廣州地鐵1號(hào)線(xiàn)A2、A3型車(chē)受電弓碳滑板裂紋分析

傅 駿

（廣州地鐵運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部一中心，廣東廣州510310）

廣州地鐵1號(hào)線(xiàn)A2、A3型車(chē)受電弓碳滑板裂紋分析

傅 駿

（廣州地鐵運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部一中心，廣東廣州510310）

首先通過(guò)對(duì)廣州地鐵1號(hào)線(xiàn)A2、A3型車(chē)受電弓碳滑板裂紋進(jìn)行宏觀(guān)特征分析，再利用ansys workbench平臺(tái)仿真計(jì)算、掃描電子顯微鏡觀(guān)察方法進(jìn)一步分析裂紋影響因素，最終判斷受電弓碳滑板裂紋產(chǎn)生的原因，并提出改善措施。

地鐵車(chē)輛；受電弓；碳滑板；裂紋；腐蝕疲勞

0 概述

廣州地鐵1號(hào)線(xiàn)A2、A3型車(chē)受電弓是由德國(guó)STEMMANN公司生產(chǎn)，自2006年開(kāi)始運(yùn)用至今約9年。2010年開(kāi)始，該型受電弓碳滑板在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，2013年裂紋情況頻繁出現(xiàn)，但同型號(hào)碳滑板在8號(hào)線(xiàn)檢修時(shí)一直無(wú)類(lèi)似裂紋。1號(hào)線(xiàn)車(chē)輛在試用其他品牌、批次的碳滑板后仍然發(fā)現(xiàn)裂紋，有裂紋的碳滑板碳層磨耗形狀、磨耗率均與其他滑板無(wú)明顯差別。碳滑板為列車(chē)弓網(wǎng)接觸受力關(guān)鍵部件，裂紋隱患發(fā)展可能最終導(dǎo)致弓網(wǎng)事故，故須深入分析其原因并采取整改措施。

1 裂紋宏觀(guān)特征分析

1.1 裂紋源位置

通過(guò)對(duì)大量有裂紋的碳滑板的觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，鋁托架全部存在裂紋而碳層并非全部出現(xiàn)裂紋，說(shuō)明裂紋是由鋁托架擴(kuò)展至碳層的，即裂紋源是在鋁托架上。而鋁托架上腐蝕最嚴(yán)重且伴隨裂紋出現(xiàn)的位置均為底面螺栓靠滑板中心一側(cè)，且該位置附近裂紋寬度比側(cè)面大，因此，判斷此處應(yīng)是裂紋源。以滑板一側(cè)末端為例，裂紋源位置見(jiàn)圖1所示的1點(diǎn)或2點(diǎn)附近。

圖1 裂紋源位置圖

1.2 斷裂類(lèi)型

由于碳滑板安裝時(shí)碳層在上，鋁托架在下（以重力方向?yàn)橄拢?，在弓網(wǎng)配合方式下，鋁托架向下產(chǎn)生形變，使得其主要在長(zhǎng)度方向上受拉應(yīng)力。如圖1所示，裂紋源處擴(kuò)展方向基本垂直于碳滑板長(zhǎng)度方向，即垂直于拉應(yīng)力方向，裂紋應(yīng)為張開(kāi)型裂紋。裂紋附近材質(zhì)無(wú)明顯變形或沖擊產(chǎn)生的損傷，斷裂瞬間應(yīng)屬于脆性斷裂。

1.3 裂紋影響主要因素

由于長(zhǎng)度方向?yàn)橹饕芰Ψ较?，且裂紋源位置呈規(guī)律性出現(xiàn)，裂紋的產(chǎn)生應(yīng)與鋁托架此處應(yīng)力有一定關(guān)系。從腐蝕程度看，碳滑板長(zhǎng)度方向要嚴(yán)重于寬度方向，即圖1中1、2點(diǎn)之間腐蝕嚴(yán)重程度大于3～5點(diǎn)之間。由于裂紋源附近為腐蝕最嚴(yán)重位置，推斷該裂紋的產(chǎn)生與腐蝕也有關(guān)系。

2 裂紋影響因素分析

針對(duì)鋁托架應(yīng)力及腐蝕因素，分別采用有限元分析及掃描電子顯微鏡觀(guān)察的方式開(kāi)展分析，詳細(xì)如下。

2.1 鋁托架有限元應(yīng)力分析

碳滑板所受應(yīng)力來(lái)源于弓網(wǎng)接觸力，利用計(jì)算機(jī)軟件 ansys workbench 可模擬1號(hào)線(xiàn)列車(chē)受電弓碳滑板鋁托架運(yùn)用時(shí)應(yīng)力情況（參數(shù)來(lái)源于正線(xiàn)實(shí)際測(cè)量），并對(duì)比8號(hào)線(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可分析斷裂產(chǎn)生與應(yīng)力的關(guān)系。

2.1.1 1號(hào)線(xiàn)列車(chē)受電弓鋁托架應(yīng)力分析

由于弓頭為橫向、縱向?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)，選取1/4的碳滑板及托架的組合進(jìn)行建?？纱韺?shí)際情況。由于弓頭無(wú)阻尼裝置，分析瞬時(shí)受力情況可利用靜力學(xué)模型。由于碳滑板中部是弓網(wǎng)匹配運(yùn)用的平均位置，觀(guān)察在中部加載的應(yīng)力更具有參考意義。鋁托架材質(zhì)選用已知 MY 品牌碳滑板參數(shù)：鋁牌號(hào)6063A、密度2.7 g/m3、泊松比0.3、楊氏模量70000。將接觸導(dǎo)線(xiàn)與碳滑板接觸面近似算為1 mm 寬，由于滑板寬35 mm，即每條滑板接觸面積約為35 mm2。取實(shí)測(cè)壓力最大值173.2 N 進(jìn)行計(jì)算，以1條滑板承受1/4壓力為一般情況，1條滑板承受1/2壓力為極端情況（A2、A3型車(chē)弓頭為4弓聯(lián)動(dòng)，實(shí)測(cè)中未發(fā)現(xiàn)弓頭單側(cè)壓力為0的情況，故單側(cè)弓頭的1條滑板最多承受1/2接觸壓力），模擬鋁托架底部應(yīng)力分布情況如圖2所示。

圖2 一般與極端情況下鋁托架底部應(yīng)力分布對(duì)比

查閱鋁合金性能資料得知：6063A（鋁托架）屈服強(qiáng)度約160 MPa，安全系數(shù)通常取1.5～2.5，即材質(zhì)許用應(yīng)力在64～106.7 MPa 范圍。從應(yīng)力分布圖可知，雖然裂紋源位置附近應(yīng)力較為集中，但即使在極端情況下，滑板鋁托架底部應(yīng)力最大區(qū)域的數(shù)值也在76～89 MPa 范圍內(nèi)，離許用應(yīng)力上限還有較大余量。

2.1.2 1號(hào)線(xiàn)與8號(hào)線(xiàn)列車(chē)受電弓鋁托架應(yīng)力對(duì)比

1號(hào)線(xiàn)的弓網(wǎng)平均接觸力范圍是大于8號(hào)線(xiàn)的，在同樣的模型中，選取1號(hào)線(xiàn)弓網(wǎng)平均接觸力最大值134 N，及8號(hào)線(xiàn)弓網(wǎng)平均接觸力最小值111 N 進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，可體現(xiàn)出1號(hào)線(xiàn)、8號(hào)線(xiàn)車(chē)輛實(shí)際運(yùn)用時(shí)兩者碳滑板鋁托架底部應(yīng)力分布普遍情況，對(duì)比如圖3所示。

圖3 1號(hào)線(xiàn)、8號(hào)線(xiàn)列車(chē)受電弓鋁托架應(yīng)力對(duì)比

從圖3應(yīng)力分布圖可知，1號(hào)線(xiàn)、8號(hào)線(xiàn)列車(chē)受電弓滑板裂紋源附近的應(yīng)力集中情況相差不大。

2.2 斷口微觀(guān)分析

2.2.1 腐蝕產(chǎn)物

利用掃描電子顯微鏡對(duì)樣品斷口進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物僅為氧化鋁，腐蝕程度隨裂紋深度增加而減弱。在樣品材質(zhì)分析中未見(jiàn)其他腐蝕型元素超出工業(yè)鋁合金的要求范圍。以上說(shuō)明腐蝕過(guò)程是由外向內(nèi)進(jìn)行，并非材質(zhì)本身問(wèn)題導(dǎo)致。

2.2.2 斷口特征

在3份送檢樣品中的2份斷口處發(fā)現(xiàn)有略呈彎曲并幾乎平行的溝槽狀花樣，具有規(guī)則間距且?guī)缀跖c裂紋擴(kuò)展方向垂直，符合疲勞條帶特征描述。疲勞條帶是疲勞斷口最典型的微觀(guān)特征。

3 斷裂失效分析

根據(jù)裂紋宏觀(guān)特征、裂紋影響因素分析，對(duì)比資料，可確定裂紋種類(lèi)。結(jié)合碳滑板實(shí)際運(yùn)用情況，可推理出裂紋產(chǎn)生的過(guò)程。

3.1 裂紋種類(lèi)

由于在極端條件下許用應(yīng)力尚有較大余量，以及8號(hào)線(xiàn)列車(chē)受電弓碳滑板在此應(yīng)力運(yùn)用條件下無(wú)類(lèi)似裂紋的情況，可知1號(hào)線(xiàn)列車(chē)受電弓碳滑板所受應(yīng)力不足以使得鋁托架產(chǎn)生裂紋，排除接觸力單獨(dú)作用使滑板產(chǎn)生裂紋的可能性。而根據(jù)微觀(guān)分析，腐蝕及疲勞確實(shí)存在，裂紋應(yīng)是應(yīng)力與環(huán)境共同作用下導(dǎo)致。

金屬在環(huán)境下發(fā)生失效的主要種類(lèi)有應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、氫脆、蠕變斷裂。由斷口宏觀(guān)特征可排除蠕變斷裂，且斷口處未發(fā)現(xiàn)氫含量超標(biāo)，可排除氫脆。應(yīng)力腐蝕發(fā)生在靜態(tài)力作用下，且需要特定的環(huán)境與金屬的組合（工業(yè)鋁合金在大氣環(huán)境中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕需要硫化氫或砷和銻化合物），而碳滑板在運(yùn)用時(shí)與接觸網(wǎng)為動(dòng)態(tài)配合，且在微觀(guān)分析未發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)雜質(zhì)，故應(yīng)力腐蝕也不可能。腐蝕疲勞出現(xiàn)在交變應(yīng)力下，且沒(méi)有特定的腐蝕介質(zhì)限制。綜上所述，并結(jié)合裂紋影響因素分析情況，得出斷裂失效的原因是腐蝕疲勞。

3.2 裂紋產(chǎn)生過(guò)程

對(duì)比1號(hào)線(xiàn)、8號(hào)線(xiàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：1號(hào)線(xiàn)上行沖擊點(diǎn)數(shù)量比8號(hào)線(xiàn)多出約25%，8號(hào)線(xiàn)沖擊最大值比1號(hào)線(xiàn)最大值略高，但個(gè)數(shù)較少。由于碳滑板與接觸網(wǎng)為動(dòng)態(tài)接觸，其所受應(yīng)力實(shí)際為交變應(yīng)力。無(wú)論是垂向或是水平?jīng)_擊都會(huì)使得鋁托架在彎曲方向上承受更多應(yīng)力。沖擊點(diǎn)較多說(shuō)明1號(hào)線(xiàn)列車(chē)受電弓碳滑板承受的交變應(yīng)力頻率較高，即疲勞循環(huán)次數(shù)較多。由于更高頻率的交變應(yīng)力引起了更高頻率的材質(zhì)形變以及與弓頭托架接觸擠壓作用，此處的氧化膜被破壞的程度也更嚴(yán)重，容易使得腐蝕介質(zhì)侵入材質(zhì)。在腐蝕介質(zhì)與交變應(yīng)力共同作用下，1號(hào)線(xiàn)列車(chē)受電弓碳滑板鋁托架最終發(fā)生斷裂。雖然8號(hào)線(xiàn)的沖擊強(qiáng)度略高于1號(hào)線(xiàn)，但由于沖擊次數(shù)有限而不足以產(chǎn)生裂紋。實(shí)際上，8號(hào)線(xiàn)列車(chē)換下的碳滑板（運(yùn)用已達(dá)到6個(gè)月）底面腐蝕分布情況與1號(hào)線(xiàn)類(lèi)似，但沒(méi)有1號(hào)線(xiàn)嚴(yán)重。

4 改善措施

由于受電弓碳滑板裂紋的產(chǎn)生主要涉及材質(zhì)疲勞強(qiáng)度、環(huán)境介質(zhì)、受力情況3個(gè)方面，針對(duì)性改善措施可從以下幾個(gè)方面考慮。

（1）材質(zhì)設(shè)計(jì)?？刹捎媚透g材料或疲勞強(qiáng)度更高材質(zhì)，或在表面增加保護(hù)層，進(jìn)行表面處理。

（2）運(yùn)用環(huán)境?？舍槍?duì)材質(zhì)腐蝕情況添加緩蝕劑或進(jìn)行電化學(xué)保護(hù)。

（3）運(yùn)用條件。減小正線(xiàn)沖擊頻率或沖擊能量。

由于弓網(wǎng)運(yùn)用在高速、大氣的環(huán)境條件下，受弓頭結(jié)構(gòu)限制在此方向?qū)崿F(xiàn)較為困難。受目前接觸網(wǎng)改造以及 A2、A3型車(chē)受電弓換型項(xiàng)目影響，弓網(wǎng)接觸造成的沖擊頻率短期內(nèi)很難減小。通過(guò)調(diào)整接觸網(wǎng)參數(shù)減小沖擊是可行的，但非車(chē)輛專(zhuān)業(yè)方面措施，這里不詳細(xì)展開(kāi)敘述。理論上說(shuō)，降低受電弓接觸力也能達(dá)到減弱沖擊的效果，但1號(hào)線(xiàn)曾進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)拉弧現(xiàn)象增多，又將帶來(lái)司機(jī)正線(xiàn)判斷的新問(wèn)題，所以，在運(yùn)用環(huán)境方面改進(jìn)也有實(shí)際操作的困難。由于在碳滑板底板位置已試驗(yàn)過(guò)采用導(dǎo)電膏（有一定防腐蝕作用，但仍然出現(xiàn)裂紋），綜合考慮選擇了從材質(zhì)設(shè)計(jì)方向著手，使用強(qiáng)度性能更優(yōu)的鋁托架材質(zhì)的碳滑板進(jìn)行裝車(chē)試驗(yàn)。目前已裝車(chē)超過(guò)80天，運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)2.5萬(wàn)km，裝車(chē)情況良好，預(yù)計(jì)可有效降低其裂紋發(fā)生數(shù)量。

[1] 涂建國(guó)，胡海麗，黃鳳，等. 受電弓拉桿斷裂原因分析[J]. 熱處理技術(shù)與裝備，2014，35（5）：30-33.

[2] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（失效分析和故障診斷）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

責(zé)任編輯 冒一平

Analysis on Cracks of Pantograph Carbon Skateboard of A2/A3Type Vehicles on Guangzhou Metro Line1

Fu Jun

Based on the analysis of macroscopic characteristics of pantograph carbon skateboard cracks of vehicles A2/A3on Guangzhou metro line1, further using the Ansys Workbench simulation platform, scanning electron microscopy method for detailed analysis of crack influence factors, the paper discuses the reason identified causing pantograph carbon skateboard cracks in the final chapter, and puts forward the improvement measures.

metro vehicles, pantograph, carbon skateboard, crack, corrosion fatigue

U264.3＋4

2016-03-06

傅駿（1986—），男，工程師