高速鐵路接觸網定位鉤和定位支座失效分析

譚德強，莫繼良，羅 健，張 琦，朱旻昊，周仲榮

(1.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031；2.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

高速鐵路接觸網系統是高速動車組牽引動力的來源，其服役可靠性是線路正常運營的重要基礎。隨著動車組運行速度和開行數量的不斷增加，接觸網的服役環境變得更加復雜、惡劣，因關鍵零部件失效而導致的接觸網故障時有發生[1-2]。限位定位裝置是接觸網支撐結構中的主要組成部分，它在定位處對接觸線施加相對于線路中心的橫向定位，在保證接觸網系統服役可靠性方面起著重要作用[3]。

限位定位裝置主要包括限位定位器(簡稱定位器)、定位支座和定位線夾，其中定位器由定位鉤、定位器管以及定位套筒組裝而成，定位鉤通過鉤環結構和定位支座連接，從而對定位器進行限位和定位，如圖1所示。在現場服役過程中發現，定位鉤和定位支座在鉤環結構的連接處時常發生磨損失效。由于定位鉤和定位支座在服役時不僅要承受過弓激勵、風振等疲勞載荷作用，還受大溫差、鹽霧、電流、風霜雨雪等復雜環境因素影響[4-6]，研究其失效機理十分困難。對服役失效零部件的失效分析是研究其失效模式、失效原因和失效機理的重要途徑[7-8]，而目前針對定位鉤和定位支座的失效研究較少[9-10]，尤其是鉤環結構連接處磨損失效的相關研究鮮見報道。

圖1 高速鐵路接觸網定位鉤及定位支座

本文通過收集服役中磨損失效的定位鉤和定位支座，結合多種摩擦學分析手段，系統研究鉤環結構連接處磨損失效的原因和機理，并提出解決其磨損失效問題的建議。

1 失效零件的材料及服役工況

失效分析采用的定位鉤和定位支座等零件的服役條件為300～350 km·h-1(客運)，應用于京滬高速鐵路，為中國高速鐵路現役最廣泛的L型限位定位裝置。在服役過程中定位鉤和定位支座因鉤環結構在連接處發生嚴重磨損而失效。定位鉤材質為標準GB/T 6892—2015《一般工業用鋁及鋁合金擠壓型材》[11]中的6082鋁合金，制造工藝為金屬模鍛；定位支座按標準DIN EN 1706—2010《鋁和鋁合金 鑄件 化學成分和機械性能》[12]要求采用AlSi7Mg0.6鋁合金，制造工藝為精密鑄造。定位鉤和定位支座均采用T6熱處理工藝，它們的化學成見分表1。

根據標準TB/T 2075.3—2010《電氣化鐵路接觸網零部件 第3部分：限位定位裝置》[13]的規定，限位定位裝置在服役中要求定位器抬升靈活、調整方便，且要求定位器在垂直地面及順線路方向能靈活轉動；整體機械性能應滿足在定位線夾處3.75 kN水平荷載條件下，任何部位不發生開裂、塑性變形和滑移。因此，為滿足定位器在服役時能靈活調整的要求，定位鉤與定位支座之間采用鉤環結構進行連接。然而，這種鉤環結構會導致連接處的載荷和運動形式變得十分復雜。在過弓和風振等工況下，鉤環結構在連接處既存在疲勞沖擊，也存在因定位器抬升、偏轉導致的相對轉動，在連接處沖擊和轉動2種運動形式耦合成沖滑運動。

表1 定位鉤和定位支座的化學成分(質量分數/%)

2 宏觀、微觀和有限元分析

2.1 宏觀分析

收集并選取3組在服役中磨損失效的定位鉤和定位支座進行失效分析，將定位鉤編號為G1，G2和G3，與其對應的定位支座編號為Z1，Z2和Z3。對失效零件進行宏觀觀察和分析，結果如圖2所示。由圖2可以發現：定位鉤和定位支座在鉤環結構連接位置均出現嚴重磨損，磨痕整體呈基體鋁合金的金屬亮色，而磨痕附近的未磨損區域呈黑色；定位鉤的磨損深度相對定位支座較淺，但磨痕面積更大且磨痕偏向一側，而定位支座磨坑較深且磨痕同樣呈非對稱分布的偏斜狀態。此外，還觀察到3組樣品中，G3和Z3樣品的磨損最為嚴重，其磨損深度明顯高于另外2組失效零件。

圖2 失效零件宏觀分析

2.2 微觀分析

為分析失效零件的損傷特征和機理，對失效零件的處理和微觀分析過程如下。首先，采用電火花切割法對失效零件進行切割，截取定位鉤和定位支座的磨損位置，將截取的樣品放入汽油和酒精中進行超聲波清洗并使用電吹風吹干；其次，采用輪廓儀(JB-6C型，中國產)對磨損更嚴重的定位支座的樣品進行二維輪廓測量，測量定位支座的總體磨損情況；然后，選取磨損嚴重的定位鉤和定位支座樣品，采用掃描電鏡(SEM，型號：JSM-6610LV)對磨痕的表面和剖面進行損傷形貌分析；最后，運用SEM附帶的電子能譜儀(EDS，型號：OXFORD X-MAX50 INCA-250)和X射線光電子能譜儀(XPS，型號：ESCALAB 250Xi)對磨痕的典型區域進行微觀化學成分分析。

1)定位鉤微觀分析

選取失效零件中磨損最為嚴重的G3號定位鉤，采用SEM及EDS對磨痕進行深入的微觀形貌及成分分析，以確定其磨損的損傷特征和機理，如圖3所示。

圖3 定位鉤磨痕SEM及EDS分析

從圖3 (a)可以發現：定位鉤磨痕在接觸中心位置呈群帶剝落特征，且大量的磨屑粘附在磨痕表面；而在接觸邊緣位置，觀察到材料有明顯的塑性變形、翻卷和塊狀脫落。這是由于鉤環結構連接處的接觸中心，定位鉤和定位支座接觸相對緊密，定位鉤上剝落下來的磨屑排除相對較難，磨屑在摩擦界面上被不斷碾壓后形成磨屑層；在接觸邊緣位置定位鉤的運動幅度相對接觸中心更大，材料流動也相對更容易，從而表現出塑性變形和翻卷。

此外，從圖3 (b)和圖3(c)可以發現：在定位鉤磨痕的接觸中心和邊緣2個區域的磨損產物中，均含有較高的O元素峰，這表明定位鉤在磨損過程中伴隨著一定氧化磨損。而磨痕接觸中心的O元素峰相對更低，表明在中心區域的氧化磨損相對輕微，這應該是由于鉤環結構摩擦副在中心區域接觸更緊密，與空氣中氧的接觸機會更低所致。

為進一步分析定位鉤的損傷特征，對磨損嚴重的接觸中心區域進行剖面SEM觀察，發現在磨痕表面存在明顯的磨屑層，如圖4所示。磨屑層的厚度約為13 μm，在磨屑層的內部能觀察到磨屑之間的小縫隙，而在定位鉤的基體上未觀察到微裂紋。由于定位鉤在接觸中心主要承受疲勞載荷，結合表面和剖面SEM分析結果可得出，定位鉤在連接處的磨損機制主要為疲勞磨損及一定的氧化磨損。

圖4 定位鉤磨痕剖面SEM分析

2)定位支座微觀分析

采用觸針式輪廓儀對定位支座的磨痕進行二維輪廓測量，測量時的掃描軌跡如圖5所示。由圖5可以發現：定位支座均在環外側(軌跡1)和環內側(軌跡5)磨損最為嚴重；在磨痕的中心區域(軌跡3)磨損則相對輕微，磨損深度和寬度均小于環外側和環內側；定位支座磨坑形狀整體上都呈非對稱的偏斜。3個定位支座樣品均存在嚴重磨損，其中 Z3號樣品磨損最為嚴重，最大磨損深度超過3.5 mm(設計厚度為10 mm)。

圖5 定位支座磨痕二維輪廓

選取磨損最嚴重的Z3號定位支座樣品，對磨痕表面進行SEM觀察分析，如圖6所示。由圖6可以發現：在環外側磨痕表面觀察到大量的犁溝及塊狀剝落痕跡，犁溝槽內比較光滑呈明顯的塑性犁溝特征，犁削損傷導致環外側區域材料被快速去除；而在環內側(鉤環結構接觸中心)磨痕表面觀察到剝落群特征，表面材料呈大片狀的剝落，且磨痕表面存在大量碾碎后的磨屑，這與定位鉤在接觸中心的損傷特征一致。

分析鉤環結構形式可知，定位支座的環外側和定位鉤的接觸邊緣位置相配合，該區域的損傷主要是由定位鉤的轉動和碰撞造成；摩擦副在該區域的相對運動幅值較大，排屑能力好，因此該區域材料的損傷主要表現為犁削。而定位支座的環內側是在鉤環結構的接觸中心，損傷主要是由定位鉤的工作載荷和疲勞沖擊載荷導致；環內側材料在疲勞載荷作用下被擠壓剝落，剝落下來的磨屑由于排除相對困難，在磨損表面被不斷碾碎。可見，鉤環結構在連接處的沖滑運動形式是造成定位支座在環外側和環內側兩個位置磨損嚴重的原因，并導致不同連接區域呈現出不同的損傷特征。

圖6 定位支座磨痕表面SEM分析

為確定鉤環結構連接處的磨損產物，對圖6所標記位置進行EDS分析，發現定位支座磨損產物中的主要元素為Al和O，如圖7(a)所示。進一步采用XPS對標記位置進行Al和O的元素窄譜分析，結果發現：Al元素的結合能為74.3 eV，表明Al主要是以Al3+狀態存在，而O的結合能為531.7 eV，如圖7(b)和圖7(c)所示。綜合分析結果可確定，鉤環結構連接處的磨損產物為Al2O3。

圖7 定位支座磨痕成分

對磨損嚴重的定位支座環外側和環內側區域進行深入的剖面分析，結果如圖8所示。由圖8可以發現：環外側磨痕的次表面存在微裂紋，裂紋擴展方向與磨損表面的夾角約為35°，裂紋的擴展深度達15 μm左右后轉為與磨損表面平行的方向擴展，在磨痕表面未觀察到磨屑層；環內側磨痕的次表面也觀察到微裂紋，但裂紋的深度相對環外側區域較淺，距離磨損表面小于2 μm，而裂紋長度超過20 μm，且裂紋擴展方向幾乎與磨損表面平行，此外，還觀察到磨屑在磨損表面被碾碎后形成的磨屑層。

剖面分析與表面形貌分析結果一致，即：定位支座的環內側為鉤環結構的接觸中心區，損傷以疲勞磨損導致的片狀剝落為主；而環外側為接觸邊緣區，損傷以犁削導致的塊狀脫落為主。

2.3 有限元分析

為分析定位鉤和定位支座在鉤環結構連接處的受力情況，采用有限元分析手段對整個限位定位裝置進行仿真分析。在SolidWorks軟件中建立限位定位裝置各零件的幾何模型，并按服役時的相對位置關系對各零件進行裝配，然后將模型導入ABAQUS中進行有限元分析，裝配模型及網格如圖9所示。定位鉤彈性模量取70 GPa，泊松比取0.3，定位支座的彈性模量取75 GPa，泊松比取0.33。定位鉤與定位支座采用面面接觸模式，摩擦因數取試驗測得的0.55，定位器坡度取服役中常用的10°[14]。定位支座按服役時的固定方式施加邊界條件，在定位線夾處施加2.5 kN的工作載荷，采用ABAQUS Standard求解器進行求解。

圖8 定位支座磨痕剖面SEM分析

圖9 限位定位裝置裝配模型及網格

限位定位裝置的有限元分析結果如圖10所示。從圖10可以發現：加載后鉤環結構在連接處出現轉動；限位定位裝置在連接處存在嚴重的應力集中，且局部區域的應力值已超過鉤環結構材料的彈性極限；定位支座的最大應力出現在材料的次表層，約離接觸面0.2 mm處，且最大Mises應力值高達298 MPa，超過定位支座材料的彈性極限值258 MPa,即鉤環結構連接處的局部區域定位支座材料處于塑性狀態。有限元分析結果表明，鉤環結構將導致它們的連接處應力集中，使得材料的次表面應力過大，而在交變循環應力作用下，裂紋容易在材料次表面萌生與擴展，從而材料被快速剝落。可見，鉤環結構導致的應力集中是連接處快速磨損失效的直接原因。

圖10 限位定位裝置有限元分析

2.4 綜合分析及討論

雖然限位定位裝置采用鉤環結構連接定位鉤和定位支座，較好地滿足了定位器靈活調整的要求，然而采用該結構又會使連接處的相對運動形式表現為沖滑復合運動。研究表明，沖滑復合磨損是一種易造成摩擦副襯料迅速流失的惡劣磨損形式[15-16]。此外，鉤環結構還會導致連接處的應力集中，而在高應力的循環作用下，連接處材料次表面形成硬化帶進而萌生裂紋并不斷擴展。在次表面裂紋與表面裂紋相遇后表面材料被剝落去除，剝落下來的磨屑在摩擦界面中對材料表面產生微觀犁削并形成犁溝。可見，鉤環結構所導致的惡劣的沖滑復合磨損形式和鉤環結構連接處的疲勞服役工況是造成定位鉤和定位支座在連接處過早磨損失效的根本原因。

綜合以上分析，可得出：定位鉤和定位支座在鉤環結構連接處的失效模式屬于沖滑復合磨損失效；其損傷機制主要為剝層和犁削，磨損機理主要是疲勞磨損和磨粒磨損及一定的氧化磨損；鉤環結構形式是導致連接處過早磨損失效的根本原因。部分學者研究發現，對材料表面進行涂層處理有利于提高材料的抗沖滑磨損性能[17-18]，而我國目前已經有少量定位鉤采用微弧氧化處理后的上道試掛試驗，現場服役表現良好。

3 結論及建議

(1)基于多種摩擦學分析方法，對磨損失效的定位鉤和定位支座零件進行了系統的失效分析，確定限位定位裝置采用的鉤環結構是導致連接處過早磨損失效的根本原因。

(2)鉤環結構會使定位鉤和定位支座在連接處存在嚴重的應力集中，并使連接處的相對運動形式為惡劣的沖滑復合運動，從而導致定位鉤和定位支座在連接處的快速磨損失效。

(3)定位鉤和定位支座的損傷機制主要為剝層和犁削，而磨損機制主要為疲勞磨損、磨粒磨損及一定的氧化磨損。

(4)建議優化定位器與定位支座的連接結構形式(如銷軸連接)，改善連接處的應力集中和磨損形式，從而提高限位定位裝置的服役壽命。