談有軌電車受電弓彈簧斷裂分析

趙未 薛萍

摘要：本文通過對現代有軌電車受電弓升弓彈簧斷裂現象進行深入的分析，確定了故障原因并提出了相應的改進措施，為相關產品設計提供了參考。

關鍵詞：受電弓；彈簧；斷裂；分析

引言

國內某有軌電車項目在運營四年后，一列車在運營過程中出現了受電弓升弓彈簧斷裂，受電弓無法升起的故障，導致列車救援。為了避免類似問題再次出現，對斷裂彈簧進行了理化分析，來確定斷裂原因并提出相應的改進措施。

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，且當受電弓在最低位時，拉伸長度達到最大。升弓時，右側電傳動裝置向后縮短，左側升弓彈簧則會自動收縮。在彈簧拉力的作用下，帶動凸輪轉動，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，斷口附近沒有明顯的塑性變形，彈簧外圈表面涂層完整，無明顯磕碰損傷痕跡或銹蝕現象。但斷口附近與固定盤配合的彈簧內圈存在明顯的紅銹痕跡（箭頭1所示），遠離固定盤的彈簧內圈表面黑色涂層則完整，未發現明顯的銹蝕現象（箭頭2所示）。斷口附近右側擋板有一處因撞擊產生的豁口（紅框所示），豁口頂部及側面都沒有發現明顯的銹蝕現象。

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寬度為3.09mm的半圓形深色區域（箭頭所示）。斷面低倍形貌如圖（3）所示，斷面平整，沒有明顯塑性變形，但可以看到由深色區域起始的放射狀條紋。將斷口分為A、B、C、D四個區域進行理化分析。

A、B、C、D區微觀形貌及斷面覆蓋物能譜分析結果如下：A、B區存在覆蓋物，可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，A區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區可見明顯的準解理形貌，未發現明顯的外來元素。

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。可以看到，半圓形深色斷面與U型槽底部相鄰（箭頭3所示），槽底有著明顯的銹蝕現象；彈簧與U型槽的接觸面存在大量的銹蝕現象；U型槽（箭頭4所示）左側擋板及槽底存在明顯的銹蝕現象，右側擋板輕微腐蝕，相鄰U型槽（箭頭5所示）兩側擋板均有明顯銹蝕，左側擋板腐蝕程度較右側更加嚴重，槽底沒有發現明顯的腐蝕痕跡。

對斷口附近彈簧表面進行能譜分析，結果顯示：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、硬度檢測及化學分析

對彈簧進行金相檢測，確定彈簧表面沒有明顯折疊、裂紋等不連續性缺陷，也沒有明顯的脫碳現象，但有明顯的腐蝕坑，最大深度達0.1mm，同時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，沒有異常。對其非金屬夾雜物形態進行分析，判定為A類硫化物（細系）0.5級，D類球狀氧化物（細系）1級，沒有異常。

在失效彈簧斷口附近進行硬度梯度試驗，結果顯示硬度均勻，無異常。采用直讀光譜儀對失效彈簧進行化學成分分析，結果顯示材質符合“DIN EN 10089-2002”標準中關于51CrV4鋼的規定。

4.綜合分析

4.1斷裂模式分析

從以上檢測結果可以看出，彈簧表面不連續性缺陷、脫碳、顯微組織、非金屬夾雜物、硬度、化學成分等指標均未發現異常。但從斷口低倍形貌可以看到邊緣處有深度約3mm的半圓形深色區域，并存在由該深色區域起始的放射狀條紋，說明該深色區域為斷裂起始區。微觀形貌顯示，斷裂起始區有明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨著晶間二次裂紋。經過能譜掃描，確定斷裂起始區腐蝕產物存在氧、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，說明在裂紋擴展過程中，表面鍍層的腐蝕物逐漸地滲入了彈簧內部。

由于升弓彈簧使用過程中始終處于拉伸狀態，時刻承受著拉應力作用，而受電弓安裝于車頂，直接暴露于自然環境中，工作環境存在著各種腐蝕性介質，同時滿足應力條件與介質條件，結合斷口微觀形貌可以判定，彈簧斷裂的原因為應力腐蝕斷裂錯誤！未找到引用源。。

應力腐蝕是材料內存在超過某臨界值的拉力值（此臨界值往往遠遠低于材料的屈服強度）并協同某特定介質環境引起。當材料內存在超過某臨界值的拉應力，并且材料又處于特定的腐蝕介質環境中就會產生應力腐蝕。腐蝕介質主要包括高溫潮濕環境中的水蒸氣、工業廢氣中的二氧化硫以及沿海地區大氣中的氯等。腐蝕過程中，材料先出現微裂紋，再擴展為宏觀裂紋，而微裂紋一旦形成，其擴展速度會比其他類型局部腐蝕快得多。應力腐蝕破裂的過程，是金屬在應力和環境的共同作用下裂紋的萌生、擴展和最終破裂的三個階段。

4.2腐蝕成因分析

對彈簧生產裝配過程進行檢查發現，其表面處理方式為首先進行電泳處理，再與兩端固定盤進行裝配，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，導致接觸面更易出現銹蝕，而彈簧噴涂了油漆的部分未出現腐蝕現象。

與彈簧斷裂部位接觸的U型槽左側擋板及底部都有明顯的銹蝕現象，右側擋板只有輕微腐蝕，而相鄰U型槽兩側擋板均有明顯的銹蝕現象，且左側擋板腐蝕程度較右側更加嚴重，但槽底沒有明顯腐蝕痕跡。據此可以推斷，在承受拉力的工作狀態下，彈簧向受力一側移動，導致與U型槽擋板右側的間隙減小，左側間隙增大，如圖（8）所示。此時外界腐蝕介質（如雨水）通過間隙較大的左側滲入U型槽內，積聚于槽底，導致腐蝕過程不斷進行。

5.結論

從以上的分析中可以得出，彈簧斷裂的原因為生產裝配過程中，彈簧與固定盤接觸面的表面防腐蝕處理措施不足；彈簧在工作過程中長期受到拉力作用，在惡劣工作環境下，接觸面出現嚴重腐蝕而最終導致的應力腐蝕斷裂。

由于應力腐蝕涉及到材料、應力狀態、腐蝕環境三個方面，因此預防應力腐蝕的途徑，可以從以上三方面進行改進錯誤！未找到引用源。。考慮到彈簧材質、工作狀態已經固定，因此優先采取措施降低腐蝕介質的作用，一方面可以改進彈簧和固定盤接觸面的表面處理方式，增加保護涂層；另一方面可以采取物理隔離的方法，防止腐蝕介質滲入彈簧與U型槽的間隙內。

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作者簡介：趙未（1989-09），男，本科，工程師。

（作者單位：中車南京浦鎮車輛有限公司）