内燃机车调压弹簧失效分析及其与进口弹簧的比较

戚墅堰机车车辆工艺研究所  赵建明

摘  要：从弹黄的结构和制造入手，分析讨论了东风4型内燃机车调压弹妥的设计不合理性及制造工艺上存在的问题，并对实物进行了失效分析。指出过小的弹簧指数使工作应力更易接近材料屈服极限，现行热处理工艺和强压工艺严重影响了弹黄的质量，从而造成了弹黄的疲劳断裂和松弛变形失效。针对进口ND4、ND5型内燃机车调压弹苦的高可靠性，比较了其结构参数、材质、组织与性能，并以此作为提高东风4型内燃机车调压弹苦使用寿命研究的借鉴。

主题词：内燃机车；失效分析；疲劳断裂；比较

1  前言

内燃机车调压弹簧是柴油机的重要零件，其主要作用是使燃油以一定的压力进入雾化室进行雾化，并充分燃烧得以产生动力。然而在实际运用过程中，东风4型内燃机车调压弹簧频繁出现大量的断裂和松弛变形等质量问题，给机车的安全运行带来了极大的隐患，同时也扰乱了机务部门正常的配件供应。相反，比较进口ND4、ND5型内燃机车同类弹簧，由于采用了合理的设计和相宜的材料，弹簧质量十分稳定，使用性能良好。因此，进行东风4型内燃机车调压弹簧的失效分析及其与进口内燃机车调压弹簧的对比分析，对研究提高东风4型内燃机车调压弹簧使用寿命具有重要的参考价值。

2  东风4型调压弹簧结构设计上的不合理性

根据图纸设计参数及技术要求，东风4内型内燃机车调压弹簧的结构特性为：钢丝直径d=4.5mm；弹簧中径D2=11.5mm；有效圈n=7.5圈；自由高度H=47mm；H1=1.8mm时，P1=568士39MPa；H2=2.3mm时，P2=735士39MPa。疲劳强度校核，安全系数n=1.78。参照国标GB1239-76，单从疲劳安全系数来看，似乎符合要求，但是弹簧指数C=D2/d=2.56，这在设计上取值过小。C值太小，一方面使弹簧卷制变得十分困难，而且容易产生卷制裂纹；另一方面，在弹簧使用过程中，弹簧内侧很容易产生应力集中，从而影响了弹簧的疲劳强度。同时，弹簧指数过小，会使弹簧刚度增加。根据刚度定义p=dp/dF，刚度增大，则弹簧发生单位变形所需的载荷增大，这就有可能造成工作应力接近材料的屈服极限。因此，从弹簧的结构设计上来分析，由于采用了过小的弹簧指数和由此引起的较大的弹性刚度，使工作应力更易接近材料的屈服极限，这是不合理的。

3  东风4型调压弹资制造工艺上存在的问题

报据图纸设汁要求。东风4型内燃机车调压弹技的材质为50CrVA磨光钢丝。在生产过程中采用冷卷后退火处理以消除卷制应力.再进行淬火回火热处理。其间的多次加热处理必然导致弹簧表面的氧化脱碳倾向，造成弹簧表面质量下降，严重影响了弹簧的疲劳性能和使用寿命。此外，在调压弹簧制造过程中。采用全压缩强化处理工艺。通过计算，调压弹簧的全压缩应力σt=1261.5MPa，对50CrVA钢，全压缩应力与弹性极限之比B=σt/t=1.61。根据有关资料提供的试脸数据来着.只有在强化应力与材料弹性极限的比俏值B=1.3～1.4范围内进行强化处理时，才能提高材料的最大弹性极限，有利于弹簧获得最高疲劳强度。过高或过低的强化应力都是不合适的。过高的强化应力，不但不利于弹簧疲劳强度的发挥，反而会严重影响弹簧的抗松弛性能。因为此时弹簧已发生了明显的塑性变形，造成使用过程中塑性变形的积累，从而大大降低了弹簧的使用性能。

由于结构设计上的不合理性及制造工艺中存在的问题，.东风4型内能机车调压弹簧在使用中出现了大量的疲劳断裂和松弛变形失效。

4  东风4型内燃机车调压弹簧的失效分析

在发生断裂的失效弹簧中，断裂的原因具有多样性，如图1所示。

            图1  调压弹簧的宏观疲劳断裂形貌                    图2  疲劳裂纹源的形貌特征

断口呈脆性断裂。平滑的裂纹扩展区与瞬断区在面积上几乎各占一半。在平滑区域内能清楚地观察到海滩状形貌，属疲劳断裂。弹簧在距端部有效圈第二圈的位置发生断裂，裂纹源呈区域状位于内侧表面，如图2所示。在该区域内具有台阶状态。

图3  弹簧表面严重脱碳  100×

金相组织观察，基体组织为屈氏体组织，表面有严重的脱碳现象(见图3)。脱碳层深达0.1mm。很显然这是由于表面脱碳所造成的疲劳断裂。在弹簧的服役过程中，其有效圈1-3圈处，承受的扭转应力和弯曲应力最大。脱碳层的存在形成了自然疲劳起裂源，从而导致了弹簧的早期疲劳断裂。因此，如果在弹簧生产过程中，由热处理工艺不当或控制不妥形成了脱碳层，将成为弹簧早期疲劳断裂的主要原因之一。

在断裂弹簧中。还可以发现由于弹簧材料本身的表面缺陷造成断裂的例子，如图4所示。

                 (a)表面横向裂纹                                         (b)放大像

                               图4  弹簧材质表面横向裂纹

弹簧材质表面具有大量的横向裂纹，金相观察该裂纹的深度已达0.28mm。且裂纹两边有脱碳现象，证明该裂纹是磨削裂纹。这些裂纹将在弹簧卷制和热处理过程中被加剧。由此可见，选用5oCrVA磨光钢丝来制造调压弹簧，原材料的质量同样是至关重要的。

在全部失效调压弹簧中，发生断裂的仅仅是一部分。而相当一部分则表现为松池失效，主要特征为承载能力下降，其中有的弹簧经过一段时间使用后自由高度缩短，有的弹簧自由高度不变，但弹性和刚度下降，东风4型内燃机车调压弹簧，设计要求能使喷油器产生26MPa的平均压力?但是失效弹簧一般至架修时使喷油器产生的平均压力已降至23MPa，有的甚至在一个定修时就已失效，严重影响了喷抽器的正常工作和机车柴油机功率的正常发挥。

调压弹簧工作时受到了高应力和一定温度场的作用。从宏观方面来看，金属受热后膨胀，改变了弹簧的结构参数，如弹簧自由高、中径及有效圈增大，弹簧的机械性能相应变化。此外，温度升高将改变材料的弹性模量E和切变模量G，据有关资料介绍，室温时钢的弹性模量E=1.965×105MPa，切变模量G=7.72×104MPa，当温度升至150℃时，其弹性模量E=1.93×105MPa，切变模量G=7.4465×104MPa，分别下降了1.78%和3.54%。因此，在载荷不变的条件下，弹簧的变形要增大，其承载能力相应降低。以微观方面来分析，弹簧机械性能的变化实质上都是由于徽观组织的变化所造成的。最近的研究表明，弹簧松弛过程是初始弹性应变随时闻延长逐步向非弹性应变转变的过程，即发生塑性变形的积累，这种过程是通过位错运动而实现的。因此。要提高弹簧材料的抗松弛性能，其关键在于减少可动位错的数目而增加钉扎位错的数目，这就需要从材料的化学成分及热处理后的金相组织进行综合考虑。

5  东风4、ND4、ND5型内燃机车调压弹簧的比较

5.1 结构参数与刚度比较

弹簧的结构参数，决定了弹簧的使用性能，结构参数设计合理与否，对弹簧的使用寿命有重要影响。东风4、ND 4、ND5型内燃机车调压弹簧的结构参数见表l。

从上表可以看出，东风4型内燃机车调压弹簧所用钢丝直径最大，而旋绕比最小。另外，由于弹簧中径较小，钢丝直径较大，根据公式P=Gd4/8D2n，弹簧刚度增加。如前所述，弹簧的旋绕比过小，弹簧卷制困难，且易产生各种缺陷，而弹簧刚度增加，对弹簧的使用性能是不利的。

比较ND4内燃机车的调压弹簧，它通过减小钢丝直径，同时减少有效圈数来保证弹簧的刚度。虽然减少有效圈数会使弹簧单圈的负荷量增大，但由于采用了高强度、高硬度的Cr-Si钢丝，使用可靠性大大增加。ND5型内燃机车调压弹簧的旋绕比同样较小，但由于使用了较细的弹簧钢丝((d=3.3mm)，在弹簧制造工艺中可选用油淬火钢丝直接卷制成形。这样不仅简化了弹簧的制造工艺，而且大大提高了弹簧的疲劳极限，弹簧的抗松弛性亦大幅度提高。

5.2 弹簧材质的化学成分及性能比较

弹簧的工作性能就是要求其在不发生塑J性变形的情况下，能够产生较大的弹性变形和积蓄较大变形能。根据定义，材料单位体积所能积蓄的最大变形能u=U/V=ae2/2E(式中ae为材料的弹性极限，E为弹性模量)。可见，提高材料的弹性极限就可以提高弹簧的积蓄变形能。材料的化学成分对弹性极限影响极大，优选材料的化学成分可以提高弹性极限。东风4、ND4,ND5型内燃机车调压弹簧的化学成分见表2。

从表2中可以看出，东风4型内燃机车调压弹簧采用的是Cr-V钢，而ND4、ND5型内燃机车的调压弹簧采用的是Cr-Si钢。两者相比较，Cr-Si钢由于含有合金元素Cr和Si，其合金化作用不但提高了材料的淬透性和抗松弛性能，而且还能获得更高的机械性能。Cr-Si钢在较高的回火温度(>400℃)下具有更高的弹性极限和抗拉强度。这类弹簧钢丝，特别适合于制造既要求承受高应力，又要求承受冲击或振动载荷的弹簧。

5.3 弹簧硬度和金相组织比较

对东风4、ND4、ND5型内燃机车调压弹簧实物进行显微硬度测定，其结果如表3。

由表3可以看出，进口的ND4、ND5型内燃机车调压弹簧的硬度明显比东风4型内燃机车调压弹簧的高。只有足够高的硬度值，才能使弹簧具有足够的疲劳强度，并保证弹簧具有稳定的弹力和刚度。

弹簧硬度的不同，是因其金相组织有差异。金相观察表明，东风4型内燃机车调压弹簧的基体组织为屈氏体组织，碳化物已基本呈粒状分布。ND4,ND5型内燃机车调压弹簧的基体组织呈回火马氏体形态，碳化物基本上未出现球化现象(ND4)或仅出现部分球化(ND5)，这种组织具有较高的强度和硬度。

6  结论

(1) 东风4型内燃机车调压弹簧在结构设计上具有不合理性，较小的弹簧指数和较大的弹簧刚度使弹簧在制造时易产生各种缺陷，在使用时工作应力易接近材料屈服极限。

(2) 东风4型内燃机车调压弹簧在制造工艺上存在不足，多次热处理导致弹簧表面质量下降，严重影响弹簧的疲劳性能；强压处理使弹簧在使用前发生过量塑性变形，大大降低了弹簧的抗松弛变形能力。

(3) 进口ND4、ND5型内燃机车调压弹簧具有较为合理的结构参数、金相组织和较高的使用硬度。

(4) 通过对比分析，提高调压弹簧的使用性能关键在于优选材料，优化制造工艺。Cr-Si钢具有高强度和更好的抗松弛性，更宜于制造承受高应力、受冲击且有一定温度场的调压弹簧。