高速鐵路接觸網定位器底座斷裂分析及預防整治建議

方衛(wèi)健，高睿

（中國鐵路武漢局集團有限公司供電部，湖北武漢 430071）

0 引言

京廣高鐵接觸網零部件采用銅合金、鋁合金及不銹鋼等材質制造，特別是采用鋁合金材質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。因此，要求鋁合金材質的支持裝置既要具有足夠的機械強度，還要承受接觸網振動及外部環(huán)境腐蝕的影響。從近幾年運行情況看，鋁合金材質支持裝置很好地解決了定位點接觸網彈性問題，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不當造成，有些則是由于弓網振動、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判檢測手段，對接觸網的可靠運行造成了嚴重威脅。在此，以定位器底座斷裂缺陷為例，從接觸網振動、環(huán)境腐蝕及鑄造工藝等方面進行分析，并提出相關預防整治建議。

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日投入正式運營，正線接觸網采用全補償彈性鏈型懸掛，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構，結構高度為1 600 mm，接觸線導高為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年共計發(fā)現(xiàn)4處定位器底座斷裂缺陷，具體統(tǒng)計情況見表1。

圖1 定位器底座斷裂

表1 定位器底座斷裂統(tǒng)計

從表1可知，盡管樣本數量不多，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，對定位器底座斷裂發(fā)展過程進行判斷：

（1）檢查情況。2014年11月13日，對324#定位器進行全面檢查，定位器底座未發(fā)現(xiàn)異常；11月19日，利用天窗點對324#定位器U形銷進行更換，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)控的時間點可初步判斷324#定位器底座出現(xiàn)裂紋的時間段為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、檢測周期。

2 應力分析

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，安裝后達到靜力平衡狀態(tài)。根據定位器工作狀態(tài)建立力學模型（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量），根據力的相互作用，定位器底座對定位器產生作用力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

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

（1）Fj水平分力Fx的確定。對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。對接觸線垂直方向受力分析見圖4，其中，O點為定位器一側的吊弦，A點為定位點；T為接觸導線的張力；Fo和Fy分別是O和A點的垂向力；q為接觸導線單位長度的質量；y為A點的弛度。

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無弛度，即y=0。接觸導線單位長度質量是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 應力分布

使用有限元分析軟件對定位器底座應力分布情況進行分析。將接觸線對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。通過軟件計算分析，可以看到定位器絞環(huán)豁口部位承受應力最大，達到7 407 796.5 N/m2（見圖5）。

圖5 定位器底座應力分布

3 材質檢測分析

該定位器底座為L形，按照TB/T 2075.3—2010《電氣化鐵路接觸網零部件》，其材質為牌號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成分和機械性能》，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%。單個雜質含量不超過0.03%，雜質總量不超過0.10%。對定位器底座分別進行宏觀檢驗、微觀金相、掃描電子顯微鏡（SEM，簡稱掃描電鏡）及電鏡能譜（EDS）檢驗分析［3］。

3.1 宏觀檢驗

觀察定位器底座斷裂實際情況，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的錯位。在安裝時如果定位拉索過緊，長期使用過程中，也可能使定位器底座下端圓環(huán)的凹槽處受到一個較大的彎曲力，導致凹槽位置圓環(huán)最薄處彎曲斷裂并發(fā)生錯位。將斷裂部位鋸下，由于斷裂時間已久，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

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）?？捎^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

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)則物質彌散均勻分布，為單質硅。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檢驗分析

將另一段斷口試樣表面清潔后，在場發(fā)射掃描電鏡下進行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。

通過檢測分析，定位器底座斷口表面凹凸不平，大面積準解理狀斷口特征，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，斷口處呈典型準解理斷裂特征，并含有一定數量的O、S等金屬化合物雜質物質。鋁合金疏松缺陷通常是由于鑄造工藝造成的，這類缺陷會降低鋁合金結構的強度。

4 斷裂原因分析

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

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

（2）鋁合金定位器底座鑄造過程中產生的疏松缺陷，降低了定位器底座強度，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生了鋁合金疏松缺陷，從而降低了定位器底座的強度，接觸網頻繁振動使定位器底座處于應力疲勞狀態(tài)，加之環(huán)境污染（SO2和Cl等酸性物質）對鋁合金產生的腐蝕作用，最終導致定位器底座豁口部位發(fā)生斷裂，其應力腐蝕作用示意見圖10［8］。

圖10 應力腐蝕作用示意圖

5 預防整治建議

（1）建議引進超聲波探傷技術對定位器底座疏松缺陷進行排查，及時發(fā)現(xiàn)零部件內部隱性缺陷［9］。

（2）改進零部件制造工藝，減小局部應力集中的程度。零部件應盡量避免切口，截面突然變化，尖銳棱角、溝槽、開孔等，或將邊、角、槽、開孔設計在低應力區(qū)或壓應力區(qū)，并做一定處理，如銳角倒圓、毛刺磨掉、內角填平、噴丸處理等。對可能產生應力集中的關鍵部位，可適當增加部件的壁厚［10］。

（3）采取防腐蝕措施。一是及時清理表面的粉塵污染物；二是優(yōu)化結構設計，提高表面的光潔度，減少鋁合金接觸網零部件在運輸和安裝過程中的磕碰；三是對鋁合金接觸網零部件表面進行抗氧化處理。

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

（5）加強對接觸網零部件的監(jiān)控檢查。一是充分利用接觸網綜合檢測裝置，最大限度地收集不穩(wěn)定因素；二是利用天窗點時間近距離觀察各零部件有無應力腐蝕斷裂情況；三是設立觀測領示點，定期對設備運行狀態(tài)進行記錄。