（机械工程专业论文）转k2转向架弹簧断裂分析.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 捅矍 随着铁路跨越式发展，近年来，各弹簧制造厂在工艺装备、质量保证体 系、制造工艺等各方面均有长足的进步，产品质量有了很大提高，为延长弹 簧质量保证期奠定了技术保证基础。目前执行铁路货车转向架圆柱螺旋弹 簧技术条件，铁路货车转向架圆柱螺旋弹簧质保期为9 年( 一个厂修期) ， 弹簧疲劳试验次数为3 0 0 万次。 转k 弹簧是货车转k 。型转向架上的重要配件。它主要起承载、减振作用， 是保证货车正常运行、避免发生灾难性事故的重要配件。因此，提高弹簧的 质量无疑是十分重要的。但是，弹簧的过早断裂、磨损、腐蚀、弹力不足( 松 弛) 及变形等失效形式，也是经常发生的。很显然，在上述各种失效中，以 突然脆断所造成的危害性最为严重。 本论文通过对转k 2 弹簧的应力分析及转k 2 弹簧组成的受力分析找出， 在转k 2 四种弹簧中转k 2 内圆弹簧受力最为恶劣，最容易发生失效；而在转 k 2 弹簧装车使用中失效最多的是转k 2 减振内圆弹簧；在转k 2 弹簧送检、抽 检过程中转k 2 外圆弹簧经常发生折断。 本论文通过对断裂弹簧断面的分析，找出了材料缺陷是影响弹簧疲劳寿 命的重要原因之一，因此制造工艺对原材料的复验非常严格，不合格的原材 料绝不能投产。通过对弹簧的下料、制扁、卷制及热处理的分析，找出影响 弹簧的疲劳寿命的因素有加热温度、装炉量、淬火温度、介质的选择、回火 温度等，因此制造工艺都有明确规定。 本论文通过对弹簧的强化处理和表面处理分析，找出合理的强化处理和 表面处理可以提高弹簧的疲劳寿命，因此在制造工艺中也对其进行了明确规 定。 本论文通过对转k 2 弹簧实例分析找出影响弹簧疲劳寿命一是原材料，二 是加工过程，因此综合以上因素，为了提高弹簧的使用寿命，必须严格按照 制造工艺进行制造。 另外，本论文对影响转k 2 弹簧质量的其它客观因素进行了论述，引起相 关部门重视。 关键词转也弹簧；制造工艺；疲劳寿命 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 转k ：弹簧是货车转k ：型转向架用弹簧，由外圆弹簧( q c z 8 5 一o o 0 2 ) 、 内圆弹簧( q c z 8 5 一o o 0 3 ) 、减振外圆弹簧( q c z 8 5 3 0 一0 1 ) 、减振内圆弹簧 ( q c z 8 5 3 0 0 2 ) 组成。“3 外圆弹簧用中2 6 m m 的6 0 s i ：c r v a t 钢卷制成型，其外形尺寸如图卜1 所 示。它的技术条件为：旋向，左；有效圈数5 0 5 ；总圈数6 5 5 ：刚度 4 8 9 0 2 n m m ；热处理后硬度为4 2 4 8 h r c ；按运装货车 2 0 0 4 3 4 2 号文件 关于印发 的通知制造与验 收；疲劳试验负荷为2 0 7 3 2 ( 1 0 4 ) n 。“1 图卜l 外圆弹簧 内圆弹簧用中1 8 m m 的6 0 s i ：c r v a t 钢卷制成型，其外形尺寸如图1 _ 2 所 示。它的技术条件为：旋向，右；有效圈数7 7 ；总圈数9 2 ；刚度3 8 9 1 5 8 n m m ； 热处理后硬度为4 2 4 8 h r c ；按运装货车 2 0 0 4 3 4 2 号文件关于印发 的通知制造与验收；疲劳试验负 荷为1 1 4 8 2 ( 1 0 4 ) n 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 n 簧1 菜。二，、n “| | ! i 羹雾i i 毫要嚣i 嗡。g | i li ii ；薹 藿雾羹 ! 蒂一一嬖鐾l 篓i 一| 妥善嚣舒 幂y 商攀静静氯羹i i 固冲i ；l ；! i | 筘描鞘鞘冀舅i 褰甬斟影每痧蜊! 亡倒j 酗鞑修疆墁吲募j 戆委! 藩；技魁摇竖g ? j 曩嶷萋l ? l ；圳逸 ；g ，l ! 女囊羹；灞喇谢捱黝褂l r i 簧用弹簧钢 2 2 1 化学成分 1 钢材牌号及化学成分( 熔炼分析) 应符合表2 1 的规定，也可采用经 铁道部批准的其他弹簧钢牌号及其化学成分。 表2 一l 钢材牌号 化学成分( ) csi 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 图卜4 减振内圆弹簧 转& 弹簧的工艺流程为： 原材料入厂检验一下料一制扁一加热卷制一整形及均热一淬火一回火 一一次工艺压缩一端面詹削一抛丸处理一磁粉探伤一二次工艺压缩一终检 一甲斜一馨罐一淖绉一鬯货； 廷堙孽懈坪盎博墨祭曜= 菱0 魑甥涎歼j 篁雾鞲柏奖掣帚否援薤格崭 狮擗战督蕊；剁聪赫“雏孙替菲签蘧掣翁编焉舞；瓣猷瓢牌号时，其非金 属夹杂物应符合相应规定的最大级别。2 表2 3 钢材牌号 a ( 硫化物) b ( 氧 化铝) c ( 硅酸盐) d ( 球状氧化 物) 细系粗系细系 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 簧作蜗杆、用弹簧作料道、用弹簧作高速传动带、甚至用小弹簧修补螺孔等。 当然，后面的这些用途已不是利用弹簧的变形这个主要特征了。”1 1 3 2 弹簧的种类 机械弹簧的种类繁多，分类的方法也各种各样。如果不以某一主要特点 来分类的话，就会造成交叉混杂。 1 根据弹簧材料分类 弹簧材料的不同，在很大程度上决定了弹簧的工作特性。根据弹簧材料 的不同，弹簧的分类如下： 广- 碳素钢弹簧 l 广 钢弹 簧l 合金钢弹簧 厂金属弹簧1厂铜合金弹簧 l有色金属弹簧+ 镍含金弹簧 弹簧_ 1r l 其它合金弹簧 il 橡胶弹簧 r 空气弹簧 l 非金属弹簧一流体弹簧 叫 卜 塑料弹簧 l 液体弹簧 l 其它非金属弹簧 2 根据弹簧形状分类 根据弹簧几何形状的不同来分类，是最常用的分类方法。机械工程中常 用的弹簧，常可按形状分类如下：。” 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 圆柱 螺旋弹簧 一螺旋弹簧一 圆锥螺旋弹簧 变径中凹形螺旋弹簧 螺旋弹簧 中凸形螺旋弹簧 柱锥组合螺旋弹簧 一 非圆形螺， _ -片弹簧 一片类弹簧一碟形弹簧 l - 波形弹簧 广蜗卷螺旋一 弹簧一一蜗卷弹簧一平面 广非接触形平面蜗卷弹 蜗卷弹簧 l _ 接触形平面蜗卷弹簧 r单板弹簧 一板弹簧一 l 多板弹簧 环形弹簧 扭杆弹簧 3 根据弹簧的使用条件分类 从弹簧的使用条件来看，分为在静载荷下工作的弹簧和在动载荷下工作 弹簧。从弹簧的工作性质来看，一般没有绝对的静载荷。静载荷和动载荷都 是相对而言的，g b l 2 3 9 8 4 就圆柱螺旋弹簧载荷分为三类： i 类：受交变载荷作用次数在1 0 6 次以下，属于无限寿命计算范畴，应 进行疲劳强度计算。 i i 类：受交变载荷作用次数在1 0 3 1 0 5 次之间、受冲击载荷，属于有限 寿命计算范畴。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 i 类：受交变载荷作用次数在1 0 3 次以下，属于静载强度计算范畴。 在静载条件下使用的弹簧，应考虑静载强度和稳定性问题；在动载条件 下工作的弹簧，除考虑静载强度及稳定性外，应着重考虑疲劳强度和共振问 题。 弹簧的使用条件，除去载荷性质外，还有使用环境。很多弹簧在高温和 腐蚀性环境中工作。一般根据弹簧的工作环境分为： 1 ) 在普通环境工作的弹簧。 2 ) 耐热弹簧( 在高温下工作) 。 3 ) 耐蚀弹簧( 在腐蚀环境下工作) 。 对于耐热弹簧或耐蚀弹簧，应选择耐热或耐蚀的弹簧材料制造。 4 其它分类方法 除去上述分类方法外，还可以按弹簧的制造工艺不同，分为热成形弹簧 ( 如热卷螺旋弹簧) 和冷成形弹簧( 如冷卷螺旋弹簧) 两种。热成形弹簧一 般是中、大型弹簧，冷成形弹簧般是小型弹簧。另外，还可以根据弹簧的 负荷一一位移特性及应力状态来分类。o ， 1 3 3 弹簧常用符号和单位 b 一高径比：系数 c 一螺旋弹簧旋绕比；系数 d 一弹簧中径( i i i i ) d 。一弹簧内径( 嘞) d ：一弹簧外径( m m ) d 弹簧材料直径( 姗) e 一弹性模量( m p a ) f 一弹簧的载荷( n ) f 7 一弹簧的剐度( n m m ) f ，一弹簧的工作极限载荷( n ) f 5 _ 弹簧的试验载荷( n ) f 一弹簧的变形量( m m ) 。 f ，一工作极限载荷f j 下的变形量( 呻) f ，一弹簧的静变形量( 唧) f 。一试验载荷f 。下弹簧的变形量( m m ) ；线性静变形量( m m ) 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第19 页 裂纹、折迭、斑疤及麻坑等；表面脱碳层应严格控制在下限； c 热轧材的尺寸应在较小的公差范围内波动： d 钢的淬透性能满足要求； e 钢材的金相组织及晶粒度要匀细。 由于钢锭的冷凝过程及轧制的不合理等因素，使盘条表面及内部往往存 在着各种缺陷，例如：椭圆或其它异形、飞边、折迭、鳞皮、凹坑及刻痕， 甚至表面裂纹。表面脱碳更属常见的缺陷。金属内部缺陷则有残余缩孔，疏 松、偏析、气孔及各种形态的非金属夹杂物等等。 1 冶炼方法和钢中夹杂物 随着钢铁及有色金属工业的发展，冶炼技术的进步也非常迅速。工业用 弹簧钢通常是采用平炉、转炉或电炉熔炼的。为了提高合金的强韧性和工作 可靠性，降低有害气体( 如o ，、h 等) 及其他有害杂质元素( 如p 、s 等) ， 以便提高钢的韧性。 图2 一l 表明了真空冶炼比在大气条件下冶炼，使钢材获得更高的缺口韧 性。这是因为采用普通炼钢方法，钢中有较多的氧化物、硅酸盐、铝酸盐、 硫化物、碳化物、氮化物及某些金属间化合物，这些夹杂物都比基体脆的多。 特别是那些尖角形的大块脆性夹杂物，在受力作用条件下，阻碍位错的运动， 造成位错塞积和应力集中，往往成为裂纹源。夹杂物极易成为疲劳源而导致 弹簧断裂。 掣 整 书寻 女 站 疆 口 塔 喂 无缺口试样抗拉强度 图2 1 不同冶炼方法对合金韧性的影响 1 一大气冶炼2 一真空冶炼 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 3 1 下料 第3 章弹簧的制造 3 1 1 下料长度计算 热卷压缩螺旋弹簧的展开总长度的简单算法是：弹簧中径乘圆周率，再 乘弹簧总圈数，写成公式即是： l = d n 。 ( 3 1 ) 对于两端不要求制扁的压缩螺旋弹簧来讲，上述公式计算的弹簧展开总 长度即为其下料长度。但对于像铁路重型压缩螺旋弹簧那样的热卷弹簧一两 端需要制扁的弹簧，由于制扁时产生压延伸长量，所以，它的下料长度要比 弹簧展开总长度短一些，这种长度可接下述方法计算： 1 按料坯制扁前后体积相等的理论，计算出延伸长度，然后从计算的弹 簧展开总长度中减去延伸长度，即为弹簧下料长度。这种计算方法繁琐复杂， 一般极少使用。 2 实际生产中常用的计算公式为： lt # = d ( n l k ) ( 3 2 ) 公式( 3 2 ) 中的系数k 值，除了受钢料直径粗细影响以外，还受料坯制 扁工艺方法、卷簧芯轴直径大小、弹簧旋绕比等因素的影响。因此用公式( 3 2 ) 计算的弹簧下料长度，还需经过生产验证。通过实践修正误差，最后确定正 确的下料长度。”1 表3 1系数k 值 钢料直径d ( m ) k 9 1 3 0 2 1 4 2 2o 3 2 4 3 5o 3 5 3 6 4 5 o 4 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 3 1 2 转k 2 弹瑟薹安拯隧缝鹜臻螋萋霪萋 姆蚋耐蜗i l ：；! l 一| ，轵一l 静醪 j 饷静k 如酾驺弱瀚始封豁嚣萎 薹疆羹鋈l i 丽萎薹夔霎墓蓉羹霎冀萋薹蓁j 蠹薹蓼羹j i ；= i 一& l ；l 一l ，；囊i l 蓦 i 。| # 一ij i i 一! l 量 ； 董缸鐾季o ? = 二= i 。i 雾；墨i 藿霪。l 三事亏坐= 堕! “gd 41 0 0 0 d ( 卜3 a ) ( 1 3 b ) ( 卜4 a ) 已知_ | 亚力求挠 z ：孪：业罂( 1 咄) “gdd 已知应力求负荷 f ：坐：! ：! ! 型! ( 1 5 a ) 8 du 已知挠度求负荷 f ：簪= 警 n - s n ， 8 柚 3 n c 上述六个公式中，公式( 卜3 a ) 和公式( 卜4 a ) 是基本公式，其余四个公式 都是由这两个基本公式推导出来的。“3 螺旋弹簧钢料截面上应力分布不均匀，弹簧内侧处受应力最大，而且弹 簧旋绕比值越小，这种现象越明显。因此，为了弥补这种不足，有的弹簧计 算中，在其应力计算公式中乘以应力修正系数( 又称曲线系数) k 值。k 值有 数种计算方法，一般常用的一种计算公式是： 置：貉+ 半 e ， 4 c一4c 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 6 页 弹簧卷制到最末一圈时，送料者未夹正料坯末端所致。一般制扁部分越薄， 越容易产生反背。只要提高操作技术水平即可克服这种缺陷。产生这种缺陷 的弹簧，一般是可以修复使用的，个别严重的也会造成废品。 3 过热与过烧产生这种缺陷的基本原因是加热温度过高、加热时间太 长或每炉中的加热数量太多引起的。过热的弹簧，内部晶粒粗大，脆性增加。 而过烧的弹簧，除了晶粒严重粗大外，并在晶界间发生氧化。过热的弹簧可 以重新加热处理，而过烧的弹簧则无法修复，只有报废。 4 氧化与脱碳 弹簧氧化其表面形成一层氧化铁皮。随着氧化作用的增 加，弹簧表面层的部分碳被烧掉，形成脱碳层。产生脱碳后对弹簧极为有害， 严重地降低弹簧的使用寿命。加热温度越高、加热时间越长，则氧化脱碳越 严重。防止氧化脱碳的根本方法是在加热炉中通入中性炉气。实行高温快速 加热也可减少氧化脱碳现象。此外，弹簧进行抛丸处理，可以消除或减少脱 碳对疲劳强度的损伤。 5 卷簧裂纹裂纹是一种无法挽救的废品。产生卷簧裂纹的原因有：( 1 ) 原材料本身有伤痕、折迭和细微裂纹等缺陷，经加热卷制而扩张开来。( 2 ) 卷制弹簧的温度过低，钢料塑性不够，在卷制过程中钢料承受的扭转应力超 过其本身强度极限，因而产生裂纹。产生裂纹的弹簧无法修复。预防的方法 是：( 1 ) 加强原材料检验制度。( 2 ) 按工艺规定的正确加热温度卷簧。加热 温度不够的钢料不允许卷制弹簧。 6 擦伤及锤痕其产生原因是：( 1 ) 送料托不光滑或某些卷簧工具粗糙， 均可造成弹簧擦伤划痕。( 2 ) 锤击修整弹簧端部形状时，常常由于操作不当， 造成弹簧料径上的严重锤痕。这些擦伤和锤痕形成应力集中，在应力集中的 地方将引起弹簧过早地断裂。预防办法是：( 1 ) 及时修磨送料托或采用滚动 送料机构，以防止擦伤。( 2 ) 锤击时应避免打在弹簧工作圈上。 7 弹簧直径不合格 由于芯轴直径尺寸选择不正确或错用芯轴，都会造 成卷制后的弹簧直径不合格。只要正确的选择芯轴直径尺寸，加强工作责任 心即可克服这一缺陷。 8 重叠 卷绕时钢料不走螺距而堆集缠绕在一起，形成重叠缺陷。这种 缺陷产生的主要原因有二：( 1 ) 卷簧机控制螺距机构发生故障、失灵。( 2 ) 操作不良。重叠是一种不可挽救的废品。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 0 页 4 2 弹簧回火 将淬火后的弹簧重新加热到低于a c l 的某一选定温度，并保温一定时 间，然后以适宜的冷却速度冷却的工艺方法，q 做回火。回火的目的是：获 得所需要的力学性能，稳定弹簧的组织和尺寸以及消除内应力。 用6 0 s i 。c r v a t 钢制成的压缩螺旋弹簧经淬火、回火后的硬度为h r c 4 2 4 8 。回火后应立即在油中冷却或水中冷却。 回火是对弹簧使用性能有显著影响的热处理工序。一般说来弹簧钢的极 限在回火温度为3 5 0 4 5 0 时出现最大值；而疲劳极限出现最大值的回火 温度为4 8 0 5 4 0 左右。此外，回火温度较高时，钢的塑性及塑性得到改 善，对缺口( 及裂纹) 的敏感性及过载损伤的倾向性也相应减小。 弹簧淬火后应尽快进行回火，以避免由于内应力过大而产生裂纹。淬火 与回火之间的时间间隔般不超过2 4 h 。”1 4 。2 。1回火规范 弹簧的回火温度与钢材的化学成分有关，也与弹簧淬火硬度以及弹簧成 品硬度有关。淬火硬度高的弹簧，其回火温度应取上限值，反之亦然。对于 6 0 s i 2 c r a t 钢来讲，按上述硬度要求，它的回火温度为4 8 0 5 4 0 。回火时 间应根据弹簧料径粗细决定，一般不少于每一毫米1 5 1 7 分钟。回火保 温时间与弹簧材料的宣径有关。表4 2 列出了不同规格的铬钒弹簧钢回火时 ( 连续式回火炉) 的保温时间。“， 表4 2 铬钒弹簧钢在回火温度为4 8 0 5 4 0 时的保温时间 材料直径( m ) 2 ，乡2 或乡乏从式( 6 3 1 ) 便可以看出所设计弹簧的体积与最 小体积的比。如果设计弹簧时取f 2 = 3 f 1 ，即2 = 2 = ，代入 上式后，得v = 1 1 2 k 。，说明采用这样的设计方案，所设计出来的弹簧材 料的体积为最小体积的1 1 2 倍。“” 2 转k ：弹簧组成的受力分析 以一个侧架承台上的弹簧组成为单元体，它由5 组内、外圆承载弹簧和 2 组内、外圆减振弹簧组成。由图纸查得弹簧的刚度和自由高为：减振外圆 弹簧：c 。= 1 4 2 3 9 n m m ，h 。= 2 5 5 舢：减振内圆弹簧：c 。= 7 7 7 1 n m m ，h ，= 2 5 5 嘞： 外圆弹簧：c ：。= 4 8 9 0 2 n m m ，h 。= 2 3 2 m m ：内圆弹簧：c 。：= 3 8 9 1 鹊n m m ，h f 2 1 0 m m 。 按c 6 4 敞车计算，转k 2 弹簧组成所承受的重车载荷p 。= 1 9 2 5 0 0 n ，空车 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 1 页 载荷p 。= 3 8 7 5 0 n 。由此可画出转k 2 弹簧组成的挠力图，见图6 2 。 图2 转f ( 2 弹簧妇问拗圈 图中o i 段为减振内、外圆弹簧共同承载，其刚度为c 。= t a n 。= 2 ( 1 4 2 3 9 + 7 7 7 1 ) = 4 4 0 2 n m m ，该段弹性变形为2 3 m m ，i 点承载p 。= c 。 2 3 = 9 6 8 4 4 n ，图中ij 段为减振内、外圆弹簧与外圆弹簧共同承载，其网忮 为睁t a na 矗( 1 4 2 3 9 + 7 7 7 1 ) + 5 x4 8 9 0 2 = 2 8 8 5 3 n m m 该段弹性变形为 ( 4 5 2 3 ) = 2 2 m ，j 点承载p 。= p 。+ c ：2 2 = 9 6 8 4 4 + 2 2 2 8 8 5 3 = 7 3 1 61 0 n ；图中 j k 段为减振内、外圆弹簧和内、外圆弹簧共同承载，其刚度c 。= t a n 。= 2 ( 1 4 2 3 9 + 7 7 7 1 ) + 5 ( 4 8 9 0 2 + 3 8 9 1 5 8 ) = 4 8 3 1 1 n m m ，该段弹性变形为 ( p 。一p 。) c 。= ( 1 9 2 5 0 0 7 3 1 6 1 o ) 4 8 3 1 1 = 2 4 7 m m ，k 点承载p ；。= 1 9 2 5 0 0 n 。 显然，静载荷作用下，转k 2 弹簧组成的各弹簧的挠度值分别为：减振 内、外圆弹簧f 。= 4 5 + 2 4 7 _ 6 9 7 i i l i n ；外圆弹簧f 5 。：= ( 4 5 2 3 ) + 2 4 7 = 4 6 7 眦； 内圆弹簧f 。3 _ 2 4 7 衄。 首先求重车下转k 2 弹簧组成的当量挠度，然后按t b t 2 2 1 l 一9 l 的规定 取动荷系数k = o 4 确定疲劳试验参数。此时4 种弹簧的动挠度相等，这符合 运用实际。转k 2 弹簧组成的当量静挠度f 。，= p 。c 。= 1 9 2 5 0 0 4 8 3 1 1 = 3 9 8 m m ； 试验时的动挠度2 = 2 k t 。= 2 0 4 3 9 8 = 3 1 8 4 m m 。 通常定义最小载荷p 。与最大载荷p 。；之比为循环特征y 。则有：y = p 。p 。= c 。( c f 。) = ( f f ) ( f 。寸) ；对应的动荷系数为：k = ( 卜 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 2 页 y ) ( 1 + y ) 转k 2 弹簧组成中4 种弹簧的循环特征和动荷系数分别为： 减振内、外圆弹簧： yf ( f 。一) ( f 。十) = ( 6 9 7 一1 5 9 2 ) ( 6 9 7 + 1 5 9 2 ) = 0 6 2 8 k = ( 1 一y ，) ( 1 + y 。) = ( 1 0 6 2 8 ) ( 1 + o 6 2 8 ) = o 2 2 9 外圆弹簧： 一 y 。= ( f 。：一) ( f 。十) = ( 4 6 7 1 5 9 2 ) ( 4 6 7 + 1 5 9 2 ) = 0 4 9 2 k ：= ( 1 一y 。) ( 1 + y 。) = ( 1 一o 4 9 2 ) ( 1 + o 4 9 2 ) = o 3 4 0 内圆弹簧： y 。= ( f 。3 _ ) ( f 。+ ) = ( 2 4 7 1 5 9 2 ) ( 2 4 7 + 1 5 9 2 ) = 0 2 1 6 k 。= ( 1 一y 。) ( 1 + y 。) = ( 1 0 2 1 6 ) ( 1 + o 2 1 6 ) = 0 6 4 5 可见，4 种弹簧的动荷系数不再相等，其中k 1 和k 2 均小于0 4 ，k 3 大 于o 4 ，表明内圆弹簧受力恶劣。设计时，内圆弹簧的计算应力宜比其它3 种弹簧的计算应力小一些，以保证等强度。相反，如果4 种弹簧的计算应力 处于同一水平，且材质、工艺也基本相同时，内圆弹簧的寿命比其它3 种弹 簧低。” 转k 2 弹簧组成中的4 种弹簧的材质均为6 0 s i 。c r v a t ，其许用应力 t = 9 5 0 m p a 。计算时取弹簧挠度裕量系数为1 6 时，各种弹簧的计算应力为减 振外圆弹簧一= 7 3 1 1 7 m p a ；减振内圆弹簧 12 = 8 4 3 0 7 m p a ；外圆弹簧t3 = 8 1 4 3 8 m p a ；内圆弹簧t4 = 8 1 9 6 5 m p a 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 3 页 第7 章转k ：弹簧实例失效分析 7 1 弹簧失效 在转k 。弹簧制造过程中，由于各种原因在生产中造成部分弹簧失效而 成为废品。某公司2 0 0 5 年生产的转k 。弹簧在装车使用中共发生1 4 个弹簧 折断，其中1 2 个为减振内圆弹簧，2 个为内圆弹簧；弹簧折断率为减振内 圆弹簧o 2 8 ，内圆弹簧o 0 2 。2 0 0 5 年共生产转k 。弹簧5 2 7 4 台车，其 中外圆弹簧1 0 5 4 8 0 个，内圆弹簧1 0 5 4 8 0 个，减振外圆弹簧4 2 1 9 2 个，减振 内圆弹簧4 2 1 9 2 个；弹簧废品为外圆弹簧1 0 6 3 个，内圆弹簧3 6 4 个，减振 外圆弹簧1 4 4 个，减振内圆弹簧5 4 4 个；弹簧废品率为外圆弹簧l o 1 ， 内圆弹簧3 5 ，减振外圆弹簧3 4 ，减振内圆弹簧1 2 9 。弹簧废品主 要分布在制扁、加热卷制、淬火、整形及均热和端面磨削等工序，为保证转 k ：弹簧质量，提高弹簧疲劳寿命，找出弹簧断裂原因，制定出改进措施，本 章对此问题进行了分析研究。 7 2 弹簧材料的缺陷对弹簧失效的影晌 7 2 1 现状 2 0 0 4 年5 月，某公司生产的 x 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 4 页 6 5 m i n 。通过对断裂弹簧横向金相试样显微组织观测发现，该弹簧有较深 全脱碳+ 半脱碳层，其深度为0 4 5 m ，见图7 一l 。心部金相组织为回火屈氏 体，属正常热处理组织( 图7 2 ) 。 7 2 3 抛丸处理 图7 一l 全脱碳和部分脱碳层 1 0 0 图7 2心部组织 5 0 0 抛丸处理为履带式抛丸机，钢丸直径为由1 4 m m ，抛丸时间为2 0 m i n ， 在断裂弹簧横向金相试样显微组织上可以看出( 图7 3 ) ，该弹簧抛丸处理 后呈现材料缺陷( 折迭) ，其深度约为o 0 7 5 帆。这说明原材料在剥皮滚光 或磨光处理时未能清除原材料表面缺陷。 图7 3 抛丸后呈现的原材料折迭5 0 0 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 5 页 7 2 4 断口分析 弹簧断口呈灰色，断口全貌见图7 4 。断口可见到明显的三个区域：箭 头a 所指的白亮区，b 处呈木纹状断裂区，其他区域为快速断裂区。 白亮区经观察为疲劳区，其源区位于弹簧内圈表面，压下时在最大应力 点上，见图7 5 。源区可见到由表面向内扩展的显微裂纹，疲劳裂纹就始于 微裂纹处。扩展区平坦，可见到明显的疲劳沟线。 弹簧外圈的快速断裂形貌见图7 6 。木纹状断裂区可见到裂纹中有夹杂 物， 见图7 7 。木纹断裂区的断裂方式与夹杂物有关。 图7 4断口全貌约3 图7 5 疲劳区及源区断口形貌约1 0 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 6 页 7 2 5 结果分析 图7 6 快速断裂区形貌约1 0 图7 7 裂纹和夹杂物 4 0 0 由加工过程及断口分析可以看出，弹簧断裂的成因并非单一工序造成， 加工过程中的各主要环节均有不同程度的影响。弹簧热处理时的淬火加热时 间过长，造成表面脱碳严重；未完全清除原材料表面存在的缺陷，由于弹簧 的最大应力发生在弹簧的表层，弹簧的表面质量对疲劳强度的影响很大，弹 簧材料在轧制、拉拔和卷制过程中造成的缺陷往往是造成弹簧疲劳断裂的主 要原因。 有关实验证明，即使是很轻微的脱碳( o 1 3 m m ) 也会导致疲劳强度从 5 7 k g m m 2 急剧下降到3 5 k g m m 2 。 7 2 6 结论 该弹簧属疲劳断裂。造成早期疲劳的原因为 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 7 页 材料的影响( 夹杂物超标、原材料表面的折迭) 弹簧表面存在较深的脱碳层。 7 预防措施 1 加强原材料的入厂检验。按标准要求对入厂原材料进行全面检查， 不合格的材料不能投料。 2 在弹簧卷制及热处理过程中，应尽量采用控制气氛炉，以实现少无 氧化加热。 3 抛丸处理后应清理弹簧中夹杂的钢丸，避免造成弹簧接触疲劳断裂。 7 3 弹簧生产工艺过程对弹簧失效的影晌 7 3 1 案例一 1 现状 2 0 0 5 年9 月，某公司生产的转k 2 弹簧在抽检时，外圆弹簧做疲劳试验 时于2 4 9 万次断裂。标准规定转k ：弹簧疲劳试验次数为3 0 0 万次。该外圆 弹簧的材质为6 0 s i 。c r v a t ，弹簧热处理工艺为8 5 0 l o ，1 0 号机械油冷 却，回火工艺为5 1 5 8 5 m i n 。 2 试验分析 a 金相组织分析 金相组织为回火屈氏体组织，组织无异常，见图7 8 。 图7 8 金相组织正常 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 9 页 图7 1 l 起裂源区形貌 图7 1 2 起裂源区形貌 图7 1 3 起裂源区成分 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 1 页 3 结论 a 断口为疲劳断口。 b 起裂源位于弹簧接触面，局部有损伤。 c 造成弹簧开裂的主要原因为表面制造缺陷，引起疲劳寿命降低。 7 3 2 案例二 1 现状 2 0 0 6 年4 月，某公司生产的转k 2 弹簧在送检时，外圆弹簧做疲劳试验 时于5 8 万次断裂。标准规定转k 。弹簧疲劳试验次数为3 0 0 万次。该外圆弹 簧的材质为6 0 s i 。c r v a t ，弹簧热处理工艺为8 5 0 l o ，1 0 号机械油冷却， 回火工艺为5 3 5 9 0 m i n 。 2 试验分析 a 宏观分析 断口为疲劳断口，见图7 一1 7 ；断口起裂源位于弹簧的中性面一侧，起 裂源区有明显的条状挤压变形痕迹，长度约1 5 m m ，见图7 1 8 、图7 一1 9 ：断 顽疲劳区约占整个断面的三分之一，其余为一次性撕裂断口，见图7 2 0 。 图7 一1 7 断口宏观 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 2 页 图7 一1 8 起裂源区外侧损伤特征 图7 一1 9 起裂源区外侧损伤特征 图7 2 0 断口起裂源宏观形貌 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 3 贾 b 金相组织分析 起裂源区与心部金相组织均为均匀细小的回火索氏体组织，组织无异 常，见图7 2 1 、图7 2 2 。 图7 2 1 起裂源区金相组织 图7 2 2 弹簧中部金相组织 c 断口分析 起裂源区由挤压变形损伤部位开始成放射状扩展，见图7 2 3 ：起裂源 及区扩展区均为细小均匀的等间距疲劳条纹，见图7 2 4 疲劳区约占整个 断面的三分之一，其余部位为一次性撕裂断口，疲劳区为解理形貌，最后撕 裂区为准解理+ 韧窝形貌，见图7 2 5 ；e d s 能谱分析起裂源区成分无异常， 见图7 2 6 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 4 页 图7 2 3 起裂源区疲劳扩展特征 图7 2 4 断口疲劳条纹 图7 2 5 最后断裂区准解理+ 韧窝形貌 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 4 页 图7 2 3 起裂源区疲劳扩展特征 图7 2 4 断口疲劳条纹 图7 2 5 最后断裂区准解理+ 韧窝形貌 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 6 页 表7 26 0 s i 2 c r v a t 钢的力学性能 力学性能 剪切和扭 钢材牌号 屈服强度抗拉强度伸长率收缩率 转许用应 a ；( 醯p a ) ob ( m p a ) 6 ( )1 i r ( ) 力( m p a ) 6 0 si2 c r v a t1 7 0 01 9 0 093 01 0 5 0 为了保证6 0 s i 2 c r v a t 钢的力学性能，实际检验其力学性能的热处理制 度见表7 3 。 表7 3 实际热处理制度 牌号淬火温度 淬火介质回火温度 6 0 s i 2 c r v a t 9 1 0 油4 1 0 而实际生产转k ：弹簧制造工艺热处理制度见表7 4 表7 4 转k 。弹簧制造工艺热处理制度 牌号淬火温度淬火介质回火温度 6 0 s i 2 c r v a t8 5 0 油 5 1 0 从以上分析可以看出转k ：弹簧的原材料热处理制度和制造工艺热处 理制度不一致，制造出来的弹簧达不到材料的力学性能，因此对弹簧的疲劳 寿命有一定影响，使弹簧的疲劳寿命降低。要想保证弹簧质量，提高对弹簧 的疲劳寿命，必须使原材料热处理制度和制造工艺热处理制度统一。“” 7 4 2 追求高利润对k 2 弹簧的质量的影响 高利润是每个企业追求的宗旨，目前，转k 2 弹簧的原材料价格不断上 涨，弹簧成品价格逐步降低，在这双重挤压下，生产弹簧的利润空间逐步缩 小，企业为了生存，就必须降低成本。眼下6 0 s i 2 c r v a t 钢市场价格有8 2 0 0 元吨、8 5 0 0 元吨、9 5 0 0 元吨、1 0 2 0 0 元吨，而企业为了生计，大多选 用8 2 0 0 元吨的生产厂家，这样就使得原材料质量得不到保证，而为了保证 每年的抽检，大多数厂家在生产时采用8 2 0 0 元吨的生产厂家，质量相对差 点的原材料，两在送检和抽检过程中，采用9 5 0 0 元吨、1 0 2 0 0 元吨，质 量比较好的原材料，这样就掩盖了问题，在送检和抽检中疲劳寿命得到了保 证，而在装车使用中却未必如此，有两个生产厂家在2 0 0 4 、2 0 0 5 年抽检均 通过，而在2 0 0 6 年3 月车辆运行检查中每个厂家断簧分别为8 、6 个，引起 了装备部高度重视，因此盲目追求高利润，势必最终造成降低转k 2 弹簧的 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 8 页 第8 章结论 8 1 弹簧制造时应注意因素 本论文通过对弹簧材料、弹簧的制造、热处理、强化处理、表面处理和 弹簧的疲劳强度、转k 2 弹簧的应力分析、转k 2 弹簧组成的受力分析、转 k 2 弹簧实例失效分析及影响转k ：弹簧疲劳寿命的另外两种原因的论述，得出 要想提高弹簧的使用寿命，必须严格制造工艺制度。在弹簧制造时，重点应 注意以下几个因素： 1 弹簧材料。严重影响弹簧使用寿命的是弹簧材料缺陷，它是弹簧脆性 断裂失效的主要原因，因此，在制定制造工艺时一定要严把原材料关，原材 料复验合格后，经表面质量检查无缺陷后方可进行下料作业。 2 制造方法。制造方法不当也是影响弹簧使用寿命的一个重要因素， 因此要严格制造工艺制度，确保证弹簧的质量，达到提高弹簧的疲劳寿命， 保证行车安全。 3 热处理。弹簧热处理不良时，往往产生一些缺陷或不正常组织。过热 或过烧都将降低钢的硬度和塑性。特别是淬火裂纹，它是导致弹簧发生脆性 断裂的重要原因。 4 强化处理和表面处理。立定处理一方面可以防止弹簧的松弛，另方 面可提高弹簧的疲劳寿命。抛丸处理能清除弹簧表面的疵点( 微小的缺陷、 脱碳) ，减少应力集中等，从而消除或减少了疲劳源，其疲劳寿命可提高3 0 以上。弹簧的表面处理可以防止弹簧的腐蚀可以保证弹簧的工作稳定：并 延长其使用寿命。 8 2 下一步打算 在实际生产中影响弹簧的使用寿命的因素有许许多多，这就作为我下一 步进行研究的课题。如以下几个因素： 1 原材料磁粉探伤。目前大多数弹簧制造方对原材料进行探伤，但目前 使用的磁粉探伤一天只能探3 0 5 0 根，这和每天生产1 5 0 0 2 0 0 0 个弹簧极 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 9 页 不适应，只能进行抽检，不可避免出现漏检或不探伤，原材料表面缺陷不能 发现而最终埋下隐患。 2 成品探伤。成品探伤也是采用抽探，探伤比例为每天制造弹簧数的 1 0 一方面产生上面的隐患，另一方面这种探伤，端部和有效圈之间成为盲 区，不能进行探伤，而这个部位往往又是产生应力集中，成为疲劳源的关键 部位，实际生产中这个地方是弹簧发生断裂的敏感区，大多数发生断裂的弹 簧都在这个部位。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 1 页 参考文献 1 产品图样内圆弹簧( q c z 8 5 一0 0 一0 3 ) ；外圆弹簧( q c z 8 5 一0 0 0 2 ) ； 减震外圆弹簧( q c z 8 5 3 0 0 1 ) ；减震内圆弹簧( q c z 8 5 3 0 0 2 ) 2 刘诚勇主编弹簧工北京：铁道部工业总局，1 9 8 l 3 张英会，刘辉航王得成主编弹簧手册北京：机械工业出 版社，1 9 9 7 4 张东文主编弹簧设计与制造工艺新技术及质量监控实用手册。北京： 中国科学文化音像出版社，2 0 0 3 5 中国机械工程学会“热处理手册”编委会编热处理手册北京；机械 工业出版社，2 0 0 1 6 运装货车 2 0 0 4 3 4 2 号铁路货车转向架圆柱螺旋弹簧技