高速接觸網(wǎng)零部件失效問(wèn)題研究現(xiàn)狀及展望

譚德強(qiáng), 莫繼良, 彭金方, 羅 健, 陳維榮, 朱旻昊

(1. 西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所, 四川 成都 610031; 2. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 天津 300142; 3. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 四川 成都 610031)

高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱高鐵)由于具有速度快、效率高、節(jié)能環(huán)保、安全舒適等諸多優(yōu)點(diǎn),已成為軌道交通發(fā)展的重要方向.尤其近十年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展,中國(guó)高鐵得到了跨越式發(fā)展,并帶動(dòng)了新一輪的世界高鐵建設(shè)高潮.截至2016年底,中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)總里程已突破2.2萬(wàn)km,已建成世界最大的高鐵運(yùn)營(yíng)網(wǎng).但隨著高鐵運(yùn)營(yíng)年限的不斷增長(zhǎng),由高鐵接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件失效而引起的弓網(wǎng)故障時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重影響到高鐵的運(yùn)行安全.嚴(yán)重的弓網(wǎng)故障將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響.

高速動(dòng)車組的牽引動(dòng)力,是通過(guò)牽引供電來(lái)獲取的.列車依靠安裝在車頂?shù)氖茈姽c接觸線的滑動(dòng)接觸,實(shí)現(xiàn)電能從牽引供電系統(tǒng)向高速動(dòng)車組的傳送.如圖1所示,牽引變電所將來(lái)自于電力系統(tǒng)的三相高壓電源,轉(zhuǎn)換成AC 27.5 kV單相電源,為接觸網(wǎng)供電.因此,接觸網(wǎng)零部件的服役可靠性是接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵,是電力機(jī)車正常取流和線路正常運(yùn)營(yíng)的重要基礎(chǔ)[1-2].接觸網(wǎng)零部件包括:(1) 接觸懸掛:承力索、接觸線、吊弦等;(2) 支撐裝置:腕臂、水平拉桿、棒式絕緣子等;(3) 定位裝置:定位管、定位器、定位支座等100多種零部件,如圖1所示.由此可見,高速接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多、且無(wú)冗余備用,任何零部件的失效均有可能引起弓網(wǎng)故障,甚至災(zāi)難性事故.而受電弓的高速滑動(dòng)取流,承受移動(dòng)、沖擊性負(fù)荷,導(dǎo)致接觸網(wǎng)長(zhǎng)期處于隨機(jī)、頻繁振動(dòng)的復(fù)雜載荷工況,使得接觸網(wǎng)零部件的失效問(wèn)題日益突出.研究接觸網(wǎng)零部件典型失效問(wèn)題的原因與機(jī)理,提高零部件的服役性能,已成為電氣化鐵路領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題.

圖1 高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Catenary system of high-speed railway

1 接觸網(wǎng)零部件的服役環(huán)境

接觸網(wǎng)在服役過(guò)程中,承受長(zhǎng)期、頻繁的機(jī)械振動(dòng),但由于高速接觸網(wǎng)零部件承受拉、壓、剪、扭等多種局部交變載荷,其載荷形式非常復(fù)雜.同時(shí),接觸網(wǎng)零部件服役中還受到時(shí)變大電流、風(fēng)振、溫差、腐蝕、風(fēng)沙、雨雪霜霧等多種環(huán)境和工作因素的影響[3-5].接觸網(wǎng)零部件的疲勞載荷產(chǎn)生原因又可進(jìn)一步細(xì)分為風(fēng)振、過(guò)弓沖擊、自激振動(dòng)、冷熱應(yīng)力等多種,腐蝕環(huán)境的也可分為環(huán)境污染、電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等.可見,接觸網(wǎng)零部件服役環(huán)境不僅十分復(fù)雜——由機(jī)械疲勞載荷、腐蝕、冷熱應(yīng)力、大電流、覆冰、環(huán)境污染等多種因素共同決定,而且導(dǎo)致服役環(huán)境復(fù)雜的原因也很多(如接觸網(wǎng)的自身柔性結(jié)構(gòu)特征、受電弓的滑動(dòng)取流等).

接觸網(wǎng)零部件服役環(huán)境中的應(yīng)力載荷、環(huán)境腐蝕、大電流等,對(duì)零部件的使用壽命有較大影響,而目前針對(duì)接觸網(wǎng)零部件的相關(guān)研究較少.一些學(xué)者采用理論推導(dǎo)、有限元、試驗(yàn)?zāi)M等手段,對(duì)我國(guó)接觸網(wǎng)零部件的應(yīng)力載荷、環(huán)境腐蝕等方面進(jìn)行了研究[6-8].文獻(xiàn)[9-14]推導(dǎo)并優(yōu)化了計(jì)算接觸網(wǎng)瞬態(tài)響應(yīng)與動(dòng)應(yīng)力的方法,結(jié)合有限元研究了風(fēng)振、過(guò)隧道等因素對(duì)接觸網(wǎng)動(dòng)力學(xué)的影響.文獻(xiàn)[15]在考慮接觸網(wǎng)零部件的安裝、覆冰、風(fēng)載等多種因素條件下,將有限元與徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合,對(duì)零部件的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[16]基于雨流計(jì)數(shù)法對(duì)接觸線的應(yīng)力分布和疲勞壽命進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示在應(yīng)力集中的定位點(diǎn)和吊弦附近接觸線的壽命較低.文獻(xiàn)[17]結(jié)合大量的接觸網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)服役情況調(diào)查,研究了典型環(huán)境對(duì)接觸網(wǎng)零部件的腐蝕影響,并提出采用有機(jī)涂層可以對(duì)接觸網(wǎng)零部件進(jìn)行防護(hù).

2 高速接觸網(wǎng)零部件的典型失效與研究現(xiàn)狀

由于接觸網(wǎng)零部件的服役環(huán)境復(fù)雜,零部件的最終失效大多是幾種因素共同作用的結(jié)果.只有具體到某個(gè)或某類零件時(shí),才能確定導(dǎo)致其失效的主要原因.而隨著我國(guó)高鐵的快速發(fā)展,高速接觸網(wǎng)零部件在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的失效情況也在不斷變化.

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前高速接觸網(wǎng)零部件中存在的主要問(wèn)題有:鋁合金定位鉤與定位支座磨損、吊弦線疲勞、螺栓連接松動(dòng)、終端錨固線夾抽脫,以及零部件的腐蝕.

2.1 鋁合金定位鉤與定位支座磨損

限位定位裝置是接觸網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,主要包括定位支座、定位器(定位器由定位鉤、定位器管及定位套筒組成)、定位線夾等零部件.在高速接觸網(wǎng)中,定位鉤與定位支座均采用鋁合金材料并通過(guò)鉤環(huán)結(jié)構(gòu)連接,在接觸線定位處施加相對(duì)于線路中心的橫向定位.鉤環(huán)結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了連接處?kù)`活調(diào)整的要求,但連接處的載荷與運(yùn)動(dòng)形式變得十分復(fù)雜,既存在疲勞沖擊也存在因定位器抬升、偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致的滑動(dòng).在接觸網(wǎng)服役中發(fā)現(xiàn),定位鉤與定位支座在鉤環(huán)連接處的磨損失效問(wèn)題時(shí)有發(fā)生.

作者現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)某設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h的高鐵線路上的部分定位鉤與定位支座在使用不足3 a就出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損,導(dǎo)致定位支座和整個(gè)定位器被更換,如圖2所示.定位鉤、定位支座的設(shè)計(jì)使用年限為20 a,而其實(shí)際使用壽命值遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值.定位鉤與定位支座的磨損問(wèn)題已成為制約接觸網(wǎng)定位裝置使用壽命的關(guān)鍵問(wèn)題.

(a) 定位鉤磨損(b) 定位支座磨損

圖2 定位鉤、定位支座磨損失效
Fig.2 Wear failure of catenary positioning hook and support

通過(guò)對(duì)定位鉤與定位支座的受力與工況分析,確定鉤環(huán)連接處的失效模式屬于沖滑復(fù)合磨損失效.對(duì)現(xiàn)場(chǎng)收集的定位鉤、定位支座失效零件進(jìn)行失效分析,從掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)和X射線光譜儀(energy dispersive X-ray spectrometer, EDX)的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),定位鉤與定位支座的損傷形式主要是層狀剝落和犁削,磨損機(jī)制為疲勞磨損、磨粒磨損與氧化磨損,如圖3所示.沖滑磨損是沖擊與滑動(dòng)耦合作用的結(jié)果,結(jié)合實(shí)際工況中鉤環(huán)連接處還可能受電流燒蝕、腐蝕等因素的影響,使得定位鉤和定位支座磨損失效的作用機(jī)理十分復(fù)雜.作者所在課題組深入研究了沖擊微動(dòng)、切向微動(dòng)、徑向微動(dòng)以及復(fù)合微動(dòng)等系列問(wèn)題[18-22],建立了磨損、疲勞和腐蝕相關(guān)的失效分析-機(jī)理及防護(hù)-服役安全評(píng)價(jià)的完整研究體系,這為研究鉤環(huán)結(jié)構(gòu)的沖滑失效模式、損傷機(jī)理及防護(hù)手段提供了必要的技術(shù)支撐和理論指導(dǎo).

一些學(xué)者針對(duì)定位器、定位支座失效問(wèn)題進(jìn)行了研究[23-24],認(rèn)為應(yīng)力集中是導(dǎo)致鉤環(huán)連接處容易失效的主要原因.文獻(xiàn)[25-26]對(duì)接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真分析,驗(yàn)證了鉤環(huán)連接位置存在明顯的應(yīng)力集中.文獻(xiàn)[27]研究了抬升力對(duì)定位器動(dòng)應(yīng)力的影響,發(fā)現(xiàn)抬升力作用會(huì)顯著增加鉤環(huán)連接位置的應(yīng)力峰值,而不同拉出值對(duì)定位器靜應(yīng)力有較大影響.此外,部分學(xué)者對(duì)鉤環(huán)連接所使用鋁合金材料(定位鉤-6082/定位支座-AlSi7Mg0.6)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),硅顆粒對(duì)AlSi7Mg鋁合金的微觀硬度和拉伸性能有明顯的改善作用[28],而在均質(zhì)處理后,不同冷卻條件下的熱處理對(duì)6082鋁合金材料組織結(jié)構(gòu)有影響[29].

(1) 定位鉤磨損照片(2) 點(diǎn)A的EDX分析(a) 定位鉤(1) 定位支座磨損照片(2) 點(diǎn)B的EDX分析(b) 定位支座圖3 定位鉤與定位支座磨損表面SEM形貌以及EDX分析Fig.3 SEM and EDX images of failure surface of positioning hook and support

2.2 吊弦線疲勞

吊弦是接觸網(wǎng)中的關(guān)鍵零部件,在接觸線與承力索之間起到傳遞振動(dòng)和力的作用.吊弦一旦發(fā)生斷裂會(huì)導(dǎo)致斷裂位置接觸線的挎塌,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生受電弓打弓或扯垮接觸網(wǎng)等事故,直接導(dǎo)致列車線路運(yùn)行故障.在吊弦使用過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)吊弦線在鉗壓管壓接位置附近存在斷絲或斷股,如圖4所示.吊弦線與鉗壓管之間屬于緊配合,而吊弦線又是多股絞線纏繞結(jié)構(gòu),在過(guò)弓或微風(fēng)振動(dòng)[3-4,7]等工況下,吊弦線與鉗壓管之間既有彎曲載荷也有拉壓載荷,該處的失效問(wèn)題是彎曲微動(dòng)疲勞與拉壓微動(dòng)疲勞復(fù)合的復(fù)雜問(wèn)題[19].

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)收集的失效吊弦進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn),吊弦線在鉗壓管壓接處存在明顯的塑性變形,且有限元計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),在鉗壓管壓接處由于應(yīng)力集中形成了較高的應(yīng)力峰.吊弦微動(dòng)疲勞過(guò)程中,吊弦線在鉗壓管壓接位置附近由于微動(dòng)損傷造成表面缺陷,從而使應(yīng)力在缺陷處集中形成裂紋源,而吊弦的惡劣服役環(huán)境(如腐蝕、風(fēng)沙、高溫高寒及電流等)進(jìn)一步加速了這一過(guò)程;裂紋在高周次的應(yīng)力循環(huán)下不斷擴(kuò)展,當(dāng)其擴(kuò)展到臨界尺寸,裂紋會(huì)快速擴(kuò)展從而造成吊弦斷裂,如圖5所示.作者所在課題組對(duì)彎曲微動(dòng)疲勞機(jī)理開展了系統(tǒng)的研究[30-32],揭示了彎曲微動(dòng)疲勞的損傷過(guò)程和損傷機(jī)制,提出彎曲微動(dòng)疲勞的裂紋萌生和擴(kuò)展分為3個(gè)階段:接觸應(yīng)力控制階段、接觸應(yīng)力與疲勞應(yīng)力共同控制階段和疲勞應(yīng)力控制階段,為研究吊弦的微動(dòng)疲勞提供了指導(dǎo)作用.

圖4 吊弦失效案例Fig.4 Failure of droppers

圖5 吊弦微動(dòng)疲勞斷口SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of fretting fatigue fracture of droppers

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)繩索類多股絞線結(jié)構(gòu)微動(dòng)損傷機(jī)理的研究仍較少.早期文獻(xiàn)[33]研究了鋼絲繩干態(tài)條件下的微動(dòng)損傷,發(fā)現(xiàn)鋼絲繩微動(dòng)磨損體積與接觸載荷呈線性關(guān)系;外兩層鋼絲之間較高的接觸應(yīng)力水平導(dǎo)致接觸邊緣發(fā)生微動(dòng)損傷,進(jìn)而導(dǎo)致鋼絲繩的最終斷裂失效.文獻(xiàn)[34-35]對(duì)多股絞線纏繞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)局部接觸載荷與外部載荷共同作用會(huì)促使微動(dòng)裂紋的萌生與擴(kuò)展;潤(rùn)滑和干摩擦損傷的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),在潤(rùn)滑條件下接觸區(qū)磨損減小、氧化顆粒減少,較短的微動(dòng)裂紋有利于潤(rùn)滑脂/氧化物顆粒復(fù)合物的切向調(diào)節(jié)從而增加使用壽命.文獻(xiàn)[36]詳細(xì)研究了不同外部循環(huán)載荷下鋼絲繩內(nèi)部鋼絲間微動(dòng)損傷的作用機(jī)理,并給出了相對(duì)位移和接觸載荷范圍的經(jīng)驗(yàn)公式.文獻(xiàn)[37]考察了不同微動(dòng)條件下垂直交叉鋼絲的微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn),得到了不同的微動(dòng)磨損行為.

2.3 螺栓連接松動(dòng)

接觸網(wǎng)系統(tǒng)中采用了大量的螺栓連接,螺栓的服役性能對(duì)結(jié)構(gòu)整體的安全性和可靠性具有較大的影響.隨著列車速度的提高,受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)振動(dòng)加劇,接觸網(wǎng)中螺栓松動(dòng)問(wèn)題日益凸顯.螺栓預(yù)緊力施加不當(dāng),可能會(huì)造成螺栓連接的早期失效,預(yù)緊力矩偏小時(shí)螺栓連接易松動(dòng),而預(yù)緊力矩過(guò)大又會(huì)在螺紋連接根部造成較大應(yīng)力集中,從而出現(xiàn)較早疲勞斷裂.如何提高螺栓連接的防松性能,成為進(jìn)一步提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)服役可靠性必須解決的問(wèn)題.

作者對(duì)接觸網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)收集的定位線夾上的螺栓進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn):螺栓的第1圈工作螺紋損傷最為嚴(yán)重,螺紋牙頂有塊狀剝落現(xiàn)象,而牙根附近主要以點(diǎn)蝕為主;螺紋面上發(fā)現(xiàn)有定位線夾材料粘附在上面,這表明在螺栓工作過(guò)程中較軟的銅合金定位線夾發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移;EDX分析發(fā)現(xiàn)損傷區(qū)域有氧峰存在,且含氧量最高達(dá)60.66%,說(shuō)明螺紋在損傷過(guò)程中伴隨著氧化磨損,如圖6所示.

此外,作者所在課題組對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu),從理論分析、有限元模擬、靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和防松措施幾個(gè)方面研究了振動(dòng)載荷作用下的螺栓松動(dòng)機(jī)理[38-41],主要獲得了以下結(jié)論:

(1) 螺紋配合面的微動(dòng)磨損包含磨粒磨損、疲勞磨損、粘著磨損和氧化磨損4種磨損機(jī)制,是一種十分復(fù)雜的磨損現(xiàn)象;

(2) 預(yù)緊力矩、交變載荷幅值、循環(huán)次數(shù)等試驗(yàn)參數(shù)對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)行為具有強(qiáng)烈的影響;

(3) 重復(fù)的螺栓擰入/擰出試驗(yàn)表明,相同預(yù)緊力矩作用下,多次擰入的預(yù)緊力有明顯下降,如果不需要增大螺栓的緊固預(yù)緊力矩,應(yīng)避免不必要的擰入/擰出操作;

(4) 螺栓精確建模研究發(fā)現(xiàn)降低螺栓頭部/被連接件與螺紋接觸界面的摩擦因數(shù),并適當(dāng)增大預(yù)緊力,可降低塑性應(yīng)變的累積和螺紋表面單位面積的摩擦耗散能,從而提高螺栓防松性能.

進(jìn)而提出采用潤(rùn)滑或表面處理等方式,降低螺紋接觸面摩擦系數(shù)是十分有效的防松措施.

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者認(rèn)為螺栓松動(dòng)的因素主要包括:工作載荷、工作溫度和結(jié)構(gòu)尺寸等[42-43].文獻(xiàn)[44]通過(guò)一系列的試驗(yàn)對(duì)受軸向載荷的螺栓連接進(jìn)行了研究,結(jié)果表明螺栓連接的松動(dòng)是由于接觸面間的微動(dòng)損傷引起.文獻(xiàn)[45-47]對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了軸向振動(dòng)試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)螺栓結(jié)構(gòu)既可能松動(dòng)又可能緊固,這與振動(dòng)的幅值及頻率、接觸面的摩擦系數(shù)與螺栓的材料等有關(guān).文獻(xiàn)[48-49]對(duì)預(yù)緊應(yīng)力超過(guò)螺栓材料屈服強(qiáng)度的螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向振動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),僅僅幾個(gè)循環(huán)后螺栓的預(yù)緊力就下降到較低水平.文獻(xiàn)[50]發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)剪切載荷比軸向載荷更容易導(dǎo)致螺栓連接結(jié)構(gòu)松動(dòng).文獻(xiàn)[51]指出螺栓連接的松動(dòng)過(guò)程分為前期材料的塑形變形和后期螺栓與螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)階段,并研究了螺牙根部塑性變形引起螺紋松動(dòng)的機(jī)理.文獻(xiàn)[52]總結(jié)了高速接觸網(wǎng)零部件中采用的彈簧墊圈+止動(dòng)墊片、彈贊墊圈+非金屬嵌件鎖緊螺母、涂螺紋鎖固膠和雙螺母四種防松經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合我國(guó)高速接觸網(wǎng)零部件的防松特性提出改進(jìn)意見.

(a) 螺紋損傷照片(b) 點(diǎn)A的EDX分析(c) 點(diǎn)B的EDX分析(d) 點(diǎn)C的EDX分析圖6 定位線夾第一圈工作螺紋SEM形貌及EDX分析Fig.6 SEM images and EDX analysis of the first working round thread of positioning clamp

2.4 終端錨固線夾抽脫

承力索和接觸線的終端錨固對(duì)接觸網(wǎng)的正常工作起到關(guān)鍵作用.我國(guó)高速接觸網(wǎng)中采用的終端錨固線夾主要有錐套型錨固線夾和雙耳楔型錨固線夾.從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看,主要存在接觸線和承力索從錐套型終端錨固線夾里抽脫、安全可靠性不高等問(wèn)題.

目前針對(duì)終端錨固抽脫問(wèn)題的研究,大多集中在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、日常檢修、防護(hù)等方面.文獻(xiàn)[53]從錨固線夾的結(jié)構(gòu)形式、受力狀態(tài)、脫落線夾及接觸線的損傷情況等方面,分析了接觸線從錨固線夾中抽脫的原因,指出錨固線夾與接觸線之間的配合問(wèn)題是造成脫落的關(guān)鍵因素.文獻(xiàn)[54]針對(duì)終端錨固線夾提出了減小楔子錐度、楔子內(nèi)表面加工螺紋、加寬空心楔子開槽寬度等改進(jìn)措施.文獻(xiàn)[55]通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),提出了一套“頂絲壓塊及錐套雙夾緊”結(jié)構(gòu)的終端錨固線夾,并針對(duì)鋁包鋼型承力索終端錨固提出了新的滑動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),很大程度上提高了終端錨固的可靠性.從論文研究發(fā)現(xiàn),終端錨固線夾抽脫的原因和作用機(jī)制尚不明確,提出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)措施不夠具體,相關(guān)優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)缺失等不足.因此,對(duì)終端錨固結(jié)構(gòu)需開展深入的研究,提高終端錨固服役性能,從而提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)整體的安全可靠性.

2.5 零部件的腐蝕

高速接觸網(wǎng)零部件大多采用鋁合金或銅合金,雖然零件自身具有一定的防腐能力,但由于接觸網(wǎng)工作環(huán)境惡劣,尤其是沿海地區(qū)和重工業(yè)污染地區(qū),接觸網(wǎng)零部件的腐蝕失效問(wèn)題時(shí)有發(fā)生,如圖7所示.接觸網(wǎng)零部件在受電弓通過(guò)、風(fēng)載荷、環(huán)境溫度變化等情況下,均會(huì)存在交變載荷,結(jié)合接觸網(wǎng)工作環(huán)境的各種復(fù)雜介質(zhì),零部件容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效.應(yīng)力腐蝕裂紋一旦形成,其擴(kuò)展速度比其他類型的腐蝕速度快得多,即使在工作應(yīng)力低于許用應(yīng)力情況下,也能發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效,且沒(méi)有任何明顯的征兆,因此應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的事故通常都是災(zāi)難性的[56].

(a) 定位線夾腐蝕

(b) 吊弦腐蝕圖7 接觸網(wǎng)零部件腐蝕失效案例Fig.7 Corrosion failure of catenary components

應(yīng)力腐蝕主要有3種類型:局部應(yīng)力腐蝕開裂、全面應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞,由于應(yīng)力腐蝕開裂能導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷事故,所以它的危害最大.對(duì)應(yīng)力腐蝕的研究一直備受學(xué)者關(guān)注,多年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者在這方面做了大量的工作,但由于應(yīng)力腐蝕影響因素多、失效過(guò)程復(fù)雜,尚未對(duì)應(yīng)力腐蝕作用機(jī)理達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí).目前應(yīng)力腐蝕較成熟的是氫致破裂理論、鈍化膜破裂理論、陽(yáng)極溶解理論和“M-H”復(fù)合體理論.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)應(yīng)力腐蝕作用機(jī)理和防護(hù)手段方面做了相關(guān)研究.文獻(xiàn)[57]分析了鋁合金不同熱處理狀態(tài)下的抗應(yīng)力腐蝕性能,發(fā)現(xiàn)在T6狀態(tài)比T8狀態(tài)的應(yīng)力腐蝕敏感性高,T8狀態(tài)的抗應(yīng)力腐蝕能力更高.文獻(xiàn)[58]通過(guò)慢應(yīng)變速率法,研究激光噴丸強(qiáng)化對(duì)鋁合金焊縫抗應(yīng)力腐蝕性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴丸處理后焊縫抗應(yīng)力腐蝕開裂能力明顯提高,且沒(méi)有出現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕或應(yīng)力腐蝕開裂.文獻(xiàn)[59]通過(guò)斷裂力學(xué)的方法研究鋁合金應(yīng)力腐蝕過(guò)程,發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為應(yīng)力主導(dǎo)區(qū)、應(yīng)力與腐蝕共同主導(dǎo)區(qū)、腐蝕主導(dǎo)區(qū)3個(gè)部分.

3 研究展望

我國(guó)高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)總體運(yùn)營(yíng)良好,但由于接觸網(wǎng)零部件載荷形式復(fù)雜和惡劣的服役環(huán)境,使得接觸網(wǎng)零部件失效問(wèn)題研究困難.目前對(duì)接觸網(wǎng)零部件失效機(jī)理還缺乏系統(tǒng)深入的研究,但結(jié)合接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行工況分析,可以判斷微動(dòng)損傷(微動(dòng)磨損與疲勞)和惡劣的服役環(huán)境是導(dǎo)致接觸網(wǎng)零部件失效的主要因素.對(duì)今后接觸網(wǎng)零部件失效研究方向,作者認(rèn)為應(yīng)從以下幾個(gè)方面開展:

(1) 沖滑復(fù)合磨損損傷機(jī)理的研究.對(duì)接觸網(wǎng)定位零件材料沖滑失效機(jī)理還缺乏深入研究,尤其是結(jié)合電流作用下的沖滑復(fù)合磨損機(jī)理少見報(bào)道,深入研究沖滑復(fù)合磨損損傷機(jī)理十分必要.采用試驗(yàn)?zāi)M、數(shù)值模擬等手段結(jié)合,研究電流與沖滑復(fù)合磨損耦合作用下接觸網(wǎng)定位材料的沖滑復(fù)合磨損特性,進(jìn)而揭示接觸網(wǎng)定位材料的損傷演變規(guī)律和材料失效機(jī)理.

(2) 吊弦多股絞線結(jié)構(gòu)微動(dòng)疲勞機(jī)理研究.目前,對(duì)于多股絞線纏繞結(jié)構(gòu)的微動(dòng)疲勞研究尚不夠深入,尤其缺乏從簡(jiǎn)單微動(dòng)疲勞模式到復(fù)合微動(dòng)疲勞模式的系統(tǒng)研究.深入研究多股絞線結(jié)構(gòu)微動(dòng)疲勞損傷機(jī)理,對(duì)提高吊弦的微動(dòng)疲勞壽命具有重要意義.

(3) 螺栓松動(dòng)機(jī)理研究.由于結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)載荷的復(fù)雜性,使得接觸網(wǎng)中螺栓連接的載荷工況十分復(fù)雜.從微動(dòng)損傷角度認(rèn)識(shí)螺栓松動(dòng)問(wèn)題的相關(guān)研究還較少,尚缺乏深入、系統(tǒng)的研究.為進(jìn)一步揭示接觸網(wǎng)螺栓連接松動(dòng)機(jī)理,應(yīng)遵從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的研究思路,在研究交變拉壓和剪切載荷作用機(jī)理的基礎(chǔ)上,從材料微動(dòng)疲勞與微動(dòng)磨損角度入手,深入研究復(fù)雜振動(dòng)載荷作用下螺栓結(jié)構(gòu)松動(dòng)機(jī)理.

(4) 沖擊大電流條件下的疲勞損傷機(jī)理研究.接觸網(wǎng)零部件在服役時(shí)大多會(huì)有大電流通過(guò),而目前針對(duì)接觸網(wǎng)零部件的沖擊大電流工況下的疲勞機(jī)理研究較少.要減少高速接觸網(wǎng)零部件的疲勞損傷,進(jìn)而提高接觸網(wǎng)零部件的服役可靠性,深入研究大電流條件下的微動(dòng)疲勞、沖擊疲勞等損傷機(jī)理十分必要.

(5) 針對(duì)接觸網(wǎng)零部件材料與環(huán)境的應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞機(jī)理研究.應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞的破壞機(jī)理研究雖已較多,但由于應(yīng)力腐蝕與腐蝕疲勞破壞均對(duì)材料和腐蝕環(huán)境有很強(qiáng)的依存性,而針對(duì)接觸網(wǎng)零部件材料與環(huán)境的研究較少,開展相關(guān)研究十分必要.

通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)零部件各種損傷失效模式的研究,揭示高速接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件的失效原因和機(jī)理,從而對(duì)接觸網(wǎng)零部件的設(shè)計(jì)、選材、制造工藝、驗(yàn)收、維護(hù)等方面提出指導(dǎo)和建議,進(jìn)而提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的服役可靠性.

[1] 于萬(wàn)聚. 高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M]. 成都:西南交通大學(xué)出版社,2003: 134-140.

[2] 蔣先國(guó). 電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件設(shè)計(jì)與制造[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社,2009: 1-8.

[3] 劉志剛,宋洋,劉煜鋮. 電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)微風(fēng)振動(dòng)特性[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015,50(1): 1-6.

LIU Zhigang, SONG Yang, LIU Yucheng, et al. Aeolian vibration characteristics of electrified high-speed railway catenary[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2015, 50(1): 1-6.

[4] 常占寧. 低溫大風(fēng)區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)零部件應(yīng)用探討[C]∥高速鐵路接觸網(wǎng)零部件安全可靠性技術(shù)論文集.北京:中國(guó)學(xué)術(shù)期刊電子雜志社,2013: 65-67.

[5] 王國(guó)梁. 接觸網(wǎng)融冰防冰問(wèn)題的分析研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào),2009,26(8): 93-95.

WANG Guoliang. Analysis and study of the deicing and anti-icing for catenary[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2009, 26(8): 93-95.

[6] 阮云斌,戚廣楓. 有限元應(yīng)力計(jì)算對(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用探討[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào),2008,25(3): 82-84.

RUAN Yunbin, QI Guangfeng. Discussion on the guidance effect of computing stress with define-element on design of catenary of electrified railway[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2008, 25(3): 82-84.

[7] 曹樹森,柯堅(jiān),鄧斌,等. 強(qiáng)風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)動(dòng)力穩(wěn)定性分析[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué),2010,31(4): 79-84.

CAO Shusen, KE Jian, DENG Bin, et al. The dynamic stability analysis of the catenary systems in strong wind area[J]. China Railway Science, 2010, 31(4): 79-84.

[8] 李忠齊,閆軍芳. 電氣化鐵路鋁合金接觸網(wǎng)零部件腐蝕分析[C]∥高速鐵路接觸網(wǎng)零部件安全可靠性技術(shù)論文集.北京:中國(guó)學(xué)術(shù)期刊電子雜志社,2013: 113-116.

[9] 劉怡,張衛(wèi)華,梅桂明. 受電弓/接觸網(wǎng)垂向耦合運(yùn)動(dòng)中接觸網(wǎng)動(dòng)應(yīng)力研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào),2003,25(4): 23-26.

LIU Yi, ZHANG Weihua, MEI Guiming. Study of dynamic stress of the catenary in the pantograph/catenary vertical coupling movement[J]. Journal of the China Railway Society, 2003, 25(4): 23-26.

[10] MEI G M, ZHANG W H, ZHAO H Y, et al. A hybrid method to simulate the interaction of pantograph and catenary on overlap span[J]. Vehicle System Dynamics, 2006, 44(Sup.1): 571-580.

[11] ZHANG W H, LIU Y, MEI G M. Evaluation of the coupled dynamical response of a pantograph-catenary system: contact force and stresses[J]. Vehicle System Dynamics, 2006, 44(8): 645-658.

[12] 李瑞平,周寧,呂青松,等. 橫風(fēng)環(huán)境中弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能分析[J]. 振動(dòng)與沖擊,2014,33(24): 39-44.

LI Ruiping, ZHOU Ning, LV Qingsong, et al. Pantograph-catenary dynamic behavior under cross wind [J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(24): 39-44.

[13] 李瑞平,周寧,張衛(wèi)華,等. 基于AR模型的接觸網(wǎng)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)與風(fēng)振響應(yīng)[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2013,13(4): 56-62.

LI Ruiping, ZHOU Ning, ZHANG Weihua, et al. Fluctuating wind field and wind-induced vibration response of catenary based on AR model[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2013, 13(4): 56-62.

[14] 李瑞平,周寧,張衛(wèi)華,等. 高速列車過(guò)隧道對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)影響分析[J]. 振動(dòng)與沖擊,2013,32(6): 33-37.

LI Ruiping, ZHOU Ning, ZHANG Weihua, et al. Influence of high-speed trains passing through tunnel on pantograph-catenary dynamic behaviors[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(6): 33-37.

[15] 萬(wàn)毅,鄧斌,李會(huì)杰,等. 接觸網(wǎng)系統(tǒng)各部件內(nèi)部應(yīng)力概率分布規(guī)律[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué),2005,26(6): 44-47.

WAN Yi, DENG Bin, LI Huijie, et al. The probability distribution law of the internal stress on each components of catenary system[J]. China Railway Science, 2005, 26(6): 44-47.

[16] 畢繼紅,陳花麗,任洪鵬. 基于雨流計(jì)數(shù)法的接觸線疲勞壽命分析[J]. 鐵道學(xué)報(bào),2012,34(6): 34-39.

BI Jihong, CHEN Huali, REN Hongpeng. Analysis on fatigue life of contact wire based on rain-flow counting method[J]. Journal of the China Railway Society, 2012, 34(6): 34-39.

[17] 劉莉蓉,雍興躍,郭奉迎. 電氣化接觸網(wǎng)零部件在典型環(huán)境的腐蝕研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào),2015,32(3): 81-85.

LIU Lirong, YONG Xingyue, GUO Fengying. Research on the corrosion of metallic components of overhead contact system in typical atmospheric environment[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2015, 32(3): 81-85.

[18] WANG Z, CAI Z B, SUN Y, et al. Low velocity impact wear behavior of MoS2/Pb nanocomposite coating under controlled kinetic energy[J]. Surface & Coatings Technology, 2017, 326: 53-62.

[19] 周仲榮,朱旻昊. 復(fù)合微動(dòng)磨損[M]. 上海:上海交通大學(xué)出版社,2004: 33-141.

[20] 林修洲,蔡振兵,何莉萍,等. 恒溫扭動(dòng)磨損腐蝕的模擬與試驗(yàn)[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,46(1): 132-137.

LIN Xiuzhou, CAI Zhenbing, HE Liping, et al. Simulation and experimental investigation of tortional wear corrosion at constant temperature[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2011, 46(1): 132-137.

[21] 莫繼良,朱旻昊,廖正君,等. 轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)的模擬與試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2009,10(6): 631-635.

MO Jiliang, ZHU Minhao, LIAO Zhengjun, et al. An experimental investigation and simulation of rotational fretting[J]. China Mechanical Engineering, 2009, 10(6): 631-635.

[22] LUO J, CAI Z B, MO J L, et al. Torsional fretting wear behavior of bonded MoS2solid lubricant coatings[J]. Tribology Transactions, 2015, 58(6): 1124-1130.

[23] 常占寧. 接觸網(wǎng)定位器斷裂原因分析及對(duì)策[C]∥中國(guó)電氣化鐵路兩萬(wàn)公里學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:中國(guó)鐵道出版社,2005: 125-129.

[24] 馬遠(yuǎn)征. 高速鐵路鑄造鋁合金接觸網(wǎng)零部件腐蝕失效分析[J]. 鐵道技術(shù)監(jiān)督,2015,43(7): 36-39.

[25] 周寧,張衛(wèi)華. 基于互推的接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)動(dòng)應(yīng)力問(wèn)題研究的新方法[J]. 鐵道學(xué)報(bào),2008,30(4): 16-21.

ZHOU Ning, ZHANG Weihua. A new inference-based method to investigate dynamic stresses of cantilever structures of the catenary system[J]. Journal of the China Railway Society, 2008, 30(4): 16-21.

[26] 李瑞平,周寧,梅桂明,等. 初始平衡狀態(tài)的接觸網(wǎng)有限元模型[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,44(5): 732-737.

LI Ruiping, ZHOU Ning, MEI Guiming, et al. Finite element model for catenary in initial equilibrium state[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2009, 44(5): 732-737.

[27] 張柯,王玉環(huán),王國(guó)志,等. 抬升力作用下接觸網(wǎng)定位器動(dòng)應(yīng)力的有限元分析[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化,2008(3): 44-46.

ZHANG Ke, WANG Yuhuan, WANG Guozhi, et al. Finite element analysis of dynamic stress of localizer under the lifting force[J]. Mechanical Engineering & Automation, 2008(3): 44-46.

[28] DONG X X, HE L J, MI G B, et al. Two directional microstructure and effects of nanoscale dispersed Si particles on microhardness and tensile properties of AlSi7Mg melt-spun alloy[J]. Journal of Alloys & Compounds, 2015, 618: 609-614.

[30] PENG J F, SONG C, SHEN M X, et al. An experimental study on bending fretting fatigue characteristics of 316 L austenitic stainless steel[J]. Tribology International, 2011, 44(11): 1417-1426.

[31] PENG J F, LIU J H, CAI Z B, et al. Study on bending fretting fatigue damages of 7075 aluminum alloy[J]. Tribology International, 2013, 59: 38-46.

[32] PENG J F, ZHU M H, CAI Z B, et al. On the damage mechanisms of bending fretting fatigue[J]. Tribology International, 2014, 76: 133-141.

[33] HARRIS S J, WATERHOUSE R B, MCCOLL I R. Fretting damage in locked coil steel ropes[J]. Wear, 1993, 170(1): 63-70.

[34] ZHOU Z R, CARDOU A, FISET M, et al. Fretting fatigue in electrical transmission lines[J]. Wear, 1994, 173(1/2): 179-188.

[35] ZHOU Z R, FISET M, CARDOU A, et al. Effect of lubricant in electrical conductor fretting fatigue[J]. Wear, 1995, 189(1): 51-57.

[36] HOBBS R E, RAOOF M. Mechanism of fretting fatigue in steel cables[J]. International Journal of Fatigue, 1994, 16(4): 273-280.

[37] CRUZADO A, HARTLELT M, WCHE R, et al. Fretting wear of thin steel wires, part 1: influence of contact pressure[J]. Wear, 2010, 268(11/12): 1409-1416.

[38] LIU J H, OUYANG H J, PENG J F, et al. Experimental and numerical studies of bolted joints subjected to axial excitation[J]. Wear, 2016, 346: 66-67.

[39] LIU J H, OUYANG H J, MA L J, et al. Numerical and theoretical studies of bolted joints under harmonic shear displacement[J]. Latin American Journal of Solids and Structures, an ABCM Journal, 2015, 12(1): 115-132.

[40] LIU J H, OUYANG H J, FENG Z Q, et al. Study on self-loosening of bolted joints excited by dynamic axial load[J]. Tribology International, 2017, 115: 432-451.

[41] 朱旻昊,徐進(jìn),周仲榮. 抗微動(dòng)損傷的表面工程設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)表面工程,2008,20(6): 5-10.

ZHU Minhao, XU Jin, ZHOU Zhongrong. Alleviating fretting damages through surface engineering design[J]. China Surface Engineering, 2008, 20(6): 5-10.

[42] HOUSARI B A, ALKELANI A A, NASSAR S A. A proposed model for predicting clamp load loss due to gasket creep relaxation in bolted joints[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 2012, 134(2): 517-522.

[43] 殷明霞,史淑娟,江海峰. 螺紋結(jié)構(gòu)力矩及其衰退機(jī)理分析[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境,2013,40(4): 31-35.

YIN Mingxia, SHI Shujuan, JIANG Haifeng. The analysis of screw connection and the torque degeneration[J]. Structure & Environment Engineering, 2013, 40(4): 31-35.

[44] GOODIER J N, SWEENEY R J. Loosening by vibration of threaded fastenings[J]. Mechanical Engineering, 1945, 67(12): 798-802.

[45] HESS D P, SUDHIRKASHYAP S V. Dynamic analysis of threaded fasteners subjected to axial vibration[J]. Journal of Sound and Vibration, 1996, 193(5): 1079-1090.

[46] HESS D P , DAVIS K. Threaded components under axial harmonic vibration, part 1: experiments[J]. Journal of Vibration and Acoustics, 1996, 118(3): 417-422.

[47] HESS D P. Threaded components under axial harmonic vibration, part 2: kinematic analysis[J]. Journal of Vibration and Acoustics, 1996, 118(3): 423-429.

[48] NASSAR S A, SHOBERG R S, Effect of fastener tightening beyond yield on the behavior of bolted joints under service loads[C]∥Proceeding of the 18th Annual Conference of the AMSE. East Lansing: World Scientific Publishing Company Successfully, 1992: 1-17.

[49] NASSAR S A, BARBER G C, ZUO D J. Bearing friction torque in bolted joints[J]. Tribology Transactions, 2005, 48(1): 69-75.

[50] JUNKER G H. New criteria for self-loosening faster under vibration[J]. SAE Transactions, 1969, 78: 314-335.

[51] JIANG Y, ZHANG M, PARK T W, et al. An experimental study of self-loosening of bolted joints[J]. Journal of Mechanical Design, 2004, 126(5): 925-931.

[52] 李永生,李軍杰,閆軍芳. 淺談高速鐵路接觸網(wǎng)零部件防松措施的應(yīng)用[C]∥高速鐵路接觸網(wǎng)零部件安全可靠性技術(shù)論文集. 北京:中國(guó)學(xué)術(shù)期刊電子雜志社,2013: 120-123.

[53] 李軍,馬立明. 接觸線從錐套式終端錨固線夾中脫落的原因及對(duì)策[J]. 鐵道技術(shù)監(jiān)督,2013,41(2): 30-31.

[54] 楊安書. 接觸線及承力索終錨線夾的改進(jìn)探討[J]. 電氣化鐵道,2005(3): 14-15.

[55] 高鳴. 電氣化鐵路鋁包鋼承力索終端錨固的研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué),2002,23(5): 69-72.

GAO Ming. Research on terminal anchorage for aluminum-coated steel messenger wire on electrified railways[J]. China Railway Science, 2002, 23(5): 69-72.

[56] SPEIDEL M O. Stress corrosion cracking of aluminum alloys[J]. Metallurgical Transactions A, 1975, 6(4): 631-651.

[57] 張新明,李慧中,陳明安,等. 熱處理對(duì)2519鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2006,16(10): 1743-1748.

ZHANG Xinming, LI Huizhong, CHEN Minan, et al. Effect of heat treatment on stress corrosion cracking susceptibility of aluminum alloy 2519[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006, 16(10): 1743-1748.

[58] HATAMLEH O, SINGH P M, GARMESTANI H. Stress corrosion cracking behavior of peened friction stir welded 2195 aluminum alloy joints[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2009, 18(4): 406-413.

[59] ALYOUSIF O M, NISHIMURA R. The effect of applied stress on environment-induced cracking of aluminum alloy 5052-H3 in 0.5M NaCl solution[J/OL]. International Journal of Corrosion, 2012, 2012： 1-5[2016-10-12]. http://dx.doi.org/10.1155/2012/894875.