廣州地鐵1號線A2、A3型車受電弓碳滑板裂紋分析

傅 駿

（廣州地鐵運營事業總部一中心，廣東廣州510310）

廣州地鐵1號線A2、A3型車受電弓碳滑板裂紋分析

傅 駿

（廣州地鐵運營事業總部一中心，廣東廣州510310）

首先通過對廣州地鐵1號線A2、A3型車受電弓碳滑板裂紋進行宏觀特征分析，再利用ansys workbench平臺仿真計算、掃描電子顯微鏡觀察方法進一步分析裂紋影響因素，最終判斷受電弓碳滑板裂紋產生的原因，并提出改善措施。

地鐵車輛；受電弓；碳滑板；裂紋；腐蝕疲勞

0 概述

廣州地鐵1號線A2、A3型車受電弓是由德國STEMMANN公司生產，自2006年開始運用至今約9年。2010年開始，該型受電弓碳滑板在檢修時發現裂紋，2013年裂紋情況頻繁出現，但同型號碳滑板在8號線檢修時一直無類似裂紋。1號線車輛在試用其他品牌、批次的碳滑板后仍然發現裂紋，有裂紋的碳滑板碳層磨耗形狀、磨耗率均與其他滑板無明顯差別。碳滑板為列車弓網接觸受力關鍵部件，裂紋隱患發展可能最終導致弓網事故，故須深入分析其原因并采取整改措施。

1 裂紋宏觀特征分析

1.1 裂紋源位置

通過對大量有裂紋的碳滑板的觀察發現，鋁托架全部存在裂紋而碳層并非全部出現裂紋，說明裂紋是由鋁托架擴展至碳層的，即裂紋源是在鋁托架上。而鋁托架上腐蝕最嚴重且伴隨裂紋出現的位置均為底面螺栓靠滑板中心一側，且該位置附近裂紋寬度比側面大，因此，判斷此處應是裂紋源。以滑板一側末端為例，裂紋源位置見圖1所示的1點或2點附近。

圖1 裂紋源位置圖

1.2 斷裂類型

由于碳滑板安裝時碳層在上，鋁托架在下（以重力方向為下），在弓網配合方式下，鋁托架向下產生形變，使得其主要在長度方向上受拉應力。如圖1所示，裂紋源處擴展方向基本垂直于碳滑板長度方向，即垂直于拉應力方向，裂紋應為張開型裂紋。裂紋附近材質無明顯變形或沖擊產生的損傷，斷裂瞬間應屬于脆性斷裂。

1.3 裂紋影響主要因素

由于長度方向為主要受力方向，且裂紋源位置呈規律性出現，裂紋的產生應與鋁托架此處應力有一定關系。從腐蝕程度看，碳滑板長度方向要嚴重于寬度方向，即圖1中1、2點之間腐蝕嚴重程度大于3～5點之間。由于裂紋源附近為腐蝕最嚴重位置，推斷該裂紋的產生與腐蝕也有關系。

2 裂紋影響因素分析

針對鋁托架應力及腐蝕因素，分別采用有限元分析及掃描電子顯微鏡觀察的方式開展分析，詳細如下。

2.1 鋁托架有限元應力分析

碳滑板所受應力來源于弓網接觸力，利用計算機軟件 ansys workbench 可模擬1號線列車受電弓碳滑板鋁托架運用時應力情況（參數來源于正線實際測量），并對比8號線的試驗數據，可分析斷裂產生與應力的關系。

2.1.1 1號線列車受電弓鋁托架應力分析

由于弓頭為橫向、縱向對稱結構，選取1/4的碳滑板及托架的組合進行建模可代表實際情況。由于弓頭無阻尼裝置，分析瞬時受力情況可利用靜力學模型。由于碳滑板中部是弓網匹配運用的平均位置，觀察在中部加載的應力更具有參考意義。鋁托架材質選用已知 MY 品牌碳滑板參數：鋁牌號6063A、密度2.7 g/m3、泊松比0.3、楊氏模量70000。將接觸導線與碳滑板接觸面近似算為1 mm 寬，由于滑板寬35 mm，即每條滑板接觸面積約為35 mm2。取實測壓力最大值173.2 N 進行計算，以1條滑板承受1/4壓力為一般情況，1條滑板承受1/2壓力為極端情況（A2、A3型車弓頭為4弓聯動，實測中未發現弓頭單側壓力為0的情況，故單側弓頭的1條滑板最多承受1/2接觸壓力），模擬鋁托架底部應力分布情況如圖2所示。

圖2 一般與極端情況下鋁托架底部應力分布對比

查閱鋁合金性能資料得知：6063A（鋁托架）屈服強度約160 MPa，安全系數通常取1.5～2.5，即材質許用應力在64～106.7 MPa 范圍。從應力分布圖可知，雖然裂紋源位置附近應力較為集中，但即使在極端情況下，滑板鋁托架底部應力最大區域的數值也在76～89 MPa 范圍內，離許用應力上限還有較大余量。

2.1.2 1號線與8號線列車受電弓鋁托架應力對比

1號線的弓網平均接觸力范圍是大于8號線的，在同樣的模型中，選取1號線弓網平均接觸力最大值134 N，及8號線弓網平均接觸力最小值111 N 進行對比計算，可體現出1號線、8號線車輛實際運用時兩者碳滑板鋁托架底部應力分布普遍情況，對比如圖3所示。

圖3 1號線、8號線列車受電弓鋁托架應力對比

從圖3應力分布圖可知，1號線、8號線列車受電弓滑板裂紋源附近的應力集中情況相差不大。

2.2 斷口微觀分析

2.2.1 腐蝕產物

利用掃描電子顯微鏡對樣品斷口進行能譜分析，發現腐蝕產物僅為氧化鋁，腐蝕程度隨裂紋深度增加而減弱。在樣品材質分析中未見其他腐蝕型元素超出工業鋁合金的要求范圍。以上說明腐蝕過程是由外向內進行，并非材質本身問題導致。

2.2.2 斷口特征

在3份送檢樣品中的2份斷口處發現有略呈彎曲并幾乎平行的溝槽狀花樣，具有規則間距且幾乎與裂紋擴展方向垂直，符合疲勞條帶特征描述。疲勞條帶是疲勞斷口最典型的微觀特征。

3 斷裂失效分析

根據裂紋宏觀特征、裂紋影響因素分析，對比資料，可確定裂紋種類。結合碳滑板實際運用情況，可推理出裂紋產生的過程。

3.1 裂紋種類

由于在極端條件下許用應力尚有較大余量，以及8號線列車受電弓碳滑板在此應力運用條件下無類似裂紋的情況，可知1號線列車受電弓碳滑板所受應力不足以使得鋁托架產生裂紋，排除接觸力單獨作用使滑板產生裂紋的可能性。而根據微觀分析，腐蝕及疲勞確實存在，裂紋應是應力與環境共同作用下導致。

金屬在環境下發生失效的主要種類有應力腐蝕、腐蝕疲勞、氫脆、蠕變斷裂。由斷口宏觀特征可排除蠕變斷裂，且斷口處未發現氫含量超標，可排除氫脆。應力腐蝕發生在靜態力作用下，且需要特定的環境與金屬的組合（工業鋁合金在大氣環境中產生應力腐蝕需要硫化氫或砷和銻化合物），而碳滑板在運用時與接觸網為動態配合，且在微觀分析未發現對應雜質，故應力腐蝕也不可能。腐蝕疲勞出現在交變應力下，且沒有特定的腐蝕介質限制。綜上所述，并結合裂紋影響因素分析情況，得出斷裂失效的原因是腐蝕疲勞。

3.2 裂紋產生過程

對比1號線、8號線的測試數據發現：1號線上行沖擊點數量比8號線多出約25%，8號線沖擊最大值比1號線最大值略高，但個數較少。由于碳滑板與接觸網為動態接觸，其所受應力實際為交變應力。無論是垂向或是水平沖擊都會使得鋁托架在彎曲方向上承受更多應力。沖擊點較多說明1號線列車受電弓碳滑板承受的交變應力頻率較高，即疲勞循環次數較多。由于更高頻率的交變應力引起了更高頻率的材質形變以及與弓頭托架接觸擠壓作用，此處的氧化膜被破壞的程度也更嚴重，容易使得腐蝕介質侵入材質。在腐蝕介質與交變應力共同作用下，1號線列車受電弓碳滑板鋁托架最終發生斷裂。雖然8號線的沖擊強度略高于1號線，但由于沖擊次數有限而不足以產生裂紋。實際上，8號線列車換下的碳滑板（運用已達到6個月）底面腐蝕分布情況與1號線類似，但沒有1號線嚴重。

4 改善措施

由于受電弓碳滑板裂紋的產生主要涉及材質疲勞強度、環境介質、受力情況3個方面，針對性改善措施可從以下幾個方面考慮。

（1）材質設計。可采用耐腐蝕材料或疲勞強度更高材質，或在表面增加保護層，進行表面處理。

（2）運用環境。可針對材質腐蝕情況添加緩蝕劑或進行電化學保護。

（3）運用條件。減小正線沖擊頻率或沖擊能量。

由于弓網運用在高速、大氣的環境條件下，受弓頭結構限制在此方向實現較為困難。受目前接觸網改造以及 A2、A3型車受電弓換型項目影響，弓網接觸造成的沖擊頻率短期內很難減小。通過調整接觸網參數減小沖擊是可行的，但非車輛專業方面措施，這里不詳細展開敘述。理論上說，降低受電弓接觸力也能達到減弱沖擊的效果，但1號線曾進行試驗，發現拉弧現象增多，又將帶來司機正線判斷的新問題，所以，在運用環境方面改進也有實際操作的困難。由于在碳滑板底板位置已試驗過采用導電膏（有一定防腐蝕作用，但仍然出現裂紋），綜合考慮選擇了從材質設計方向著手，使用強度性能更優的鋁托架材質的碳滑板進行裝車試驗。目前已裝車超過80天，運營里程超過2.5萬km，裝車情況良好，預計可有效降低其裂紋發生數量。

[1] 涂建國，胡海麗，黃鳳，等. 受電弓拉桿斷裂原因分析[J]. 熱處理技術與裝備，2014，35（5）：30-33.

[2] 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊（失效分析和故障診斷）[M]. 北京：機械工業出版社，2007.

責任編輯 冒一平

Analysis on Cracks of Pantograph Carbon Skateboard of A2/A3Type Vehicles on Guangzhou Metro Line1

Fu Jun

Based on the analysis of macroscopic characteristics of pantograph carbon skateboard cracks of vehicles A2/A3on Guangzhou metro line1, further using the Ansys Workbench simulation platform, scanning electron microscopy method for detailed analysis of crack influence factors, the paper discuses the reason identified causing pantograph carbon skateboard cracks in the final chapter, and puts forward the improvement measures.

metro vehicles, pantograph, carbon skateboard, crack, corrosion fatigue

U264.3＋4

2016-03-06

傅駿（1986—），男，工程師