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分析、現場一系彈簧動應力測試及一系彈簧固有特性分析。發現在彈簧服役過程中，一系彈簧發生共振，出現局部并圈和工作圈非均勻螺距現象，隨著列車運行過程中的振動和沖擊，接觸區域彈簧圓弧表面將會產生擠壓損傷，從而形成磨損區域，當局部某點在一定深度時形成微小裂紋源，最終裂紋擴展導致彈簧斷裂。

關鍵詞：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年首次發現一系彈簧斷裂故障（圖1所示），在之后的幾年斷簧現象越來越頻繁。一系彈簧的設計使用壽命為200萬公里，但有的彈簧才使用幾萬公里后就出現斷裂故障，這遠遠低于設計壽命。圖2所示的是最近幾年彈簧斷裂數量統計，從圖中可以看出2015年至2018年彈簧斷裂故障發生次數不斷增加，從2015年出現斷簧開始，斷簧數量每年以成倍的速度增加，呈現出倍數型增長的趨勢。

2 原因分析

2.1 彈簧服役狀態分析

一系彈簧（圖3所示）由圓柱自立螺旋彈簧組構成，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。并緊導致非均勻彈簧螺距現象，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。磨平導致非均勻簧絲截面現象，即兩端部簧絲截面小、且漸變，中部簧絲截面大、且均勻。

根據以往的彈簧設計規范，認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值。換句話說就是，在理想狀態下，彈簧中部的螺距均勻分布。結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相互接觸現象。

然而，一系彈簧在服役過程中存在工作圈相互接觸現象，如圖4所示。圖4中的A區域為簧絲螺距均勻的工作圈范圍，在理想狀態下該區域的相鄰簧絲不會出現相互接觸現象，但圖片顯示相鄰簧絲之間有掉漆現象。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、大幅度振動現象，尤其是小彈簧。

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

2.2 彈簧應力測試

為進一步確定一系彈簧斷裂的原因，通過現場試驗對車輛運行時彈簧的應力進行了測試。

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

2.3 彈簧固有特性

對彈簧進行預應力模態分析，計算其工作模態。模態分析結果如圖7所示，為彈簧1階固有模態。彈簧固有模態58.8 Hz與彈簧應力主頻60 Hz基本一致，說明是由于彈簧發生共振，導致彈簧應力出現60 Hz的主頻。

3 結論

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

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

參考文獻：

[1]周凱林.地鐵車輛轉向架一系彈簧接觸及疲勞研究[D].成都：西南交通大學，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].中國新技術新產品，2018（18）：53-55.