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【摘 要】 本文针对天津地铁3号线车辆所采用德国STEMMANN受流器的摆臂弹簧大量断裂失效现象进行了详细分析，并对其断裂现象提出了相关改进方案和实验措施，通过改进实验和在实际运用过程中的验证，得出摆臂弹簧断裂的基本因素，为轨道交通行业选用可靠受流器相关设备提供技术支持。
【关键词】 地铁；受流器；摆臂弹簧；轨道交通
引言：
受流器又名集电靴，为列车满足电力需求从三轨进行动态取流的一套设备。因第三轨供电在隧道内占用空间小，维护维修方便，可实现列车的动态稳定的可靠受流，为地铁列车的稳定运行提供电源保障。
目前国外研究受流器的主要厂家有德国的STEMMANN、奥地利的SCHUNK、法国的FAIVELEY、美国的WABTEC、英国的BRECKN ELL WILLIS，但对相关受流器的运营使用情况并无相关的公开数据，本文主要从德国STEMMANN的受流器在天津地铁的使用情况出发，对使用中存在的问题进行分析并提供相关解决措施，为今后轨道交通对受流器产品的选购提供相关技术支持。
1 受流器的组成
天津地铁3号线车辆采用下部受流形式对车辆供电，主要由绝缘安装背板、熔断器、受流器锁闭装置、摆臂、电气线路组成，绝缘背板通过螺栓安装在转向架上，受流器摆臂与熔断器安装在绝缘背板上，碳滑靴下部接触三轨再通过电气线路和熔断器对车辆进行供电。
2 受流器弹簧的作用
天津地铁3号线车辆每台受流器如图1所示，都安装了一个RH弹簧和一个LH弹簧，来提供受流器碳滑靴与三轨之间的接触力。在车辆沿轨道运行过程中，三轨处于非连续状态，端部弯头会受到受流器的冲击，为了保证稳定的载流效果，受流器弹簧主要为了保持碳滑靴与三轨的接触力，在车辆顺利通过断电区时既不会对三轨造成冲击，又能良好的从三轨受流。
3 受流器弹簧断裂分析
从车辆两台受流器拆取2件断裂弹簧RH（编号S1、S2）和1件良好弹簧LH（编号S3）进行分析。
3.1外观及显微镜下观察断裂表面
通过电镜扫描，S1弹簧由于弯折疲劳致使断裂，断裂从弹簧臂的弯折部位外侧开始。断裂处变灰色的部分是由于外部环境因素影响，清晰的部分是最终断裂的痕迹。S2弹簧由于弯折疲劳致使断裂，断裂从弹簧弯折部位外侧开始并受到第二次从内侧开始的断裂，最终导致断裂。如图2为S1、S2弹簧断裂侧视图。
3.2 X-射线能谱仪对其重量比率分析
X-射线能谱仪对断裂弹簧和正常弹簧进行分析，其成分和DIN17224对1.4310钢铁要求标准如表1所示。
通过上表表格可以看出，金属成分分析满足标准。金相分析显示，由于冷拔丝产生的硬化奥氏体结构，在边缘区域有点不同，其余地方基本相同如图3所示。通过图4中X射线对S1、S2两个断裂弹簧的影像可以看出弹簧的纹理有所不同，说明弹簧不是使用完全相同的铸铁制成。但相关的纹理结构也满足1.4310钢材的要求。
3.3弹簧的硬度（及抗拉强度）分析
如表2所示弹簧1、2、3的核心区域硬度为420～440HV，代表抗拉强度为1350N/mm2～1420N/mm2。由于对弯折部位进行90°冷加工硬化的原因，此部位的硬度为470N/mm2～520N/mm2，相当于抗拉强度1520N/mm2～1700N/mm2。
奥氏体的1.4320钢材质的抗拉强度根据DIN17224标准，线径在6～8mm的钢质，其抗拉强度应达到1300N/mm2～1550N/mm2，表示405HV～480HV的硬度。对于1.4310回火钢的拉伸强度规定为1360N/mm2～1750N/mm2，表示425HV～530HV的硬度。
对弹簧1、2、3的硬度和抗拉强度的检测结果显示，在不回火的条件下，其满足合格质量的要求。
3.4弹簧断裂原因分析及处理
通过以上的分析，可以证明，弹簧的材质是没有问题的。弹簧外层区域的硬度弱于内部区域的硬度由以上的材质以及抗拉强度的分析可知，弹簧表面的强度低于设计要求并低于弹簧材质的强度——弹簧未经过喷丸处理。喷丸处理也称喷丸强化，是减少零件疲劳，提高寿命的有效方法之一，喷丸处理就是将高速弹丸流喷射到弹簧表面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，由于弹簧表面压应力的存在，当弹簧承受载荷时可以抵消一部分抗应力，从而提高弹簧的疲劳强度。
STEMMANN公司提供的设计图纸明确规定了弹簧强度1460N/mm2=450HV的要求，但是弹簧表面明显没有达到规定的强度要求。
4 试验效果
通过对喷丸处理后的新弹簧经过1000万次摆动测试后，受流器的各部件被分解进行检测。对所有部件特别是跟摆臂动作相关的部件进行了检测。并未在部件上发现反常的磨损。在受流器正常工作高度的弹簧接触力实验前130N，试验后129N，均满足要求。经过上述测试后的受流器和扭力弹簧，经检测良好。
5 结论
受流器作为地铁车辆关键部件，其弹簧的好坏直接影响车辆运行安全，因此受流器弹簧应通过相关严格的检测标准，并提供相关实验报告；增加喷丸处理能有效的提高弹簧的疲劳强度，合理选择弹簧扭力可以有效的延长碳滑靴的使用寿命，节约成本，保护环境。
参考文献：
[1] 马沂文，陈宏和，张陆军.地铁车辆铁制受流靴的研制[J].机车电传动，2004，4：34-37.
[2] 滕腾.随机振动下受电靴与第三轨接触振动规律研究.2012，6：16-22.
[3] 陈宏和，马沂文，张陆军.地铁车辆受流器与接触轨间的摩擦试验分析[J].电力机车与城市车辆，2004，27（3）：34-36.
作者簡介：石鹏飞（1987-），男，助理工程师主要从事地铁车辆状态监测与故障诊断工作。
【关键词】 地铁；受流器；摆臂弹簧；轨道交通
引言：
受流器又名集电靴，为列车满足电力需求从三轨进行动态取流的一套设备。因第三轨供电在隧道内占用空间小，维护维修方便，可实现列车的动态稳定的可靠受流，为地铁列车的稳定运行提供电源保障。
目前国外研究受流器的主要厂家有德国的STEMMANN、奥地利的SCHUNK、法国的FAIVELEY、美国的WABTEC、英国的BRECKN ELL WILLIS，但对相关受流器的运营使用情况并无相关的公开数据，本文主要从德国STEMMANN的受流器在天津地铁的使用情况出发，对使用中存在的问题进行分析并提供相关解决措施，为今后轨道交通对受流器产品的选购提供相关技术支持。
1 受流器的组成
天津地铁3号线车辆采用下部受流形式对车辆供电，主要由绝缘安装背板、熔断器、受流器锁闭装置、摆臂、电气线路组成，绝缘背板通过螺栓安装在转向架上，受流器摆臂与熔断器安装在绝缘背板上，碳滑靴下部接触三轨再通过电气线路和熔断器对车辆进行供电。
2 受流器弹簧的作用
天津地铁3号线车辆每台受流器如图1所示，都安装了一个RH弹簧和一个LH弹簧，来提供受流器碳滑靴与三轨之间的接触力。在车辆沿轨道运行过程中，三轨处于非连续状态，端部弯头会受到受流器的冲击，为了保证稳定的载流效果，受流器弹簧主要为了保持碳滑靴与三轨的接触力，在车辆顺利通过断电区时既不会对三轨造成冲击，又能良好的从三轨受流。
3 受流器弹簧断裂分析
从车辆两台受流器拆取2件断裂弹簧RH（编号S1、S2）和1件良好弹簧LH（编号S3）进行分析。
3.1外观及显微镜下观察断裂表面
通过电镜扫描，S1弹簧由于弯折疲劳致使断裂，断裂从弹簧臂的弯折部位外侧开始。断裂处变灰色的部分是由于外部环境因素影响，清晰的部分是最终断裂的痕迹。S2弹簧由于弯折疲劳致使断裂，断裂从弹簧弯折部位外侧开始并受到第二次从内侧开始的断裂，最终导致断裂。如图2为S1、S2弹簧断裂侧视图。
3.2 X-射线能谱仪对其重量比率分析
X-射线能谱仪对断裂弹簧和正常弹簧进行分析，其成分和DIN17224对1.4310钢铁要求标准如表1所示。
通过上表表格可以看出，金属成分分析满足标准。金相分析显示，由于冷拔丝产生的硬化奥氏体结构，在边缘区域有点不同，其余地方基本相同如图3所示。通过图4中X射线对S1、S2两个断裂弹簧的影像可以看出弹簧的纹理有所不同，说明弹簧不是使用完全相同的铸铁制成。但相关的纹理结构也满足1.4310钢材的要求。
3.3弹簧的硬度（及抗拉强度）分析
如表2所示弹簧1、2、3的核心区域硬度为420～440HV，代表抗拉强度为1350N/mm2～1420N/mm2。由于对弯折部位进行90°冷加工硬化的原因，此部位的硬度为470N/mm2～520N/mm2，相当于抗拉强度1520N/mm2～1700N/mm2。
奥氏体的1.4320钢材质的抗拉强度根据DIN17224标准，线径在6～8mm的钢质，其抗拉强度应达到1300N/mm2～1550N/mm2，表示405HV～480HV的硬度。对于1.4310回火钢的拉伸强度规定为1360N/mm2～1750N/mm2，表示425HV～530HV的硬度。
对弹簧1、2、3的硬度和抗拉强度的检测结果显示，在不回火的条件下，其满足合格质量的要求。
3.4弹簧断裂原因分析及处理
通过以上的分析，可以证明，弹簧的材质是没有问题的。弹簧外层区域的硬度弱于内部区域的硬度由以上的材质以及抗拉强度的分析可知，弹簧表面的强度低于设计要求并低于弹簧材质的强度——弹簧未经过喷丸处理。喷丸处理也称喷丸强化，是减少零件疲劳，提高寿命的有效方法之一，喷丸处理就是将高速弹丸流喷射到弹簧表面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，由于弹簧表面压应力的存在，当弹簧承受载荷时可以抵消一部分抗应力，从而提高弹簧的疲劳强度。
STEMMANN公司提供的设计图纸明确规定了弹簧强度1460N/mm2=450HV的要求，但是弹簧表面明显没有达到规定的强度要求。
4 试验效果
通过对喷丸处理后的新弹簧经过1000万次摆动测试后，受流器的各部件被分解进行检测。对所有部件特别是跟摆臂动作相关的部件进行了检测。并未在部件上发现反常的磨损。在受流器正常工作高度的弹簧接触力实验前130N，试验后129N，均满足要求。经过上述测试后的受流器和扭力弹簧，经检测良好。
5 结论
受流器作为地铁车辆关键部件，其弹簧的好坏直接影响车辆运行安全，因此受流器弹簧应通过相关严格的检测标准，并提供相关实验报告；增加喷丸处理能有效的提高弹簧的疲劳强度，合理选择弹簧扭力可以有效的延长碳滑靴的使用寿命，节约成本，保护环境。
参考文献：
[1] 马沂文，陈宏和，张陆军.地铁车辆铁制受流靴的研制[J].机车电传动，2004，4：34-37.
[2] 滕腾.随机振动下受电靴与第三轨接触振动规律研究.2012，6：16-22.
[3] 陈宏和，马沂文，张陆军.地铁车辆受流器与接触轨间的摩擦试验分析[J].电力机车与城市车辆，2004，27（3）：34-36.
作者簡介：石鹏飞（1987-），男，助理工程师主要从事地铁车辆状态监测与故障诊断工作。