某地鐵受電弓拉桿球鉸軸承失效原因分析
受電弓是地鐵列車從觸網(wǎng)獲取電能的機(jī)電一體化設(shè)備，一般安裝在電客列車、動(dòng)車的車頂上，常規(guī)4節(jié)和6節(jié)編組列車有2個(gè)受電弓，8節(jié)編組列車有3個(gè)受電弓。上海地鐵使用的所有電動(dòng)受電弓為典型的單臂受電弓，主要由如下部件組成：碳棒、上支架(含弓頭、平衡桿)、下支架(含拉桿)、底架、升弓彈簧、落弓機(jī)構(gòu)、絕緣子等。受電弓通過(guò)升弓電機(jī)完成升落弓，依靠升弓彈簧來(lái)維持與觸網(wǎng)的接觸壓力。
上海地鐵最早的電動(dòng)弓使用至今已有10a(年)左右，大部分已經(jīng)經(jīng)歷了5a架修修程。在上海地鐵近幾年運(yùn)營(yíng)使用中，電動(dòng)受電弓發(fā)生了多次弓網(wǎng)沖突事件，對(duì)上海地鐵的有序運(yùn)營(yíng)造成了較大影響，給乘客的出行帶來(lái)了不便。經(jīng)后續(xù)故障分析，多起弓網(wǎng)沖突事件是因?yàn)槭茈姽瓧U球鉸軸承失效后引起的弓網(wǎng)沖突故障。
受電弓拉桿是受電弓的重要組成部分，是受電弓的關(guān)鍵部件，也叫連接桿、耦合桿等，拉桿通過(guò)對(duì)穿螺栓形式固定在底架與上支架尾部，在受電弓升起后，拉桿通過(guò)底架和上支架的固定連接，把上支架連帶弓頭拉起，故取名拉桿。
拉桿通常由碳鋼無(wú)縫鋼管及兩端連接軸承組成，連接軸承按結(jié)構(gòu)分為有組合軸承(軸承加軸承座,連接螺栓)和一體式的球鉸軸承，上海地鐵電動(dòng)受電弓使用的拉桿兩端連接軸承是一體式的球鉸軸承。該地鐵受電弓拉桿球鉸軸承在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了失效斷裂，來(lái)自上海申凱公共交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司的董雪春對(duì)球鉸軸承失效原因進(jìn)行了深入研究分析，并給出了相關(guān)建議和措施，以期類似事故不再發(fā)生。
01 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀分析
發(fā)生失效的拉桿球鉸軸承材料為304不銹鋼，型號(hào)為SA16t/K-F。受電弓拉桿球鉸軸承安裝示意圖如圖1所示。
圖1 受電弓拉桿球鉸軸承安裝示意圖
受電弓球鉸失效部件宏觀形貌如圖2所示，兩枚失效部件分別標(biāo)記為1號(hào)和2號(hào)。失效部件為同一件拉桿的兩部分，拉桿兩端各擰入一件關(guān)節(jié)球鉸軸承，球鉸桿體材料為0Cr18Ni9鋼。
圖2 失效球鉸軸承宏觀形貌
圖3所示為1號(hào)球鉸軸承殘件宏觀形貌，可見(jiàn)外圈斷裂且嚴(yán)重變形，兩處斷裂位置分別標(biāo)記為1-1和1-2，1-1處斷面可見(jiàn)斷口學(xué)特征，1-2處斷裂位置可見(jiàn)明顯的金屬熔化痕跡，球鉸外圈斷裂變形后，1-2端由于高壓接地短路而熔化，故將1-1斷口作為重點(diǎn)分析對(duì)象。
圖3 1號(hào)球鉸軸承殘件宏觀形貌
圖4所示為受電弓拉桿裝配示意圖，斷裂位置如圖中箭頭所示，經(jīng)分析可知，正常服役狀態(tài)下桿端關(guān)節(jié)軸承(球鉸)主要承受拉伸載荷及內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)引起的輕微彎曲載荷作用。
圖4 受電弓拉桿裝配示意圖
1.2 斷口分析
圖5所示為1-1處斷口低倍形貌，斷裂起源于軸承外圈與桿部過(guò)渡圓角處，斷口表面平整，未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損或銹蝕現(xiàn)象，左上部可見(jiàn)金屬附著物。將斷口分為A，B，C，D等4個(gè)區(qū)域進(jìn)一步觀察。
圖5 1-1處斷口低倍形貌
圖6所示為球鉸未斷裂圓角處低倍形貌，可見(jiàn)其上存在明顯機(jī)加工刀痕。
圖6 未斷裂圓角處低倍形貌
圖7所示為A區(qū)微觀形貌，可見(jiàn)明顯的輪輻狀臺(tái)階及磨損痕跡。圖8為B區(qū)微觀形貌，可見(jiàn)存在明顯疲勞輝紋，此區(qū)域?yàn)槠诹鸭y擴(kuò)展區(qū)。圖9所示為斷面C區(qū)微觀形貌，可見(jiàn)明顯的韌窩形貌，該區(qū)域?qū)挾燃s為0.3mm，為最終斷裂區(qū)。圖10所示為D區(qū)低倍形貌，可見(jiàn)斷面上的附著物呈球狀及濺射狀，應(yīng)為電屬熔滴飛濺到斷面上所致。圖11所示為A區(qū)附近外表面的微觀形貌，可見(jiàn)明顯的犁溝狀加工刀痕及微裂紋。
圖7 斷面A區(qū)微觀形貌
圖8 斷面B區(qū)微觀形貌
圖9 斷面C區(qū)微觀形貌
圖10 斷面D區(qū)低倍形貌
圖11 A 區(qū)附近外表面微觀形貌
1.3 金相檢驗(yàn)
截取斷口附近縱向試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)明顯的低倍缺陷。圖12所示為球鉸未斷裂側(cè)圓角處低倍組織形貌，經(jīng)測(cè)量圓角半徑約為5.1mm，符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求(5mm)，但圓角過(guò)渡不平滑，存在明顯的折角(圖中箭頭所示)，該折角半徑約為0.21mm。
圖12 未斷裂圓角處低倍組織形貌
圖13所示為斷口附近的縱向顯微組織形貌，可見(jiàn)斷口起源處表面存在一條弧形的微裂紋(箭頭所示)，主裂紋與二次裂紋均從該微裂紋處萌生，近表面顯微組織存在滑移帶和形變誘發(fā)馬氏體，心部組織為奧氏體。
圖13 斷口附近縱向顯微組織形貌
圖14所示為斷口處縱向顯微組織形貌，通過(guò)掃描電鏡觀察到裂紋主要以穿晶方式擴(kuò)展，無(wú)明顯分支裂紋。
圖14 斷口處縱向顯微組織形貌
檢測(cè)的球鉸中非金屬夾雜物形貌，根據(jù)GB/T 10561—2005《銅中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》規(guī)定，判定為A 類硫化物(細(xì)系)1級(jí)，B類氧化鋁(細(xì)系)1.5級(jí)，D類球狀氧化物(細(xì)系)1.5級(jí)。
1.4 硬度測(cè)試
選取試樣斷裂起源處4個(gè)區(qū)域(I區(qū)，II區(qū)，III區(qū)，IV區(qū))進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試位置如圖15所示，硬度結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)斷口邊緣的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于心部硬度，說(shuō)明零件外表面經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后形成了明顯的加工硬化。
圖15 硬度測(cè)試位置示意圖
表1 各區(qū)域硬度測(cè)試結(jié)果
1.5 化學(xué)成分分析
采用直讀光譜儀對(duì)斷裂試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分符合GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》中對(duì)0Cr18Ni9不銹鋼的成分要求。
02 分析與討論
斷裂球鉸軸承的斷口宏觀形貌表明，斷裂發(fā)生于關(guān)節(jié)軸承與螺紋桿部過(guò)渡圓角處，斷面平整但表面附著金屬熔滴，說(shuō)明發(fā)生斷裂在先，金屬熔化在后。斷裂源外側(cè)存在明顯的機(jī)加工痕跡和微裂紋，試樣未斷裂側(cè)過(guò)渡圓角部位低倍形貌同樣可見(jiàn)明顯的加工刀痕，說(shuō)明該試樣過(guò)渡圓角最終加工工藝為車加工，且加工完成后未進(jìn)行打磨處理，致使其表面殘留明顯的加工刀痕和微裂紋，并引起表面加工硬化。
通過(guò)金相檢驗(yàn)分析可知，斷口起源處表面可見(jiàn)一條弧形微裂紋，主裂紋與二次裂紋均從該微裂紋處萌生，近表面顯微組織存在形變而誘發(fā)馬氏體，心部組織為奧氏體，表面與心部組織存在顯著區(qū)別。通過(guò)硬度測(cè)試結(jié)果可知，球鉸表面硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于心部硬度，該現(xiàn)象與顯微組織特征一致。斷口電鏡觀察顯示，斷面微觀形貌可見(jiàn)明顯的疲勞輝紋，輝紋間距較窄，且終斷區(qū)面積不足整個(gè)斷面面積的10%，呈現(xiàn)典型的高周低應(yīng)力疲勞斷裂特征。低倍組織顯示，過(guò)渡圓角半徑雖然符合圖紙要求，但圓角過(guò)渡不順暢，存在半徑約0.2mm的折角。
結(jié)合斷口形貌與金相檢驗(yàn)可知，機(jī)加工導(dǎo)致球鉸軸承近表面組織嚴(yán)重變形并誘發(fā)馬氏體相變，同時(shí)形成折角和大量微裂紋，在斷裂源區(qū)表面形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)，球鉸軸承服役過(guò)程中承受頻繁的振動(dòng)和交變載荷作用，折角處的微裂紋成為疲勞裂紋萌生的源區(qū)，裂紋在交變載荷作用下不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致球鉸軸承失穩(wěn)斷裂。
03 結(jié)論及建議
該受電弓球鉸軸承的斷裂屬于高周低應(yīng)力疲勞斷裂。球鉸軸承服役過(guò)程中承受頻繁的振動(dòng)和交變載荷作用，折角處的微裂紋成為疲勞裂紋萌生的源區(qū)，裂紋在交變載荷作用下不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致球鉸軸承失穩(wěn)斷裂。
建議在電動(dòng)受電弓拉桿軸承選型時(shí)，選擇強(qiáng)度較高，質(zhì)量可靠廠家生產(chǎn)的軸承。檢查球鉸軸承是否存在可視裂紋，軸承外觀是否存在明顯加工刀痕，使用X射線檢測(cè)軸承是否存在制造缺陷。
作者：董雪春；單位：上海申凱公共交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司
