圖3所示。通過圖4中X射線對(duì)S1、S2兩個(gè)斷裂彈簧的影像可以看出彈簧的紋理有所不同，說明彈簧不是使用完全相同的鑄鐵制成。但相關(guān)的紋理結(jié)構(gòu)也滿足1.4310鋼材的要求。

3.3彈簧的硬度（及抗拉強(qiáng)度）分析

如表2所示彈簧1、2、3的核心區(qū)域硬度為420～440HV，代表抗拉強(qiáng)度為1350N/mm2～1420N/mm2。由于對(duì)彎折部位進(jìn)行90°冷加工硬化的原因，此部位的硬度為470N/mm2～520N/mm2，相當(dāng)于抗拉強(qiáng)度1520N/mm2～1700N/mm2。

奧氏體的1.4320鋼材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度根據(jù)DIN17224標(biāo)準(zhǔn)，線徑在6～8mm的鋼質(zhì)，其抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到1300N/mm2～1550N/mm2，表示405HV～480HV的硬度。對(duì)于1.4310回火鋼的拉伸強(qiáng)度規(guī)定為1360N/mm2～1750N/mm2，表示425HV～530HV的硬度。

對(duì)彈簧1、2、3的硬度和抗拉強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果顯示，在不回火的條件下，其滿足合格質(zhì)量的要求。

3.4彈簧斷裂原因分析及處理

通過以上的分析，可以證明，彈簧的材質(zhì)是沒有問題的。彈簧外層區(qū)域的硬度弱于內(nèi)部區(qū)域的硬度由以上的材質(zhì)以及抗拉強(qiáng)度的分析可知，彈簧表面的強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)要求并低于彈簧材質(zhì)的強(qiáng)度——彈簧未經(jīng)過噴丸處理。噴丸處理也稱噴丸強(qiáng)化，是減少零件疲勞，提高壽命的有效方法之一，噴丸處理就是將高速?gòu)椡枇鲊娚涞綇椈杀砻妫箯椈杀韺影l(fā)生塑性變形，而形成一定厚度的強(qiáng)化層，強(qiáng)化層內(nèi)形成較高的殘余應(yīng)力，由于彈簧表面壓應(yīng)力的存在，當(dāng)彈簧承受載荷時(shí)可以抵消一部分抗應(yīng)力，從而提高彈簧的疲勞強(qiáng)度。

STEMMANN公司提供的設(shè)計(jì)圖紙明確規(guī)定了彈簧強(qiáng)度1460N/mm2=450HV的要求，但是彈簧表面明顯沒有達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度要求。

4 試驗(yàn)效果

通過對(duì)噴丸處理后的新彈簧經(jīng)過1000萬(wàn)次擺動(dòng)測(cè)試后，受流器的各部件被分解進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)所有部件特別是跟擺臂動(dòng)作相關(guān)的部件進(jìn)行了檢測(cè)。并未在部件上發(fā)現(xiàn)反常的磨損。在受流器正常工作高度的彈簧接觸力實(shí)驗(yàn)前130N，試驗(yàn)后129N，均滿足要求。經(jīng)過上述測(cè)試后的受流器和扭力彈簧，經(jīng)檢測(cè)良好。

5 結(jié)論

受流器作為地鐵車輛關(guān)鍵部件，其彈簧的好壞直接影響車輛運(yùn)行安全，因此受流器彈簧應(yīng)通過相關(guān)嚴(yán)格的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)告；增加噴丸處理能有效的提高彈簧的疲勞強(qiáng)度，合理選擇彈簧扭力可以有效的延長(zhǎng)碳滑靴的使用壽命，節(jié)約成本，保護(hù)環(huán)境。

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作者簡(jiǎn)介：石鵬飛（1987-），男，助理工程師主要從事地鐵車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作。