1 概述
无轨电车的受电器负责将供电轨正极侧的电能传送到电车上，并从供电轨负极侧回流。宁波某项目无轨电车在运营 2 年后，部分受电器的弹簧出现断裂现象。本文通过现场调研，对 TSS11 型受电器的正常弹簧和故障弹簧进行检测，并采用有限元软件进行仿真分析；通过对正常弹簧和故障弹簧进行对比试验，
查找弹簧断裂的原因，并提出改进方案 [1-2]。
2 受电器弹簧受力分析
受电器弹簧一端与底架连接，另一端与下臂杆连接，通过弹簧力提供受电器与供电轨的接触力。TSS11 型受电器结构如图 1 所示，其受力情况如图 2所示。
受力计算如下：
已知各个参数的情况下，可通过式（1）计算出弹簧的初始力和初始位移。根据 GB 23935—2009《圆柱螺旋弹簧设计计算》[3]，计算得到受电器弹簧各参
数如表 1 所示。
3 弹簧断裂原因分析
3.1 尺寸检查
根据经验，影响弹簧断裂的主要因素有：1）环境因素；2）产品的结构几何形状。本文随机选取 3个试样，检查弹簧和接头尺寸，结果如表 2 所示。
在安装过程中，为保证弹簧与接头稳定连接，要求接头直径大于弹簧小径，实现过盈配合连接，且要求*大过盈量不超过 0.8 mm。
由 表 2 可 知： 所 有 的 产 品 尺 寸 均 满 足 设 计 要求；其中试样 1 的接头直径与弹簧小径的过盈量为0.2 mm，满足安装要求，弹簧正常；但试样 2 中接头直径和弹簧小径的过盈量达到 0.8 mm，试样 3 的过盈量达到 0.9 mm，两个弹簧均断裂。因此，推测接头直径的公差超标是导致断裂的原因。
3.2 断口检查
根据现场检查情况，断裂面位于弹簧与轴相接触的表面，断裂面与弹簧轴线约呈 45°夹角，断口周围无塑性变形，可见明显疲劳扩展贝纹线，且裂纹扩
展区面积约占 50%，如图 3 所示。说明弹簧在工作过程中所受的载荷较大。
对断口进行超声波清洗，并通过扫描电镜进行观察，其疲劳源区可见明显疲劳台阶（见图 4）。
3.3 金相检验
在断裂处取样，并对试样进行打磨和抛光，将其置于OLYMPUS GX71显微镜上做金相检测。试样经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，弹簧表面无明显脱碳现象，裂
纹源区有灰黑色杂质嵌入，深度约为 88 μm（见图 5）。
以断裂点为基准，向外对断裂弹簧进行 HV 硬度梯度检测，结果如表 3 所示。
由检测结果可知，该弹簧表面无脱碳现象，且显微组织均匀。
根据试验分析，弹簧材质满足设计要求，断裂处位于弹簧接头处，属于疲劳断裂。
3.4 仿真分析
采用有限元软件建立弹簧三维模型，并进行应力分析 [4]。当过盈量为 0.4 mm 时，弹簧受到的应力*大值为 281.9 MPa（见图 6）。
当过盈量为 0.8 mm 时，弹簧受到的应力*大值为 1 358.5 MPa（见图 7），接近材料许用抗拉强度1 620 MPa。因此，判定材料的过盈配合是导致弹簧
断裂的主要原因。
4 试验验证
采用弹簧试验机进行试验，模拟弹簧受力状态，如图 8 所示。
当接头与弹簧的过盈量为 0.4 mm 时，经过500 000 次试验，弹簧无断裂现象。当接头与弹簧的过盈量为 0.8 mm 时，通过223 660 次试验，弹簧与接头处出现断裂，断裂形状与实物一致。
5 结束语
本文通过分析和试验，发现弹簧和接头之间过盈量大是导致弹簧断裂的主要原因。而弹簧小径的尺寸受到工艺的影响，批量性弹簧小径的公差变化很小。
根据弹簧小径的尺寸来匹配相应的接头尺寸，将弹簧接头的尺寸由 mm 调整为 mm，并将弹簧与接头的过盈量限定在 0.4 mm 以下后，弹簧在运营过程中再未出现断裂现象。
