吳若鵬,陳永河

(1.中國鐵路上海局集團有限公司,上海 200000; 2.南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設備有限公司,江蘇 南京 211899)

0 引 言

目前,國內和諧號、復興號動車組均采用制動夾鉗單元作為制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構,制動夾鉗結構的可靠性直接影響到制動系統(tǒng)的安全性[1-3]。制動夾鉗單元的閘片鎖止機構為帶有鎖止彈簧的閘片鎖止結構,具有結構簡單、拆卸方便、可重復使用等優(yōu)點。鎖止彈簧主要用于固定止擋塊,防止閘片脫出,鎖止彈簧一旦失效,將直接影響行車安全。導致彈簧失效的主要影響因素較多,主要可分為結構設計不合理、熱處理工藝不合理以及異常損傷等因素。張偉龍、張志和等[4]通過故障件斷口分析鎖定彈簧斷裂原因,并結合有限元分析提出方案優(yōu)化與預防措施。陳星、陶春虎等[5]通過對不銹鋼柱塞彈簧的成型工藝、斷口形貌、金相組織等分析,最終確認斷裂原因為不合理成型工藝導致原始裂紋,繼而裂紋擴展,疲勞斷裂。李樹梅、閆平[6]對螺旋彈簧組織成分與斷口進行分析,確認材料在熱處理過程中產生了穩(wěn)定過熱,導致彈簧強度和塑性降低,進而發(fā)生疲勞斷裂。

筆者以某動車組夾鉗制動單元用鎖止結構的鎖止彈簧斷裂故障為研究對象展開分析,通過仿真分析與試驗驗證的方式,研究了鎖止彈簧的疲勞使用性能,并結合分析結論優(yōu)化了鎖止彈簧的結構特征與材料性能。

1 結構原理

1.1 結構組成

閘片鎖止機構主要由閘片托、止擋塊、鎖止彈簧、彈性圓柱銷等組成,具體如圖1所示。止擋塊與閘片托一端通過彈性圓柱銷形成圓柱鉸接副,另一端通過鎖止彈簧形成彈性鎖止,防止閘片垂向脫落[7]。其中,鎖止彈簧為類U形結構的扭簧,采用φ5 mm的特種不銹鋼絲。

圖1 閘片鎖止機構

1.2 工作原理

鎖止機構鎖止工作時,鎖止彈簧經過自由狀態(tài)(開口28 mm)、中間狀態(tài)(開口19 mm)直至鎖緊狀態(tài)(開口21 mm),此時鎖止彈簧保持彈力(600 N)并頂緊止擋塊。具體原理示意圖如圖2所示。

圖2 鎖止彈簧工作過程示意

鎖止彈簧組裝后,由于處于壓縮狀態(tài),彈力會保持并作用在閘片托的孔內壁上;同時,在鎖止彈簧的U形底部的彎曲部位和止擋塊孔結合的部位會產生彎曲和剪切應力。上述應力均屬于靜態(tài)應力,在沒有其他外力的作用下,對鎖止彈簧幾乎沒有破壞性。

2 原因分析

2.1 受力分析

鎖止彈簧材料為SUS 304不銹鋼,對試棒進行拉伸試驗,材料有明顯屈服強化過程。根據拉伸曲線計算可知,復驗試樣拉伸強度1 459 MPa,等效屈服強度為1 172 MPa,故障件實測值拉伸強度1 426 MPa,屈服強度1 182 MPa,滿足材料標準性能要求。

對鎖止彈簧鎖止狀態(tài)進行有限元分析計算,彈簧分析邊界條件及應力云圖如圖3、4所示。

圖3 鎖止彈簧邊界條件

圖4 鎖止彈簧有限元分析應力云圖

2.2 斷口分析

鎖止彈簧斷裂位置為鎖止彈簧彎折處下方約15 mm處,具體如圖5、6所示。

圖5 鎖止彈簧斷裂位置及實物圖

圖6 鎖止彈簧宏觀斷口

經斷口失效分析[8-9],斷口主要呈現(xiàn)以下特點。

(1) 斷口斷面較為平齊,未見明顯腐蝕色彩,斷口裂紋源區(qū)呈點源特征,光滑細密;同時,擴展區(qū)可見明顯的貝紋線裂紋源且擴展區(qū)占整個斷面的5/6,這說明故障件所受疲勞交變載荷較小,瞬斷區(qū)呈灰色、纖維特征,約占整個斷面的1/6。

(2) 裂紋源位于鎖止彈簧表面,存在微觀塑性變形,擴展區(qū)為典型的疲勞特征,瞬斷區(qū)呈韌窩特征。

(3) 顯微組織為冷變形帶狀奧氏體組織,未見對力學性能影響較大的非金屬夾雜物,未見過熱、過燒、晶粒腐蝕等缺陷,表面較為粗糙,劃痕較大。

進一步觀察故障件發(fā)現(xiàn),故障件表面存在硬傷,相配合的止擋塊存在多處明顯機械損傷。初步確認原因為局部機械損傷導致裂紋源產生,在振動沖擊使用環(huán)境中裂紋逐步擴展,直至疲勞斷裂失效。

2.3 原因驗證

2.3.1 開合疲勞試驗

為進一步確認疲勞失效非彈簧正常安裝結構應力導致的疲勞失效,需對鎖止彈簧進行開合疲勞試驗,如圖7所示。

圖7 開合疲勞試驗圖示

重復1 000次開合動作后,鎖止彈簧下部U形部位出現(xiàn)疲勞裂紋,裂紋正位于最大剪切應力處(參考2.1小節(jié)中有限元分析結果),與故障斷裂位置不一致。

2.3.2 同批次產品調查

為確認斷口分析結論(裂紋源產生于局部機械損傷),對現(xiàn)車所有鎖止彈簧進行普查,普查后發(fā)現(xiàn)多個所致彈簧出現(xiàn)局部機械損傷,具體狀態(tài)如圖8所示。

圖8 鎖止彈簧表面損傷圖示

通過普查確認鎖止彈簧疲勞裂紋源應為局部機械損傷導致。

2.4 分析結論

綜合仿真分析、斷口分析、開合試驗以及產品普查結果,得出以下分析結論。

(1) 鎖止彈簧最大結構應力位于彈簧U型弧處的根部,反復開合動作后極可能出現(xiàn)疲勞失效。

(2) 鎖止彈簧斷裂原因為在服役期間鎖止彈簧受到外力作用發(fā)生局部擠壓磕碰,導致鎖止彈簧表面?zhèn)麚p,產生裂紋源,繼而逐步擴展,直至疲勞斷裂。

3 優(yōu)化設計

為進一步提高制動夾鉗單元的鎖止機構可靠性,可采用兩種方式進行優(yōu)化:①進行鎖止機構結構優(yōu)化,降低鎖止彈簧的結構應力;②對鎖止彈簧材料性能改善,提高結構疲勞性能。

3.1 優(yōu)化方案

結合分析結論對制動夾鉗單元的鎖止機構進行優(yōu)化。

(1) 結構優(yōu)化。優(yōu)化閘片托的鎖止彈簧安裝孔,將φ5.2的通孔改為臺階孔,減小鎖止彈簧結構應力,優(yōu)化止擋塊的鎖止彈簧安裝孔,由倒角改為圓角。

(2) 材料熱處理工藝優(yōu)化,提升材料疲勞性能。

具體結構優(yōu)化方案如圖9、10所示。

圖9 優(yōu)化后的閘片托

圖10 優(yōu)化后的止擋塊

3.2 結構優(yōu)化分析與驗證

采用有限元分析方法對原方案與新方案進行仿真分析。鎖止彈簧主要邊界條件有兩處,第一處為固定安裝端,第二處為止擋塊孔配合端。固定安裝端可直接簡化為固定支撐,止擋塊孔配合端可通過力值施加模擬載荷傳遞,具體邊界條件設置如圖11所示。

圖11 邊界條件

通過仿真分析,鎖止彈簧工作工況狀態(tài)下(止擋塊接觸位置壓縮量約為7 mm)應力結果如圖12、13所示。

圖12 鎖止彈簧主應力云圖 圖13 鎖止彈簧剪切應力云圖

根據分析可知,鎖止彈簧優(yōu)化應力對比結果如表1所列。

表1 鎖止彈簧設計校核結果

鎖止彈簧結構優(yōu)化后,安裝根部應力有根本性的改善,在原方案的基礎上主應力與剪切應力分別下降了74%與67%;圓弧處應力同樣分別下降4%與6%。

3.3 材料熱處理研究與優(yōu)化

鎖止彈簧是由冷拉不銹鋼絲制成的彈簧。冷塑性變形使材料性能得到強化,已經達到彈簧所要求的性能,因此僅需進行去應力處理,消除冷成型彈簧的內應力,并使彈簧定型即可。

鎖止彈簧去應力的熱處理時間要設置合理,如若時間不足,會使去應力不徹底,無法達到產品最佳性能,而時間過分延長,不僅會增加成本,而且會使性能衰減[10-11]。因此,針對彈簧熱處理方式以去應力溫度、保溫時間以及冷卻方式為三因素進行正交試驗。依據《不銹鋼及其熱處理》,建議冷拉不銹鋼絲去應力退火溫度為200～400 ℃,保溫時間為20、40、60 min,冷卻方式為水冷與空冷,具體參數(shù)水平如表2所列。

表2 正交試驗試驗因素表

經退火處理的鎖止彈簧裝至閘片托上,并進行疲勞試驗,如圖14所示。

圖14 鎖止彈簧疲勞試驗臺

每組方案進行6次試驗,當鎖止彈簧斷裂時,記錄疲勞次數(shù)。經方差分析可知,彈簧鋼絲的平均疲勞壽命主要受到去應力退火溫度與保溫時間影響,冷卻方式基本不影響彈簧鋼絲疲勞壽命,疲勞壽命與退火溫度、保溫時間關系如圖15所示。

圖15 疲勞壽命-退火溫度、保溫時間關系圖

通過試驗測試分析可知。

(1) 退火溫度200、300 ℃條件下,隨著保溫時間增加,鎖止彈簧的疲勞試驗次數(shù)顯著增加。其中,退火溫度300 ℃、保溫60 min條件下的效果最好,鎖止彈簧疲勞試驗次數(shù)最高。

(2) 退火溫度400 ℃下,保溫時間由20 min變?yōu)?0 min時,鎖止彈簧疲勞次數(shù)增加,但由40 ℃變?yōu)?0 ℃時,鎖止彈簧疲勞次數(shù)顯著降低。

4 試驗驗證

利用圖14所示的疲勞試驗臺對優(yōu)化前后的鎖止機構進行疲勞試驗驗證,當鎖止彈簧出現(xiàn)裂紋時,疲勞試驗結束。樣件形式如表3所列。

表3 鎖止機構樣件形式

疲勞試驗后對樣件進行拆解,鎖止彈簧狀態(tài)如圖16所示。鎖止彈簧的疲勞次數(shù)和止擋塊安裝位置磨損深度,如表4所列。經疲勞試驗對比發(fā)現(xiàn),相比結構優(yōu)化前的鎖止彈簧,結構優(yōu)化后的鎖止彈簧疲勞次數(shù)增加了18.7%,止擋塊安裝位置磨損深度降低了73.8%。

表4 疲勞試驗后鎖止彈簧情況表

圖16 結構優(yōu)化前后的鎖止彈簧疲勞試驗后狀態(tài)

5 結 論

通過對鎖止彈簧故障失效機理分析、原方案與優(yōu)化方案對比分析研究可得以下結論。

(1) 鎖止彈簧失效模式有兩種,第一種為開合疲勞失效,由結構應力導致;第二種失效為局部機械損傷產生裂紋源,繼而裂紋擴展導致疲勞斷裂。

(2) 閘片托鎖止彈簧安裝孔徑尺寸優(yōu)化及止擋塊鎖止彈簧安裝孔倒角改圓角的優(yōu)化,有效降低了鎖止彈簧的應力,顯著改善了鎖止彈簧的使用性能。

(3) 通過對鎖止彈簧熱處理工藝的研究,明確了不同熱處理工藝與鎖止彈簧疲勞壽命之間的關系,改善的熱處理工藝有效提高了鎖止彈簧疲勞壽命。