高铁用整体吊弦线体断裂原因分析*

2020-03-23陈时光王忠诚王凯强孟翔宇张建华

铁道机车车辆 2020年1期

陈时光，王忠诚，王凯强，孟翔宇，张建华

(1 高效洁净机械制造教育部重点实验室(山东大学)，济南 250061；2 机械工程国家级实验教学示范中心(山东大学)，济南 250061)

整体吊弦是高铁接触网承力索重要组成部件之一，起着承载力和载流的双重作用。铜镁合金绞线JTMH10整体吊弦是目前我国高速铁路接触网中普遍采用的吊弦型号[1-2]，由49根吊弦线采用7X7结构绞合而成，具有高强度、高导电性能和抗高温软化的性能。然而近年来，随着我国高铁运营里程的增加、列车速度的提升、吊弦安装使用环境的复杂多变，整体吊弦发生断裂失效的现象增多。

杨广英和赵戈红[3-4]等在既有吊弦的基础上，从产品结构、材料选用、受力条件等方面对吊弦断裂原因进行了宏观分析，认为优化结构、改进压接工艺是提高吊弦使用寿命的主要方法；王伟[5]从工作状态下吊弦的整体形态出发，通过对吊弦的动态特性分析，得出了吊弦负载、接触线张力、列车运行速度等因素对吊弦疲劳寿命影响的规律；张宝奇[6]则通过统计分析、宏观观察等方式提出电气原因对吊弦断裂的可能性影响。鲁敏等人[7]认为吊弦断裂的主要原因是由于现有的压接方式对吊弦造成的损坏，并在此基础上开发了一种新型吊弦。现有研究，是以宏观观察分析的方法，对导致吊弦断裂的部分因素进行了分析，存在研究方法单一，综合性研究不够深入等问题，同时也尚未给出电气化原因导致吊弦线体断裂的直接证据。

以整体吊弦静力学仿真分析、断口形貌观察、化学成分检验等方法，对使用过程中整体吊弦的断裂原因进行了综合性观察与试验，给出了电流作用对吊弦断裂影响的证据，对整体吊弦的改进具有一定的指导意义。

1 试验方法

取京广高铁线路已失效的JTMH10铜镁合金绞线吊弦为研究对象，取多条同类型已失效吊弦为试验材料，对断口及吊弦整体进行宏观分析和机理分析。

2 吊弦断裂现象

通过对多条失效吊弦断裂情况进行统计分析，发现吊弦断裂失效形式主要表现为3种形式，如图1所示。

(1) 吊弦线与钳压管处发生断丝、断股或全断，如图1(a)。

(2) 心型环处吊弦线发生断丝。

(3) 吊弦线中间位置发生鼓包、断丝现象，如图1(b)。

图1 吊弦线断裂位置

3 机理分析

3.1 吊弦线与其他零部件间应力集中及摩擦磨损

根据吊弦断裂情况分析结果，吊弦线在钳压管、心型护环处容易发生断丝、断股或全断的情况。整体吊弦如图2所示，钳压管与线体采用犬牙式3点压接方式，且采用手工压接，压接力不可控。压接处，钳压管与吊弦线点接触，产生应力集中，对吊弦线造成一定程度的损坏。

3点压接方式要求在钳压管上有3处压痕，最外侧压痕与钳压管边缘保持5 mm的距离，此种压接会在钳压管两端形成外翻喇叭口式形式，吊弦线与钳压管管口形成面接触，缓解了其振摆情况下的弯折；当该处压接不满足5 mm距离时，未形成外翻喇叭口，造成吊弦线本线与钳压管管口发生点接触现象。当列车运行时，接触网振动，线索弯折致使线体与钳压管端口处反复摩擦接触，加剧其磨损折断速度。

3.2 吊弦线体内部应力集中与摩擦磨损

根据钢丝绳建模原理，利用Pro/E构建吊弦芯股模型，并利用ANSYS Workbench对吊弦进行静力学仿真分析。查阅TB/T 3111-2009电气化铁道用铜及铜合金绞线，吊弦线的主要参数如表1。

图2 A型整体吊弦示意图

表1 吊弦线主要物理参数

对模型一端所有圆端面施加固定约束，另一端所有圆端面施加背离有限元模型轴向拉力120 N，求解得吊弦线模型等效应力分布如图3所示。

图3 吊弦芯股模型等效应力分布图

静力学仿真分析结果显示，截面处有明显的应力集中现象，其中最大应力发生在侧丝与芯丝接触位置。侧丝与周边股线接触处应力较为集中，疲劳裂纹的萌生寿命较短，接触处易萌生裂纹。

以德州东到济南西高铁段使用过的吊弦为试验材料，超声清洗后取单股吊弦线在VHX-600E大景深三维显微系统利用不同的放大倍数进行观察，结果如图4所示。

从吊弦线侧向形貌可见明显的挤压变形及损伤，吊弦线股与股之间、丝与丝之间应力集中，摩擦磨损现象比较严重。由此说明，吊弦线没有发生断裂的部位也存在着较多因应力集中而造成的损伤，观察结果与仿真结果一致。

图4 单股吊弦线宏观形貌

3.3 低周疲劳断裂

取失效吊弦断口为样品，超声清洗后在SUPRA 55热场发射扫描电子显微镜下进行观察，发现断口处拉断韧窝区域有较多疲劳裂纹存在，呈河流状向外扩展。如图5所示。

TB/T 2073-2010 对接触网零部件振动试验中振幅的规定为±35 mm，振动次数为 200 万次。通过实地调研观察分析，实际运营的高速铁路由于受施工质量、路基沉降、机车风载、双弓谐振等因素影响，接触网振幅远大于标准规定。列车通过时受电弓对整体吊弦造成的正抬升量约为60 mm，甚至达到180 mm，负抬升量约20 mm，吊弦振摆20余次，年振摆量累计达100万次以上，而且会持续一定的振动周期才逐渐衰减。这种低周振动，加速了吊弦的疲劳失效[8]。在受电弓抬升力的作用下，吊弦很容易产生振动，振动的频率越高、振幅越大，导线越易疲劳，寿命也就越短。在列车通过时吊弦产生温升。由于吊弦在循环变化的载荷或随机载荷作用下工作，疲劳成为其失效的重要原因。

图5 失效吊弦断口处5 000X形貌

3.4 电致塑性效应和受力拉伸

通过对断口形貌的微观分析发现，部分吊弦丝断裂处并不完全是典型的杯锥状拉断断口形貌，而是存在一定程度的熔融痕迹。如图6所示，在VHX-600E大景深三维显微系统下对断口进行观察，吊弦丝断面外围有光泽，有熔珠出现，端口有轻微颈缩现象。在SUPRA 55热场发射扫描电子显微镜下进行观察并做能谱分析，该处呈现不规则细小颗粒状，有电流灼热疤痕迹象，如图7所示。图8是图7框选区域(Spectrum 1)的成分分析谱图，发现在该处端口处，除材料本身的Cu、Mg元素外，还伴有大量的氧元素，在材料中以氧化物的形式出现。

图6 失效吊弦断口20X形貌

吊弦丝经过冷拔成型的加工工艺，线体表层晶粒细化，形成超细晶组织，其塑性降低[9]。通电后，随着电流密度的增加，流动应力下降，小晶粒尺寸铜合金的抗拉强度和屈服强度下降。电致塑性效应改变了常态下铜合金导线的材料性能[10]。

图7 断口边缘处5 000X形貌

图8 断口边缘处成分分析谱图Spectrum 1

列车经过时，接触网发生振动，吊弦起着载流和承载力的双重作用。在反复载荷和电流的作用下，线体高温软化，产生塑性变形，拉伸处逐渐变细。线体表层和心部的力学性能差异使得变形发生不协调，塑性较差的表层优先开裂，线体在垂直于拉伸方向产生微细裂纹，并作为裂纹源向线体中心扩展。大密度电流作用下，线体从表层裂纹处发生放电熔融，并产生氧化物，最终断裂区不断扩大，颈缩现象变得不明显。线体韧性降低，脆性提高，当载荷超过吊弦的最大承受力时，线体由韧性断裂向脆性断裂转化。

3.5 环境腐蚀

通过对旧吊弦的观察发现，断裂吊弦线的表面和部分断口均呈深黑色，具有较为明显的腐蚀特征。将旧吊弦超声清洗、镶嵌、磨抛后在SUPRA 55热场发射扫描电子显微镜下进行观察。如图9所示：吊弦横截面边缘处多孔，出现多处麻点、多孔、质地疏松。对图9框选区域(Spectrum 2)进行成分分析，如图10所示：该区域除基本元素外，还有较高含量的O元素及高腐蚀性介质成分S、Cl。

我国幅员辽阔，高铁里程长，吊弦使用过程中首环境影响较大，特别是高原、沿海及重污染区域，空气中的S、O、Cl等腐蚀性物质会对吊弦线进行锈蚀，形成导电性能差、韧性低的金属腐蚀性产物。影响了吊弦线的柔韧性，降低其抗疲劳能力，缩短吊弦的使用年限。

图9 旧吊弦横截面形貌

图10 旧吊弦横截面边缘成分分析谱图 Spectrum 2

3.6 材料缺陷

取失效吊弦超声清洗、镶嵌、磨抛后，在SUPRA 55热场发射扫描电子显微镜下进行取样，图11所示。从线体横截面进行观察，发现线体内部存在凹陷，形状不规则，长度在10～20 μm之间。

图11 吊弦线内部缺陷形貌

对图11中框选区域(Spectrum 3)进行成分分析，并与材料正常部分图12(b)(Spectrum 4)进行对比。如图12(a)所示，该处有较高含量的S、O元素。在吊弦生产过程中，外来的非金属杂质进入到合金内部，并以Cu2O、 CuS的形式出现，有害的杂质元素形成的低熔点或硬而脆的杂质将严重影响材料的力学性能[11]，从而降低吊弦的使用寿命。