洪志興

（中車貴陽車輛有限公司，貴州 貴陽 550017）

某公司生產(chǎn)的HXD1 一系彈簧機(jī)車彈簧在使用過程中出現(xiàn)斷裂，該彈簧已經(jīng)安裝使用3 年多，設(shè)計壽命為7 年左右。彈簧組兩端設(shè)有彈簧座。彈簧除承受其緩沖作用的主要負(fù)荷外，還承受其撓度負(fù)荷。該彈簧材質(zhì)為51CrV4，制造過程為：采購符合直徑要求的彈簧鋼，將每端的端頭加熱到900～980 ℃（加熱長度：700 mm）后進(jìn)行軋制，冷卻到室溫后，再整體加熱到900～1000 ℃后纏繞成彈簧形狀，再次在設(shè)定溫度為920 ℃的爐內(nèi)保溫30 min，出爐后進(jìn)行油淬火，入油溫度830～870 ℃，油溫20～80 ℃，20 min 后出油，出油5 min 后在450 ℃的爐內(nèi)保溫120 min，然后出爐空冷。彈簧在使用過程中發(fā)生斷裂，斷裂位置在端頭數(shù)起的0.6 圈左右。

1 原因分析

在對彈簧進(jìn)行斷口分析后總結(jié)了可能造成彈簧失效的原因，具體分析如下：

1.1 荷載問題

對于彈簧應(yīng)用過程而言，元件的荷載參數(shù)非常關(guān)鍵，其中，工作載荷及疲勞試驗載荷下應(yīng)力分布、受力情況等都具有重要的研究意義。檢測人員借助計算分別測量出彈簧的工作載荷為55780 N、彈簧疲勞試驗最大載荷為69725 N、彈簧疲勞試驗最大載荷為41835 N［1］。并且利用彈簧可靠度計算等方式得出，從工作載荷、疲勞試驗最大、最小載荷所受的應(yīng)力分析來看，HXD1型一系彈簧受垂向力作用，主要是機(jī)車自身的重力和運行時垂向振動引起的附加載荷交替作用。加之彈簧本身的受力方向呈現(xiàn)出倒三角形，因此，兩端的受力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中間位置，彈簧的端圈斷裂可能性較高。

1.2 無線疲勞壽命強度曲線因素

技術(shù)人員從無線疲勞壽命強度曲線進(jìn)行彈簧失效問題進(jìn)行分析，在關(guān)鍵的節(jié)點位置，HXD1 一系彈簧做疲勞試驗時，最大、最小的工作應(yīng)力分別為591.9 N/mm2、355.5 N/mm2，相應(yīng)參數(shù)都在規(guī)定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，因此，無線疲勞壽命強度滿足質(zhì)量要求，并不是彈簧出現(xiàn)失效的原因。

1.3 斷彈簧取樣分析

為了進(jìn)一步提升對相應(yīng)問題的研究效果，對斷裂彈簧進(jìn)行取樣分析，主要對彈簧斷口進(jìn)行化學(xué)成分分析、金相檢測、硬度測試、拉伸測試、沖擊測試、非金屬夾雜物評定、宏觀檢測與SEM 分析進(jìn)行全面分析。

（1）彈簧化學(xué)成分分析、金相檢測、拉伸測試、沖擊測試、非金屬夾雜物評定符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求，彈簧斷口硬度偏高，

（2）斷口宏觀檢測與SEM 分析：彈簧與底座接觸的位置可見明顯磨損痕跡。將彈簧斷口置于電鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察，此處為彈簧支撐圈與彈簧底座接觸的位置，裂紋從此處萌生并擴(kuò)展。從斷裂源處放大2000X后的照片中可以看出斷裂源處的斷口已被腐蝕，無法觀察到明顯形貌特征，將擴(kuò)展區(qū)不同位置的斷口形貌放大1000X 后的圖片中可以觀察到明顯的沿晶形貌，擴(kuò)展區(qū)為沿晶斷裂。從彈簧斷口最后斷裂開的2 個不同位置可以觀察到解理斷口形貌。由SEM 微觀照片可以知道，彈簧斷口整體呈脆性斷裂，且為沿晶和解理的混合形貌［2］。

1.4 生產(chǎn)過程

在通過對彈簧的整個生產(chǎn)制造過程的核查時，發(fā)現(xiàn)彈簧的各項出廠檢測記錄均合格，磨簧工序存在部分員工產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他員工的情況，結(jié)合彈簧斷口硬度檢測結(jié)果偏高的情況，判斷彈簧斷裂的可能是為：采用鐘擺式磨簧機(jī)磨削彈簧端面，進(jìn)給方式為人工手動進(jìn)給，在彈簧磨削過程中，部分操作者為提高產(chǎn)量故意提高彈簧的磨削進(jìn)給量，導(dǎo)致彈簧端面局部淬火，產(chǎn)生隱針馬氏體，形成白亮層。導(dǎo)致彈簧端面局部脆性增加，容易引發(fā)斷裂。

1.5 實際彈簧實際運營情況分析

彈簧的主要作用：首先是當(dāng)機(jī)車車輛運行經(jīng)線路不平處或因輪對缺陷而發(fā)生振動和沖擊時，可以緩和沖擊，衰減振動。其次是使同一轉(zhuǎn)向架各輪對之間重量分配適當(dāng)，是各輪對的載荷在各種線路條件下，不致相差過大。彈簧安裝在轉(zhuǎn)向架上、下底座之間，其中彈簧和底座之間墊有橡膠墊，在安裝時彈簧支撐圈與橡膠墊為緊密貼合，在機(jī)車運行過程中由于振動、急停等現(xiàn)象可能會導(dǎo)致彈簧支撐圈與橡膠墊不能緊密貼合，使得彈簧與橡膠墊之間存在一定的間隙。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)斷裂彈簧的支撐圈與橡膠墊只有三個點接觸，從而使彈簧的0.6 圈位置產(chǎn)生局部的缺陷，在運行過程中該位置應(yīng)力集中成為裂紋源，在交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋并逐步擴(kuò)展，進(jìn)一步加劇了該區(qū)域的應(yīng)力集中，接觸應(yīng)力使工作圈局部點在一定深度產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)，誘發(fā)的內(nèi)部小裂紋與表面擠壓損傷裂紋共同形成復(fù)合裂紋源。彈簧在實際使用中受力復(fù)雜使用條件惡劣，會承受較高的交變載荷和沖擊載荷，由于機(jī)車通過彎道和啟、停過程中還受到橫向，這些力都具有很強的突發(fā)性，從而使得極少數(shù)形成復(fù)合裂紋源的彈簧發(fā)生疲勞斷裂。

2 結(jié) 語

通過理論計算、斷口分析及取樣進(jìn)行金相、脫碳、硬度、晶粒度、夾雜物、SEM、現(xiàn)場生產(chǎn)工藝分析及力學(xué)性能分析以及實際運行情況分析，造成彈簧斷裂的主要原因有以下幾方面：

（1）對斷口進(jìn)行取樣分析，彈簧金相組織、脫碳、晶粒度、夾雜物符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求。彈簧硬度偏高，彈簧在機(jī)車運行過程中可能會導(dǎo)致早期斷裂，在使用過程中彈簧的支撐圈端部與橡膠墊點接觸，在機(jī)車運行過程中不斷到擠壓、碰撞，致使彈簧的0.6 圈位置產(chǎn)生局部的缺陷，在較大載荷作用下，支撐圈端部表面形成擠壓凹坑變形，使得該區(qū)域應(yīng)力集中成為疲勞源，再加上彈簧硬度偏高，支撐圈局部存在隱針狀馬氏體，材料組織較脆，致使在工作過程中疲勞源前沿的滑移線擴(kuò)展成為裂紋，在交變載荷的持續(xù)作用下，裂紋擴(kuò)展致使彈簧發(fā)生斷裂，斷口整體為脆性沿晶和解理的混合斷口。

（2）針對整個生產(chǎn)制造過程進(jìn)行排查，彈簧在端面磨平工序中可能由于磨削進(jìn)給量偏大，導(dǎo)致個別彈簧端圈局部淬火，產(chǎn)生隱針馬氏體，形成白亮層。進(jìn)而使彈簧端面局部脆性增加，機(jī)車運行過程中可能會導(dǎo)致早期斷裂。

（3）彈簧在實際運營情況中，受運用條件、環(huán)境溫度、橡膠磨耗、實際運營等各種因素的影響，都會導(dǎo)致彈簧不正常受力，長期作用下發(fā)生疲勞斷裂。