高應(yīng)力制動(dòng)杠桿斷裂失效分析與改進(jìn)

黃建松 ，郭寶剛，黃士偉 ，曲寶章

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，為使鐵道車輛安全運(yùn)營，可靠性高的制動(dòng)裝置是必不可少的.高速列車的制動(dòng)系統(tǒng)與普通列車制動(dòng)系統(tǒng)都具有可靠性的要求，盡管高速列車的動(dòng)力制動(dòng)發(fā)揮著越來越大的作用力，但各國鐵路仍然規(guī)定，當(dāng)動(dòng)力制動(dòng)失效時(shí)，機(jī)械制動(dòng)必須保證高速列車能在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停車，以確保行車安全[1].時(shí)速120 km/h以下的普通客車和地鐵車輛較多采用踏面制動(dòng)，高速動(dòng)車組采用盤型制動(dòng)[2]，制動(dòng)夾鉗單元是盤型基礎(chǔ)制動(dòng)的主要結(jié)構(gòu).

隨著鐵路車輛結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的發(fā)展需求，一種具有內(nèi)部放大機(jī)構(gòu)的緊湊型制動(dòng)夾鉗單元逐漸被使用，該種型式制動(dòng)夾鉗單元由于放大倍率大，在車輛使用過程中相同制動(dòng)力條件下，需要的空氣壓力低，可有效節(jié)省壓縮空氣，降低空壓機(jī)的工作頻率，但由于杠桿倍率大，杠桿受力大，杠桿根部應(yīng)力較高，在試驗(yàn)過程中多次出現(xiàn)杠桿斷裂的現(xiàn)象.杠桿作為制動(dòng)夾鉗單元中力矩放大機(jī)構(gòu)，其可靠性對(duì)制動(dòng)夾鉗單元的功能和性能有較大的影響，因此研究如何避免杠桿斷裂是解決該類制動(dòng)夾鉗單元大批量使用的關(guān)鍵.本文將采用電鏡掃描技術(shù)進(jìn)行斷裂區(qū)分析、用有限元技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、用晶粒度和微觀組織進(jìn)行工藝分析、并采用疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，識(shí)別斷裂故障的影響因素，制定改善方案，顯著提高制動(dòng)杠桿的疲勞壽命，滿足車輛安全可靠運(yùn)行的要求.

1 斷裂區(qū)域的分析

杠桿斷裂可能是沖擊斷裂和疲勞斷裂，由于試驗(yàn)驗(yàn)證過程中采用最高使用壓力，杠桿使用過程制動(dòng)迅速無法斷定斷裂型式，本文采用了電鏡掃描技術(shù)對(duì)斷面進(jìn)行了分析，其微觀形態(tài)如圖1所示.從圖1(a)可以看出疲勞源已破壞，磨損掉，杠桿最初斷裂產(chǎn)生是發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)，疲勞源有可能是鍛造原始裂紋、線切割導(dǎo)致裂紋、熱處理裂紋、非金屬夾雜等.圖1(b)裂紋擴(kuò)展區(qū)域可以清楚看到疲勞輝紋，顯示疲勞擴(kuò)展緩慢過程.圖1(c)為斷裂區(qū)域微觀形貌呈韌窩裝，顯示最后快速拉斷的過程.圖2疲勞斷裂杠桿截面，根據(jù)電子顯微鏡下觀察情況，杠桿有兩個(gè)疲勞源區(qū)A、A1，兩個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)B、B2，中間為斷裂區(qū)C、C3.

(a) 疲勞源

(b) 裂紋擴(kuò)展區(qū)

(c) 完全斷裂區(qū)

圖2 杠桿疲勞斷裂區(qū)域分布

通過以上電鏡掃描的結(jié)果看，從疲勞區(qū)域的微觀形態(tài)來看屬于正常的疲勞斷裂.由于疲勞源非常容易破壞，工程實(shí)際中又很難找到疲勞源，而整個(gè)疲勞過程又是一個(gè)正常的疲勞斷裂表象，那么造成斷裂的原因是就可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題和加工與熱處理工藝問題.

2 結(jié)構(gòu)工藝分析

偏心杠桿機(jī)構(gòu)是緊湊型制動(dòng)夾鉗單元的主要力矩放大機(jī)構(gòu)，如圖3所示，偏心軸距為輸出力臂L2，安裝在曲軸上的杠桿孔與曲軸回轉(zhuǎn)軸線距離為施加力臂L1，二者比值為杠桿輸出倍率， L2小，L1大，因此輸出力較大.采用有限元仿真計(jì)算杠桿的應(yīng)力分布如圖4所示，高應(yīng)力集中在根部.

圖3 偏心杠桿及其傳力路徑

圖4 杠桿受力的應(yīng)力分布

發(fā)生斷裂問題后，對(duì)不同批次的杠桿進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)杠桿不同廠家加工的過渡圓角不穩(wěn)定，圓角半徑在1～2.5 mm之間，此外加工也存在兩種，一種為正常機(jī)加工完成，一種為線切割完成形狀.

2.1 結(jié)構(gòu)圓角分析與疲勞試驗(yàn)

尖角一般都會(huì)造成應(yīng)力集中，引發(fā)疲勞斷裂，因此杠桿設(shè)計(jì)上在應(yīng)力集中部位采用了圓角設(shè)計(jì).由于杠桿應(yīng)力集中部位在安裝螺栓法蘭面處，若圓角過大螺栓安裝不到位，易造成螺栓的疲勞斷裂，而圓角過小又會(huì)造成杠桿應(yīng)力集中，杠桿易造成疲勞斷裂.對(duì)杠桿不同圓角進(jìn)行有限元分析(表1)，當(dāng)圓角在1.5～2.5 mm之間時(shí)，最大應(yīng)力基本接近，圓角對(duì)應(yīng)力集中的影響較小.根據(jù)理論計(jì)算該結(jié)構(gòu)的杠桿抗拉強(qiáng)度在1 150 MPa以上，屈服強(qiáng)度980 MPa以上，從理論上將該杠桿可以滿足使用條件.

表1 不用圓角下的有限元強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 MPa

對(duì)高應(yīng)力區(qū)不同圓角的杠桿進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明(表2)杠桿自身的圓角大小對(duì)疲勞壽命有一定的影響，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果比較符合.兼顧結(jié)構(gòu)工藝性，在之后的對(duì)比試驗(yàn)中，將結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)圓角半徑確定為1.5 mm.

表2 不同圓角杠桿的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

2.2 加工工藝分析與疲勞試驗(yàn)

制動(dòng)杠桿毛坯采用了鍛造成型工藝，成品采用機(jī)加工或線切割成型.由于加工工藝不同，杠桿圓角處的表面質(zhì)量差別較大，正常機(jī)加工表面光滑，而線切割加工可以清晰看大加工紋路.線切割加工時(shí)由于走絲的快慢直接影響了表面質(zhì)量，每一條紋路都是一條尖角，線切割走勢(shì)過程中斷絲后繼續(xù)加工出現(xiàn)明顯的溝槽，該溝槽處極易出現(xiàn)裂紋，造成疲勞斷裂.對(duì)不同加工工藝的同一批熱處理杠桿進(jìn)行疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明(表3)：機(jī)加工工藝對(duì)疲勞也有影響，機(jī)加工表面平滑過渡，而線切割加工刀痕明顯，表面粗糙，極易造成初始疲勞的裂紋，應(yīng)限制采用此加工方法.

表3 不同加工工藝下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3 熱處理工藝分析

熱處理是指材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻手段獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝.制動(dòng)杠桿采用了42CrMo鋼，它具有強(qiáng)度高、淬透性高、韌性好、淬火變形小、高蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度等特點(diǎn)[3].熱處理決定零件使用性能，變形組織均勻化、精細(xì)化以及合理的熱處理制度，是實(shí)現(xiàn)零件良好綜合力學(xué)性能的關(guān)鍵[4-5].工程應(yīng)用中一般通過晶粒度等級(jí)和金相組織的方法來控制和優(yōu)化零部件的熱處理工藝.

3.1 晶粒度對(duì)比分析

細(xì)化晶粒是控制金屬材料組織的最重要、最基本的方法，晶粒細(xì)化既能提高材料的強(qiáng)度，又能提高材料塑性，同時(shí)也能顯著提高其力學(xué)性能[6].晶粒越大則晶界也越大，“晶界”類似于材料中的“裂紋”，晶粒越大則材料中的“裂紋”越大.晶粒細(xì)小時(shí)，其內(nèi)的滑移變形就小且能被晶界有效抑制.晶粒、晶界越細(xì)小，外來載荷及變形將分散到更多的晶粒上，單晶粒受力越小.晶粒度級(jí)別越高，晶粒越小.通過在顯微鏡下觀察不同熱處理批次杠桿的晶粒度發(fā)現(xiàn)(圖5)：晶粒度為6級(jí)時(shí)，晶粒十分粗大，和鍛造后毛坯接近，分析原因可能存在熱處理溫度不夠、時(shí)間不足等.

(a) 6級(jí)

(b) 7級(jí)

(c) 8級(jí)

從晶粒度對(duì)比來看，杠桿熱處理工藝不穩(wěn)定，晶粒度粗大，影響杠桿的機(jī)械性能.對(duì)不同批次的熱處理方案得到的不同晶粒度的杠桿進(jìn)行疲勞驗(yàn)

表4 不同熱處理工藝下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

證，表4可以看出：晶粒度7級(jí)時(shí)一部分杠桿已經(jīng)可以滿足使用要求，但仍存在斷裂風(fēng)險(xiǎn).

3.2 顯微組織分析

顯微組織分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一，采用定量金相學(xué)原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測(cè)量和計(jì)算來確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系.

杠桿熱處理的目標(biāo)是得到回火索氏體，其具有良好的綜合機(jī)械性能.但隨著冷卻速度的增加，組織會(huì)依次出現(xiàn)多邊形鐵素體、針狀鐵素體組織、上貝氏體和板條馬氏體的混合組織，其中針狀鐵素體組織使組織細(xì)化，韌性得到提高.熱溫度過高，冷卻速度快就會(huì)形成網(wǎng)狀鐵素體組織，在高溫區(qū)冷卻速度慢會(huì)形成塊狀鐵素體組織，這兩種組織使力學(xué)機(jī)械性能降低，容易造成了機(jī)件的斷裂.

斷裂杠桿實(shí)例1內(nèi)部組織為索氏體，如圖6所示：圖6(a)心部組織異常粗大，心部成分偏析，鍛造流線明顯；圖6(b)在裂紋附近的次表面有連續(xù)性鍛造折疊；圖6(c)表面約有0.02 mm的淬火層，未采取去應(yīng)力措施，極易形成裂紋源.

(a) 6級(jí)

(b) 7級(jí)

(c) 8級(jí)

斷裂杠桿實(shí)例2內(nèi)部組織為索氏體，如圖7所示，該杠桿表層0.28 mm脫碳，表面脫碳以后，由于表層與心部的組織不同和線膨脹系數(shù)不同，不同組織轉(zhuǎn)變及體積變化引起很大的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)表層經(jīng)脫碳后強(qiáng)度下降，易產(chǎn)生裂紋.由于脫碳使疲勞強(qiáng)度降低，導(dǎo)致杠桿在使用中過早地發(fā)生疲勞損壞.

(a) 表層脫碳

(b) 索氏體

對(duì)未斷杠桿實(shí)例進(jìn)行組織對(duì)比分析.杠桿3金相組織為索氏體+少量鐵素體，如圖8(a)所示；杠桿4金相組織為索氏體+少量托氏體，圖8(b)所示.鐵素體組織具有良好的塑性和韌性，但強(qiáng)度和硬度都很低；鐵素體的成分和組織對(duì)鋼的工藝性能有重要影響，在某些場(chǎng)合下對(duì)鋼的使用性能也有影響.托氏體屬于珠光體的一種， 也是鐵素體與片狀滲碳體的機(jī)械混合物[3].在光學(xué)金相顯微鏡下已無法分辨片層的極細(xì)珠光體.

(a) 索氏體+少量鐵素體

(b) 索氏體+少量托氏體

通過對(duì)晶粒度和微觀組織分析發(fā)現(xiàn)：杠桿的熱處理工藝不穩(wěn)定，導(dǎo)致晶粒度分散度較大，熱處理過程中存在脫碳現(xiàn)象、淬火應(yīng)力未消除等，應(yīng)嚴(yán)加控制.

4 工藝優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述分析，確定結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)圓角半徑1.5 mm；識(shí)別出疲勞斷裂的主要原因是線切割加工工藝和熱處理工藝，其中線切割加工工藝造成應(yīng)力集中和初始裂紋，熱處理過程加劇裂紋擴(kuò)展造成疲勞源，因此，生產(chǎn)過程中禁止采用線切割加工工藝.針對(duì)杠桿熱處理工藝不穩(wěn)定，晶粒度從6級(jí)～8級(jí)變化范圍較大，熱處理后出現(xiàn)脫碳、淬火不良、殘余應(yīng)力等.對(duì)杠桿熱處理工藝提出以下控制要求：改進(jìn)熱處理工藝采用網(wǎng)帶爐熱處理，控制控制網(wǎng)帶速度、精確控溫度，熱處理過程中采用惰性氣體保護(hù)措施，防止脫碳.熱處理后要求：杠桿晶粒度達(dá)到7級(jí)以上，組織為回火索氏體，無脫碳及淬火不良問題，從而滿足使用要求.

熱處理工藝改進(jìn)后，取一批(5個(gè))零件進(jìn)行金相分析發(fā)現(xiàn)：在圓角半徑取1.5 mm時(shí)，幾個(gè)零件的晶粒度分別為7、7、7、7、7.5、8級(jí)，顯微組織達(dá)到正常，晶粒度分散度明顯減?。黄谠囼?yàn)200萬次均未發(fā)生斷裂.

5 結(jié)論

采用電鏡掃描技術(shù)分析了杠桿斷面形態(tài)，得出杠桿斷裂為疲勞斷裂，引發(fā)疲勞斷裂的原因較多，主要有線切割加工尖角和熱處理工藝，尤其是熱處理時(shí)晶粒度粗大、組織不穩(wěn)定、脫碳、殘余應(yīng)力等.由于杠桿本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形狀特殊，使用環(huán)境惡劣，有限元分析發(fā)現(xiàn)過渡處應(yīng)力集中明顯，安全余量小.研究表明線切割加工工藝和熱處理過程的不穩(wěn)定加劇了應(yīng)力集中處裂紋的發(fā)生.通過影響因素識(shí)別，制定了高應(yīng)力制動(dòng)杠桿制造工藝的改進(jìn)方案，有效改善了杠桿的顯微組織與晶粒度，控制了疲勞裂紋的發(fā)生，疲勞試驗(yàn)證明杠桿的使用壽命均達(dá)到200萬次以上，滿足了列車制動(dòng)安全可靠性的要求.