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2019-04-19 04:35:34趙未薛萍
科學(xué)與技術(shù) 2019年14期
趙未 薛萍
摘要：本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)代有軌電車受電弓升弓彈簧斷裂現(xiàn)象進(jìn)行深入的分析，確定了故障原因并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考。
關(guān)鍵詞：受電弓；彈簧；斷裂；分析
引言
國(guó)內(nèi)某有軌電車項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)四年后，一列車在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)了受電弓升弓彈簧斷裂，受電弓無(wú)法升起的故障，導(dǎo)致列車救援。為了避免類似問(wèn)題再次出現(xiàn)，對(duì)斷裂彈簧進(jìn)行了理化分析，來(lái)確定斷裂原因并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。
1.受電弓升弓原理
如圖（1），受電弓升弓彈簧始終處于拉伸狀態(tài)，且當(dāng)受電弓在最低位時(shí)，拉伸長(zhǎng)度達(dá)到最大。升弓時(shí)，右側(cè)電傳動(dòng)裝置向后縮短，左側(cè)升弓彈簧則會(huì)自動(dòng)收縮。在彈簧拉力的作用下，帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪與弓體相連，以杠桿原理將受電弓弓頭抬起。
2.斷口分析
2.1斷口總體概況
如圖（2），斷裂位置為彈簧與固定盤配合的第一扣簧圈上部，斷口附近沒(méi)有明顯的塑性變形，彈簧外圈表面涂層完整，無(wú)明顯磕碰損傷痕跡或銹蝕現(xiàn)象。但斷口附近與固定盤配合的彈簧內(nèi)圈存在明顯的紅銹痕跡（箭頭1所示），遠(yuǎn)離固定盤的彈簧內(nèi)圈表面黑色涂層則完整，未發(fā)現(xiàn)明顯的銹蝕現(xiàn)象（箭頭2所示）。斷口附近右側(cè)擋板有一處因撞擊產(chǎn)生的豁口（紅框所示），豁口頂部及側(cè)面都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的銹蝕現(xiàn)象。
2.2彈簧斷面分析
彈簧斷口邊緣在低倍形貌下可以看到一個(gè)寬度為3.09mm的半圓形深色區(qū)域（箭頭所示）。斷面低倍形貌如圖（3）所示，斷面平整，沒(méi)有明顯塑性變形，但可以看到由深色區(qū)域起始的放射狀條紋。將斷口分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域進(jìn)行理化分析。
A、B、C、D區(qū)微觀形貌及斷面覆蓋物能譜分析結(jié)果如下：A、B區(qū)存在覆蓋物，可見(jiàn)明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，A區(qū)覆蓋物主要成分為鐵的氧化物，并存在一定含量的鋅及少量硫、硅、鉻、錳元素，B區(qū)覆蓋物除基體元素外，存在一定含量的鋅及少量硫元素。C、D區(qū)可見(jiàn)明顯的準(zhǔn)解理形貌，未發(fā)現(xiàn)明顯的外來(lái)元素。
2.3彈簧與固定板U型槽接觸面分析
圖（4）所示為彈簧斷口與固定板U型槽接觸面情況?？梢钥吹剑雸A形深色斷面與U型槽底部相鄰（箭頭3所示），槽底有著明顯的銹蝕現(xiàn)象；彈簧與U型槽的接觸面存在大量的銹蝕現(xiàn)象；U型槽（箭頭4所示）左側(cè)擋板及槽底存在明顯的銹蝕現(xiàn)象，右側(cè)擋板輕微腐蝕，相鄰U型槽（箭頭5所示）兩側(cè)擋板均有明顯銹蝕，左側(cè)擋板腐蝕程度較右側(cè)更加嚴(yán)重，槽底沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡。
對(duì)斷口附近彈簧表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示：腐蝕物中存在大量鋅、氧、鐵元素與少量硫、氯、鎳、硅、鉀元素。
3.相、硬度檢測(cè)及化學(xué)分析
對(duì)彈簧進(jìn)行金相檢測(cè)，確定彈簧表面沒(méi)有明顯折疊、裂紋等不連續(xù)性缺陷，也沒(méi)有明顯的脫碳現(xiàn)象，但有明顯的腐蝕坑，最大深度達(dá)0.1mm，同時(shí)有明顯的沿晶二次裂紋。彈簧芯部顯微組織，為均勻的回火屈氏體，沒(méi)有異常。對(duì)其非金屬夾雜物形態(tài)進(jìn)行分析，判定為A類硫化物（細(xì)系）0.5級(jí)，D類球狀氧化物（細(xì)系）1級(jí)，沒(méi)有異常。
在失效彈簧斷口附近進(jìn)行硬度梯度試驗(yàn)，結(jié)果顯示硬度均勻，無(wú)異常。采用直讀光譜儀對(duì)失效彈簧進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示材質(zhì)符合“DIN EN 10089-2002”標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于51CrV4鋼的規(guī)定。
4.綜合分析
4.1斷裂模式分析
從以上檢測(cè)結(jié)果可以看出，彈簧表面不連續(xù)性缺陷、脫碳、顯微組織、非金屬夾雜物、硬度、化學(xué)成分等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常。但從斷口低倍形貌可以看到邊緣處有深度約3mm的半圓形深色區(qū)域，并存在由該深色區(qū)域起始的放射狀條紋，說(shuō)明該深色區(qū)域?yàn)閿嗔哑鹗紖^(qū)。微觀形貌顯示，斷裂起始區(qū)有明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨著晶間二次裂紋。經(jīng)過(guò)能譜掃描，確定斷裂起始區(qū)腐蝕產(chǎn)物存在氧、硫、鋅等元素，與斷口附近彈簧表面的腐蝕物元素種類基本一致，說(shuō)明在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，表面鍍層的腐蝕物逐漸地滲入了彈簧內(nèi)部。
由于升弓彈簧使用過(guò)程中始終處于拉伸狀態(tài)，時(shí)刻承受著拉應(yīng)力作用，而受電弓安裝于車頂，直接暴露于自然環(huán)境中，工作環(huán)境存在著各種腐蝕性介質(zhì)，同時(shí)滿足應(yīng)力條件與介質(zhì)條件，結(jié)合斷口微觀形貌可以判定，彈簧斷裂的原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕斷裂錯(cuò)誤！未找到引用源。。
應(yīng)力腐蝕是材料內(nèi)存在超過(guò)某臨界值的拉力值（此臨界值往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度）并協(xié)同某特定介質(zhì)環(huán)境引起。當(dāng)材料內(nèi)存在超過(guò)某臨界值的拉應(yīng)力，并且材料又處于特定的腐蝕介質(zhì)環(huán)境中就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。腐蝕介質(zhì)主要包括高溫潮濕環(huán)境中的水蒸氣、工業(yè)廢氣中的二氧化硫以及沿海地區(qū)大氣中的氯等。腐蝕過(guò)程中，材料先出現(xiàn)微裂紋，再擴(kuò)展為宏觀裂紋，而微裂紋一旦形成，其擴(kuò)展速度會(huì)比其他類型局部腐蝕快得多。應(yīng)力腐蝕破裂的過(guò)程，是金屬在應(yīng)力和環(huán)境的共同作用下裂紋的萌生、擴(kuò)展和最終破裂的三個(gè)階段。
4.2腐蝕成因分析
對(duì)彈簧生產(chǎn)裝配過(guò)程進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，其表面處理方式為首先進(jìn)行電泳處理，再與兩端固定盤進(jìn)行裝配，之后再噴涂黑色油漆。因此，彈簧與U型槽的接觸面只有一層電泳涂層保護(hù)，導(dǎo)致接觸面更易出現(xiàn)銹蝕，而彈簧噴涂了油漆的部分未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。
與彈簧斷裂部位接觸的U型槽左側(cè)擋板及底部都有明顯的銹蝕現(xiàn)象，右側(cè)擋板只有輕微腐蝕，而相鄰U型槽兩側(cè)擋板均有明顯的銹蝕現(xiàn)象，且左側(cè)擋板腐蝕程度較右側(cè)更加嚴(yán)重，但槽底沒(méi)有明顯腐蝕痕跡。據(jù)此可以推斷，在承受拉力的工作狀態(tài)下，彈簧向受力一側(cè)移動(dòng)，導(dǎo)致與U型槽擋板右側(cè)的間隙減小，左側(cè)間隙增大，如圖（8）所示。此時(shí)外界腐蝕介質(zhì)（如雨水）通過(guò)間隙較大的左側(cè)滲入U(xiǎn)型槽內(nèi)，積聚于槽底，導(dǎo)致腐蝕過(guò)程不斷進(jìn)行。
5.結(jié)論
從以上的分析中可以得出，彈簧斷裂的原因?yàn)樯a(chǎn)裝配過(guò)程中，彈簧與固定盤接觸面的表面防腐蝕處理措施不足；彈簧在工作過(guò)程中長(zhǎng)期受到拉力作用，在惡劣工作環(huán)境下，接觸面出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕而最終導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕斷裂。
由于應(yīng)力腐蝕涉及到材料、應(yīng)力狀態(tài)、腐蝕環(huán)境三個(gè)方面，因此預(yù)防應(yīng)力腐蝕的途徑，可以從以上三方面進(jìn)行改進(jìn)錯(cuò)誤！未找到引用源。?？紤]到彈簧材質(zhì)、工作狀態(tài)已經(jīng)固定，因此優(yōu)先采取措施降低腐蝕介質(zhì)的作用，一方面可以改進(jìn)彈簧和固定盤接觸面的表面處理方式，增加保護(hù)涂層；另一方面可以采取物理隔離的方法，防止腐蝕介質(zhì)滲入彈簧與U型槽的間隙內(nèi)。
參考文獻(xiàn)
[1]由向群，杜洪建，谷志剛.換熱器緊固螺栓的應(yīng)力腐蝕斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2007，（1）：40-42. DOI：10.3969/j.issn.1001-4012.2007.01.012.
[2]陸亞偉，吳新蘭，周廣，等.論應(yīng)力腐蝕斷裂[J].中國(guó)化工裝備，2001，（2）：43-49. DOI：10.3969/j.issn.1671-0525.2001.02.011.
[3]劉承鑫，黃平，劉雁，等.車身鋼板及不同電泳膜厚對(duì)耐蝕性的影響研究[J].上海涂料，2017，（2）：5-8. DOI：10.3969/j.issn.1009-1696.2017.02.002.
[4]陳拯，宛萍芳，于磊，等.汽車常見(jiàn)腐蝕問(wèn)題分析及改進(jìn)措施探討[J].環(huán)境技術(shù)，2010，（6）：37-41. DOI：10.3969/j.issn.1004-7204.2010.06.010.
[5]高進(jìn)，孫金廠.應(yīng)力腐蝕斷裂的判斷及其防護(hù)[J].新技術(shù)新工藝，2001，（7）：45-46. DOI：10.3969/j.issn.1003-5311.2001.07.025.
作者簡(jiǎn)介：趙未（1989-09），男，本科，工程師。
（作者單位：中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司）
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引言
國(guó)內(nèi)某有軌電車項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)四年后，一列車在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)了受電弓升弓彈簧斷裂，受電弓無(wú)法升起的故障，導(dǎo)致列車救援。為了避免類似問(wèn)題再次出現(xiàn)，對(duì)斷裂彈簧進(jìn)行了理化分析，來(lái)確定斷裂原因并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。
1.受電弓升弓原理
如圖（1），受電弓升弓彈簧始終處于拉伸狀態(tài)，且當(dāng)受電弓在最低位時(shí)，拉伸長(zhǎng)度達(dá)到最大。升弓時(shí)，右側(cè)電傳動(dòng)裝置向后縮短，左側(cè)升弓彈簧則會(huì)自動(dòng)收縮。在彈簧拉力的作用下，帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪與弓體相連，以杠桿原理將受電弓弓頭抬起。
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如圖（2），斷裂位置為彈簧與固定盤配合的第一扣簧圈上部，斷口附近沒(méi)有明顯的塑性變形，彈簧外圈表面涂層完整，無(wú)明顯磕碰損傷痕跡或銹蝕現(xiàn)象。但斷口附近與固定盤配合的彈簧內(nèi)圈存在明顯的紅銹痕跡（箭頭1所示），遠(yuǎn)離固定盤的彈簧內(nèi)圈表面黑色涂層則完整，未發(fā)現(xiàn)明顯的銹蝕現(xiàn)象（箭頭2所示）。斷口附近右側(cè)擋板有一處因撞擊產(chǎn)生的豁口（紅框所示），豁口頂部及側(cè)面都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的銹蝕現(xiàn)象。
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A、B、C、D區(qū)微觀形貌及斷面覆蓋物能譜分析結(jié)果如下：A、B區(qū)存在覆蓋物，可見(jiàn)明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，A區(qū)覆蓋物主要成分為鐵的氧化物，并存在一定含量的鋅及少量硫、硅、鉻、錳元素，B區(qū)覆蓋物除基體元素外，存在一定含量的鋅及少量硫元素。C、D區(qū)可見(jiàn)明顯的準(zhǔn)解理形貌，未發(fā)現(xiàn)明顯的外來(lái)元素。
2.3彈簧與固定板U型槽接觸面分析
圖（4）所示為彈簧斷口與固定板U型槽接觸面情況?？梢钥吹剑雸A形深色斷面與U型槽底部相鄰（箭頭3所示），槽底有著明顯的銹蝕現(xiàn)象；彈簧與U型槽的接觸面存在大量的銹蝕現(xiàn)象；U型槽（箭頭4所示）左側(cè)擋板及槽底存在明顯的銹蝕現(xiàn)象，右側(cè)擋板輕微腐蝕，相鄰U型槽（箭頭5所示）兩側(cè)擋板均有明顯銹蝕，左側(cè)擋板腐蝕程度較右側(cè)更加嚴(yán)重，槽底沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡。
對(duì)斷口附近彈簧表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示：腐蝕物中存在大量鋅、氧、鐵元素與少量硫、氯、鎳、硅、鉀元素。
3.相、硬度檢測(cè)及化學(xué)分析
對(duì)彈簧進(jìn)行金相檢測(cè)，確定彈簧表面沒(méi)有明顯折疊、裂紋等不連續(xù)性缺陷，也沒(méi)有明顯的脫碳現(xiàn)象，但有明顯的腐蝕坑，最大深度達(dá)0.1mm，同時(shí)有明顯的沿晶二次裂紋。彈簧芯部顯微組織，為均勻的回火屈氏體，沒(méi)有異常。對(duì)其非金屬夾雜物形態(tài)進(jìn)行分析，判定為A類硫化物（細(xì)系）0.5級(jí)，D類球狀氧化物（細(xì)系）1級(jí)，沒(méi)有異常。
在失效彈簧斷口附近進(jìn)行硬度梯度試驗(yàn)，結(jié)果顯示硬度均勻，無(wú)異常。采用直讀光譜儀對(duì)失效彈簧進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示材質(zhì)符合“DIN EN 10089-2002”標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于51CrV4鋼的規(guī)定。
4.綜合分析
4.1斷裂模式分析
從以上檢測(cè)結(jié)果可以看出，彈簧表面不連續(xù)性缺陷、脫碳、顯微組織、非金屬夾雜物、硬度、化學(xué)成分等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常。但從斷口低倍形貌可以看到邊緣處有深度約3mm的半圓形深色區(qū)域，并存在由該深色區(qū)域起始的放射狀條紋，說(shuō)明該深色區(qū)域?yàn)閿嗔哑鹗紖^(qū)。微觀形貌顯示，斷裂起始區(qū)有明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨著晶間二次裂紋。經(jīng)過(guò)能譜掃描，確定斷裂起始區(qū)腐蝕產(chǎn)物存在氧、硫、鋅等元素，與斷口附近彈簧表面的腐蝕物元素種類基本一致，說(shuō)明在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，表面鍍層的腐蝕物逐漸地滲入了彈簧內(nèi)部。
由于升弓彈簧使用過(guò)程中始終處于拉伸狀態(tài)，時(shí)刻承受著拉應(yīng)力作用，而受電弓安裝于車頂，直接暴露于自然環(huán)境中，工作環(huán)境存在著各種腐蝕性介質(zhì)，同時(shí)滿足應(yīng)力條件與介質(zhì)條件，結(jié)合斷口微觀形貌可以判定，彈簧斷裂的原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕斷裂錯(cuò)誤！未找到引用源。。
應(yīng)力腐蝕是材料內(nèi)存在超過(guò)某臨界值的拉力值（此臨界值往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度）并協(xié)同某特定介質(zhì)環(huán)境引起。當(dāng)材料內(nèi)存在超過(guò)某臨界值的拉應(yīng)力，并且材料又處于特定的腐蝕介質(zhì)環(huán)境中就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。腐蝕介質(zhì)主要包括高溫潮濕環(huán)境中的水蒸氣、工業(yè)廢氣中的二氧化硫以及沿海地區(qū)大氣中的氯等。腐蝕過(guò)程中，材料先出現(xiàn)微裂紋，再擴(kuò)展為宏觀裂紋，而微裂紋一旦形成，其擴(kuò)展速度會(huì)比其他類型局部腐蝕快得多。應(yīng)力腐蝕破裂的過(guò)程，是金屬在應(yīng)力和環(huán)境的共同作用下裂紋的萌生、擴(kuò)展和最終破裂的三個(gè)階段。
4.2腐蝕成因分析
對(duì)彈簧生產(chǎn)裝配過(guò)程進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，其表面處理方式為首先進(jìn)行電泳處理，再與兩端固定盤進(jìn)行裝配，之后再噴涂黑色油漆。因此，彈簧與U型槽的接觸面只有一層電泳涂層保護(hù)，導(dǎo)致接觸面更易出現(xiàn)銹蝕，而彈簧噴涂了油漆的部分未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。
與彈簧斷裂部位接觸的U型槽左側(cè)擋板及底部都有明顯的銹蝕現(xiàn)象，右側(cè)擋板只有輕微腐蝕，而相鄰U型槽兩側(cè)擋板均有明顯的銹蝕現(xiàn)象，且左側(cè)擋板腐蝕程度較右側(cè)更加嚴(yán)重，但槽底沒(méi)有明顯腐蝕痕跡。據(jù)此可以推斷，在承受拉力的工作狀態(tài)下，彈簧向受力一側(cè)移動(dòng)，導(dǎo)致與U型槽擋板右側(cè)的間隙減小，左側(cè)間隙增大，如圖（8）所示。此時(shí)外界腐蝕介質(zhì)（如雨水）通過(guò)間隙較大的左側(cè)滲入U(xiǎn)型槽內(nèi)，積聚于槽底，導(dǎo)致腐蝕過(guò)程不斷進(jìn)行。
5.結(jié)論
從以上的分析中可以得出，彈簧斷裂的原因?yàn)樯a(chǎn)裝配過(guò)程中，彈簧與固定盤接觸面的表面防腐蝕處理措施不足；彈簧在工作過(guò)程中長(zhǎng)期受到拉力作用，在惡劣工作環(huán)境下，接觸面出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕而最終導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕斷裂。
由于應(yīng)力腐蝕涉及到材料、應(yīng)力狀態(tài)、腐蝕環(huán)境三個(gè)方面，因此預(yù)防應(yīng)力腐蝕的途徑，可以從以上三方面進(jìn)行改進(jìn)錯(cuò)誤！未找到引用源。?？紤]到彈簧材質(zhì)、工作狀態(tài)已經(jīng)固定，因此優(yōu)先采取措施降低腐蝕介質(zhì)的作用，一方面可以改進(jìn)彈簧和固定盤接觸面的表面處理方式，增加保護(hù)涂層；另一方面可以采取物理隔離的方法，防止腐蝕介質(zhì)滲入彈簧與U型槽的間隙內(nèi)。
參考文獻(xiàn)
[1]由向群，杜洪建，谷志剛.換熱器緊固螺栓的應(yīng)力腐蝕斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2007，（1）：40-42. DOI：10.3969/j.issn.1001-4012.2007.01.012.
[2]陸亞偉，吳新蘭，周廣，等.論應(yīng)力腐蝕斷裂[J].中國(guó)化工裝備，2001，（2）：43-49. DOI：10.3969/j.issn.1671-0525.2001.02.011.
[3]劉承鑫，黃平，劉雁，等.車身鋼板及不同電泳膜厚對(duì)耐蝕性的影響研究[J].上海涂料，2017，（2）：5-8. DOI：10.3969/j.issn.1009-1696.2017.02.002.
[4]陳拯，宛萍芳，于磊，等.汽車常見(jiàn)腐蝕問(wèn)題分析及改進(jìn)措施探討[J].環(huán)境技術(shù)，2010，（6）：37-41. DOI：10.3969/j.issn.1004-7204.2010.06.010.
[5]高進(jìn)，孫金廠.應(yīng)力腐蝕斷裂的判斷及其防護(hù)[J].新技術(shù)新工藝，2001，（7）：45-46. DOI：10.3969/j.issn.1003-5311.2001.07.025.
作者簡(jiǎn)介：趙未（1989-09），男，本科，工程師。
（作者單位：中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司）
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