基于微动理论的整体吊弦损伤机理及优化研究

蒋先国，古晓东，邓 洪，张 琦，莫继良

(1. 中国铁路设计集团有限公司，天津 300251；2. 西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

截至2018年年底，全国的铁路营业里程达到13.1万km，其中高速铁路2.9万km，占世界高速铁路总量的66.3%。接触网系统作为铁路供电系统的重要组成部分，其各个装置的服役性能直接影响着列车的运行安全[1-3]。在接触网系统的众多零部件中，吊弦的服役性能对整个接触网系统的运营安全具有重要影响。近几年多条线路发生了吊弦断裂现象，为铁路运行安全带来巨大隐患。

我国高速电气化铁路接触网中普遍使用的是铜合金绞线压接式整体吊弦，吊弦线是多股绞线缠绕结构，吊弦线与钳压管之间属于紧配合，在压接处存在微动行为[4-6]。通过对电气化铁路接触网中的吊弦事故案例进行收集整理分析后发现，吊弦断裂现象多发生在钳压管喇叭口附近。目前国内外学者对绳索类多股绞线结构微动损伤机理的研究较少。文献[7]研究了钢丝绳干态条件下的微动损伤，发现钢丝绳最终断裂是由外层钢丝之间接触应力较高导致的。文献[8-9]对多股绞线缠绕结构进行了系统研究，发现局部接触载荷与外部载荷共同作用会促使微动裂纹的萌生与扩展。针对接触网吊弦的特殊结构以及服役工况，其损伤失效机理的研究则鲜见报道。因此基于微动理论研究整体吊弦钳压管的压接力、压接方式等因素对提高整体吊弦服役可靠性具有重要意义。在对整体吊弦进行失效分析时普遍采用有限元手段或试验手段[10-12]，为优化其零部件结构提供基础理论指导。

本文利用有限元计算手段对整体吊弦的损伤机理进行分析，进一步利用动态疲劳试验探究吊弦线与钳压管之间的不同压接形式、压入量对吊弦弯曲微动疲劳寿命的影响，最终得出整体吊弦的失效是材料本身特性、表面损伤、微动疲劳等多重因素引起的综合复杂问题。针对以上问题，提出新型整体吊弦，通过改进压接结构和吊弦线耐疲劳性能提高整体吊弦性能。另外，改进了心形环的结构，避免与接触线吊弦线夹之间摩擦伤线。

1 现有整体吊弦损伤机理有限元分析

1.1 有限元模型

利用有限元分析手段对整体吊弦的损伤机理进行分析，采用三维建模软件Pro/E进行建模，后续导入有限元分析软件ABAQUS中进行计算。由于我国高速电气化铁路接触网中普遍使用的是铜合金绞线压接式整体吊弦，采用JTMH10绞线，绞接结构为7×7，单丝直径0.5 mm，绞合后整绳直径4.5 mm，绞接节距一般为43 mm。钳压管材质为T2铜，钳压管与吊弦线的压接采用三点式压接方式。为减少计算量，提高计算效率，对绞线模型进行适当简化，将原有7×7根的绞线布局简化为7×1的模型，有限元模型如图1所示。

图1 吊弦压接模型

模型材料属性参考现行的规范标准进行设置[13-15]。吊弦线和钳压管材料力学参数见表1。

表1 吊弦线和钳压管材料主要力学参数

1.2 有限元计算结果分析

有限元计算结果如图2所示，其中图2(a)为最终的压接状态，左右压接模闭合。图2(b)为去除压接模后的状态，可以看出在施加位移载荷后，钳压管受到较大的挤压力，并产生严重的塑性变形。去除钳压管后的吊弦应力云图如图2(c)所示，可以看出左右压接力通过钳压管的变形传递到吊弦线，导致与钳压管接触的吊弦线部分产生较大的应力集中，部分发生塑性变形。

图2 吊弦压接过程应力云图

选择图2(c)中所示的取点路径，输出该路径下的应力值，得出钳压管压接处的应力曲线，结果如图3所示。可以看出由于钳压管塑性变形，造成吊弦线在其接触的位置局部应力集中，其应力值峰值达到107 MPa，该值是其他区域的4倍左右，此时对于吊弦线来说已经处于局部屈服状态。通过图4可以看出，在应力集中位置，吊弦线已经发生了塑性变形。这说明吊弦线在服役前已经存在初始损伤。

图3 吊弦线压接模型应力输出

图4 吊弦线压接模型应变

2 基于微动理论的吊弦动态失效分析

2.1 微动疲劳失效理论

零部件在承受交变载荷时，其接触表面间会发生振幅极小的相对运动(位移幅度一般为微米量级)，这种相对运动即为微动。微动疲劳损伤作为一种常见的失效形式，在接触网系统中的失效案例较多，所引起的后果也较严重。

接触网吊弦在服役时表面为静止状态，当存在外在载荷时其内部会发生微动疲劳现象，反复发生微动行为时疲劳极限降低，疲劳裂纹形成并扩展，极易发生疲劳断裂，引发安全隐患。吊弦线与钳压管之间既有弯曲载荷也有拉压载荷，该处的失效问题是弯曲微动疲劳与拉压微动疲劳复合的复杂问题，如图5所示。微动疲劳失效理论对于接触网整体吊弦损伤机理的探究具有重要意义。

图5 微动疲劳形式示意图

2.2 试验基本情况

通过对整体吊弦进行有限元分析后发现，整体吊弦钳压管的结构及压接方式存在不合理处，钳压管在承受远大于自身屈服强度的集中应力后发生塑性变形，对吊弦线产生挤压，对吊弦线结构产生破坏。此种状态直接影响到吊弦在后续工作时的服役寿命，降低其服役性能。本文进一步从动态试验角度对吊弦的失效情况进行研究，主要研究吊弦线与钳压管之间的不同压接形式、压入量对吊弦弯曲微动疲劳寿命的影响。

试验在自行搭建的吊弦疲劳试验台上进行，试验台上加载高精度吊弦微动疲劳试验夹持装置，如图6所示。 图6中左侧部分作用主要是固定钳压管，中间部分的传力杆通过与疲劳机上夹头固定，可以左右移动，主要作用是给吊弦施加疲劳振幅。图6中右侧部分主要是利用弹簧和力传感器来控制吊弦的预紧力，由吊弦疲劳试验台的上夹头对吊弦施加疲劳交变载荷进行试验，得到吊弦的循环周次。

图6 吊弦微动疲劳夹持装置装配示意

试验分别采用正向压接和反向压接两种形式，并选取λ0=5.0 mm、λ1=4.8 mm、λ2=4.6 mm三种压入量。具体压接形式、压入量和对应的吊弦编号如下：

①正向压接型：压入量为5.0 mm；

②正向压接型：压入量为4.8 mm；

③正向压接型：压入量为4.6 mm；

④反向压接型：压入量为5.0 mm；

⑤反向压接型：压入量为4.8 mm；

⑥反向压接型：压入量为4.6 mm。

每根吊弦采用相同的初始载荷，其中吊弦弯曲振幅为1.8 mm，静载荷为1 kN，振动频率为5 Hz。试验时，钳压管位置距加载振动中心位置的距离为5 cm，如图7所示(F0为固定钳压管的紧固力，d=5 cm，A=1.8 mm，F=1 kN)。

图7 吊弦弯曲微动端加载示意图

2.3 试验结果分析

试验结束后发现①号试验吊弦和④号实验吊弦发生断裂，断裂均发生在压接磨损区，其余吊弦未发生断裂现象。表2给出了不同试验吊弦的循环周次。

表2 试验吊弦微动疲劳实验结果

从表2所示的已经断裂的①、④号试验吊弦的循环周次结果可以看出，两种不同压接方式下吊弦的弯曲微动疲劳寿命相差较大，反向压接的吊弦弯曲微动疲劳寿命明显要比正向压接方式吊弦要长。对比同种压接方式下，不同压入量大小的吊弦得到的循环周次结果可以看出，压入量大的试验吊弦，微动疲劳寿命相对较小。从断裂位置看，断裂均发生在试验吊弦的压接损伤区域内。吊弦微动损伤区示意图如图8和图9所示。

图8 正向压接吊弦微动损伤区示意

图9 反向压接吊弦微动损伤区示意

将吊弦试件用电火花线切割机进行切割，在切割过程中尽量保护好吊弦的原始形态即组织结构，然后对切割下料的吊弦进行超声清洗，用扫描电镜观察断口形貌。 图10为①号试验吊弦疲劳试验断口形貌图，图11为④号试验吊弦疲劳试验断口形貌图。

图10 ①号吊弦疲劳试验断口图

图11 ④号吊弦疲劳试验断口图

由于吊弦自身构造原特点，吊弦铜丝之间互相接触，再加上加载状态下导致吊弦反复弯折，在扫描电镜拍摄的断口图中，经分析可能存在不止一个疲劳裂纹源。而由于吊弦线之间的微动磨损导致裂纹源在压接处萌生，如图12所示。引起吊弦铜丝开裂，当疲劳裂纹萌生后，开始进入疲劳裂纹扩展期。此时由于相互压接力，使吊弦铜丝的截面积缺失，导致缺失截面处的应力增大，再加上施加的预紧力的作用，加速了疲劳裂纹的扩展。当疲劳裂纹达到断裂区时，裂纹扩展发生失稳，从而导致吊弦断丝。观察图10和图11可以发现，断口图片右边的裂纹源区出现在微动磨损区的边缘，可能是由于微动损伤区的应力较大导致裂纹源在微动损伤区边缘萌生。

图12 微动磨损裂纹源区内裂纹的萌生

根据断口图所示，当压入量过大时，吊弦的断裂表现为明显的疲劳断裂特征，断口可分为3个典型的区域，下面对这3个区域进行分析。

微动磨损源区(A区)：在吊弦的弯曲微动疲劳试验中，吊弦中铜丝的相互磨损使吊弦铜丝表面产生缺陷，这些表面缺陷，导致铜丝表面应力集中，进而导致裂纹的萌生。裂纹萌生后，裂纹经历较为缓慢的扩展过程，在这个过程中，吊弦经历高周次的应力循环，裂纹经过反复的闭合和张开过程，缓慢地向内部扩展。

疲劳裂纹扩展区(B区)：疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹的亚临界区，是疲劳断口上最重要的特征区域。对疲劳扩展区进行观察，可以发现疲劳贝纹线和疲劳台阶，如图13所示。疲劳贝纹线是疲劳断口宏观形貌的基本特征。它是以疲劳源为中心，与裂纹扩展方向垂直的呈半圆形或者扇形的弧形线。疲劳贝纹线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或者状态发生变化时，在断面上留下的塑性变形的痕迹。对于光滑试样，疲劳贝纹线的圆心一般指向疲劳源区。当疲劳裂纹扩展到一定程度时，也可能出现疲劳贝纹线的转向现象，当试样表面有尖锐缺口时，疲劳贝纹线的圆心指向疲劳源区的相反方向。疲劳贝纹线的数量(密度)主要取决于加载情况。启动和停机或载荷发生较大变化，均可留下疲劳弧线。疲劳贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有关而且与介质情况、温度条件等有关。材料的塑性好，温度高，有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。材料的塑性低或者裂纹扩展速度快，以及断口断裂后受到污染和不当清洗等，都难以在断口上观察到清晰的疲劳贝纹线。疲劳台阶为疲劳断口上的另一基本特征。一次疲劳台阶出现在疲劳源区，二次台阶出现在疲劳裂纹扩展区，它指明了疲劳裂纹的扩展方向，并与疲劳弧线相垂直，呈辐射状。

图13 疲劳区的疲劳弧线和疲劳台阶

瞬时断裂区(C区)：即快速静断区。当疲劳裂纹扩展到一定尺寸时，构件的有效承载面受不了当时的载荷而发生的快速断裂。断口平面基本与主应力方向垂直，为微孔聚集型断裂。

2.4 整体吊弦损伤机理分析结论

经过有限元计算分析以及动态疲劳试验分析后得出，整体吊弦的失效是材料本身特性、表面损伤、微动疲劳等多重因素引起的综合复杂问题。三点齿形压接处有非常明显的过量压痕损伤特征，吊弦的断丝、断股是由于微动磨损和疲劳断裂共同造成的。微动磨损在吊弦的断裂中起较大作用，在初期微动磨损导致裂纹源在微动磨损处萌生，引起吊弦铜丝开裂；当疲劳裂纹萌生后，吊弦铜丝便进入疲劳裂纹扩展期。由于磨损使吊弦铜丝的截面积缺失，导致应力增大，加速了疲劳裂纹的扩展，当疲劳裂纹扩展到断裂区时，裂纹扩展发生失稳，进而导致断裂。

3 新型整体吊弦优化方式

综上有限元计算分析以及动态疲劳试验分析，整体吊弦的改进应从以下几方面入手：

(1)提出改进压接方式，分别为“8”字形断面压接和椭圆形断面压接。

(2)提高绞线耐疲劳性能。

(3)改进心形环结构，缩小心形环半径，避免心形环顶部绞线与接触线定位线夹的磨损；优化心形环工艺，避免制造过程中产生的微裂纹。

3.1 “8”字形断面压接

“8”字形断面压接吊弦结构如图14所示。

图14 “8”字形断面压接整体吊弦

如图14所示，压接处的双孔管作为整体吊弦的压接零件，将压接模、双孔管、吊弦线构成一组压接关系，用加力均匀、具有压接力显示和压接力状态监控的压接机，做出管-线压接力状态曲线，确定出吊弦线的无损压接区域，用吊弦线高周期疲劳许用力作为滑动荷重，找出对应的压接力，以此为上限控制压力，通过对压接状态的监控，完成压接过程。用该方法和工艺制作的吊弦，不会损伤吊弦线的单丝，压接后各股之间保持正常的绞合状态，受力均匀一致。

采用这种压接方式，双孔管中间的圆弧隔层将吊弦主线和副线隔开，填充两根整体吊弦线之间的缝隙，阻止两条吊弦线之间压接时的径向变形。同时在压接过程中使用加力均匀、具有压接力显示和压接力状态监控的压接机，用不超过整体吊弦线无损压接区域的上限控制压力，在对压接力状态的监控下，使压接力上限控制压力，完成压接，既不损伤吊弦线的单丝，也不破坏吊弦线的绞合状态。因此，“8”字形压接消除了原钳压管和三点压接方式下，吊弦线因单牙压接处变形过大，各股受力不均及附加弯矩，过早出现断丝、断股、断线的问题，提高了整体吊弦的工作寿命。

3.2 椭圆形断面压接

椭圆形断面压接示意图如图15所示。采用该压接方法，压接管模具为椭圆形，在压接处形成一个椭圆形的缩颈，吊弦线相互有序排列，单丝单股受损小；同时由于压接时接触面积为带状，压接时，绞线轴向同时均匀受力，变形量小，应力分散，压接断面处绞线分布紧密，避免绞线散股；压接处压接管椭圆形状规则，绞线压接后损伤可控制在5%以内。

图15 椭圆形断面压接图

3.3 新型耐疲劳吊弦线

除了改进压接方式外，研究了新型耐疲劳吊弦线，能够提高绞线耐疲劳性能，按照细线生产工艺生产，从熔炼、上引、拉拔、绞合等环节均采用全新的先进制备工艺，与现有传统的吊弦线相比，消除了传统吊弦线的不足，具有更高的强度及耐疲劳特性，通过对各种吊弦线进行试验分析(主要试验参数：拉断力≥6.5 kN；单丝延伸率≥1%)，得出反复弯曲次数见表3。结果显示新型耐疲劳吊弦线疲劳寿命明显提高，提高了整体吊弦安全可靠性。并且线材表面进行特殊处理不仅能有效抵抗电流腐蚀，还可适用于隧道-工业区-沿海等腐蚀较严重区段使用。

表3 吊弦弯曲次数

3.4 心形环改进

在改进心形环结构方面，研究得出一种改进后的心形环，新旧心形环的结构如图16所示。新型心形环的直径尺寸减少5mm，可形成有效约束，能够有效减少吊弦线与吊弦线夹顶部相互撞击、磨损等现象；同时略微增加板厚，能够有效提高抗弯强度(交变疲劳试验可达200万次不断裂)；采用新的生产工艺，非简单冲压办法(交变疲劳试验可达200万次不断裂)。

图16 心形环改进前后对照图

4 结论

利用有限元计算手段对整体吊弦的损伤机理进行分析，利用动态疲劳试验探究吊弦线与钳压管之间的不同压接形式、压入量对吊弦弯曲微动疲劳寿命的影响，针对以上问题，提出了能够增加疲劳寿命的新型整体吊弦。

(1)吊弦的断丝、断股是由于微动磨损和疲劳断裂共同造成的，其中微动磨损在吊弦的断裂中起到较大作用，初期微动磨损导致裂纹源在微动磨损处萌生，引起吊弦丝开裂；当疲劳裂纹萌生后，吊弦铜丝便进入疲劳裂纹扩展期。由于磨损使吊弦铜丝的截面积缺失，导致应力增大，加速了疲劳裂纹的扩展，当疲劳裂纹扩展到断裂区时，裂纹扩展发生失稳，进而导致断裂。

(2)通过改进压接结构和吊弦线耐疲劳性能提高整体吊弦性能。另外，改进了心形环的结构，避免与接触线吊弦线夹之间摩擦伤线。本研究能够从源头上提升设计、施工、制造和运维质量，降低零部件失效概率，提高耐久性和可靠性。