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1、失效分析文章编号:100726034(2004)0220033203影响货车圆柱螺旋压缩弹簧疲劳的主要因素陈士伟(齐齐哈尔铁路车辆(集团)有限责任公司,黑龙江齐齐哈尔161002)摘要:分析了铁路货车圆柱螺旋压缩弹簧疲劳的主要因素,介绍了提高其疲劳性能的工艺措施。关键词:货车;圆柱弹簧;疲劳寿命+中图分类号:U260.331.4文献标识码:B为了确保行车的平稳性与安全性,弹簧作为转向架上的关键零件,对其制造要求越来越高,疲劳寿命标准由最初的100万次提高到目前的260万次。提高弹簧的疲劳寿命成为弹簧制造工艺上的新课题。1弹簧疲劳断裂的特点根据金属完
2、全断裂前的总变形量,断裂可以分为两大类。脆性断裂:断裂前几乎不产生显著的塑性变形。图1疲劳断裂过程示意延性断裂:断裂前发生显著的塑性变形。原材料质量是影响弹簧疲劳寿命的关键,因为脆性断裂时承受的工作应力较低,而且总是从原材料表面的缺陷(发纹、刻痕、折叠等)和内部组织构件内部存在的裂纹作为“源”开始的。这种裂纹源的缺陷(夹杂、气泡等),将引起应力集中,形成疲劳可以因构件材料的原始裂纹而产生,也可以因构件裂纹源,使弹簧在该处过早折断。图2是齐齐哈尔使用时某些地方的应力集中而产生,这种裂纹常在铁路车辆(集团)有限责任公司近年来因原材料原因应力的作用下逐渐
3、扩大,最后导致构件突然断裂。造成弹簧疲劳试验折断的照片。从照片可以看出,材料在交变载荷下产生的断裂,叫做疲劳断裂。有的断口因在簧内表面有缺陷处产生应力集中而断疲劳断裂应力远比静载荷下材料的抗拉强度低,因裂;有的断口因沿簧径内表面,因原材料有严重夹杂此,疲劳断裂在宏观上均表现为脆性的突然断裂。物引起的断裂;从照片上还可以看出断裂源于内侧疲劳破断是损伤的积累,有3个过程:a.裂纹的形成裂纹上,而且裂纹周围有严重脱碳,可以判定裂纹是(形核),b.裂纹扩展到临界尺寸,c.余下断面的不稳原材料表面原始裂纹造成的。定断裂,见图1。所以,疲劳断裂过程不同于一般的
4、静力断裂过程。它是损伤积累到一定的程度,即裂纹扩展到一定程度后突然断裂。疲劳抗力不仅决定于材料本身,而且决定于构件的形状、尺寸、表面状态、服役条件和所处的环境等。2原材料对弹簧疲劳寿命的影响收稿日期:2003-11-14作者简介:陈士伟(1971-),男,黑龙江齐齐哈尔人,工程师,1993年毕业于燕山大学机械设计及制造专业,工学学士,现主要从事工艺技图2弹簧疲劳试验折断的照片×100术的管理工作。33失效分析机车车辆工艺第2期2004年4月针对原材料的原因,采取如下措施:的自由高度超差(不同弹簧的高度可通过生产试验(1)原材料必须为表面磨光的光亮材
5、,可有效地最后确定正确的数值)。另外,在处理时应按弹簧图去除原材料表面的各种有害缺陷。纸上的极限载荷设定压力。因为压力过小,达不到(2)原材料在检查低倍组织时,不允许有缩孔、预处理效果。压力过大,又超过了弹簧的许用剪切气泡、裂纹、分层、白点及夹杂。应力。(3)钢材在冶炼中加强炉后精炼与真空除气。3.2喷丸处理(4)对原材料进行探伤检查。喷丸处理是一种冷作业性质的表面强化方法,它的工作原理是利用高速运动着的钢弹流打击弹簧3表面处理方法对弹簧疲劳寿命的影响表面,使弹簧表面产生强烈塑性变形,产生冷作硬化通常,弹簧所受的最大应力在其内表面处。而层即表面强化
6、层。该强化层内有很大的残余压应弹簧在制造过程中,不可避免地会在其表面产生一力。由于弹簧表层残余压应力的存在,使弹簧在承些缺陷和脱碳层,表面缺陷处将引起应力高度集中,受交变载荷时,可以抵消一部分交变载荷中的拉应而脱碳层的存在将大大降低弹簧表面的强度。在弹力分量,而拉应力越小,表面缺陷处应力集中的程度簧进行热处理后,对其进行有效的工艺处理,将可减就越小,就不易形成裂纹。另外,如果弹簧表面脱碳小甚至消除上述的不利影响,从而达到提高弹簧疲不严重,喷丸处理可以将最大应力点移至不发生脱劳寿命的目的。碳的表层以内。但喷丸不能消除脱碳层,而且表面3.1预应力处理脱
7、碳将使喷丸后残余应力的量减小,因而造成不利弹簧的预应力处理是使弹簧表面产生有利的残的影响。如果脱碳严重的话,要通过喷丸处理来达余应力,从而达到增加弹簧的承载能力的目的。弹到满意的残余压应力分布是不可能的。簧的预应力处理是这样进行的:将弹簧卷制成某一为了获得最好的喷丸效果,在制造过程中应注自由高度(大于所要求的自由高度)进行热处理后,意以下几点:再用超过弹簧材料弹性极限的应力(但不应大于该(1)避免磕碰,以防止在弹簧表面产生有害缺弹簧的许用剪切应力)将弹簧压缩至少3次,由于材陷;料表层产生塑性变形,在载荷取消后,表层就产生反(2)减少表面脱碳层。表1
8、是«16mm的60Si2向残余应力,它抵消了一部分工作应力,故提高了弹CrVA弹簧钢在不同温度、时间脱碳的变化情况(加簧的
