1? 概述
無軌電車的受電器負(fù)責(zé)將供電軌正極側(cè)的電能傳送到電車上，并從供電軌負(fù)極側(cè)回流。寧波某項(xiàng)目無軌電車在運(yùn)營 2 年后，部分受電器的彈簧出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。本文通過現(xiàn)場調(diào)研，對(duì) TSS11 型受電器的正常彈簧和故障彈簧進(jìn)行檢測，并采用有限元軟件進(jìn)行仿真分析；通過對(duì)正常彈簧和故障彈簧進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，
查找彈簧斷裂的原因，并提出改進(jìn)方案 [1-2]。
2? 受電器彈簧受力分析
受電器彈簧一端與底架連接，另一端與下臂桿連接，通過彈簧力提供受電器與供電軌的接觸力。TSS11 型受電器結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其受力情況如圖 2所示。
受力計(jì)算如下：
已知各個(gè)參數(shù)的情況下，可通過式（1）計(jì)算出彈簧的初始力和初始位移。根據(jù) GB 23935—2009《圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》[3]，計(jì)算得到受電器彈簧各參
數(shù)如表 1 所示。
3? 彈簧斷裂原因分析
3.1? 尺寸檢查
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，影響彈簧斷裂的主要因素有：1）環(huán)境因素；2）產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)幾何形狀。本文隨機(jī)選取 3個(gè)試樣，檢查彈簧和接頭尺寸，結(jié)果如表 2 所示。
在安裝過程中，為保證彈簧與接頭穩(wěn)定連接，要求接頭直徑大于彈簧小徑，實(shí)現(xiàn)過盈配合連接，且要求*大過盈量不超過 0.8 mm。
由 表 2 可 知： 所 有 的 產(chǎn) 品 尺 寸 均 滿 足 設(shè) 計(jì) 要求；其中試樣 1 的接頭直徑與彈簧小徑的過盈量為0.2 mm，滿足安裝要求，彈簧正常；但試樣 2 中接頭直徑和彈簧小徑的過盈量達(dá)到 0.8 mm，試樣 3 的過盈量達(dá)到 0.9 mm，兩個(gè)彈簧均斷裂。因此，推測接頭直徑的公差超標(biāo)是導(dǎo)致斷裂的原因。
3.2? 斷口檢查
根據(jù)現(xiàn)場檢查情況，斷裂面位于彈簧與軸相接觸的表面，斷裂面與彈簧軸線約呈 45°夾角，斷口周圍無塑性變形，可見明顯疲勞擴(kuò)展貝紋線，且裂紋擴(kuò)
展區(qū)面積約占 50%，如圖 3 所示。說明彈簧在工作過程中所受的載荷較大。
對(duì)斷口進(jìn)行超聲波清洗，并通過掃描電鏡進(jìn)行觀察，其疲勞源區(qū)可見明顯疲勞臺(tái)階（見圖 4）。
3.3? 金相檢驗(yàn)
在斷裂處取樣，并對(duì)試樣進(jìn)行打磨和拋光，將其置于OLYMPUS GX71顯微鏡上做金相檢測。試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，彈簧表面無明顯脫碳現(xiàn)象，裂
紋源區(qū)有灰黑色雜質(zhì)嵌入，深度約為 88 μm（見圖 5）。
以斷裂點(diǎn)為基準(zhǔn)，向外對(duì)斷裂彈簧進(jìn)行 HV 硬度梯度檢測，結(jié)果如表 3 所示。
由檢測結(jié)果可知，該彈簧表面無脫碳現(xiàn)象，且顯微組織均勻。
根據(jù)試驗(yàn)分析，彈簧材質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求，斷裂處位于彈簧接頭處，屬于疲勞斷裂。
3.4? 仿真分析
采用有限元軟件建立彈簧三維模型，并進(jìn)行應(yīng)力分析 [4]。當(dāng)過盈量為 0.4 mm 時(shí)，彈簧受到的應(yīng)力*大值為 281.9 MPa（見圖 6）。
當(dāng)過盈量為 0.8 mm 時(shí)，彈簧受到的應(yīng)力*大值為 1 358.5 MPa（見圖 7），接近材料許用抗拉強(qiáng)度1 620 MPa。因此，判定材料的過盈配合是導(dǎo)致彈簧
斷裂的主要原因。
4? 試驗(yàn)驗(yàn)證
采用彈簧試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，模擬彈簧受力狀態(tài)，如圖 8 所示。
當(dāng)接頭與彈簧的過盈量為 0.4 mm 時(shí)，經(jīng)過500 000 次試驗(yàn)，彈簧無斷裂現(xiàn)象。當(dāng)接頭與彈簧的過盈量為 0.8 mm 時(shí)，通過223 660 次試驗(yàn)，彈簧與接頭處出現(xiàn)斷裂，斷裂形狀與實(shí)物一致。
5? 結(jié)束語
本文通過分析和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)彈簧和接頭之間過盈量大是導(dǎo)致彈簧斷裂的主要原因。而彈簧小徑的尺寸受到工藝的影響，批量性彈簧小徑的公差變化很小。
根據(jù)彈簧小徑的尺寸來匹配相應(yīng)的接頭尺寸，將彈簧接頭的尺寸由 mm 調(diào)整為 mm，并將彈簧與接頭的過盈量限定在 0.4 mm 以下后，彈簧在運(yùn)營過程中再未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。
