某動車組制動夾鉗鎖止彈簧斷裂故障分析及優(yōu)化*

吳若鵬,陳永河

(1.中國鐵路上海局集團有限公司,上海 200000; 2.南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司,江蘇 南京 211899)

0 引 言

目前,國內(nèi)和諧號、復興號動車組均采用制動夾鉗單元作為制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),制動夾鉗結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響到制動系統(tǒng)的安全性[1-3]。制動夾鉗單元的閘片鎖止機構(gòu)為帶有鎖止彈簧的閘片鎖止結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便、可重復使用等優(yōu)點。鎖止彈簧主要用于固定止擋塊,防止閘片脫出,鎖止彈簧一旦失效,將直接影響行車安全。導致彈簧失效的主要影響因素較多,主要可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、熱處理工藝不合理以及異常損傷等因素。張偉龍、張志和等[4]通過故障件斷口分析鎖定彈簧斷裂原因,并結(jié)合有限元分析提出方案優(yōu)化與預防措施。陳星、陶春虎等[5]通過對不銹鋼柱塞彈簧的成型工藝、斷口形貌、金相組織等分析,最終確認斷裂原因為不合理成型工藝導致原始裂紋,繼而裂紋擴展,疲勞斷裂。李樹梅、閆平[6]對螺旋彈簧組織成分與斷口進行分析,確認材料在熱處理過程中產(chǎn)生了穩(wěn)定過熱,導致彈簧強度和塑性降低,進而發(fā)生疲勞斷裂。

筆者以某動車組夾鉗制動單元用鎖止結(jié)構(gòu)的鎖止彈簧斷裂故障為研究對象展開分析,通過仿真分析與試驗驗證的方式,研究了鎖止彈簧的疲勞使用性能,并結(jié)合分析結(jié)論優(yōu)化了鎖止彈簧的結(jié)構(gòu)特征與材料性能。

1 結(jié)構(gòu)原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

閘片鎖止機構(gòu)主要由閘片托、止擋塊、鎖止彈簧、彈性圓柱銷等組成,具體如圖1所示。止擋塊與閘片托一端通過彈性圓柱銷形成圓柱鉸接副,另一端通過鎖止彈簧形成彈性鎖止,防止閘片垂向脫落[7]。其中,鎖止彈簧為類U形結(jié)構(gòu)的扭簧,采用φ5 mm的特種不銹鋼絲。

圖1 閘片鎖止機構(gòu)

1.2 工作原理

鎖止機構(gòu)鎖止工作時,鎖止彈簧經(jīng)過自由狀態(tài)(開口28 mm)、中間狀態(tài)(開口19 mm)直至鎖緊狀態(tài)(開口21 mm),此時鎖止彈簧保持彈力(600 N)并頂緊止擋塊。具體原理示意圖如圖2所示。

圖2 鎖止彈簧工作過程示意

鎖止彈簧組裝后,由于處于壓縮狀態(tài),彈力會保持并作用在閘片托的孔內(nèi)壁上;同時,在鎖止彈簧的U形底部的彎曲部位和止擋塊孔結(jié)合的部位會產(chǎn)生彎曲和剪切應力。上述應力均屬于靜態(tài)應力,在沒有其他外力的作用下,對鎖止彈簧幾乎沒有破壞性。

2 原因分析

2.1 受力分析

鎖止彈簧材料為SUS 304不銹鋼,對試棒進行拉伸試驗,材料有明顯屈服強化過程。根據(jù)拉伸曲線計算可知,復驗試樣拉伸強度1 459 MPa,等效屈服強度為1 172 MPa,故障件實測值拉伸強度1 426 MPa,屈服強度1 182 MPa,滿足材料標準性能要求。

對鎖止彈簧鎖止狀態(tài)進行有限元分析計算,彈簧分析邊界條件及應力云圖如圖3、4所示。

圖3 鎖止彈簧邊界條件

圖4 鎖止彈簧有限元分析應力云圖

2.2 斷口分析

鎖止彈簧斷裂位置為鎖止彈簧彎折處下方約15 mm處,具體如圖5、6所示。

圖5 鎖止彈簧斷裂位置及實物圖

圖6 鎖止彈簧宏觀斷口

經(jīng)斷口失效分析[8-9],斷口主要呈現(xiàn)以下特點。

(1) 斷口斷面較為平齊,未見明顯腐蝕色彩,斷口裂紋源區(qū)呈點源特征,光滑細密;同時,擴展區(qū)可見明顯的貝紋線裂紋源且擴展區(qū)占整個斷面的5/6,這說明故障件所受疲勞交變載荷較小,瞬斷區(qū)呈灰色、纖維特征,約占整個斷面的1/6。

(2) 裂紋源位于鎖止彈簧表面,存在微觀塑性變形,擴展區(qū)為典型的疲勞特征,瞬斷區(qū)呈韌窩特征。

(3) 顯微組織為冷變形帶狀奧氏體組織,未見對力學性能影響較大的非金屬夾雜物,未見過熱、過燒、晶粒腐蝕等缺陷,表面較為粗糙,劃痕較大。

進一步觀察故障件發(fā)現(xiàn),故障件表面存在硬傷,相配合的止擋塊存在多處明顯機械損傷。初步確認原因為局部機械損傷導致裂紋源產(chǎn)生,在振動沖擊使用環(huán)境中裂紋逐步擴展,直至疲勞斷裂失效。

2.3 原因驗證

2.3.1 開合疲勞試驗

為進一步確認疲勞失效非彈簧正常安裝結(jié)構(gòu)應力導致的疲勞失效,需對鎖止彈簧進行開合疲勞試驗,如圖7所示。

圖7 開合疲勞試驗圖示

重復1 000次開合動作后,鎖止彈簧下部U形部位出現(xiàn)疲勞裂紋,裂紋正位于最大剪切應力處(參考2.1小節(jié)中有限元分析結(jié)果),與故障斷裂位置不一致。

2.3.2 同批次產(chǎn)品調(diào)查

為確認斷口分析結(jié)論(裂紋源產(chǎn)生于局部機械損傷),對現(xiàn)車所有鎖止彈簧進行普查,普查后發(fā)現(xiàn)多個所致彈簧出現(xiàn)局部機械損傷,具體狀態(tài)如圖8所示。

圖8 鎖止彈簧表面損傷圖示

通過普查確認鎖止彈簧疲勞裂紋源應為局部機械損傷導致。

2.4 分析結(jié)論

綜合仿真分析、斷口分析、開合試驗以及產(chǎn)品普查結(jié)果,得出以下分析結(jié)論。

(1) 鎖止彈簧最大結(jié)構(gòu)應力位于彈簧U型弧處的根部,反復開合動作后極可能出現(xiàn)疲勞失效。

(2) 鎖止彈簧斷裂原因為在服役期間鎖止彈簧受到外力作用發(fā)生局部擠壓磕碰,導致鎖止彈簧表面?zhèn)麚p,產(chǎn)生裂紋源,繼而逐步擴展,直至疲勞斷裂。

3 優(yōu)化設(shè)計

為進一步提高制動夾鉗單元的鎖止機構(gòu)可靠性,可采用兩種方式進行優(yōu)化:①進行鎖止機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,降低鎖止彈簧的結(jié)構(gòu)應力;②對鎖止彈簧材料性能改善,提高結(jié)構(gòu)疲勞性能。

3.1 優(yōu)化方案

結(jié)合分析結(jié)論對制動夾鉗單元的鎖止機構(gòu)進行優(yōu)化。

(1) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化閘片托的鎖止彈簧安裝孔,將φ5.2的通孔改為臺階孔,減小鎖止彈簧結(jié)構(gòu)應力,優(yōu)化止擋塊的鎖止彈簧安裝孔,由倒角改為圓角。

(2) 材料熱處理工藝優(yōu)化,提升材料疲勞性能。

具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如圖9、10所示。

圖9 優(yōu)化后的閘片托

圖10 優(yōu)化后的止擋塊

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析與驗證

采用有限元分析方法對原方案與新方案進行仿真分析。鎖止彈簧主要邊界條件有兩處,第一處為固定安裝端,第二處為止擋塊孔配合端。固定安裝端可直接簡化為固定支撐,止擋塊孔配合端可通過力值施加模擬載荷傳遞,具體邊界條件設(shè)置如圖11所示。

圖11 邊界條件

通過仿真分析,鎖止彈簧工作工況狀態(tài)下(止擋塊接觸位置壓縮量約為7 mm)應力結(jié)果如圖12、13所示。

圖12 鎖止彈簧主應力云圖 圖13 鎖止彈簧剪切應力云圖

根據(jù)分析可知,鎖止彈簧優(yōu)化應力對比結(jié)果如表1所列。

表1 鎖止彈簧設(shè)計校核結(jié)果

鎖止彈簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,安裝根部應力有根本性的改善,在原方案的基礎(chǔ)上主應力與剪切應力分別下降了74%與67%;圓弧處應力同樣分別下降4%與6%。

3.3 材料熱處理研究與優(yōu)化

鎖止彈簧是由冷拉不銹鋼絲制成的彈簧。冷塑性變形使材料性能得到強化,已經(jīng)達到彈簧所要求的性能,因此僅需進行去應力處理,消除冷成型彈簧的內(nèi)應力,并使彈簧定型即可。

鎖止彈簧去應力的熱處理時間要設(shè)置合理,如若時間不足,會使去應力不徹底,無法達到產(chǎn)品最佳性能,而時間過分延長,不僅會增加成本,而且會使性能衰減[10-11]。因此,針對彈簧熱處理方式以去應力溫度、保溫時間以及冷卻方式為三因素進行正交試驗。依據(jù)《不銹鋼及其熱處理》,建議冷拉不銹鋼絲去應力退火溫度為200～400 ℃,保溫時間為20、40、60 min,冷卻方式為水冷與空冷,具體參數(shù)水平如表2所列。

表2 正交試驗試驗因素表

經(jīng)退火處理的鎖止彈簧裝至閘片托上,并進行疲勞試驗,如圖14所示。

圖14 鎖止彈簧疲勞試驗臺

每組方案進行6次試驗,當鎖止彈簧斷裂時,記錄疲勞次數(shù)。經(jīng)方差分析可知,彈簧鋼絲的平均疲勞壽命主要受到去應力退火溫度與保溫時間影響,冷卻方式基本不影響彈簧鋼絲疲勞壽命,疲勞壽命與退火溫度、保溫時間關(guān)系如圖15所示。

圖15 疲勞壽命-退火溫度、保溫時間關(guān)系圖

通過試驗測試分析可知。

(1) 退火溫度200、300 ℃條件下,隨著保溫時間增加,鎖止彈簧的疲勞試驗次數(shù)顯著增加。其中,退火溫度300 ℃、保溫60 min條件下的效果最好,鎖止彈簧疲勞試驗次數(shù)最高。

(2) 退火溫度400 ℃下,保溫時間由20 min變?yōu)?0 min時,鎖止彈簧疲勞次數(shù)增加,但由40 ℃變?yōu)?0 ℃時,鎖止彈簧疲勞次數(shù)顯著降低。

4 試驗驗證

利用圖14所示的疲勞試驗臺對優(yōu)化前后的鎖止機構(gòu)進行疲勞試驗驗證,當鎖止彈簧出現(xiàn)裂紋時,疲勞試驗結(jié)束。樣件形式如表3所列。

表3 鎖止機構(gòu)樣件形式

疲勞試驗后對樣件進行拆解,鎖止彈簧狀態(tài)如圖16所示。鎖止彈簧的疲勞次數(shù)和止擋塊安裝位置磨損深度,如表4所列。經(jīng)疲勞試驗對比發(fā)現(xiàn),相比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的鎖止彈簧,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鎖止彈簧疲勞次數(shù)增加了18.7%,止擋塊安裝位置磨損深度降低了73.8%。

表4 疲勞試驗后鎖止彈簧情況表

圖16 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的鎖止彈簧疲勞試驗后狀態(tài)

5 結(jié) 論

通過對鎖止彈簧故障失效機理分析、原方案與優(yōu)化方案對比分析研究可得以下結(jié)論。

(1) 鎖止彈簧失效模式有兩種,第一種為開合疲勞失效,由結(jié)構(gòu)應力導致;第二種失效為局部機械損傷產(chǎn)生裂紋源,繼而裂紋擴展導致疲勞斷裂。

(2) 閘片托鎖止彈簧安裝孔徑尺寸優(yōu)化及止擋塊鎖止彈簧安裝孔倒角改圓角的優(yōu)化,有效降低了鎖止彈簧的應力,顯著改善了鎖止彈簧的使用性能。

(3) 通過對鎖止彈簧熱處理工藝的研究,明確了不同熱處理工藝與鎖止彈簧疲勞壽命之間的關(guān)系,改善的熱處理工藝有效提高了鎖止彈簧疲勞壽命。