曾 成 陳忠明

(廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部,510030，廣州//工程師)

金屬螺旋鋼彈簧廣泛應(yīng)用于地鐵車輛減振元件，在減振降噪方面扮演著重要的角色，對車輛舒適性和安全性也起著重要的作用[1]。

廣州地鐵某型車輛一系懸掛采用螺旋鋼彈簧組結(jié)構(gòu)，在運用過程中出現(xiàn)了鋼彈簧頻繁斷裂問題。月斷簧數(shù)量最高達25起。其中，95%發(fā)生在內(nèi)簧。對此，廣州地鐵運營單位建立了鋼彈簧斷裂數(shù)據(jù)庫，對大量的斷簧特征進行了記錄統(tǒng)計，并多次組織對一系懸掛進行動態(tài)測試。

觀察斷裂鋼彈簧斷口可明顯發(fā)現(xiàn)：斷裂源、貝紋線及剪切唇等特征。這是典型的疲勞斷裂。運營單位曾數(shù)次將斷裂鋼彈簧送第三方機構(gòu)檢測，但均未找到明確斷裂原因。經(jīng)檢測，斷裂鋼彈簧的材質(zhì)及機械性能也均符合相關(guān)要求。故推測鋼彈簧在服役過程中出現(xiàn)了超過材料疲勞極限的工況。

目前，關(guān)于地鐵車輛一系螺旋鋼彈簧斷裂失效的研究多圍繞材質(zhì)及彈簧制扁工藝展開討論。以低頻振動下的理想彈簧模型對靜強度及疲勞校核進行計算[2]。在車輛動力學方面，文獻[3-4]對彈簧動態(tài)響應(yīng)及彈簧彈性波動展開了討論。2013年廣州地鐵運營單位組織測試一系螺旋鋼彈簧1.2圈位置的應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)有明顯的40～80 Hz頻率作用痕跡。本文在分析統(tǒng)計現(xiàn)場斷裂鋼彈簧特征規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合一系鋼彈簧在不同頻率位移激勵下的動態(tài)仿真結(jié)果，分析了鋼彈簧發(fā)生疲勞斷裂的原因，并提出了改善措施。

1 一系鋼彈簧的失效統(tǒng)計

統(tǒng)計時間為自2016年7月至2018年1月間。統(tǒng)計內(nèi)容為廣州地鐵某型車輛的斷簧情況。統(tǒng)計記錄包括斷裂一系鋼彈簧斷口類型、斷口位置、制扁部與有效圈間距等要素。

1.1 斷口類型

鋼彈簧的斷裂均屬于疲勞斷裂。根據(jù)斷裂源位置，將斷口分為并圈接觸線斷裂源斷口、簧絲內(nèi)側(cè)斷裂源斷口、多斷裂源斷口等3類。其中，在所有斷口中，并圈接觸線斷裂源斷口占57.1%，簧絲內(nèi)側(cè)斷裂源斷口占40.7%，多斷裂源斷口占2.2%。

1.2 斷裂位置

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，斷簧頻次與轉(zhuǎn)向架是否帶動力無關(guān)，與車輛是動車、拖車無關(guān)，與斷簧是上端彈簧還是下端彈簧也無關(guān)。對鋼彈簧從制扁部端部開始記圈數(shù)，統(tǒng)計得到不同斷裂位置的占比(見表1)。由表1可見，斷口位置主要集中在1.0～1.6圈，即主要在第一有效圈斷裂。統(tǒng)計結(jié)果顯示，在這個位置的斷簧占總斷簧數(shù)的96.7%。

表1 不同斷裂位置的占比

1.3 部分有效圈并圈現(xiàn)象

在分析調(diào)研中，還發(fā)現(xiàn)了一種的現(xiàn)象：部分一系簧出現(xiàn)了第一有效圈與第二有效圈并圈磨損的現(xiàn)象，并留下了明顯的磨損掉漆現(xiàn)象。但在靜態(tài)或低頻振動下，即便AW3(重載)工況下也遠未達到彈簧壓并載荷要求?？梢?，這點非常反常，是在分析斷簧原因中需著重關(guān)注的現(xiàn)象。

2 鋼彈簧強度校核及仿真

從斷簧特征可判斷：鋼彈簧斷裂時，其端圈與第一有效圈的接觸會造成應(yīng)力集中，從而出現(xiàn)裂紋源；同時，也有大量斷簧的斷裂源在簧絲內(nèi)側(cè)或者外側(cè)。這種情況并不能簡單地歸結(jié)為端圈接觸線處理及制造工藝的問題。由統(tǒng)計結(jié)果可知，斷裂位置絕大部分位于1.0～1.6圈，還沒有出現(xiàn)過超過2.0圈的情況。這說明第一有效圈是整個鋼彈簧運用過程中疲勞累計損傷最嚴重的位置。

對列車運行過程中的軸箱垂向位移進行測試。測試結(jié)果見圖1。由圖1可見，一系懸掛的軸箱垂向位移值主要為0～7 mm，幾乎未出現(xiàn)大于10 mm垂向位移；更未發(fā)現(xiàn)有超出彈簧設(shè)計動載荷的情況出現(xiàn)。

為進一步找到各圈疲勞累計損傷不一致的原因，本研究采用有限元軟件對靜態(tài)及動態(tài)應(yīng)力進行仿真分析。

圖1 一系懸掛軸箱的垂向位移

2.1 靜態(tài)應(yīng)力仿真計算

對一系鋼彈簧及橡膠座進行有限元仿真。一系鋼彈簧(內(nèi)簧)主要參數(shù)見表2。

表2 一系鋼彈簧(內(nèi)簧)主要參數(shù)

對靜態(tài)AW0(空載)工況下一系鋼彈簧(內(nèi)簧)切應(yīng)力進行計算。計算結(jié)果顯示，鋼彈簧最大切應(yīng)力出現(xiàn)在簧絲內(nèi)側(cè)，而彈簧各圈內(nèi)側(cè)位置的應(yīng)力水平大體相當(見圖2)。靜態(tài)下端部第一有效圈并未出現(xiàn)應(yīng)力明顯比其它圈更惡劣的情況。

圖2 靜態(tài)AW0工況下彈簧各圈內(nèi)側(cè)切應(yīng)力值

2.2 動態(tài)應(yīng)力仿真計算

在鋼彈簧的使用過程中，隨著位移激勵頻率增加，鋼彈簧軸向波動效應(yīng)將會越發(fā)明顯，其應(yīng)力及位移的傳播并不能再認為是瞬間完成的。在某些頻率激勵下，甚至會出現(xiàn)明顯的節(jié)距不均勻現(xiàn)象。彈性波動在螺旋鋼彈簧中的傳遞速度為[5]：

(1)

式中：

c——鋼彈簧彈性波動傳遞速度；

α——螺旋鋼彈簧的升角。

根據(jù)式(1)計算可得，c約為36.7 m/s，且彈性波動在彈簧內(nèi)部軸向傳播時間t=0.007 9 s。

考慮到鋼彈簧橡膠座對200 Hz以上的頻率有較好的吸收作用，且彈簧應(yīng)變實測中發(fā)現(xiàn)明顯的40-80 Hz頻率成分。因此，仿真試驗對鋼彈簧橡膠座底部分別施加了相同幅值的10 Hz和45 Hz正弦位移激勵。圖3～4為鋼彈簧兩端第一有效圈和中間圈(4.5圈位置)內(nèi)側(cè)應(yīng)力-時間歷程的仿真計算結(jié)果。

圖3 10 Hz正弦位移激勵(1.5 mm)下應(yīng)力-時間曲線

圖4 45 Hz正弦位移激勵(1.5 mm)下應(yīng)力-時間曲線

如圖4所示，加載45Hz激勵時約為0.008 3s，與前述的理論計算基本一致，驗證了仿真正確性。同時45Hz激勵導(dǎo)致彈簧出現(xiàn)明顯軸向彈性波動，鋼彈簧各圈節(jié)距出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，第一、第二有效圈有并圈現(xiàn)象出現(xiàn)。同時，由于彈簧端部約束，波動傳遞到端部時，端部有效圈應(yīng)力幅比中間圈更大，特別是端部的第一有效圈，其應(yīng)力幅最大、最早出現(xiàn)疲勞失效。

根據(jù)螺旋彈簧疲勞強度驗算公式[6]，安全系數(shù)S為：

(2)

式中：

τ0——彈簧在循環(huán)載荷下的剪切疲勞強度，此處取0.3倍抗拉強度；

τmin——簧絲最大剪切應(yīng)力；

τmax——簧絲最小剪切應(yīng)力。

參照文獻[6]計算可得：當激勵頻率為10 Hz時，彈簧最大應(yīng)力幅值為10 MPa，S=2.1；當激勵頻率為45 Hz時，彈簧最大應(yīng)力幅值為90 MPa，S=1.6。可見，45 Hz激勵下彈簧疲勞安全系數(shù)明顯下降。

2.3 仿真結(jié)果分析

目前，螺旋鋼彈簧設(shè)計主要參照EN13906標準。在疲勞計算時，最大應(yīng)力的計算是依據(jù)彈簧軸、橫向位移量或軸、橫向載荷計算得出，未考慮彈簧在一定的頻率激勵下的波動效應(yīng)。若在實際運用中不可避免的出現(xiàn)高頻激勵，則易造成彈簧設(shè)計余量過小或者不足。

3 結(jié)論

廣州地鐵某型車一系螺旋鋼彈簧頻繁地出現(xiàn)了斷裂問題，經(jīng)檢測，未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)問題及表面缺陷，推斷為在彈簧服役過程中出現(xiàn)了超過材料疲勞極限的工況所致。

在一系螺旋鋼彈簧的應(yīng)變測試中發(fā)現(xiàn)了40～80 Hz頻率作用痕跡。通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)40～80 Hz頻激勵將導(dǎo)致明顯的彈簧波動和節(jié)距不均勻甚至并圈，使端部第一有效圈應(yīng)力幅明顯大于中間圈，使端部第一有效圈疲勞失效更早。這與現(xiàn)場情況吻合。目前的鋼彈簧設(shè)計未考慮頻率激勵下的波動效應(yīng)，故在高頻激勵下易出現(xiàn)疲勞斷裂。

采用軌道綜合整治和鋼軌打磨措施，雖能使斷簧情況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，但治理成本大。在設(shè)計選型時應(yīng)進一步提高螺旋鋼彈簧的疲勞強度，盡量取大安全系數(shù)，并適當提高彈簧自振頻率。這才是解決彈簧斷裂問題的根本措施。