高速鐵路接觸網(wǎng)定位器底座斷裂分析及預(yù)防整治建議

方衛(wèi)健，高睿

（中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司供電部，湖北武漢 430071）

0 引言

京廣高鐵接觸網(wǎng)零部件采用銅合金、鋁合金及不銹鋼等材質(zhì)制造，特別是采用鋁合金材質(zhì)制造的腕臂支持裝置完全不同于普通電氣化鐵路所采用的鍍鋅鋼材質(zhì)。因此，要求鋁合金材質(zhì)的支持裝置既要具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，還要承受接觸網(wǎng)振動(dòng)及外部環(huán)境腐蝕的影響。從近幾年運(yùn)行情況看，鋁合金材質(zhì)支持裝置很好地解決了定位點(diǎn)接觸網(wǎng)彈性問題，但也出現(xiàn)了部分零部件斷裂問題，例如定位管冗余支撐斷裂、防風(fēng)拉線固定環(huán)斷裂及定位器底座斷裂等。這些零部件斷裂缺陷有些是由于檢修維護(hù)不當(dāng)造成，有些則是由于弓網(wǎng)振動(dòng)、環(huán)境腐蝕等綜合因素造成。這類斷裂缺陷往往缺乏有效的預(yù)判檢測(cè)手段，對(duì)接觸網(wǎng)的可靠運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。在此，以定位器底座斷裂缺陷為例，從接觸網(wǎng)振動(dòng)、環(huán)境腐蝕及鑄造工藝等方面進(jìn)行分析，并提出相關(guān)預(yù)防整治建議。

1 定位器底座斷裂情況分析

京廣高鐵武廣段于2009年12月26日投入正式運(yùn)營(yíng)，正線接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性鏈型懸掛，接觸線選用銅鎂合金線（CTMH-150，張力30 kN），承力索選用銅鎂合金絞線（JTMH-120，張力21 kN），采用鋁合金腕臂及定位支持結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為1 600 mm，接觸線導(dǎo)高為5 300 mm。自線路開通以來，多次檢查發(fā)現(xiàn)定位器底座斷裂缺陷，其斷裂部位通常發(fā)生在絞環(huán)的豁口處（見圖1）。特別是2014年共計(jì)發(fā)現(xiàn)4處定位器底座斷裂缺陷，具體統(tǒng)計(jì)情況見表1。

圖1 定位器底座斷裂

表1 定位器底座斷裂統(tǒng)計(jì)

從表1可知，盡管樣本數(shù)量不多，但基本可以判斷線路情況或裝配形式不是造成定位器底座斷裂的直接影響因素。以某區(qū)間324#定位器底座斷裂為例，對(duì)定位器底座斷裂發(fā)展過程進(jìn)行判斷：

（1）檢查情況。2014年11月13日，對(duì)324#定位器進(jìn)行全面檢查，定位器底座未發(fā)現(xiàn)異常；11月19日，利用天窗點(diǎn)對(duì)324#定位器U形銷進(jìn)行更換，定位器底座未發(fā)現(xiàn)異常。

（2）監(jiān)控情況。2014年8月30日，綜合檢測(cè)車（4C）監(jiān)控檢查，324#定位器底座狀態(tài)正常；12月25日，綜合檢測(cè)車（4C）監(jiān)控檢查，324#定位器底座發(fā)現(xiàn)裂紋。

從檢查監(jiān)控的時(shí)間點(diǎn)可初步判斷324#定位器底座出現(xiàn)裂紋的時(shí)間段為11月20日—12月25日（約35 d），說明這類斷裂缺陷發(fā)展速度較快，明顯短于常規(guī)的監(jiān)測(cè)、檢測(cè)周期。

2 應(yīng)力分析

2.1 受力情況

以京廣高鐵直線區(qū)段正定位裝配形式為例進(jìn)行受力分析。定位器一端安裝于定位器底座，另一端安裝于接觸線，安裝后達(dá)到靜力平衡狀態(tài)。根據(jù)定位器工作狀態(tài)建立力學(xué)模型（見圖2）。從受力分析可以看出，定位器主要受接觸線作用于定位線夾處的拉力Fj，其通過定位線夾和定位器作用于定位器底座處（忽略定位器與定位線夾自質(zhì)量），根據(jù)力的相互作用，定位器底座對(duì)定位器產(chǎn)生作用力Fdz，使定位器保持平衡狀態(tài)［1-2］。

圖2 定位器底座受力分析模型

對(duì)接觸線作用于定位器的力Fj進(jìn)行分解，產(chǎn)生水平方向的分力Fx和垂直方向的分力Fy，F(xiàn)x由接觸線的張力和定位點(diǎn)拉出值共同決定，F(xiàn)y由接觸線重力及相鄰兩側(cè)吊弦的間距決定，具體分析計(jì)算如下：

（1）Fj水平分力Fx的確定。對(duì)接觸線水平方向受力分析見圖3，得Fx=2Tcos｛arctan［L/2a］｝。其中，T為接觸線張力（京廣高鐵T=30 kN），L為基本跨距（京廣高鐵L=50 m），a為拉出值（京廣高鐵a=0.3 m），由公式計(jì)算Fx=719.948 N≈720 N。

圖3 接觸線水平分力分析

（2）Fj垂直分力Fy的確定。對(duì)接觸線垂直方向受力分析見圖4，其中，O點(diǎn)為定位器一側(cè)的吊弦，A點(diǎn)為定位點(diǎn)；T為接觸導(dǎo)線的張力；Fo和Fy分別是O和A點(diǎn)的垂向力；q為接觸導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的質(zhì)量；y為A點(diǎn)的弛度。

圖4 接觸線垂直分力分析

由靜力平衡方程得：

京廣高鐵采用彈性鏈型懸掛，要求定位器的懸掛點(diǎn)無弛度，即y=0。接觸導(dǎo)線單位長(zhǎng)度質(zhì)量是1.337 kg/m。由此可得Fy=1.337×9.81×4=52.463 88 N≈52 N。

綜上所述，接觸線通過定位器作用于定位器底座的力Fdz==721.87N，即接觸線通過定位器作用在定位器底座的力為721.87 N，力的方向與定位器方向平行。

2.2 應(yīng)力分布

使用有限元分析軟件對(duì)定位器底座應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。將接觸線對(duì)定位器底座的作用力施加到定位器底座絞環(huán)處，作用力方向與定位器坡度一致。通過軟件計(jì)算分析，可以看到定位器絞環(huán)豁口部位承受應(yīng)力最大，達(dá)到7 407 796.5 N/m2（見圖5）。

圖5 定位器底座應(yīng)力分布

3 材質(zhì)檢測(cè)分析

該定位器底座為L(zhǎng)形，按照TB/T 2075.3—2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》，其材質(zhì)為牌號(hào)AlSi7Mg0.6、熱處理狀態(tài)為T6的鑄造鋁合金，按照EN 1706：1998《鋁及鋁合金鑄件化學(xué)成分和機(jī)械性能》，其成分為：Si：6.50%～7.50%；Mg：0.45%～0.70%；Ti：0.08%～0.25%；Fe：≤0.19%；Cu：≤0.05%；Mn：≤0.10%；Zn：≤0.07%。單個(gè)雜質(zhì)含量不超過0.03%，雜質(zhì)總量不超過0.10%。對(duì)定位器底座分別進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、微觀金相、掃描電子顯微鏡（SEM，簡(jiǎn)稱掃描電鏡）及電鏡能譜（EDS）檢驗(yàn)分析［3］。

3.1 宏觀檢驗(yàn)

觀察定位器底座斷裂實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)斷裂位置位于定位器底座下端圓環(huán)的凹槽位置，在工作狀態(tài)下，定位器的定位鉤鉤入圓環(huán)，發(fā)生斷裂的凹槽位置是圓環(huán)最薄處，該處斷裂造成斷裂兩端近5 mm的錯(cuò)位。在安裝時(shí)如果定位拉索過緊，長(zhǎng)期使用過程中，也可能使定位器底座下端圓環(huán)的凹槽處受到一個(gè)較大的彎曲力，導(dǎo)致凹槽位置圓環(huán)最薄處彎曲斷裂并發(fā)生錯(cuò)位。將斷裂部位鋸下，由于斷裂時(shí)間已久，斷口處灰塵沉積較多，可以明顯看出，斷口3/4面積處斷口顏色灰暗，靠邊緣1/4處斷口較亮，有一定光澤［4］。

3.2 夾雜物檢驗(yàn)

將切下的試樣斷口表面用砂紙打磨并拋光，在多功能金相顯微鏡下觀察其夾雜物分布（見圖6）。可觀察到夾雜物分布稀疏，符合要求。

圖6 200倍夾雜物分布圖

3.3 金相組織檢驗(yàn)

將斷口打磨、拋光并用氫氟酸（HF）腐蝕后，在多功能金相顯微鏡下觀察其金相組織（見圖7）。經(jīng)腐蝕后的試樣為亞共晶鑄造鋁合金組織，未見明顯晶界，只看見灰色不規(guī)則物質(zhì)彌散均勻分布，為單質(zhì)硅。通過合金成分和鋁硅（Al-Si）合金相圖分析，該組織為正常組織。

圖7 500倍金相組織圖

3.4SEM及EDS檢驗(yàn)分析

將另一段斷口試樣表面清潔后，在場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下進(jìn)行SEM及EDS分析（見圖8、圖9）。從斷口掃描電鏡照片可見，斷口表面凹凸不平，大面積準(zhǔn)解理狀斷口特征，并有明顯的疏松現(xiàn)象。

圖9 斷口EDS能譜分析圖

由圖9可知，斷口上分布的物質(zhì)中除了含有Al、Mg、Si、Fe、Ti等元素外，還有O、S等其他元素。斷口的斷面上主要有金屬氧化物。

通過檢測(cè)分析，定位器底座斷口表面凹凸不平，大面積準(zhǔn)解理狀斷口特征，并有明顯的疏松現(xiàn)象，并且通過斷口掃描電鏡及能譜分析，斷口處呈典型準(zhǔn)解理斷裂特征，并含有一定數(shù)量的O、S等金屬化合物雜質(zhì)物質(zhì)。鋁合金疏松缺陷通常是由于鑄造工藝造成的，這類缺陷會(huì)降低鋁合金結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

4 斷裂原因分析

通過對(duì)定位器底座應(yīng)力及斷口情況進(jìn)行分析，判斷造成定位器底座斷裂的主要原因如下［5-7］：

（1）從定位器底座應(yīng)力分布情況看，絞環(huán)豁口部位應(yīng)力最大，在日常運(yùn)行過程中，由于該部位應(yīng)力集中，并且由于接觸網(wǎng)振動(dòng)影響，其應(yīng)力容易產(chǎn)生交替變化，頻繁的應(yīng)力變化使定位器底座處于疲勞狀態(tài)，加之外部環(huán)境中腐蝕性介質(zhì)的侵入，使定位器底座產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

（2）鋁合金定位器底座鑄造過程中產(chǎn)生的疏松缺陷，降低了定位器底座強(qiáng)度，也增加了定位器底座斷裂的概率。

綜上所述，定位器底座斷裂是由于鑄造過程中產(chǎn)生了鋁合金疏松缺陷，從而降低了定位器底座的強(qiáng)度，接觸網(wǎng)頻繁振動(dòng)使定位器底座處于應(yīng)力疲勞狀態(tài)，加之環(huán)境污染（SO2和Cl等酸性物質(zhì)）對(duì)鋁合金產(chǎn)生的腐蝕作用，最終導(dǎo)致定位器底座豁口部位發(fā)生斷裂，其應(yīng)力腐蝕作用示意見圖10［8］。

圖10 應(yīng)力腐蝕作用示意圖

5 預(yù)防整治建議

（1）建議引進(jìn)超聲波探傷技術(shù)對(duì)定位器底座疏松缺陷進(jìn)行排查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)零部件內(nèi)部隱性缺陷［9］。

（2）改進(jìn)零部件制造工藝，減小局部應(yīng)力集中的程度。零部件應(yīng)盡量避免切口，截面突然變化，尖銳棱角、溝槽、開孔等，或?qū)⑦叀⒔恰⒉邸㈤_孔設(shè)計(jì)在低應(yīng)力區(qū)或壓應(yīng)力區(qū)，并做一定處理，如銳角倒圓、毛刺磨掉、內(nèi)角填平、噴丸處理等。對(duì)可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的關(guān)鍵部位，可適當(dāng)增加部件的壁厚［10］。

（3）采取防腐蝕措施。一是及時(shí)清理表面的粉塵污染物；二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高表面的光潔度，減少鋁合金接觸網(wǎng)零部件在運(yùn)輸和安裝過程中的磕碰；三是對(duì)鋁合金接觸網(wǎng)零部件表面進(jìn)行抗氧化處理。

（4）避免對(duì)鋁合金零部件反復(fù)檢修。由于鋁合金材質(zhì)有記憶性，反復(fù)檢修可能造成功能失效。

（5）加強(qiáng)對(duì)接觸網(wǎng)零部件的監(jiān)控檢查。一是充分利用接觸網(wǎng)綜合檢測(cè)裝置，最大限度地收集不穩(wěn)定因素；二是利用天窗點(diǎn)時(shí)間近距離觀察各零部件有無應(yīng)力腐蝕斷裂情況；三是設(shè)立觀測(cè)領(lǐng)示點(diǎn)，定期對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄。