趙海洋, 袁 遠(yuǎn), 花思明(中鐵建電氣化局集團(tuán) 康遠(yuǎn)新材料有限公司, 泰州 214521)

接觸線反復(fù)彎曲壽命試驗結(jié)果的影響因素

趙海洋, 袁 遠(yuǎn), 花思明
(中鐵建電氣化局集團(tuán) 康遠(yuǎn)新材料有限公司, 泰州 214521)

借助反復(fù)彎曲試驗機(jī)，測試了銅鎂合金接觸線反復(fù)彎曲壽命，分析了夾緊力和夾具型式對接觸線反復(fù)彎曲壽命試驗結(jié)果的影響。結(jié)果表明：在反復(fù)彎曲試驗過程中，夾緊力對接觸線反復(fù)彎曲壽命的影響明顯，接觸線反復(fù)彎曲壽命隨夾緊力的增大先增加后穩(wěn)定；而夾具型式對接觸線反復(fù)彎曲壽命的影響較小，與光面夾具相比，帶槽夾具能更好地保證試驗結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

接觸線；反復(fù)彎曲壽命；夾緊力；夾具

隨著列車運(yùn)行速率的不斷提高和高速鐵路的發(fā)展與進(jìn)步，高鐵產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來越高。接觸線作為供電系統(tǒng)的核心產(chǎn)品，其質(zhì)量對高鐵運(yùn)行的安全可靠具有決定性作用。反復(fù)彎曲壽命是考核接觸線性能合格與否的重要指標(biāo)之一。

在檢測過程中，接觸線反復(fù)彎曲壽命試驗結(jié)果的影響因素有很多，除接觸線本身力學(xué)性能的影響外還有很多外在因素。夾具、試樣夾緊力、彎曲速率、彎曲半徑、拉緊力、夾持面和彎曲圓弧半徑的間隙、撥桿孔直徑、撥桿底面到彎曲圓弧頂部的距離、彎曲角度等因素對彎曲壽命都有不同程度的影響。凃應(yīng)宏等在文獻(xiàn)[1]中指出：支輥半徑對金屬線材彎曲次數(shù)有重大影響，兩者呈近似冪指數(shù)關(guān)系；隨著支輥半徑的增大，反復(fù)彎曲次數(shù)會明顯增加。楊廣英等[2]研究發(fā)現(xiàn)：在規(guī)定的范圍內(nèi)，試驗速率對銅及銅合金接觸線的反復(fù)彎曲試驗結(jié)果幾乎沒有影響；反復(fù)彎曲次數(shù)隨試樣橫截面積、抗拉強(qiáng)度的增加而減少。向前等[3]研究發(fā)現(xiàn)，晶粒位向?qū)θ∠螂姽や摰姆磸?fù)彎曲次數(shù)影響較大。吳澎等[4]指出，通過對試驗機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，可以消除由于張緊力不一致對鋼絲反復(fù)彎曲試驗次數(shù)產(chǎn)生的影響。仁興堂[5]提出,接觸線反復(fù)彎曲的試驗速率為30次·min-1較為合適，同時也指出夾緊力下降會造成彎曲點(diǎn)變化，使用帶齒夾具能夠解決試樣上竄的問題。為研究夾緊力和夾具對接觸線反復(fù)彎曲壽命試驗結(jié)果的影響，筆者采用不同的夾緊力和夾具進(jìn)行對比試驗，以獲得更加穩(wěn)定、可靠的反復(fù)彎曲壽命。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

為避免反復(fù)彎曲試驗中試樣本身性能離散帶來的影響，試驗采用中鐵建電氣化局集團(tuán)康遠(yuǎn)新材料有限公司同一生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的CTMH150銅鎂合金接觸線。同時，取樣時確保試樣不受到拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲或其他機(jī)械損傷。其中3個CTMH150銅鎂合金試樣的化學(xué)成分和機(jī)電性能分別如表1～2所示。

表1 CTMH150銅鎂合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Main chemical compositions of the CTMH150 Cu-Mg alloy (mass fraction) %

表2 CTMH150銅鎂合金的主要性能Tab.2 Main properties of the CTMH150 Cu-Mg alloy

1.2 試驗方法

反復(fù)彎曲試驗采用北京遠(yuǎn)航鐵路專用器材有限公司制造的DDWZJ-Ⅱ型接觸線電動反復(fù)彎折試驗機(jī)。依據(jù)GB/T 4909.5-2009《裸電線試驗方法 第5部分：彎曲試驗 反復(fù)彎曲》[6]和OCS-3-2009《300～350 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件》[7]進(jìn)行試驗，彎曲速率為30次·min-1，彎曲圓柱半徑r為(30±0.1) mm，彎曲圓柱頂部至撥桿底部距離h為125 mm，撥桿孔直徑d為d(a)+1.0 mm[d(a)為試樣直徑]。試驗時，以試樣從中心位置(垂直水平面)向右彎曲90°到再次回到中心位置計為1次，試驗過程中仔細(xì)觀察彎曲點(diǎn)，試樣徹底斷開時的次數(shù)為斷開次數(shù)。

設(shè)定扭矩扳手的扭矩為10，20，30，40，50，70，80 N·m，對試樣提供夾緊力，選擇夾具為槽夾具，在每個扭矩下測試5根銅鎂合金接觸線的反復(fù)彎曲壽命，記錄試樣的斷開次數(shù)和試樣夾持位置上移距離。根據(jù)前面7個夾緊力試驗結(jié)果選擇兩個合適的夾緊力，一個低值(30 N·m)，一個高值(50 N·m)；配合兩種不同夾具 (光面和帶槽，見圖1)，設(shè)計兩因子兩水平正交試驗，每個試驗重復(fù)8次，記錄斷開次數(shù)并觀察試樣的斷裂情況。最后采用Sirion 200型場發(fā)射掃描電鏡對反復(fù)彎曲斷口形貌進(jìn)行觀察。

圖1 兩種夾具外觀Fig.1 Appearance of two kinds of fixture blocks:(a) smooth fixture block; (b) groove fixture block

2 試驗結(jié)果

不同扭矩下試樣斷開次數(shù)和上移距離試驗結(jié)果如表3～4所示，二水平二因子正交試驗結(jié)果如表5所示。

3 分析與討論

由表3可見，隨著夾緊力的增加，試樣的反復(fù)彎曲斷開次數(shù)逐漸增加，由10 N·m時的7.8次增加到80 N·m時的10.8次。

表3 不同夾緊力下試樣的反復(fù)彎曲壽命Tab.3 Repeated bending lives of samples under different clamping forces

表4 不同夾緊力下試樣夾持位置的移動距離Tab.4 Movement distance of sample clamping position under different clamping forces

表5 二水平二因子正交試驗反復(fù)彎曲壽命Tab.5 Repeated bending lives of two-level and two-factor orthogonal tests

由表4可見，夾緊力對試樣夾持位置的上移距離有較大影響，隨著夾緊力的增加，夾持位置上移距離逐漸減小，由10 N·m時的2.18 cm減小到80 N·m時的0.18 cm。

圖2 不同夾緊力下斷開次數(shù)與試樣夾持位置上移距離關(guān)系曲線Fig.2 The relationship curves of breaking time and upward distance of samples with different clamping forces

圖2為不同夾緊力下斷開次數(shù)與試樣夾持位置上移距離的曲線，可以看出夾緊力越大，試樣的夾持位置移動距離越小，當(dāng)夾緊力大于50 N·m時，夾持位置上移距離變化較小，基本保持穩(wěn)定；隨著夾緊力的增大，試樣的反復(fù)彎曲斷開次數(shù)增大，當(dāng)夾緊力大于50 N·m時，試樣反復(fù)彎曲斷開次數(shù)達(dá)到10.7次，而后保持穩(wěn)定。這說明夾緊力大于50 N·m時，在反復(fù)彎曲試驗過程中，帶槽夾具能較好地夾緊試樣，且能保證試驗結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3為二水平二因子正交試驗因子效果圖。從圖3(a)可以看出，因子A(夾緊力)對響應(yīng)變量斷開次數(shù)的影響比因子B(夾具)要顯著，因子A(夾緊力)從30 N·m到50 N·m變化時，反復(fù)彎曲斷開次數(shù)變化明顯；因子B(夾具)為光面時，斷開次數(shù)較夾具為帶槽時的要大。從圖3(b)可以看出，因子A(夾緊力)和因子B(夾具)之間存在交互作用。具體來說，不論夾具為光面夾具還是帶槽夾具，使用50 N·m均能保證較高的斷開次數(shù)。

圖3 二水平二因子正交試驗因子效應(yīng)圖Fig.3 The factor effect diagrams of two-level and two-factor orthogonal tests:(a) main effect diagram; (b) interaction effect diagram

對反復(fù)彎曲試驗后的試樣斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，形貌如圖4所示。由圖4可見，CTMH150銅鎂合金接觸線的斷口有一半呈現(xiàn)韌性斷裂特征，另一半呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

試樣的韌性斷裂部位呈現(xiàn)拉伸撕裂型伸長韌窩，見圖4(b)，這是由于試件在反復(fù)彎曲時，受拉伸和彎曲復(fù)合加載，試樣內(nèi)力學(xué)微孔沿垂直拉伸應(yīng)力軸線方向擴(kuò)張直至被撕開，試件斷裂后微孔在斷口上呈現(xiàn)拋物線形韌窩，拋物線尖端背向裂紋起始點(diǎn)。而脆性斷裂部位呈準(zhǔn)解理斷裂特征，這是由于試樣承載面積減少，出現(xiàn)應(yīng)力集中、超載的情況。試樣反復(fù)彎曲時的移動會使原彎曲點(diǎn)的彎曲幅度增大，彎曲半徑減小，出現(xiàn)變形不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力集中增大，裂紋加速擴(kuò)展，反復(fù)彎曲性能降低，如圖5所示。

圖4 反復(fù)彎曲試樣的斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of the repeated bending samples: (a) at low magnification; (b) at high magnification

圖5 反復(fù)彎曲時的試樣位移Fig.5 Movement of the sample during repeated bending: (a) before displacement; (b) after displacement

4 結(jié)論

(1) 夾緊力對接觸線反復(fù)彎曲斷開次數(shù)的影響較為顯著，接觸線反復(fù)彎曲斷開次數(shù)隨著夾緊力的增大而增加。

(2) 在反復(fù)彎曲試驗過程中，相對于夾緊力來說，夾具型式對試樣的反復(fù)彎曲斷開次數(shù)的影響相對較小。與光面夾具相比，帶槽夾具能更好地保證試驗結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

(3) GB/T 4909.5-2009未對反復(fù)彎曲試驗的夾緊力進(jìn)行規(guī)定，人工夾緊方式夾緊力較低且不穩(wěn)定，對反復(fù)彎曲斷開次數(shù)會有較大影響，試驗結(jié)果難以作為判定產(chǎn)品合格與否的依據(jù)，建議修改。

[1] 凃應(yīng)宏,李榮峰,劉東.淺談國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 238《金屬材料 線材 反復(fù)彎曲試驗》修訂工作中的幾點(diǎn)體會[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(11):759-762.

[2] 楊廣英,張海波,徐超.電氣化鐵道用銅合金接觸線反復(fù)彎曲試驗方法的研究[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2008,36(12):16-18.

[3] 向前,黃雙,李忠武,等.電工鋼反復(fù)彎曲試驗的影響因素[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(7):499-502.

[4] 吳澎,陳建豪.鋼絲反復(fù)彎曲試驗機(jī)張緊力指示裝置的改造和試驗[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(10):748-751.

[5] 仁興堂.高速接觸網(wǎng)器材檢驗技術(shù)研究[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2010,38(12):9-13.

[6] GB/T 4909.5-2009 裸電線試驗方法 第5部分：彎曲試驗 反復(fù)彎曲[S].

[7] OCS-3-2009 300～350 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件[S].

Influence Factors of Testing Results of Repeated Bending Life for Contact Wires

ZHAO Hai-yang, YUAN Yuan, HUA Si-ming
(Kangyuan New Material Co., Ltd., China Railway Construction Electrification Bureau Group, Taizhou 214521, China)

The repeated bending life of Cu-Mg alloy contact wires was investigated by the repeated bending tester, and the effect of the clamping force and fixture block type on the testing results of repeated bending life of contract wires was analyzed. The results show that: during repeated bending life tests, the clamping force had obvious influence on the repeated bending life of contact wires, and the bending life of contact wires increased and then inclined to stable value with the increase of clamping force; the type of fixture blocks had the inconspicuous influence on the repeated bending life; compared with smooth fixture blocks, experimental data detected by the bending tester were more stable and reliable when contact wires were clamped by groove fixture blocks.

contract wire; repeated bending life; clamping force; fixture block

2016-07-05

趙海洋(1988-)，男，助理工程師，學(xué)士，主要從事質(zhì)檢工作，877168269@qq.com。

10.11973/lhjy-wl201703003

U225.4+1

A

1001-4012(2017)03-0161-04