圆柱压缩多股簧断裂失效分析

陈国翀，王时龙，王四宝，刘志鹏

（重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044）

1 引言

多股螺旋弹簧（简称多股簧）是多股钢丝拧成多层同轴钢索卷制而成的圆柱螺旋弹簧。多股簧具有减震效果好、受载变刚度、强度高等特性。近年，圆柱压缩多股簧广泛应用在枪械武器发射系统、重型机械复位机构、潜艇/航天发动机等国防装备之中［1］。但是目前对多股簧疲劳破坏等失效分析工作十分有限。对多股簧进行失效分析，发现其失效原因，从中找出解决措施十分重要。

针对某圆柱压缩多股螺旋弹簧进行了疲劳寿命试验，发现断裂失效时，循环次数为46000余次。截取断裂多股簧，对其进行理化检验、断口分析和有限元计算，确定了疲劳裂纹萌生的位置和原因，并提出了改进措施。

2 试验样品与试验方法

试验弹簧为由6 股钢丝制成的圆柱压缩多股簧，其中，1 股钢丝为中心层钢丝，5 股钢丝为外层钢丝。钢丝材料为T9A 冷拔碳素弹簧钢，抗拉强度为2402PMa，钢丝交货状态为冷拉。多股簧螺距19mm，中径22.5mm，钢索捻距14.5mm，钢丝直径1.8mm，自由高120mm。试验在弹簧疲劳试验机TPJ-20 上进行，如图2 所示。弹簧疲劳试验机可提供行程在（0～100）mm 区间的谐波运动，装配有计数器，用于记录压缩循环次数。沿弹簧轴向加载频率为2Hz、振幅为20mm 的谐波［2-3］。多股簧的失效是由单根钢丝断裂失效引起的，根据工程经验，该载荷下的多股簧循环次数约为40000 次至100000 次。在试验过程中，循环次数到达40000 次时，每间隔3000 次，取下多股簧观察单股钢丝是否完全断裂失效。发现多股簧失效时，循环次数为46000 次。

图1 失效多股螺旋弹簧Fig.1 The Broken Stranded Wire Helical Spring

图2 试验现场Fig.2 Fatigue Testing Site

3 试验结果

3.1 化学成分分析与硬度检测

对多股簧材料进行化学成分分析结果，如表1所示。材料成分符合YB/T 5311-2006《重要用途碳素弹簧钢丝》中对T9A材料化学成分的要求。从钢丝断裂截面中心到边缘取5点，对断裂钢丝这5个点进行硬度测试，结果分别544，543，546，548，540HV，弹簧硬度平均值为544.2HV，局部区域弹簧硬度未见明显波动。弹簧硬度标准范围441-578HV，失效多股簧硬度符合要求。

表1 多股簧材料化学成分分析Tab.1 Chemical Composition of the Stranded Wire Helical Spring

3.2 金相检验

从失效件裂纹处纵向剖截面，经镶嵌、磨样、抛光、腐蚀（4%硝酸酒精）后制备试样，显微组织形貌，如图3所示。腐蚀后钢丝的微观结构为有方向性的纤维状珠光体，是冷拔弹簧钢的典型结构，材料存在各向异性。

图3 腐蚀后多股簧的微观组织Fig.3 Etched Metallographic Structure of the Broken Stranded Wire Helicals Pring

3.3 宏观分析

对发生故障的弹簧进行目视检查，以检查弹簧的总体状况。如图1所示，弹簧有6个活动线圈，线圈0.5处（从顶部），靠近弹簧轴外层钢丝发生断裂。截取断裂钢丝，使用体显微镜进行观察，如图1（b）所示。裂纹萌生于靠近弹簧轴一侧的钢丝表面，该部位紧邻挤压损伤位置。未见其他异常引起断裂的缺陷及特征形貌。断口平面与钢丝轴向呈近90。

3.4 微观分析

使用扫描电子显微镜（TESCAN VEGA 3 LMH SEM）对截取钢丝断口进行观察。如图4（a）所示，断口可以明显分为疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和疲劳裂纹瞬断区三个区域。在断口处发现了以海滩痕形式出现的疲劳断裂的典型特征，如图4（b）实线箭头所标示。可以观察到，断口截面不是规则的圆，断口边缘存在磨损与挤压的痕迹，如图4（a）方框所标示，这是多股簧制外层钢丝间相互接触产生的挤压损伤导致的。如图4（b）中标示，疲劳源区存在疲劳台阶这一疲劳断裂的典型特征，断口存多源疲劳的现象。

图4 断口SEM整体形貌Fig.4 The Overall Microstructure of the Fracture

疲劳裂纹源A萌生于外层钢丝间接触损伤边缘，由于受到往复应力作用周次较多，疲劳源区较为平整光滑，如图5（a）所示。裂纹扩展区微观形貌，没有观察到明显的疲劳弧线，垂直于裂纹扩展方向存在较多细小二次裂纹，可能与多股簧特性与钢丝材料中的纤维组织有关，如图5（b）所示。多股簧在承受一定载荷后，各股钢丝拧紧，相互摩擦，这使得单股钢丝的受力状态更为复杂；钢丝材料中的纤维组织使得材料存在各向异性；这两者的存在促进了二次裂纹的形成。瞬断区微观形貌，可观察到解理台阶与河流形貌，此时单位面积承受的工作应力大幅度提高，由于材料存在各向异性，裂纹沿着钢丝拉拔方向快速断裂，如图5（c）所示。

图5 断口微观形貌Fig.5 The Microstructure of the Fracture

3.5 表面完整性分析

多股簧外层钢丝在疲劳过程中主要承受单向弯曲载荷，钢丝表面承受应力最大，是材料最薄弱的环节。加工伤痕，异物损伤等表面完整性破坏往往造成应力集中，从而引发疲劳裂纹并加速裂纹扩展，因此对表面完整性进行分析十分必要［4-6］。平行于钢丝轴向的断口附近表面存在两处表面损伤，且整体表面呈现深浅不一的拉拔条纹，如图6（a）所示。在试验过程中，多股簧不可避免工作轴产生接触，多股簧与工作轴接触摩擦导致了近轴侧外层钢丝表面存在摩擦损伤，如图6（b）所示。多股簧采用有芯卷制造工艺，绕索拧簧同步进行；在制造过程中，钢索受弹力作用紧紧缠绕在芯棒上，这导致了挤压损伤，如图6（b）所示。疲劳裂纹源C萌生于拉拔条纹上，如图6（c）所示。

图6 行于钢丝轴向的表面微观形貌Fig.6 The Microstructure of the Surface Parallel to the Axial Direction of the Wire

4 有限元应力计算

多股螺旋弹簧的实体模型由NX创建，它是通过二次螺旋曲线扫描生成的［7］。内线的中心线是初级螺旋，而外线的中心线是次级螺旋。为了方便计算，等比缩小了多股簧模型长度，与载荷大小。利用该模型，在ABAQUS CAE V6.13商业有限元软件中建立了有限元模型。它由固定板，轴，多股簧和加载板组成。在ABAQUS/Explicit元素库中指定为C3D8R的八节点衬砌砖单元应用于网格生成，应用了将近560，000个元素来获得多股簧的合适结果，网格模型图，如图7所示。导线之间的摩擦是根据库仑定律建模的，摩擦系数为μ=0.1。弹簧的边界条件定义为固定的圆柱轴和右板，同时通过移动左板来压缩弹簧。左面板受到谐波位移边界条件的影响，谐波负载的幅度为10mm和初始位移为0，得到的应力云图，如图8所示。

图7 多股簧网格模型图Fig.7 The Mesh Model of Stranded Wire Helical Spring

图8 多股簧整体与危险位置截面应力分布云图Fig.8 Stress Nephogram of Dangerous Locations and the Whole Spring

图8显示了在20mm位移幅度下多股簧Mises应力云图与最大应力处的多股簧截面应力分布轮廓，最大应力点大约在第0.5圈处（从顶部开始）。其中，5号钢丝靠近轴，3号钢丝远离轴。中心钢丝主要承受扭转载荷，靠近轴侧的应力大于其对应侧。外层钢丝主要受到弯矩，外层钢丝与中心钢丝之间接触区域应力较大，外层钢丝远离中心钢丝圆周位置应力较大。此外外层钢丝间相互接触区域存在一定强度的应力，如图7中A区所示。

图9显示了单根外层钢丝与中心钢丝的应力分布云图。中心钢丝的最大应力为938MPa，外层钢丝的最大应力为1056MPa。中心钢丝的最大应力小于外层钢丝的最大应力。中心钢丝与外层钢丝的最大应力位置约在第0.5圈处（从顶部开始）。根据有限元计算结果，最大应力点在外层钢丝近弹簧轴一侧，这说明了外层钢丝应先于中心钢丝断裂，符合实际断裂情况。

图9 单根钢丝应力分布云图Fig.9 Stress Nephogram of the Single Wire

5 多股簧失效原因讨论

疲劳裂纹扩展区较宽，可以观察到较多的细小二次裂纹，在一定程度上吸收了断裂能量，减缓了裂纹萌生［8］。这在疲劳裂纹扩展区没有观测到明显的疲劳条带，这是因为多股簧材料属于高强度钢，其静拉伸强度高，硬度高，塑性变形小。这也是疲劳瞬断区没有观察到明显的韧窝的原因。根据有限元计算结果，应力危险点在外层钢丝近弹簧轴表面，故中心钢丝与外层钢丝的接触损伤对外层钢丝断裂失效影响小。

从断口截面上看，疲劳裂纹源出现在靠近弹簧轴一侧的钢丝表面，外层钢丝间接触损伤位置边缘。从平行于钢丝轴向的表面上看，外层钢丝与工作轴接触产生的表面损伤位置没有引发疲劳裂纹萌生，可能是因为其损伤程度小且不位于钢丝承受应力最大的区域。钢丝侧表面呈现深浅不一的拉拔条纹，在疲劳过程中，可视为“潜在的裂纹源”，它使弹簧表面对缺陷的敏感度增加［8］。受拉拔条纹影响，外层钢丝间接触损伤位置边缘产生应力集中，引发疲劳裂纹萌生。

文献［9］给出了压缩多股簧捻距最优的设计公式，此时各股钢丝相切。在实际设计中，往往通过减小钢索捻距的方式来增加多股簧刚度，但过小的捻距会导致严重的丝间接触变形和接触损伤。因此，在刚度允许的范围内适当的增加钢索的捻距，可以减小钢丝间接触损伤，提高多股簧疲劳寿命。

6 结论

（1）通过有限元计算与断口位置分析，多股簧在交变应力的作用下，靠近支撑圈外层钢丝近弹簧轴侧为承受应力最大处，最先发生断裂失效。（2）该多股簧的断裂模式属于疲劳断裂。钢丝表面的拉拔条纹与外层钢丝间的接触损伤表面缺陷共同引起的应力集中导致了疲劳裂纹萌生。（3）设计时，在刚度允许的范围内适当的增加钢索的捻距，可以减小钢丝间接触损伤，提高多股簧疲劳寿命。