動車組客室座椅椅腿開裂試驗研究

賈 旭 戰(zhàn) 雪 周鑫弘

(中車長春軌道客車股份有限公司設(shè)備研發(fā)部，130062，長春//第一作者，高級工程師)

動車組客室座椅是乘客乘坐安全性和舒適性最為直接相關(guān)的設(shè)備。座椅通過椅腿與地板連接，椅腿的開裂影響著乘客的安全性。現(xiàn)車檢修中發(fā)現(xiàn)客室座椅腿腐蝕現(xiàn)象較為嚴重，數(shù)量較多，部分有開裂現(xiàn)象，其問題主要集中在材質(zhì)為鋁合金底架的座椅椅腿上。本文對于此問題展開研究，從椅腿斷裂普查、斷口形式、強度驗證、腐蝕介質(zhì)等幾方面對椅腿開裂進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出優(yōu)化解決方案。

1 座椅椅腿斷裂普查

對線路上出現(xiàn)典型斷裂問題的6組車輛進行普查。6組車輛座椅均投入運行5年左右，部分座椅椅腿出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，與原設(shè)計使用壽命20年嚴重不相符。其中,3人座椅中間腿開裂占所有開裂椅腿比例達到了86.84%，這可能與未安裝保護罩殼關(guān)系較大。除開裂外現(xiàn)象，未開裂椅腿部分也有不同程度的掉漆和腐蝕現(xiàn)象。斷裂椅腿如圖1所示，普查結(jié)果如表1所示。

a) 實景圖1b) 實景圖2c) 實景圖3

圖1 斷裂椅腿圖片

座椅腿材質(zhì)采用A7003S-T5高強度鋁合金型材焊接而成，表面未進行氧化處理，但有噴漆。斷裂椅腿如圖1所示，斷裂位置位于角焊縫上方，斷口呈鋸齒狀。

2 椅腿斷口斷裂性質(zhì)分析

2.1 化學成分和力學性能檢查

按GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學成分》要求檢查椅腿材料化學成分的符合性?；瘜W元素檢查結(jié)果如表2所示。

表2 椅腿材料化學成分檢查結(jié)果

按GB/T 6892—2006《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》要求檢查椅腿材料力學性能。材料力學性能檢查結(jié)果如表3所示。檢查結(jié)果顯示，在化學成分和力學性能上均滿足標準要求。

表3 椅腿材料力學性能檢查結(jié)果

2.2 宏觀檢驗

對焊接件的外觀進行檢驗，焊接件斷口的宏觀形貌如圖2所示，斷口斷面如圖3所示。由圖2可明顯觀察到啟裂源、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，啟裂源在圓弧右側(cè)直角處，斷口沒有出現(xiàn)明顯的塑性變形，脆斷特征明顯。也就是說從椅腿的內(nèi)側(cè)啟裂源開始啟裂，逐漸向兩側(cè)擴散，擴散伴隨著椅腿強度降低，當載荷大于椅腿承載極限時產(chǎn)生瞬斷。裂紋擴展如圖4所示。

2.3 掃描電鏡觀察及能譜分析

采用捷克Tescan VEGA TS 5136XM掃描電子顯微鏡觀察椅腿直角部分的斷口，如圖5所示。

由圖6—圖9可以看出，在主裂紋的啟裂源和擴展區(qū)腐蝕產(chǎn)物主要為鋁的氧化物和一些富Cl、S、Ca、Na、Mg元素的鹽類。斷口裂紋為沿晶裂紋，斷口高低起伏，擴展區(qū)有大量的沿晶二次裂紋，呈現(xiàn)明顯的脆性特征，在主裂紋的啟裂源和擴展區(qū)裂紋表面有大量的腐蝕產(chǎn)物。

圖2 椅腿斷口的宏觀形貌

圖3 椅腿斷口斷面形貌

圖4 椅腿裂紋擴展方向

圖5 椅腿直角部分斷口斷面微觀形貌

圖6 斷口主裂紋啟裂源(放大500倍)

圖7 啟裂源腐蝕產(chǎn)物的能譜

圖8 主裂紋擴展區(qū)(放大1 000倍)

圖9 擴展區(qū)腐蝕產(chǎn)物的能譜

對二次裂紋的觀察分析如圖10—圖13所示。由圖可以看出，二次裂紋起始位置也存在大量的腐蝕在外，擴展以沿晶的方式進行，裂紋存在明顯的分叉特征。

圖10 二次擴展裂紋1起始區(qū)(放大100倍)

圖11 二次擴展裂紋1擴展區(qū)(放大500倍)

圖12 二次擴展裂紋2起始區(qū)(放大100倍)

圖13 二次擴展裂紋2擴展區(qū)尖端(放大100倍)

3 座椅強度測試

對未腐蝕座椅進行靜強度、座椅靠背疲勞、座椅旋轉(zhuǎn)疲勞、沖擊振動等試驗，分析斷裂是否由于座椅設(shè)計強度不足導致。座椅測試試驗臺如圖14所示。

a) 實景圖1

b) 實景圖2

3.1 靜強度測試

依照TB/T 3263—2011標準，在座椅靠背上部加載壓力1 000 N，椅腿未開裂，椅腿最大應(yīng)力為257.8 MPa，小于鋁合金A7003S-T5的許用強度(275 MPa)。

3.2 耐久測試

依照TB/T 3263—2011標準，在座椅靠背加載壓力(標準要求單靠背)，加載位置在兩個靠背中心并與靠背上端平齊(標準要求靠背中部)，加載壓力為1 000 N(標準要求245 N)。經(jīng)過14萬次的循環(huán)疲勞試驗后，4個椅腿的焊接焊縫均有開裂現(xiàn)象，而焊接熱影響區(qū)域型材確沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

3.3 旋轉(zhuǎn)強度測試

采用人工模擬座椅旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，對座椅進行人工±180°旋轉(zhuǎn)測試。經(jīng)過7萬次的人工旋轉(zhuǎn)疲勞試驗后，椅腿型材沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。這說明座椅椅腿可以滿足座椅旋轉(zhuǎn)疲勞要求。

3.4 壽命振動測試

依據(jù)IEC 61373標準進行振動測試。試驗?zāi)M乘客載荷，在座椅靠背上部和坐墊上施加70 kg沙袋，經(jīng)過橫向和縱向兩次沖擊振動試驗后，椅腿區(qū)域并沒有出出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

上述試驗結(jié)果表明，椅腿滿足設(shè)計強度，開裂非強度不足原因?qū)е隆?/p>

4 椅腿腐蝕過程試驗?zāi)M

經(jīng)實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，動車組的車內(nèi)清潔過程中一直使用清潔劑，而清潔劑具有一定的酸堿腐蝕性。對各站點實際使用的清潔劑進行收集，個別清洗劑含較強的酸性或堿性。取兩種清洗劑A和B，其中A型清洗劑為酸性，B型清洗劑為堿性。

對兩種溶液進行成分分析，A型清洗劑中含有對鋁材起到緩蝕作用的成分三乙醇胺硼酸酯和尿素、B型清洗劑中含有對鋁材起到緩蝕作用的成分有三乙醇胺硼酸酯和苯并三氮唑。

按標準GB/T 6892—2006《一般工業(yè)用鋁和鋁合金擠壓型材》進行鋁合金型材抗應(yīng)力腐蝕性能試驗，驗證型材在腐蝕溶液中是否發(fā)生應(yīng)力腐蝕以及腐蝕時長。

4.1 配置試驗用浸泡溶液

配制與現(xiàn)車清洗劑相同的溶液，溶液配制如表4所示。

表4 清洗劑溶液配制表

4.2 制作浸泡樣件

在椅腿型材上割取3段樣件，并去除內(nèi)部加強筋和油漆涂層，參照標準選用螺栓固定，浸泡樣件如圖15所示。

4.3 浸泡試驗

分別在3個塑料盒倒入浸泡溶液，試驗樣件置于溶液中，如圖16所示。5天后經(jīng)A溶液浸泡過的產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋(見圖17 a))，10天后經(jīng)B溶液浸泡過的產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋(見圖17 b))。經(jīng)A溶液浸泡的樣件裂紋要明顯大于經(jīng)B溶液浸泡產(chǎn)品，這與表1中前3組車椅腿開裂數(shù)量低于后4組車較符合。按中性氯化鈉溶液浸泡的產(chǎn)品未出現(xiàn)裂紋。具體見表5所示。

圖15 椅腿浸泡樣件

圖16 椅腿浸泡試驗場景

酸性或堿性清潔劑都具有腐蝕性，椅腿在溶液中很快就會發(fā)生腐蝕。車輛清洗的過程中如果沒有對清洗劑稀釋到規(guī)定濃度會使加劇腐蝕。但即使稀釋到規(guī)定的濃度，如果不能及時清除掉，在表面不平整的地方會有清洗劑堆積，隨著清洗劑中水逐漸蒸發(fā)，酸、堿濃度加大，也會增加腐蝕的可能性。清洗劑的酸堿性不可避免，所以關(guān)鍵還是要提升椅腿自身的防腐性能。

a) A溶液浸泡

b) B溶液浸泡

腐蝕液種類開始時間完成時間結(jié)果A清洗劑9月11日9月21日開裂B清洗劑9月11日9月21日開裂氯化鈉溶液9月11日9月21日未開裂

5 分析討論

一般產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋必須具備3個條件：存在拉應(yīng)力；材料對應(yīng)力腐蝕有高的敏感性；特定的腐蝕環(huán)境。椅腿經(jīng)斷口斷裂性質(zhì)分析、強度分析和腐蝕過程模擬，可以判定以上3個條件都具備，且裂紋各種特征完全符合，故可斷定椅腿裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋。

鋁合金應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生機理主要存在兩種解釋:一是陽極溶解理論;二是陰極氫脆開裂機理。陽極溶解理論認為，在腐蝕介質(zhì)中，合金表面會形成一層保護膜，而在拉應(yīng)力或活性離子(Cl-)作用下，會發(fā)生膜的破壞，致使合金表面裸露，裸露的基體金屬與合金其他表面構(gòu)成小陽極和大陰極的腐蝕電池，故合金新鮮表面就發(fā)生了陽極溶解，由于陽極面積比陰極的小得多，陽極的電流密度很大，進一步腐蝕已破壞的表面。氫脆理論則認為，腐蝕過程中產(chǎn)生的自由原子氫通過應(yīng)力誘導擴散和位錯遷移，使得氫向裂紋前端的高應(yīng)力區(qū)富集，經(jīng)過足夠長的時間后，氫濃度達到一個臨界值，便可促使氫脆的發(fā)生，并且鋁合金中聚集分布的不溶項類同于三軸應(yīng)力缺陷，首先捕捉了反應(yīng)生成的氫原子，并在拉應(yīng)力的作用下沿晶界優(yōu)先偏聚，引起沿晶開裂。氫在裂紋附近的濃度高于基體濃度，在裂紋尖端氫除了濃度較高外，其擴散系數(shù)也最大，比距離裂紋較遠外基體中的高兩個數(shù)量級。

6 優(yōu)化措施

對于應(yīng)力腐蝕，從座椅自身出發(fā)，給出如下建議:

(1) 增強底架的防腐保護，將3人座椅中間椅腿包裹在椅腿罩殼中(見圖18)，既可防止磕碰掉漆，又可減少與清洗劑接觸。

圖18 椅腿罩殼

(2) 提高表面平整性，減少能夠存留液體的孔洞和溝槽，使清洗劑不容易在椅腿存留。

(3) 控制應(yīng)力腐蝕，關(guān)鍵在于防止腐蝕，將原座椅椅腿表面涂層噴漆改成噴塑，增加防腐性能。

按GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》要求對噴漆和噴塑兩種表面處理的椅腿樣件進行防腐試驗(見圖19)。試驗結(jié)果如表6所示。

a) 噴塑處理

b) 噴漆處理

表面處理溫度/℃沉降量/(mL/(80 cm2·h))鹽溶液體積分數(shù)/%pH值試驗時間/h結(jié)論噴塑351～256.5～7.2720無明顯腐蝕油漆351～256.5～7.2260鼓包、開裂

噴塑的椅腿防腐性能要明顯高于噴漆。按標準規(guī)定，24 h的鹽霧試驗相當于自然條件下使用一年，噴塑720 h代表能夠滿足自然使用30年，滿足設(shè)計壽命。

(4) 底架為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件，焊接過程中容易產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，故應(yīng)做好自然時效流程，去除預(yù)應(yīng)力。

7 結(jié)論

(1) 座椅腿開裂是典型的高強度鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂。椅腿在腐蝕狀態(tài)下承受負載能力降低,在長期處于應(yīng)力腐蝕工況下，易引發(fā)開裂。

(2) 清洗劑中含有對鋁合金起緩蝕的成分，能夠造成鋁合金腐蝕。

(3) 油漆表面的防腐性能過低，不能滿足設(shè)計壽命要求，如將噴漆改為噴塑處理，能夠有效提高表面防腐能力。