B型車一系彈簧斷裂原因分析

朱強強　居曉凡　劉晨光

摘 要：為了調(diào)查武漢地鐵2號線一系彈簧斷裂故障原因，通過一系彈簧的服役狀態(tài)分析、現(xiàn)場一系彈簧動應(yīng)力測試及一系彈簧固有特性分析。發(fā)現(xiàn)在彈簧服役過程中，一系彈簧發(fā)生共振，出現(xiàn)局部并圈和工作圈非均勻螺距現(xiàn)象，隨著列車運行過程中的振動和沖擊，接觸區(qū)域彈簧圓弧表面將會產(chǎn)生擠壓損傷，從而形成磨損區(qū)域，當(dāng)局部某點在一定深度時形成微小裂紋源，最終裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致彈簧斷裂。

關(guān)鍵詞：一系彈簧;固有特性;共振

1 一系彈簧斷裂情況

武漢地鐵2號線一期車在2015年首次發(fā)現(xiàn)一系彈簧斷裂故障（圖1所示），在之后的幾年斷簧現(xiàn)象越來越頻繁。一系彈簧的設(shè)計使用壽命為200萬公里，但有的彈簧才使用幾萬公里后就出現(xiàn)斷裂故障，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命。圖2所示的是最近幾年彈簧斷裂數(shù)量統(tǒng)計，從圖中可以看出2015年至2018年彈簧斷裂故障發(fā)生次數(shù)不斷增加，從2015年出現(xiàn)斷簧開始，斷簧數(shù)量每年以成倍的速度增加，呈現(xiàn)出倍數(shù)型增長的趨勢。

2 原因分析

2.1 彈簧服役狀態(tài)分析

一系彈簧（圖3所示）由圓柱自立螺旋彈簧組構(gòu)成，該彈簧組包括一個大彈簧和一個小彈簧，大彈簧右旋、小彈簧左旋，大、小彈簧材料相同。為了滿足彈簧的自立平放要求，需要將彈簧兩端并緊、磨平。并緊導(dǎo)致非均勻彈簧螺距現(xiàn)象，即彈簧兩端端部的螺距由小變大，彈簧中部（工作圈）的螺距均勻分布。磨平導(dǎo)致非均勻簧絲截面現(xiàn)象，即兩端部簧絲截面小、且漸變，中部簧絲截面大、且均勻。

根據(jù)以往的彈簧設(shè)計規(guī)范，認(rèn)為一系彈簧在理想的受壓作用下、相鄰簧絲間的相對距離的變化量具有相同的數(shù)值。換句話說就是，在理想狀態(tài)下，彈簧中部的螺距均勻分布。結(jié)合垂向止檔的限位作用，即使是超載工況（AW3），彈簧的工作圈都不會出現(xiàn)相互接觸現(xiàn)象。

然而，一系彈簧在服役過程中存在工作圈相互接觸現(xiàn)象，如圖4所示。圖4中的A區(qū)域為簧絲螺距均勻的工作圈范圍，在理想狀態(tài)下該區(qū)域的相鄰簧絲不會出現(xiàn)相互接觸現(xiàn)象，但圖片顯示相鄰簧絲之間有掉漆現(xiàn)象。因此，可以斷定在彈簧服役過程中存在相鄰簧絲相互接觸的現(xiàn)象。另外，正線運營時彈簧服役視頻顯示，彈簧服役過程中存在簧絲快速、大幅度振動現(xiàn)象，尤其是小彈簧。

2號線客流量很大，在大部分狀態(tài)下車輛處于超載工況，導(dǎo)致彈簧相鄰簧絲出現(xiàn)接觸現(xiàn)象，隨著列車運行過程中的振動和沖擊，接觸區(qū)域彈簧圓弧表面將會產(chǎn)生擠壓損傷，從而形成磨損區(qū)域，當(dāng)局部某點在一定深度時形成微小裂紋源，最終裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致彈簧斷裂。

2.2 彈簧應(yīng)力測試

為進(jìn)一步確定一系彈簧斷裂的原因，通過現(xiàn)場試驗對車輛運行時彈簧的應(yīng)力進(jìn)行了測試。

圖5給出車輛運行時彈簧的應(yīng)力歷程圖，可以看出在多個區(qū)間彈簧的應(yīng)力幅值都超過了150 MPa。圖6給出應(yīng)力較大區(qū)間虎泉-街道口彈簧應(yīng)力時頻圖。在時頻圖中彈簧應(yīng)力均表現(xiàn)為頻率為60 Hz左右的峰值，且在運行過程中60 Hz左右頻率持續(xù)存在。說明彈簧在運行過程中表現(xiàn)為60 Hz左右的主頻。

2.3 彈簧固有特性

對彈簧進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，計算其工作模態(tài)。模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示，為彈簧1階固有模態(tài)。彈簧固有模態(tài)58.8 Hz與彈簧應(yīng)力主頻60 Hz基本一致，說明是由于彈簧發(fā)生共振，導(dǎo)致彈簧應(yīng)力出現(xiàn)60 Hz的主頻。

3 結(jié)論

（1）在彈簧服役過程中，有局部并圈和工作圈非均勻螺距現(xiàn)象，隨著列車運行過程中的振動和沖擊，接觸區(qū)域彈簧圓弧表面將會產(chǎn)生擠壓損傷，從而形成磨損區(qū)域，當(dāng)局部某點在一定深度時形成微小裂紋源，最終裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致彈簧斷裂。

（2）車輛運行過程中由于輪軌激勵，導(dǎo)致一系彈簧發(fā)生共振，加劇一系彈簧的斷裂。

參考文獻(xiàn)：

[1]周凱林.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架一系彈簧接觸及疲勞研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[2]方配豐，熊晨彩，陳智江，等.地鐵車輛一系簧斷裂問題的試驗研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2018（18）：53-55.