高鐵用整體吊弦線體斷裂原因分析*

陳時光， 王忠誠， 王凱強， 孟翔宇， 張建華

(1 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室(山東大學(xué))， 濟南 250061；2 機械工程國家級實驗教學(xué)示范中心(山東大學(xué))， 濟南 250061)

整體吊弦是高鐵接觸網(wǎng)承力索重要組成部件之一，起著承載力和載流的雙重作用。銅鎂合金絞線JTMH10整體吊弦是目前我國高速鐵路接觸網(wǎng)中普遍采用的吊弦型號[1-2]，由49根吊弦線采用7X7結(jié)構(gòu)絞合而成，具有高強度、高導(dǎo)電性能和抗高溫軟化的性能。然而近年來，隨著我國高鐵運營里程的增加、列車速度的提升、吊弦安裝使用環(huán)境的復(fù)雜多變，整體吊弦發(fā)生斷裂失效的現(xiàn)象增多。

楊廣英和趙戈紅[3-4]等在既有吊弦的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料選用、受力條件等方面對吊弦斷裂原因進(jìn)行了宏觀分析，認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改進(jìn)壓接工藝是提高吊弦使用壽命的主要方法；王偉[5]從工作狀態(tài)下吊弦的整體形態(tài)出發(fā)，通過對吊弦的動態(tài)特性分析，得出了吊弦負(fù)載、接觸線張力、列車運行速度等因素對吊弦疲勞壽命影響的規(guī)律；張寶奇[6]則通過統(tǒng)計分析、宏觀觀察等方式提出電氣原因?qū)Φ跸覕嗔训目赡苄杂绊?。魯敏等人[7]認(rèn)為吊弦斷裂的主要原因是由于現(xiàn)有的壓接方式對吊弦造成的損壞，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一種新型吊弦?，F(xiàn)有研究，是以宏觀觀察分析的方法，對導(dǎo)致吊弦斷裂的部分因素進(jìn)行了分析，存在研究方法單一，綜合性研究不夠深入等問題，同時也尚未給出電氣化原因?qū)е碌跸揖€體斷裂的直接證據(jù)。

以整體吊弦靜力學(xué)仿真分析、斷口形貌觀察、化學(xué)成分檢驗等方法，對使用過程中整體吊弦的斷裂原因進(jìn)行了綜合性觀察與試驗，給出了電流作用對吊弦斷裂影響的證據(jù)，對整體吊弦的改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗方法

取京廣高鐵線路已失效的JTMH10銅鎂合金絞線吊弦為研究對象，取多條同類型已失效吊弦為試驗材料，對斷口及吊弦整體進(jìn)行宏觀分析和機理分析。

2 吊弦斷裂現(xiàn)象

通過對多條失效吊弦斷裂情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)吊弦斷裂失效形式主要表現(xiàn)為3種形式，如圖1所示。

(1) 吊弦線與鉗壓管處發(fā)生斷絲、斷股或全斷，如圖1(a)。

(2) 心型環(huán)處吊弦線發(fā)生斷絲。

(3) 吊弦線中間位置發(fā)生鼓包、斷絲現(xiàn)象，如圖1(b)。

圖1 吊弦線斷裂位置

3 機理分析

3.1 吊弦線與其他零部件間應(yīng)力集中及摩擦磨損

根據(jù)吊弦斷裂情況分析結(jié)果，吊弦線在鉗壓管、心型護環(huán)處容易發(fā)生斷絲、斷股或全斷的情況。整體吊弦如圖2所示，鉗壓管與線體采用犬牙式3點壓接方式，且采用手工壓接，壓接力不可控。壓接處，鉗壓管與吊弦線點接觸，產(chǎn)生應(yīng)力集中，對吊弦線造成一定程度的損壞。

3點壓接方式要求在鉗壓管上有3處壓痕，最外側(cè)壓痕與鉗壓管邊緣保持5 mm的距離，此種壓接會在鉗壓管兩端形成外翻喇叭口式形式，吊弦線與鉗壓管管口形成面接觸，緩解了其振擺情況下的彎折；當(dāng)該處壓接不滿足5 mm距離時，未形成外翻喇叭口，造成吊弦線本線與鉗壓管管口發(fā)生點接觸現(xiàn)象。當(dāng)列車運行時，接觸網(wǎng)振動，線索彎折致使線體與鉗壓管端口處反復(fù)摩擦接觸，加劇其磨損折斷速度。

3.2 吊弦線體內(nèi)部應(yīng)力集中與摩擦磨損

根據(jù)鋼絲繩建模原理，利用Pro/E構(gòu)建吊弦芯股模型，并利用ANSYS Workbench對吊弦進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。查閱TB/T 3111-2009電氣化鐵道用銅及銅合金絞線，吊弦線的主要參數(shù)如表1。

圖2 A型整體吊弦示意圖

表1 吊弦線主要物理參數(shù)

對模型一端所有圓端面施加固定約束，另一端所有圓端面施加背離有限元模型軸向拉力120 N，求解得吊弦線模型等效應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 吊弦芯股模型等效應(yīng)力分布圖

靜力學(xué)仿真分析結(jié)果顯示，截面處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中最大應(yīng)力發(fā)生在側(cè)絲與芯絲接觸位置。側(cè)絲與周邊股線接觸處應(yīng)力較為集中，疲勞裂紋的萌生壽命較短，接觸處易萌生裂紋。

以德州東到濟南西高鐵段使用過的吊弦為試驗材料，超聲清洗后取單股吊弦線在VHX-600E大景深三維顯微系統(tǒng)利用不同的放大倍數(shù)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。

從吊弦線側(cè)向形貌可見明顯的擠壓變形及損傷，吊弦線股與股之間、絲與絲之間應(yīng)力集中，摩擦磨損現(xiàn)象比較嚴(yán)重。由此說明，吊弦線沒有發(fā)生斷裂的部位也存在著較多因應(yīng)力集中而造成的損傷，觀察結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

圖4 單股吊弦線宏觀形貌

3.3 低周疲勞斷裂

取失效吊弦斷口為樣品，超聲清洗后在SUPRA 55熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷口處拉斷韌窩區(qū)域有較多疲勞裂紋存在，呈河流狀向外擴展。如圖5所示。

TB/T 2073-2010 對接觸網(wǎng)零部件振動試驗中振幅的規(guī)定為±35 mm，振動次數(shù)為 200 萬次。通過實地調(diào)研觀察分析，實際運營的高速鐵路由于受施工質(zhì)量、路基沉降、機車風(fēng)載、雙弓諧振等因素影響，接觸網(wǎng)振幅遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。列車通過時受電弓對整體吊弦造成的正抬升量約為60 mm，甚至達(dá)到180 mm，負(fù)抬升量約20 mm，吊弦振擺20余次，年振擺量累計達(dá)100萬次以上，而且會持續(xù)一定的振動周期才逐漸衰減。這種低周振動，加速了吊弦的疲勞失效[8]。在受電弓抬升力的作用下，吊弦很容易產(chǎn)生振動，振動的頻率越高、振幅越大，導(dǎo)線越易疲勞，壽命也就越短。在列車通過時吊弦產(chǎn)生溫升。由于吊弦在循環(huán)變化的載荷或隨機載荷作用下工作，疲勞成為其失效的重要原因。

圖5 失效吊弦斷口處5 000X形貌

3.4 電致塑性效應(yīng)和受力拉伸

通過對斷口形貌的微觀分析發(fā)現(xiàn)，部分吊弦絲斷裂處并不完全是典型的杯錐狀拉斷斷口形貌，而是存在一定程度的熔融痕跡。如圖6所示，在VHX-600E大景深三維顯微系統(tǒng)下對斷口進(jìn)行觀察，吊弦絲斷面外圍有光澤，有熔珠出現(xiàn)，端口有輕微頸縮現(xiàn)象。在SUPRA 55熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察并做能譜分析，該處呈現(xiàn)不規(guī)則細(xì)小顆粒狀，有電流灼熱疤痕跡象，如圖7所示。圖8是圖7框選區(qū)域(Spectrum 1)的成分分析譜圖，發(fā)現(xiàn)在該處端口處，除材料本身的Cu、Mg元素外，還伴有大量的氧元素，在材料中以氧化物的形式出現(xiàn)。

圖6 失效吊弦斷口20X形貌

吊弦絲經(jīng)過冷拔成型的加工工藝，線體表層晶粒細(xì)化，形成超細(xì)晶組織，其塑性降低[9]。通電后，隨著電流密度的增加，流動應(yīng)力下降，小晶粒尺寸銅合金的抗拉強度和屈服強度下降。電致塑性效應(yīng)改變了常態(tài)下銅合金導(dǎo)線的材料性能[10]。

圖7 斷口邊緣處5 000X形貌

圖8 斷口邊緣處成分分析譜圖Spectrum 1

列車經(jīng)過時，接觸網(wǎng)發(fā)生振動，吊弦起著載流和承載力的雙重作用。在反復(fù)載荷和電流的作用下，線體高溫軟化，產(chǎn)生塑性變形，拉伸處逐漸變細(xì)。線體表層和心部的力學(xué)性能差異使得變形發(fā)生不協(xié)調(diào)，塑性較差的表層優(yōu)先開裂，線體在垂直于拉伸方向產(chǎn)生微細(xì)裂紋，并作為裂紋源向線體中心擴展。大密度電流作用下，線體從表層裂紋處發(fā)生放電熔融，并產(chǎn)生氧化物，最終斷裂區(qū)不斷擴大，頸縮現(xiàn)象變得不明顯。線體韌性降低，脆性提高，當(dāng)載荷超過吊弦的最大承受力時，線體由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)化。

3.5 環(huán)境腐蝕

通過對舊吊弦的觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂吊弦線的表面和部分?jǐn)嗫诰噬詈谏?，具有較為明顯的腐蝕特征。將舊吊弦超聲清洗、鑲嵌、磨拋后在SUPRA 55熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。如圖9所示：吊弦橫截面邊緣處多孔，出現(xiàn)多處麻點、多孔、質(zhì)地疏松。對圖9框選區(qū)域(Spectrum 2)進(jìn)行成分分析，如圖10所示：該區(qū)域除基本元素外，還有較高含量的O元素及高腐蝕性介質(zhì)成分S、Cl。

我國幅員遼闊，高鐵里程長，吊弦使用過程中首環(huán)境影響較大，特別是高原、沿海及重污染區(qū)域，空氣中的S、O、Cl等腐蝕性物質(zhì)會對吊弦線進(jìn)行銹蝕，形成導(dǎo)電性能差、韌性低的金屬腐蝕性產(chǎn)物。影響了吊弦線的柔韌性，降低其抗疲勞能力，縮短吊弦的使用年限。

圖9 舊吊弦橫截面形貌

圖10 舊吊弦橫截面邊緣成分分析譜圖 Spectrum 2

3.6 材料缺陷

取失效吊弦超聲清洗、鑲嵌、磨拋后，在SUPRA 55熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡下進(jìn)行取樣，圖11所示。從線體橫截面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)線體內(nèi)部存在凹陷，形狀不規(guī)則，長度在10～20 μm之間。

圖11 吊弦線內(nèi)部缺陷形貌

對圖11中框選區(qū)域(Spectrum 3)進(jìn)行成分分析，并與材料正常部分圖12(b)(Spectrum 4)進(jìn)行對比。如圖12(a)所示，該處有較高含量的S、O元素。在吊弦生產(chǎn)過程中，外來的非金屬雜質(zhì)進(jìn)入到合金內(nèi)部，并以Cu2O、 CuS的形式出現(xiàn)，有害的雜質(zhì)元素形成的低熔點或硬而脆的雜質(zhì)將嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能[11]，從而降低吊弦的使用壽命。

圖12 吊弦線內(nèi)部缺陷成分分析譜圖

4 結(jié) 論

通過對失效前后整體吊弦進(jìn)行宏觀觀察與機理分析，得知應(yīng)力集中、摩擦磨損、低周疲勞、電致塑性效應(yīng)、受力拉伸、環(huán)境腐蝕、材料本身缺陷等因素對吊弦線體斷裂造成的影響。各因素之間相互影響、相互作用，最終導(dǎo)致整體吊弦線體的斷裂。

(1)吊弦線體和其他零部件之間的應(yīng)力集中與摩擦磨損，是吊弦線體發(fā)生斷絲、斷股的主要原因。

(2)列車運行時對吊弦產(chǎn)生的振動和載荷沖擊，是吊弦發(fā)生低周疲勞的誘導(dǎo)因素，致使吊弦線體疲勞，產(chǎn)生疲勞裂紋并向周圍延伸。

(3)環(huán)境對吊弦線體表層的腐蝕，一方面降低了吊弦本身的抗疲勞性能，另一方面減少了吊弦的橫截面積，從而使電流密度增加。

(4)高密度的電流強度使銅鎂合金絞線的電致塑性效應(yīng)增強，線體韌性降低，脆性提高，承載能力降低。