1? 概述

無軌電車的受電器負責將供電軌正極側的電能傳送到電車上，并從供電軌負極側回流。寧波某項目無軌電車在運營 2 年后，部分受電器的彈簧出現斷裂現象。本文通過現場調研，對 TSS11 型受電器的正常彈簧和故障彈簧進行檢測，并采用有限元軟件進行仿真分析；通過對正常彈簧和故障彈簧進行對比試驗，

查找彈簧斷裂的原因，并提出改進方案 [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 型受電器結構如圖 1 所示，其受力情況如圖 2所示。

受力計算如下：

已知各個參數的情況下，可通過式（1）計算出彈簧的初始力和初始位移。根據 GB 23935—2009《圓柱螺旋彈簧設計計算》[3]，計算得到受電器彈簧各參

數如表 1 所示。

3? 彈簧斷裂原因分析

3.1? 尺寸檢查

根據經驗，影響彈簧斷裂的主要因素有：1）環境因素；2）產品的結構幾何形狀。本文隨機選取 3個試樣，檢查彈簧和接頭尺寸，結果如表 2 所示。

在安裝過程中，為保證彈簧與接頭穩定連接，要求接頭直徑大于彈簧小徑，實現過盈配合連接，且要求*大過盈量不超過 0.8 mm。

由 表 2 可 知： 所 有 的 產 品 尺 寸 均 滿 足 設 計 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到 0.8 mm，試樣 3 的過盈量達到 0.9 mm，兩個彈簧均斷裂。因此，推測接頭直徑的公差超標是導致斷裂的原因。

3.2? 斷口檢查

根據現場檢查情況，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，可見明顯疲勞擴展貝紋線，且裂紋擴

展區面積約占 50%，如圖 3 所示。說明彈簧在工作過程中所受的載荷較大。

對斷口進行超聲波清洗，并通過掃描電鏡進行觀察，其疲勞源區可見明顯疲勞臺階（見圖 4）。

3.3? 金相檢驗

在斷裂處取樣，并對試樣進行打磨和拋光，將其置于OLYMPUS GX71顯微鏡上做金相檢測。試樣經4%硝酸酒精溶液浸蝕后，彈簧表面無明顯脫碳現象，裂

紋源區有灰黑色雜質嵌入，深度約為 88 μm（見圖 5）。

以斷裂點為基準，向外對斷裂彈簧進行 HV 硬度梯度檢測，結果如表 3 所示。

由檢測結果可知，該彈簧表面無脫碳現象，且顯微組織均勻。

根據試驗分析，彈簧材質滿足設計要求，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，并進行應力分析 [4]。當過盈量為 0.4 mm 時，彈簧受到的應力*大值為 281.9 MPa（見圖 6）。

當過盈量為 0.8 mm 時，彈簧受到的應力*大值為 1 358.5 MPa（見圖 7），接近材料許用抗拉強度1 620 MPa。因此，判定材料的過盈配合是導致彈簧

斷裂的主要原因。

4? 試驗驗證

采用彈簧試驗機進行試驗，模擬彈簧受力狀態，如圖 8 所示。

當接頭與彈簧的過盈量為 0.4 mm 時，經過500 000 次試驗，彈簧無斷裂現象。當接頭與彈簧的過盈量為 0.8 mm 時，通過223 660 次試驗，彈簧與接頭處出現斷裂，斷裂形狀與實物一致。

5? 結束語

本文通過分析和試驗，發現彈簧和接頭之間過盈量大是導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。

根據彈簧小徑的尺寸來匹配相應的接頭尺寸，將彈簧接頭的尺寸由 mm 調整為 mm，并將彈簧與接頭的過盈量限定在 0.4 mm 以下后，彈簧在運營過程中再未出現斷裂現象。