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)獲取電能的機電一體化設(shè)備，一般安裝在電客列車、動車的車頂上，常規(guī)4節(jié)和6節(jié)編組列車有2個受電弓，8節(jié)編組列車有3個受電弓。上海地鐵使用的所有電動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、落弓機構(gòu)、絕緣子等。受電弓通過升弓電機完成升落弓，依靠升弓彈簧來維持與觸網(wǎng)的接觸壓力。
上海地鐵最早的電動弓使用至今已有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營使用中，電動受電弓發(fā)生了多次弓網(wǎng)沖突事件，對上海地鐵的有序運營造成了較大影響，給乘客的出行帶來了不便。經(jīng)后續(xù)故障分析，多起弓網(wǎng)沖突事件是因為受電弓拉桿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，拉桿通過對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行過程中發(fā)生了失效斷裂，來自上海申凱公共交通運營管理有限公司的董雪春對球鉸軸承失效原因進行了深入研究分析，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
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記為1號和2號。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號球鉸軸承殘件宏觀形貌，可見外圈斷裂且嚴重變形，兩處斷裂位置分別標記為1-1和1-2，1-1處斷面可見斷口學(xué)特征，1-2處斷裂位置可見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斷口作為重點分析對象。
圖3 1號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，左上部可見金屬附著物。將斷口分為A，B，C，D等4個區(qū)域進一步觀察。
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，可見其上存在明顯機加工刀痕。
圖6 未斷裂圓角處低倍形貌
圖7所示為A區(qū)微觀形貌，可見明顯的輪輻狀臺階及磨損痕跡。圖8為B區(qū)微觀形貌，可見存在明顯疲勞輝紋，此區(qū)域為疲勞裂紋擴展區(qū)。圖9所示為斷面C區(qū)微觀形貌，可見明顯的韌窩形貌，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
截取斷口附近縱向試樣進行金相檢驗，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)測量圓角半徑約為5.1mm，符合圖紙設(shè)計要求(5mm)，但圓角過渡不平滑，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，通過掃描電鏡觀察到裂紋主要以穿晶方式擴展，無明顯分支裂紋。
圖14 斷口處縱向顯微組織形貌
檢測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定——標準評級圖顯微檢驗法》規(guī)定，判定為A 類硫化物(細系)1級，B類氧化鋁(細系)1.5級，D類球狀氧化物(細系)1.5級。
1.4 硬度測試
選取試樣斷裂起源處4個區(qū)域(I區(qū)，II區(qū)，III區(qū)，IV區(qū))進行硬度測試，測試位置如圖15所示，硬度結(jié)果見表1。可見斷口邊緣的硬度遠遠高于心部硬度，說明零件外表面經(jīng)過機械加工后形成了明顯的加工硬化。
圖15 硬度測試位置示意圖
表1 各區(qū)域硬度測試結(jié)果
1.5 化學(xué)成分分析
采用直讀光譜儀對斷裂試樣進行化學(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)軸承與螺紋桿部過渡圓角處，斷面平整但表面附著金屬熔滴，說明發(fā)生斷裂在先，金屬熔化在后。斷裂源外側(cè)存在明顯的機加工痕跡和微裂紋，試樣未斷裂側(cè)過渡圓角部位低倍形貌同樣可見明顯的加工刀痕，說明該試樣過渡圓角最終加工工藝為車加工，且加工完成后未進行打磨處理，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。
通過金相檢驗分析可知，斷口起源處表面可見一條弧形微裂紋，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。通過硬度測試結(jié)果可知，球鉸表面硬度遠遠高于心部硬度，該現(xiàn)象與顯微組織特征一致。斷口電鏡觀察顯示，斷面微觀形貌可見明顯的疲勞輝紋，輝紋間距較窄，且終斷區(qū)面積不足整個斷面面積的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，過渡圓角半徑雖然符合圖紙要求，但圓角過渡不順暢，存在半徑約0.2mm的折角。
結(jié)合斷口形貌與金相檢驗可知，機加工導(dǎo)致球鉸軸承近表面組織嚴重變形并誘發(fā)馬氏體相變，同時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)，球鉸軸承服役過程中承受頻繁的振動和交變載荷作用，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。球鉸軸承服役過程中承受頻繁的振動和交變載荷作用，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展，最終導(dǎo)致球鉸軸承失穩(wěn)斷裂。
建議在電動受電弓拉桿軸承選型時，選擇強度較高，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營管理有限公司
