基于微動理論的整體吊弦損傷機理及優(yōu)化研究

蔣先國，古曉東，鄧 洪，張 琦，莫繼良

(1. 中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251；2. 西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

截至2018年年底，全國的鐵路營業(yè)里程達到13.1萬km，其中高速鐵路2.9萬km，占世界高速鐵路總量的66.3%。接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為鐵路供電系統(tǒng)的重要組成部分，其各個裝置的服役性能直接影響著列車的運行安全[1-3]。在接觸網(wǎng)系統(tǒng)的眾多零部件中，吊弦的服役性能對整個接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運營安全具有重要影響。近幾年多條線路發(fā)生了吊弦斷裂現(xiàn)象，為鐵路運行安全帶來巨大隱患。

我國高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)中普遍使用的是銅合金絞線壓接式整體吊弦，吊弦線是多股絞線纏繞結構，吊弦線與鉗壓管之間屬于緊配合，在壓接處存在微動行為[4-6]。通過對電氣化鐵路接觸網(wǎng)中的吊弦事故案例進行收集整理分析后發(fā)現(xiàn)，吊弦斷裂現(xiàn)象多發(fā)生在鉗壓管喇叭口附近。目前國內外學者對繩索類多股絞線結構微動損傷機理的研究較少。文獻[7]研究了鋼絲繩干態(tài)條件下的微動損傷，發(fā)現(xiàn)鋼絲繩最終斷裂是由外層鋼絲之間接觸應力較高導致的。文獻[8-9]對多股絞線纏繞結構進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)局部接觸載荷與外部載荷共同作用會促使微動裂紋的萌生與擴展。針對接觸網(wǎng)吊弦的特殊結構以及服役工況，其損傷失效機理的研究則鮮見報道。因此基于微動理論研究整體吊弦鉗壓管的壓接力、壓接方式等因素對提高整體吊弦服役可靠性具有重要意義。在對整體吊弦進行失效分析時普遍采用有限元手段或試驗手段[10-12]，為優(yōu)化其零部件結構提供基礎理論指導。

本文利用有限元計算手段對整體吊弦的損傷機理進行分析，進一步利用動態(tài)疲勞試驗探究吊弦線與鉗壓管之間的不同壓接形式、壓入量對吊弦彎曲微動疲勞壽命的影響，最終得出整體吊弦的失效是材料本身特性、表面損傷、微動疲勞等多重因素引起的綜合復雜問題。針對以上問題，提出新型整體吊弦，通過改進壓接結構和吊弦線耐疲勞性能提高整體吊弦性能。另外，改進了心形環(huán)的結構，避免與接觸線吊弦線夾之間摩擦傷線。

1 現(xiàn)有整體吊弦損傷機理有限元分析

1.1 有限元模型

利用有限元分析手段對整體吊弦的損傷機理進行分析，采用三維建模軟件Pro/E進行建模，后續(xù)導入有限元分析軟件ABAQUS中進行計算。由于我國高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)中普遍使用的是銅合金絞線壓接式整體吊弦，采用JTMH10絞線，絞接結構為7×7，單絲直徑0.5 mm，絞合后整繩直徑4.5 mm，絞接節(jié)距一般為43 mm。鉗壓管材質為T2銅，鉗壓管與吊弦線的壓接采用三點式壓接方式。為減少計算量，提高計算效率，對絞線模型進行適當簡化，將原有7×7根的絞線布局簡化為7×1的模型，有限元模型如圖1所示。

圖1 吊弦壓接模型

模型材料屬性參考現(xiàn)行的規(guī)范標準進行設置[13-15]。吊弦線和鉗壓管材料力學參數(shù)見表1。

表1 吊弦線和鉗壓管材料主要力學參數(shù)

1.2 有限元計算結果分析

有限元計算結果如圖2所示，其中圖2(a)為最終的壓接狀態(tài)，左右壓接模閉合。圖2(b)為去除壓接模后的狀態(tài)，可以看出在施加位移載荷后，鉗壓管受到較大的擠壓力，并產(chǎn)生嚴重的塑性變形。去除鉗壓管后的吊弦應力云圖如圖2(c)所示，可以看出左右壓接力通過鉗壓管的變形傳遞到吊弦線，導致與鉗壓管接觸的吊弦線部分產(chǎn)生較大的應力集中，部分發(fā)生塑性變形。

圖2 吊弦壓接過程應力云圖

選擇圖2(c)中所示的取點路徑，輸出該路徑下的應力值，得出鉗壓管壓接處的應力曲線，結果如圖3所示。可以看出由于鉗壓管塑性變形，造成吊弦線在其接觸的位置局部應力集中，其應力值峰值達到107 MPa，該值是其他區(qū)域的4倍左右，此時對于吊弦線來說已經(jīng)處于局部屈服狀態(tài)。通過圖4可以看出，在應力集中位置，吊弦線已經(jīng)發(fā)生了塑性變形。這說明吊弦線在服役前已經(jīng)存在初始損傷。

圖3 吊弦線壓接模型應力輸出

圖4 吊弦線壓接模型應變

2 基于微動理論的吊弦動態(tài)失效分析

2.1 微動疲勞失效理論

零部件在承受交變載荷時，其接觸表面間會發(fā)生振幅極小的相對運動(位移幅度一般為微米量級)，這種相對運動即為微動。微動疲勞損傷作為一種常見的失效形式，在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的失效案例較多，所引起的后果也較嚴重。

接觸網(wǎng)吊弦在服役時表面為靜止狀態(tài)，當存在外在載荷時其內部會發(fā)生微動疲勞現(xiàn)象，反復發(fā)生微動行為時疲勞極限降低，疲勞裂紋形成并擴展，極易發(fā)生疲勞斷裂，引發(fā)安全隱患。吊弦線與鉗壓管之間既有彎曲載荷也有拉壓載荷，該處的失效問題是彎曲微動疲勞與拉壓微動疲勞復合的復雜問題，如圖5所示。微動疲勞失效理論對于接觸網(wǎng)整體吊弦損傷機理的探究具有重要意義。

圖5 微動疲勞形式示意圖

2.2 試驗基本情況

通過對整體吊弦進行有限元分析后發(fā)現(xiàn)，整體吊弦鉗壓管的結構及壓接方式存在不合理處，鉗壓管在承受遠大于自身屈服強度的集中應力后發(fā)生塑性變形，對吊弦線產(chǎn)生擠壓，對吊弦線結構產(chǎn)生破壞。此種狀態(tài)直接影響到吊弦在后續(xù)工作時的服役壽命，降低其服役性能。本文進一步從動態(tài)試驗角度對吊弦的失效情況進行研究，主要研究吊弦線與鉗壓管之間的不同壓接形式、壓入量對吊弦彎曲微動疲勞壽命的影響。

試驗在自行搭建的吊弦疲勞試驗臺上進行，試驗臺上加載高精度吊弦微動疲勞試驗夾持裝置，如圖6所示。 圖6中左側部分作用主要是固定鉗壓管，中間部分的傳力桿通過與疲勞機上夾頭固定，可以左右移動，主要作用是給吊弦施加疲勞振幅。圖6中右側部分主要是利用彈簧和力傳感器來控制吊弦的預緊力，由吊弦疲勞試驗臺的上夾頭對吊弦施加疲勞交變載荷進行試驗，得到吊弦的循環(huán)周次。

圖6 吊弦微動疲勞夾持裝置裝配示意

試驗分別采用正向壓接和反向壓接兩種形式，并選取λ0=5.0 mm、λ1=4.8 mm、λ2=4.6 mm三種壓入量。具體壓接形式、壓入量和對應的吊弦編號如下：

①正向壓接型：壓入量為5.0 mm；

②正向壓接型：壓入量為4.8 mm；

③正向壓接型：壓入量為4.6 mm；

④反向壓接型：壓入量為5.0 mm；

⑤反向壓接型：壓入量為4.8 mm；

⑥反向壓接型：壓入量為4.6 mm。

每根吊弦采用相同的初始載荷，其中吊弦彎曲振幅為1.8 mm，靜載荷為1 kN，振動頻率為5 Hz。試驗時，鉗壓管位置距加載振動中心位置的距離為5 cm，如圖7所示(F0為固定鉗壓管的緊固力，d=5 cm，A=1.8 mm，F(xiàn)=1 kN)。

圖7 吊弦彎曲微動端加載示意圖

2.3 試驗結果分析

試驗結束后發(fā)現(xiàn)①號試驗吊弦和④號實驗吊弦發(fā)生斷裂，斷裂均發(fā)生在壓接磨損區(qū)，其余吊弦未發(fā)生斷裂現(xiàn)象。表2給出了不同試驗吊弦的循環(huán)周次。

表2 試驗吊弦微動疲勞實驗結果

從表2所示的已經(jīng)斷裂的①、④號試驗吊弦的循環(huán)周次結果可以看出，兩種不同壓接方式下吊弦的彎曲微動疲勞壽命相差較大，反向壓接的吊弦彎曲微動疲勞壽命明顯要比正向壓接方式吊弦要長。對比同種壓接方式下，不同壓入量大小的吊弦得到的循環(huán)周次結果可以看出，壓入量大的試驗吊弦，微動疲勞壽命相對較小。從斷裂位置看，斷裂均發(fā)生在試驗吊弦的壓接損傷區(qū)域內。吊弦微動損傷區(qū)示意圖如圖8和圖9所示。

圖8 正向壓接吊弦微動損傷區(qū)示意

圖9 反向壓接吊弦微動損傷區(qū)示意

將吊弦試件用電火花線切割機進行切割，在切割過程中盡量保護好吊弦的原始形態(tài)即組織結構，然后對切割下料的吊弦進行超聲清洗，用掃描電鏡觀察斷口形貌。 圖10為①號試驗吊弦疲勞試驗斷口形貌圖，圖11為④號試驗吊弦疲勞試驗斷口形貌圖。

圖10 ①號吊弦疲勞試驗斷口圖

圖11 ④號吊弦疲勞試驗斷口圖

由于吊弦自身構造原特點，吊弦銅絲之間互相接觸，再加上加載狀態(tài)下導致吊弦反復彎折，在掃描電鏡拍攝的斷口圖中，經(jīng)分析可能存在不止一個疲勞裂紋源。而由于吊弦線之間的微動磨損導致裂紋源在壓接處萌生，如圖12所示。引起吊弦銅絲開裂，當疲勞裂紋萌生后，開始進入疲勞裂紋擴展期。此時由于相互壓接力，使吊弦銅絲的截面積缺失，導致缺失截面處的應力增大，再加上施加的預緊力的作用，加速了疲勞裂紋的擴展。當疲勞裂紋達到斷裂區(qū)時，裂紋擴展發(fā)生失穩(wěn)，從而導致吊弦斷絲。觀察圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，斷口圖片右邊的裂紋源區(qū)出現(xiàn)在微動磨損區(qū)的邊緣，可能是由于微動損傷區(qū)的應力較大導致裂紋源在微動損傷區(qū)邊緣萌生。

圖12 微動磨損裂紋源區(qū)內裂紋的萌生

根據(jù)斷口圖所示，當壓入量過大時，吊弦的斷裂表現(xiàn)為明顯的疲勞斷裂特征，斷口可分為3個典型的區(qū)域，下面對這3個區(qū)域進行分析。

微動磨損源區(qū)(A區(qū))：在吊弦的彎曲微動疲勞試驗中，吊弦中銅絲的相互磨損使吊弦銅絲表面產(chǎn)生缺陷，這些表面缺陷，導致銅絲表面應力集中，進而導致裂紋的萌生。裂紋萌生后，裂紋經(jīng)歷較為緩慢的擴展過程，在這個過程中，吊弦經(jīng)歷高周次的應力循環(huán)，裂紋經(jīng)過反復的閉合和張開過程，緩慢地向內部擴展。

疲勞裂紋擴展區(qū)(B區(qū))：疲勞裂紋擴展區(qū)是疲勞裂紋的亞臨界區(qū)，是疲勞斷口上最重要的特征區(qū)域。對疲勞擴展區(qū)進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)疲勞貝紋線和疲勞臺階，如圖13所示。疲勞貝紋線是疲勞斷口宏觀形貌的基本特征。它是以疲勞源為中心，與裂紋擴展方向垂直的呈半圓形或者扇形的弧形線。疲勞貝紋線是裂紋擴展過程中，其頂端的應力大小或者狀態(tài)發(fā)生變化時，在斷面上留下的塑性變形的痕跡。對于光滑試樣，疲勞貝紋線的圓心一般指向疲勞源區(qū)。當疲勞裂紋擴展到一定程度時，也可能出現(xiàn)疲勞貝紋線的轉向現(xiàn)象，當試樣表面有尖銳缺口時，疲勞貝紋線的圓心指向疲勞源區(qū)的相反方向。疲勞貝紋線的數(shù)量(密度)主要取決于加載情況。啟動和停機或載荷發(fā)生較大變化，均可留下疲勞弧線。疲勞貝紋線的清晰度不僅與材料的性質有關而且與介質情況、溫度條件等有關。材料的塑性好，溫度高，有腐蝕介質存在時，則弧線清晰。材料的塑性低或者裂紋擴展速度快，以及斷口斷裂后受到污染和不當清洗等，都難以在斷口上觀察到清晰的疲勞貝紋線。疲勞臺階為疲勞斷口上的另一基本特征。一次疲勞臺階出現(xiàn)在疲勞源區(qū)，二次臺階出現(xiàn)在疲勞裂紋擴展區(qū)，它指明了疲勞裂紋的擴展方向，并與疲勞弧線相垂直，呈輻射狀。

圖13 疲勞區(qū)的疲勞弧線和疲勞臺階

瞬時斷裂區(qū)(C區(qū))：即快速靜斷區(qū)。當疲勞裂紋擴展到一定尺寸時，構件的有效承載面受不了當時的載荷而發(fā)生的快速斷裂。斷口平面基本與主應力方向垂直，為微孔聚集型斷裂。

2.4 整體吊弦損傷機理分析結論

經(jīng)過有限元計算分析以及動態(tài)疲勞試驗分析后得出，整體吊弦的失效是材料本身特性、表面損傷、微動疲勞等多重因素引起的綜合復雜問題。三點齒形壓接處有非常明顯的過量壓痕損傷特征，吊弦的斷絲、斷股是由于微動磨損和疲勞斷裂共同造成的。微動磨損在吊弦的斷裂中起較大作用，在初期微動磨損導致裂紋源在微動磨損處萌生，引起吊弦銅絲開裂；當疲勞裂紋萌生后，吊弦銅絲便進入疲勞裂紋擴展期。由于磨損使吊弦銅絲的截面積缺失，導致應力增大，加速了疲勞裂紋的擴展，當疲勞裂紋擴展到斷裂區(qū)時，裂紋擴展發(fā)生失穩(wěn)，進而導致斷裂。

3 新型整體吊弦優(yōu)化方式

綜上有限元計算分析以及動態(tài)疲勞試驗分析，整體吊弦的改進應從以下幾方面入手：

(1)提出改進壓接方式，分別為“8”字形斷面壓接和橢圓形斷面壓接。

(2)提高絞線耐疲勞性能。

(3)改進心形環(huán)結構，縮小心形環(huán)半徑，避免心形環(huán)頂部絞線與接觸線定位線夾的磨損；優(yōu)化心形環(huán)工藝，避免制造過程中產(chǎn)生的微裂紋。

3.1 “8”字形斷面壓接

“8”字形斷面壓接吊弦結構如圖14所示。

圖14 “8”字形斷面壓接整體吊弦

如圖14所示，壓接處的雙孔管作為整體吊弦的壓接零件，將壓接模、雙孔管、吊弦線構成一組壓接關系，用加力均勻、具有壓接力顯示和壓接力狀態(tài)監(jiān)控的壓接機，做出管-線壓接力狀態(tài)曲線，確定出吊弦線的無損壓接區(qū)域，用吊弦線高周期疲勞許用力作為滑動荷重，找出對應的壓接力，以此為上限控制壓力，通過對壓接狀態(tài)的監(jiān)控，完成壓接過程。用該方法和工藝制作的吊弦，不會損傷吊弦線的單絲，壓接后各股之間保持正常的絞合狀態(tài)，受力均勻一致。

采用這種壓接方式，雙孔管中間的圓弧隔層將吊弦主線和副線隔開，填充兩根整體吊弦線之間的縫隙，阻止兩條吊弦線之間壓接時的徑向變形。同時在壓接過程中使用加力均勻、具有壓接力顯示和壓接力狀態(tài)監(jiān)控的壓接機，用不超過整體吊弦線無損壓接區(qū)域的上限控制壓力，在對壓接力狀態(tài)的監(jiān)控下，使壓接力上限控制壓力，完成壓接，既不損傷吊弦線的單絲，也不破壞吊弦線的絞合狀態(tài)。因此，“8”字形壓接消除了原鉗壓管和三點壓接方式下，吊弦線因單牙壓接處變形過大，各股受力不均及附加彎矩，過早出現(xiàn)斷絲、斷股、斷線的問題，提高了整體吊弦的工作壽命。

3.2 橢圓形斷面壓接

橢圓形斷面壓接示意圖如圖15所示。采用該壓接方法，壓接管模具為橢圓形，在壓接處形成一個橢圓形的縮頸，吊弦線相互有序排列，單絲單股受損??；同時由于壓接時接觸面積為帶狀，壓接時，絞線軸向同時均勻受力，變形量小，應力分散，壓接斷面處絞線分布緊密，避免絞線散股；壓接處壓接管橢圓形狀規(guī)則，絞線壓接后損傷可控制在5%以內。

圖15 橢圓形斷面壓接圖

3.3 新型耐疲勞吊弦線

除了改進壓接方式外，研究了新型耐疲勞吊弦線，能夠提高絞線耐疲勞性能，按照細線生產(chǎn)工藝生產(chǎn)，從熔煉、上引、拉拔、絞合等環(huán)節(jié)均采用全新的先進制備工藝，與現(xiàn)有傳統(tǒng)的吊弦線相比，消除了傳統(tǒng)吊弦線的不足，具有更高的強度及耐疲勞特性，通過對各種吊弦線進行試驗分析(主要試驗參數(shù)：拉斷力≥6.5 kN；單絲延伸率≥1%)，得出反復彎曲次數(shù)見表3。結果顯示新型耐疲勞吊弦線疲勞壽命明顯提高，提高了整體吊弦安全可靠性。并且線材表面進行特殊處理不僅能有效抵抗電流腐蝕，還可適用于隧道-工業(yè)區(qū)-沿海等腐蝕較嚴重區(qū)段使用。

表3 吊弦彎曲次數(shù)

3.4 心形環(huán)改進

在改進心形環(huán)結構方面，研究得出一種改進后的心形環(huán)，新舊心形環(huán)的結構如圖16所示。新型心形環(huán)的直徑尺寸減少5mm，可形成有效約束，能夠有效減少吊弦線與吊弦線夾頂部相互撞擊、磨損等現(xiàn)象；同時略微增加板厚，能夠有效提高抗彎強度(交變疲勞試驗可達200萬次不斷裂)；采用新的生產(chǎn)工藝，非簡單沖壓辦法(交變疲勞試驗可達200萬次不斷裂)。

圖16 心形環(huán)改進前后對照圖

4 結論

利用有限元計算手段對整體吊弦的損傷機理進行分析，利用動態(tài)疲勞試驗探究吊弦線與鉗壓管之間的不同壓接形式、壓入量對吊弦彎曲微動疲勞壽命的影響，針對以上問題，提出了能夠增加疲勞壽命的新型整體吊弦。

(1)吊弦的斷絲、斷股是由于微動磨損和疲勞斷裂共同造成的，其中微動磨損在吊弦的斷裂中起到較大作用，初期微動磨損導致裂紋源在微動磨損處萌生，引起吊弦絲開裂；當疲勞裂紋萌生后，吊弦銅絲便進入疲勞裂紋擴展期。由于磨損使吊弦銅絲的截面積缺失，導致應力增大，加速了疲勞裂紋的擴展，當疲勞裂紋擴展到斷裂區(qū)時，裂紋擴展發(fā)生失穩(wěn)，進而導致斷裂。

(2)通過改進壓接結構和吊弦線耐疲勞性能提高整體吊弦性能。另外，改進了心形環(huán)的結構，避免與接觸線吊弦線夾之間摩擦傷線。本研究能夠從源頭上提升設計、施工、制造和運維質量，降低零部件失效概率，提高耐久性和可靠性。