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寿命高抗松驰的弹簧选型设计

寿命高抗松驰的弹簧选型设计
  寿命高抗松驰的弹簧选型设计
  
  转向架的一、二系弹簧是机车重要的安全部件之一,它的质量直接影响着列车的安全,二系高圆弹簧(以下简称二系弹簧)的选用,使转向架的结构大大简化,而且动力学性能优异,二系弹簧不仅实现了车体与构架间的垂向支承,更重要的是实现了垂向、横向和回转的良好匹配。因而,二系弹簧受力更复杂,由于其横向的大变形,使所受的最大合成剪应力可增大到垂向载荷作用后的1.7~2倍,必须给予关注。
  
  一、二系弹簧的变形也是十分重要的参数,由于设计结构紧凑,特别是六连杆空心轴机构的作用,弹簧的变形会使机构的平衡恶化,因此,必须研究选用寿命高而且变形小的弹簧。
  
  2 影响弹簧寿命的因素眉山车辆厂曾对出口泰国车用弹簧进行了疲劳寿命试验,通过试验发现,弹簧表面质量是影响弹簧疲劳寿命的重要因素之一。
  
  2.1表面粗糙度对弹簧疲劳寿命的影响由于疲劳裂纹一般是从表面开始的,所以材料的表面粗糙度对疲劳性能的影响十分显著。图1表示了不同表面粗糙度对疲劳强度的影响,由图1可知,表面越光洁,疲劳强度越高。
  
  2.2点状缺陷对弹簧疲劳寿命的影响60CrMnA制内弹簧。热轧状态,疲劳寿命 89030断成3段,见图2。
  
  肉眼观察,发现这批弹簧表面坑坑洼洼,极为不平整,尤其弹簧内表面,坑深不齐,大小不一,最深坑约1.5mm左右。试验前外表面虽经过修整,但内表面无法修整。这批9个弹簧试件中,断了7件,寿命次数最低只有 160998次,其中有断成2段的,也有断成3段的。全部断于弹簧端部第2-4圈处。
  
  观察断口发现为典型的疲劳断口特征。疲劳源出现在弹簧内径表面的点状魔蚀坑处。
  
  金相分析表明,组织为回火屈氏体,脱碳层深度0.203 mm。脆性夹杂物集中分布3级,见图3,超过国家标准,硬度测试为 HRC46综上所述,因原料本身存在3级脆性夹杂物,而且在钢件的次表面,弹簧经加热成型、淬火后表面出现大大小小的腐蚀坑。这些魔蚀坑在试验中导致应力集中,成为疲劳断裂源。
  
  2.3表面裂纹对弹簧疲劳寿命的影响用 60Si2CrVA制的外弹簧,材料经冷拔磨光,疲劳寿命试验77757次后断裂。该弹簧在离端面第4圈处断裂,断裂面呈银灰色,组织细密,在弹簧内表面有一处约4mm x 1 mm黑皮,顺着黑皮约有30mm左右微细裂纹。从断口上能明显看出具有海滩状特征的裂纹扩展区和很少的粗晶粒状特征的瞬断区。裂纹源产生于4mm x 1 mm 的黑皮之处。该弹簧显微组织为回火马氏体,裂纹两侧有明显的脱碳层,见图4。
  
  脱碳层的抗拉强度低,是导致裂纹的主要原因。
  
  2.4碰伤对弹簀疲劳寿命的影响用冷拔磨光的 60Si2CrVA制的内弹簧,寿命试验38827次断裂。断裂出现在离弹簧端面的第2图,断裂处的平面上有一中10mm左右的擦伤痕迹,断裂从平面擦伤处呈45°角朝下方向扩展。断面晶粒细小均匀,有明显的裂纹扩展区和瞬断区。
  
  2.5轧制缺陷对弹簧疲劳寿命的影响用60Si2CrVA制的外弹簧,热轧退火状态,疲劳寿命试验 32341次断裂。
  
  宏观观察发现此弹簧在中部,断面组织略粗大,在端面中间有一黑皮台阶,由此呈45°角度向外扩展,疲劳源、裂纹扩展区和最后瞬断区明显可见。
  
  该弹簧内外径表面有两条相对应的筋带,长约2mm,宽 0.5mm 左右,黑皮台阶正好在筋带底边。
  
  金相组织为回火屈氏体,组织粗大,裂纹两侧无脱碳。
  
  由于组织粗大,加上原材料有筋带,有淬火应力集中,产生淬火裂纹,造成了弹簧早期失效。
  
  3材料的选择选用高强度的材料可有效提高弹簧的抗弹力衰减性能,即提高弹簧的抗松弛(塑性变形)和蠕变的能力。弹簧常用材料机械性能(标准试样,在规定热处理条件下)如表1。
  
  可见材料 60Si2CrA 具有良好的机械性能,同时其制造过程性能稳定,可使弹簧的综合性能提高。
  
  4材料表面状态的选择因为普通弹簧钢都是热轧材,表面脱碳严重,表面缺陷多(划痕、折叠、分层、结疤、微裂纹等),尺寸精度差,只能做一般普通要求的弹簧,作为机车重要的弹簧必须采用剥皮、磨光材料,这样可提高弹簧表面的粗糙度,去掉轧制时的缺陷和表面脱碳层,使弹簧的疲劳寿命得以保证。
  
  5 制造工艺的选择选择合理的制造工艺可减小弹簧制造过程的损伤,保证疲劳寿命。工艺的选择合理还能有效提高弹簧的疲劳寿命。国际铁路联盟规程 UIC822.0《机车车辆用热卷螺旋压缩弹簧技术条件》诠释了弹簧的制造工艺。参照其它技术条件选择了以下关键工序。
  
  5.1卷制采用一次加热(950 C左右)卷绕成型,马上进行形变淬火热处理的先进工艺,保证脱碳层控制在O.1 mm 以内,使弹簧结晶的晶粒更细,有效提高疲劳寿命。
  
  5.2喷丸采用 UIC822标准的喷丸工艺,对弹簧进行喷丸强化,使喷丸的效果达到阿尔曼A试片的变形量在0.4-0.5mm之间,提高弹簧表面的压应力,消除内圈拉应力,提高弹簧的疲劳寿命。
  
  5.3 其他表面峡陷的控制十分重要,生产过程采用两次探伤工艺,确保弹簧表面无缺陷,确保其可靠性。
  
  弹簧疲劳试验用这一方法选型制造的 SS,E机车弹簧于2002年3月1日至3月22日在同济大学机车车辆系机车车辆动力强度试验室进行了疲劳试验,其试验经历了以下工况:
  
  垂向工况一:工作载荷 53083N,动载系数0.25,循环次数1×10次;工况二:强化系数1.15,再等效执行工况1的1x100次循环(加速强化疲劳)。
  
  横向工况三:工作载荷下横移+30mm,循环次数3x10次:
  
  工况四:1.15倍工作载荷下横移+50mm循环 。

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