吊弦鉗壓管處損傷仿真分析與實驗研究

王玉生， 吳文江， 李燦陽， 牟觀匯， 孫洪勇

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

接觸網(wǎng)是鐵路列車供電系統(tǒng)的重要組成部分[1]，高速行駛的列車通過受電弓與接觸網(wǎng)不間斷接觸以達(dá)到穩(wěn)定的受流狀態(tài)，吊弦在接觸網(wǎng)中除能減緩受電弓對接觸網(wǎng)的沖擊作用外，還承擔(dān)著受電弓取流過程中接觸網(wǎng)電流再分配的任務(wù)。吊弦一旦斷裂，將導(dǎo)致局部接觸線發(fā)生垮塌變形，破壞受電弓取流質(zhì)量，嚴(yán)重影響列車的安全運(yùn)行[2]。從石家莊供電段吊弦問題總結(jié)分析報告中發(fā)現(xiàn)：京廣、石太等高鐵接觸網(wǎng)在運(yùn)行中均有吊弦斷絲、開股、斷裂現(xiàn)象發(fā)生。按損傷部位統(tǒng)計，大部分發(fā)生在鉗壓管處。因此，研究鉗壓管處吊弦斷裂的機(jī)理，對改進(jìn)整體吊弦的性能和可靠性，從而保障高速鐵路供電及行駛安全具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對吊弦斷裂的原因進(jìn)行了多方面的分析研究。但研究方式主要局限于有限元軟件，對整體吊弦仿真分析和結(jié)合吊弦服役工況及等效載荷，對吊弦進(jìn)行疲勞試驗實測等。目前，對吊弦斷裂研究主要集中在吊弦斷裂的力學(xué)因素方面，忽視了電流因素在吊弦斷裂過程中參與的影響，承載電流引起的電致塑效應(yīng)對吊弦壽命的影響已經(jīng)不可忽視，但該方面研究文獻(xiàn)較為稀少。

通過建立吊弦鉗壓管處模型，結(jié)合力-電耦合實驗,利用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜分析儀(EDS)對吊弦斷口形貌和成分進(jìn)行分析,通過金相組織觀察對比等試驗手段，系統(tǒng)研究吊弦斷裂過程中力學(xué)特性和電流因素的作用機(jī)理和影響，并提出解決問題的優(yōu)化方案。

1 數(shù)學(xué)建模

1.1 有限元模型

為驗證鉗壓管塑性變形，吊弦線所承受的局部應(yīng)力對整體吊弦彎曲疲勞壽命的影響和規(guī)律,建立吊弦鉗壓管模型如圖1所示，吊弦線和鉗壓管仿真參數(shù)見表1。

圖1 整體吊弦鉗壓管壓接模型

表1 仿真參數(shù)

1.2 有限元計算結(jié)果分析

有限元模型計算結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為壓接模具完全閉合時的狀態(tài)；圖2(b)為去除模具后鉗壓管受力狀態(tài)，從圖2中可以看到，鉗壓管在壓接模具作用下發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形；圖2(c)為去除鉗壓管后的吊弦線應(yīng)力云圖，由圖2可知,與鉗壓管接觸的吊弦線產(chǎn)生了很大的應(yīng)力集中，部分發(fā)生了塑性變形；由圖2(d)可知，在鉗壓管接觸處的吊弦線應(yīng)力峰值達(dá)到107 MPa，超出了材料屈服強(qiáng)度90 MPa的18.9%，對于吊弦線來說已經(jīng)處于局部屈服狀態(tài)[3]。

圖2 有限元應(yīng)力計算結(jié)果

由于吊弦線是絞接環(huán)繞制成的，在應(yīng)力集中位置，吊弦線已經(jīng)發(fā)生了塑性變形。吊弦線的股與股之間、絲與絲之間發(fā)生十分微小的位移和滑動，致使吊弦線內(nèi)部線體發(fā)生損傷。這就說明吊弦線在服役前的壓接過程中就已經(jīng)有了初始損傷，初步認(rèn)為吊弦斷裂的直接原因是鉗壓管處塑性變形產(chǎn)生的局部應(yīng)力導(dǎo)致接觸表面銅線斷裂。

2 吊弦承載電流分析

由于鐵路供電方式普遍采用交流式，所以當(dāng)交流電通入導(dǎo)體后，其內(nèi)部的電流并不均勻分布，主要集中在導(dǎo)體表面，這種現(xiàn)象會使導(dǎo)體電阻相比于理論值更大。集膚效應(yīng)可以準(zhǔn)確反映導(dǎo)線材料的真實阻值，可采用聶曼公式對吊弦線的等效電阻進(jìn)行求解。

非鐵磁質(zhì)導(dǎo)線的單位長有效電阻為

(1)

鐵磁質(zhì)導(dǎo)線的單位長有效電阻為

(2)

式中，R0為導(dǎo)線半徑；p為導(dǎo)線周長；ρ為材料電阻率；f為電流頻率；μ為材料相對磁導(dǎo)系數(shù)；kr為多股絞線修正系數(shù)，絞線kr=1.59，非絞線kr=1。

由式(1)、式(2)可以看出，電流頻率越高，導(dǎo)線面積越小，導(dǎo)線材料磁導(dǎo)系數(shù)越大，所以接觸網(wǎng)中吊弦承載電流再分配的能力不可忽視。

吊弦的承載電流由牽引變電所流經(jīng)饋線進(jìn)入接觸網(wǎng)[4]，在忽略阻抗的理想情況下，饋線中電流可以等效為接觸線的輸入電流，圖3為某供電段2條饋線的電流監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以看作接觸線的輸入電流。

圖3 不同饋線電流實測數(shù)據(jù)

對饋線電流監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：流經(jīng)饋線的電流波動強(qiáng)烈，短時間內(nèi)出現(xiàn)多次大電流，瞬時電流最大峰值超過1 000 A，超出了吊弦允許通過的最大持續(xù)電流，從而判斷在受電弓取流過程中，吊弦發(fā)生了電流短時過載，這將引起吊弦燒損斷裂的可能。推測吊弦斷裂次要原因是電流過載、環(huán)境腐蝕等。因此設(shè)計相關(guān)試驗，進(jìn)一步分析力-電耦合工況下電流因素的斷裂機(jī)理。

3 實驗研究

3.1 實驗原理介紹

結(jié)合整體吊弦實際服役的工況，通過力-電耦合實驗，采用掃描電子顯微鏡(SEM)、成分能譜分析儀(EDS)對測試吊弦斷口形貌和成分進(jìn)行觀察，分析金相組織的晶粒狀態(tài)、晶體缺陷等微觀組織結(jié)構(gòu)。與理論相結(jié)合，探究吊弦加工后的原始組織形態(tài)及實際服役后吊弦的微觀組織變化，對電流參與吊弦斷裂過程的實際作用進(jìn)行定量分析，并根據(jù)疲勞斷裂機(jī)理、塑性變形、電致塑效應(yīng)理論，對吊弦在不同服役狀態(tài)下斷裂機(jī)理進(jìn)行分析研究。具體實驗流程如下：

(1)通電吊弦疲勞彎曲實驗。將待測吊弦安裝在課題組自制疲勞實驗臺上，吊弦上端與下端進(jìn)行絕緣處理，然后對吊弦施加額定電流和疲勞載荷，通過施加砝碼質(zhì)量調(diào)節(jié)吊弦的動態(tài)沖擊載荷作用。電動機(jī)帶動止推桿使接觸線和吊弦一起加速向上運(yùn)動過程中，吊弦則受到砝碼的沖擊載荷作用，進(jìn)而模擬實際整體吊弦沖擊力。在吊弦與疲勞載荷裝置安裝完畢后，參照GB/T 32578—2016及TB/T 2074—2010調(diào)試實驗參數(shù)。對2、3組吊弦進(jìn)行50萬次彎曲疲勞測試，以便真實模擬吊弦在實際服役工況下所受的彎曲疲勞損傷。多組吊弦編號參數(shù)如表2所示。

表2 待測吊弦參數(shù)

(2)單股吊弦拉斷實驗。按有限元計算結(jié)果，考慮吊弦各單股受力的不均勻性。由于壓接側(cè)單絲和中間單絲相比要承受較大的應(yīng)力，因此本實驗取外側(cè)絲為研究對象。取下疲勞試驗臺上的多組吊弦，沿鉗壓管中間位置剪開，從整根吊弦外側(cè)絲取出一股吊弦線，利用改變電流大小的方式，對吊弦進(jìn)行通電條件下的拉伸實驗。取吊弦受電流量為512.00 A，吊弦由49股旋扭而成，其中一股電流強(qiáng)度約為10.45 A。因此，取電流10、11、13、15 A 4種情況作為實驗組[5]，無電流情況作為對照組，對吊弦進(jìn)行力-電耦合拉伸實驗。對多次實驗數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行統(tǒng)計：得到電流-抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線圖4(a)。為研究低電流引起的電致塑效應(yīng)對吊弦疲勞壽命的影響，做相應(yīng)的拉斷實驗。多次實驗后對拉斷力取平均值，得到時間-拉斷力關(guān)系曲線圖4(b)。

圖4 力-電耦合拉伸關(guān)系圖

(3)SEM、EDS觀察斷口形貌和成分。將X射線能譜分析儀(EDS)設(shè)備安裝在SEM上，進(jìn)一步探究斷裂線體表面覆蓋物成分等信息,如圖5所示。SEM鏡頭景深大，圖像更有立體感，便于觀察粗糙不平的吊弦斷口相貌、分析吊弦在實際服役情況下的失效形式[6]。將分組拉斷實驗后的吊弦試樣均距離斷口10 mm處進(jìn)行裁剪，如圖6所示，用酒精清洗并用導(dǎo)電膠豎直粘在試樣載物臺上完成制備。SEM觀察結(jié)果如圖7～圖9所示。EDS觀察結(jié)果如圖10所示。

圖5 日立HITACHI SU8010冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡

圖6 吊弦試樣

圖7 全新吊弦SEM形貌

圖8 服役未通電吊弦SEM形貌

圖9 服役通電SEM吊弦形貌

圖10 EDS能譜分析圖

(4)金相觀察實驗。將測試吊弦拆解成單股絲并校直，取非斷裂處15 mm的股絲，使用冷凝樹脂粉在熱鑲嵌儀上對每個樣本進(jìn)行鑲嵌，并進(jìn)行研磨拋光、腐蝕清洗，最終制成樣本如圖11所示。將樣本放到金相顯微鏡下觀察，3種不同狀態(tài)吊弦試樣的微觀組織如圖12所示。

圖11 金相組織樣本

圖12 金相組織微觀圖

3.2 實驗結(jié)果分析

(1)多組拉斷實驗過程中，單股吊弦線斷裂的位置均為鉗壓管壓接處，說明局部應(yīng)力對整體吊弦的疲勞損傷是不可避免的。通過外側(cè)絲拉力變化對比曲線圖4(a)可知，在沒有電流通過吊弦時，吊弦抗拉強(qiáng)度最高，約為632.9 MPa。電流通入早期，吊弦抗拉強(qiáng)度下降速度較為平緩。電流為10 A的情況下，吊弦的抗拉強(qiáng)度發(fā)生顯著下降，下降幅值約為22.9%。電流增加至11 A的情況下，吊弦的抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步降低，下降幅值約為28.5%。當(dāng)電流為13 A時，吊弦抗拉強(qiáng)度劇烈下降，幅值約為63.4%。當(dāng)電流值為15 A時，吊弦抗拉強(qiáng)度降至最小值88.07 MPa，下降幅值約為86.08%。由圖4(b)可知，低電流條件下，多組通電全新單股吊弦的最大拉斷力大于不通電全新單股吊弦和服役過的吊弦最大拉斷力。實驗結(jié)果表明通入一定時長的低電流后，吊弦的抗拉強(qiáng)度和抵抗變形的能力都將變強(qiáng)。

(2)SEM掃描結(jié)果和全新吊弦掃描圖對比。服役吊弦斷口附近表面腐蝕程度相對較輕，表面存在橫向開裂及凹痕；通電吊弦斷口附近有不規(guī)則且分布不均勻的泥狀熔融物，熔融物表面存在細(xì)小的龜裂紋，融化區(qū)局部存在融化黏連情況，小顆粒狀的痕跡熔結(jié)成大量連續(xù)波浪形痕跡，表面有明顯的礁石狀痕跡，表明吊弦斷裂過程中存在電流過載，并引發(fā)局部高溫現(xiàn)象，斷口一側(cè)存在疲勞條帶樣式的花紋，并且有明顯的疲勞臺階現(xiàn)象，整體表現(xiàn)出一定的方向性。從成分能譜分析結(jié)果可以看出，除機(jī)體Cu元素外，還有較高含量的O和高腐蝕性元素S、Cl。腐蝕現(xiàn)象發(fā)生的原因是電流過載過程中大量自由電子涌入促進(jìn)了吊弦與S、Cl等元素發(fā)生氧化還原反應(yīng)，可以通過噴涂絕緣漆隔絕空氣中的S、Cl等腐蝕介質(zhì)環(huán)境。斷裂主要是電流過載及疲勞破壞所引起的，可以通過提高吊弦材料的載流量降低電致塑效應(yīng)對吊弦疲勞壽命的影響。

(3)通過金相組織觀察可得，全新吊弦的金相如圖12(a)所示，可看出吊弦經(jīng)過冷拔處理工藝制成，顯微組織由單相α固溶體相組成，強(qiáng)烈的塑性變形導(dǎo)致銅的晶粒被拉長，原來的等軸晶粒被沿著變形方向拉長，呈纖維狀破碎晶粒組織，具有明顯的方向性，且晶粒大小均勻、組織干凈。圖12(b)為服役未通電的吊弦金相，顯微組織晶粒纖維狀明顯，但局部有少數(shù)較大不規(guī)則多邊形晶粒出現(xiàn)。圖12(c)為服役通電吊弦的金相，規(guī)則粗大的晶粒明顯增多，纖維化的組織減少，晶粒的方向性減弱，即吊弦內(nèi)部晶粒組織發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大[7]。

4 結(jié)論

(1)鉗壓管塑性變形引發(fā)的吊弦線局部應(yīng)力是不可避免的，接觸處銅線應(yīng)力數(shù)值減弱，最終導(dǎo)致吊弦線斷裂。可以通過改變鉗壓管壓接裝置，使其精確控制鉗壓管的壓入量,壓接方式盡可能使中心銅線受應(yīng)力均勻,可有效提高吊弦彎曲疲勞壽命。

(2)通入一定時長的低電流可以增強(qiáng)吊弦的抗拉強(qiáng)度和抵抗變形的能力。

(3)承載電流瞬時過載引發(fā)的電致塑效應(yīng)可導(dǎo)致吊弦線體載流能力減弱，韌性降低。這是吊弦斷裂的重要影響因素。選用額定載流量大的線材制作吊弦，并在吊弦表面噴涂絕緣漆，可以有效提高服役吊弦的壽命。