軌道交通交流真空斷路器活塞失效分析

龔蘭芳，劉海蘭

中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

交流真空斷路器（見圖1）主要用于軌道交通車輛主電路斷開和接通，同時還可以用于過載保護和短路保護。活塞位于真空斷路器低壓控制部分的驅動機構內，由材質為Q235B、直徑100mm的圓鋼加工而成。真空斷路器利用壓縮氣體驅動合閘。在壓縮氣體作用下，活塞受力由左向右運動，驅動活塞銷，進而帶動肘節機構、傳動軸及連接塊運動，從而實現動觸頭與主觸頭的閉合及斷開。活塞安裝位置及運動結構原理如圖2、圖3所示。

圖1 交流真空斷路器

圖2 活塞安裝位置

圖3 活塞運動結構原理圖

2 事件概述

某動車在運行過程中，IDU顯示“主斷路器卡合”故障，真空斷路器無法閉合，受電弓自動降下，造成司機緊急制動停車。停車拆檢后發現壓力氣缸內活塞斷裂，斷裂碎塊卡滯在壓力氣缸內，分合閘真空斷路器時造成傳動機構卡滯，致使輔助聯鎖反饋信號異常，報真空斷路器不閉合故障。真空斷路器實物及活塞裝配位置如圖4所示。

圖4 真空斷路器及活塞裝配位置

3 失效分析

3.1 宏觀斷口分析

真空斷路器驅動機構內活塞靠插頭側邊緣部分崩裂，且活塞表面有明顯被崩裂的金屬塊撞擊的痕跡。壓力氣缸內部對應撞擊位置存在明顯劃痕，位于活塞環開口處。故障活塞的宏觀形貌如圖5所示。

圖5 故障活塞的宏觀形貌

將試樣置于DSX110三維視頻顯微鏡下觀察，該活塞斷面較平整，未見明顯塑性變形，裂紋起始于活塞薄壁端內側機加工退刀槽的底部，向外表面擴展，擴展后期外壁表面也萌生疲勞裂紋[1]，兩側疲勞裂紋相會后活塞“崩斷”，斷面形貌如圖6所示。

另外，觀察發現靠近“崩斷”位置活塞薄壁端有撕裂痕跡，載荷方向由外表面指向活塞內側，撕裂形貌如圖7所示。

圖6 活塞斷面宏觀形貌

圖7 活塞薄壁端撕裂

3.2 微觀斷口檢驗

將試樣斷口經無水乙醇超聲波清洗后置于EV0-MA10掃描電子顯微鏡下觀察，活塞斷裂于薄壁端內側機加工退刀槽的底部起源，隨后活塞薄壁端外表面也萌生疲勞裂紋，雙向擴展直至最終斷裂。

裂紋源區有多個疲勞臺階，未見明顯冶金缺陷。擴展區放大后觀察，其微觀形貌為細密的疲勞輝紋[2]，在試樣基體上可見多處非金屬夾雜物，以及擴展后期由于有效承載面積變小而產生的二次裂紋，如圖8~圖10所示。

圖8 試樣斷面宏觀

圖9 試樣裂紋擴展區形貌

由以上斷口分析結果可推斷，該活塞的斷裂機理為雙向多源彎曲疲勞斷裂。對非金屬夾雜物進行EDS分析，結果顯示為冶煉過程中產生的硫化物，能譜圖如圖11所示，能譜分析結果見表1。

圖10 試樣基體非金屬夾雜物及二次裂紋

圖11 非金屬夾雜物能譜

表1 非金屬夾雜物能譜分析結果

3.3 輪廓三維擬合測量

采用DSX110三維視頻顯微鏡對斷裂位置進行三維擬合，可見退刀槽呈直角過渡，且輪廓不規則。對輪廓尺寸進行測量，退刀槽深度約為0.49mm，R角半徑約為0.41mm，不滿足圖樣中R=0.2mm的要求，輪廓測量如圖12所示，測量數據見表2。

圖12 試樣輪廓測量示意

表2 試樣輪廓測量結果 （μm）

3.4 金相組織分析

在斷裂的活塞上取樣進行金相組織分析，試樣經打磨、拋光浸蝕后，置于GX71金相顯微鏡上觀察，試樣觀察面分布有較多短細的硫化物（見圖13），說明其材質的純凈度較差。

同時斷裂位置退刀槽輪廓，即圓弧過渡處加工不良，如圖14所示。試樣經4%硝酸酒精溶液浸蝕后觀察，金相組織為鐵素體+沿軋制方向分布的珠光體[3]，未見異常組織，如圖15所示。

圖13 試樣觀察面上分布的硫化物（紅圈標出）

圖14 斷裂位置輪廓加工不良

圖15 試樣基體組織

3.5 化學成分對比分析

將故障活塞及另外兩個同廠家生產的活塞采用SPECTROLAB直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表3。由化學成分分析結果可知，該故障活塞及對比試樣的材質成分均符合GB/T 700—2006《碳素結構鋼》中對Q235B的要求。

表3 活塞化學成分對比分析（質量分數）（%）

4 結論

通過對交流真空斷路器活塞斷裂進行失效分析，可得出以下結論：

1）斷裂機理為雙向多源彎曲疲勞斷裂，由活塞薄壁端靠內側退刀槽底部起源，隨后外壁表面也萌生疲勞裂紋，兩側疲勞裂紋相會后致使活塞“崩斷”。

2）疲勞源區未見明顯缺陷，但退刀槽輪廓加工不良，易導致退刀槽根部產生較大的應力集中而萌生疲勞裂紋[4]。

3）試樣基體上有較多的短條狀塑性非金屬夾雜物，A類1.0級（GB/T 10561—2015），通過能譜掃描顯示為硫化物，原材料純凈度不高會降低產品的疲勞壽命。

4）該故障活塞及對比試樣的材質成分均符合GB/T 700—2006中對Q235B的要求。

5）試樣金相組織為鐵素體+少量沿軋制方向分布的珠光體，未見異常組織。

5 改進建議

針對該活塞斷裂的失效原因，提出以下改進建議，以從根本上解決問題。

1）由于活塞上的裂紋從薄壁端內側退刀槽根部起源，因此建議適當增加活塞薄壁端的厚度，同時減少厚壁端的厚度，減小兩側壁厚差，從而平衡分擔載荷，以提高疲勞壽命。

2）建議選用相對Q235B較高強度級別的材料，例如淬透性好的中碳低合金鋼35CrMoA等，同時采用淬火+高溫回火的熱處理工藝。試驗證明[5]，選用調質鋼，一方面可以明顯地提高沖擊韌度，另一方面還可以消除殘余應力。

3）加強對原材料純凈度的控制。

4）提高退刀槽圓弧過渡處的加工質量，借助輪廓測量技術來實現生產質量監控。