孔探儀堵蓋組合件彈簧失效原因分析及改進

付延英 王全 翟賢超

摘 要：某型高壓壓氣機孔探儀堵蓋組合件彈簧斷裂，文章采用宏觀分析、斷口微觀形貌分析、成分分析等手段對彈簧斷裂性質進行了分析，判定彈簧為疲勞斷裂，疲勞起源于彈簧表面，針對彈簧斷裂原因，提出了有效的改進措施。

關鍵詞：彈簧失效；斷口分析；疲勞斷裂

中圖分類號：TH135 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0119-02

Abstract： The spring fracture of the plug cap assembly of a certain high pressure compressor hole detector is analyzed by means of macroscopic analysis， microanalysis of fracture surface and composition analysis， and the spring is judged to be fatigue fracture. Fatigue originated from the spring surface， and the effective improvement measures are put forward in view of the causes of spring fracture.

Keywords： spring failure； fracture analysis； fatigue fracture

1 概述

彈簧廣泛應用于武器裝備、儀器儀表，石油化工，機電設備，交通能源等。工作過程中，彈簧起到緩沖平衡，自動控制，儲存能量，安全保險等作用[1]。但是，彈簧的疲勞破壞等失效形式，在使用過程中經常發生，有時會造成嚴重事故，甚至危及到人們的生命安全[2]。導致彈簧失效的因素有很多，主要有原材料表面缺陷、原材料偏析、熱處理工藝缺陷、彈簧加工不當等[3-4]，因此分析彈簧的失效原因并找到改進措施非常重要。

某型航空發動機高壓壓氣機孔探儀堵蓋組合件彈簧失效，分解檢查后發現彈簧上端堆積斷裂，為了徹底查清斷裂的原因，進行了一系列的檢測分析。

2 檢查與分析

2.1 宏觀檢查

故障彈簧宏觀圖像如圖1所示，彈簧斷為“一長兩短”三部分，較長段彈簧在斷裂處附近存在塑性變形。將彈簧斷口進行編號，其中A斷口和B斷口為對偶面，C斷口和D斷口為對偶面，故對A斷口和C斷口進行斷口分析。

2.2 斷口分析

A斷口宏觀放大形貌，斷口表面呈銀灰色，較平滑，部分邊緣區域存在磨損和卷邊。在掃描電鏡下，對A斷口進行觀察，低倍形貌如圖2所示。斷口隱約可見疲勞弧線和放射棱線形貌特征，表明斷口性質為疲勞斷口，根據疲勞弧線和放射棱線的方向判斷，疲勞起源于彈簧表面，呈線源特征，位置見圖中箭頭所指處，疲勞擴展區約占整個斷口面積的40%。

放大觀察疲勞源區，源區平滑，部分邊緣區域存在磨損，未見明顯的冶金缺陷。疲勞擴展區可見較細密的疲勞條帶。瞬斷區為典型的韌窩形貌特征，見圖3。

C斷口宏觀放大形貌，斷口表面呈銀灰色，略有起伏。在掃描電鏡下，對C斷口進行觀察，低倍形貌如圖4所示。斷口隱約可見放射棱線形貌特征，表明斷口性質為疲勞斷口，根據放射棱線的方向判斷，疲勞起源于彈簧表面，呈線源特征，位置見圖中箭頭所指處，疲勞擴展區和瞬斷區分界面較清晰，疲勞擴展區約占整個斷口面積的35%。

放大觀察疲勞源區，源區較平滑，可見放射棱線形貌特征，疲勞弧線特征不明顯，未見明顯的冶金缺陷。疲勞擴展區可見較細密的疲勞條帶。瞬斷區為典型的韌窩形貌特征，見圖5。

3 成分分析

對故障彈簧取樣進行能譜分析，結果如表1所示，主要合金元素含量基本滿足標準YB/T 5253-93要求。

4 改進措施

通過對彈簧進行斷裂斷口分析，得出如下結論，并提出改進措施：

（1）孔探儀堵蓋組合件彈簧在反復壓縮作用下，發生疲勞斷裂，疲勞起源于彈簧表面。

（2）疲勞源區均未見明顯的冶金缺陷。

（3）故障彈簧材質未見明顯異常。

（4）孔探儀堵蓋組合件在使用過程中彈簧上端卡滯，經過反復壓縮導致彈簧失效，可增加銷子結構，銷子的作用是對彈簧進行引導，以防止彈簧躥動卡滯。

參考文獻：

[1]于匯泳，周慧琳，胡俊華.彈簧振動失效斷口分析[J].機械設計與制造，2013（3）：260-264.

[2]金雙峰，程鵬，等.彈簧的失效分析與預防技術[J].金屬熱處理，2011（36）：140-144.

[3]萬新通.淺談彈簧失效[J].科技傳播，2011（5）：60.

[4]吳小良，鄭開宇，王煒.彈簧早期失效影響因素分析及預防措施[J].物理測試，2016，34（3）：28-31.