董雪春

(上海申凯公共交通运营管理有限公司,上海 200070)

摘 要:某地铁受电弓拉杆球铰轴承在运行过程中发生失效断裂。采用宏观分析、断口分析、金 相检验、硬度测试及化学成分分析等方法对球铰轴承的失效原因进行了分析。结果表明:该受电弓 拉杆球铰轴承的断裂模式属于高周低应力疲劳断裂。球铰轴承在服役过程中承受频繁的振动和交 变载荷作用,折角处的微裂纹成为疲劳裂纹源区,裂纹在交变载荷作用下不断扩展,最终导致球铰 轴承失效断裂。

关键词:球铰轴承;受电弓;疲劳断裂;微裂纹;交变载荷 中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)04-0063-04

受电弓是地铁列车从触网获取电能的机电一体 化设备,一般安装在电客列车、动车的车顶上,常规 4节和6节编组列车有2个受电弓,8节编组列车有 3个受电弓。上海地铁使用的所有电动受电弓为典 型的单臂受电弓,主要由如下部件组成:碳棒、上支 架(含弓头、平衡杆)、下支架(含拉杆)、底架、升弓弹 簧、落弓机构、绝缘子等。受电弓通过升弓电机完成 升落弓,依靠升弓弹簧来维持与触网的接触压力。 上海地铁最早的电动弓使用至今已有10a(年)左 右,大部分已经经历了5a架修修程。在上海地铁 近几年运营使用中,电动受电弓发生了多次弓网冲 突事件,对上海地铁的有序运营造成了较大影响,给 乘客的出行带来了不便。经后续故障分析,多起弓 网冲突事件是因为受电弓拉杆球铰轴承失效后引起 的弓网冲突故障[1-2]。 受电弓拉杆是受电弓的重要组成部分,是受电 弓的关键部件,也叫连接杆、耦合杆等,拉杆通过对 穿螺栓形式固定在底架与上支架尾部,在受电弓升 起后,拉杆通过底架和上支架的固定连接,把上支架 连带弓头拉起,故取名拉杆。拉杆通常由碳钢无缝 钢管及两端连接轴承组成,连接轴承按结构分为有 组合轴承(轴承加轴承座,连接螺栓)和一体式的球 铰轴承,上海地铁电动受电弓使用的拉杆两端连接 轴承是一体式的球铰轴承。该地铁受电弓拉杆球铰 轴承在运行过程中发生了失效断裂,笔者对球铰轴 承失效原因进行了深入研究分析,并给出了相关建 议和措施,以期类似事故不再发生。

1 理化检验

1.1 宏观分析

发生失效的拉杆球铰轴承材料为304不锈钢, 型号为 SA16t/K-F。受电弓拉杆球铰轴承安装示 意图如图1所示。 受电弓球铰失效部件宏观形貌如图2所示,两 枚失效部件分别标记为1号和2号。失效部件为同 一件拉杆的两部分,拉杆两端各拧入一件关节球铰 轴承,球铰杆体材料为0Cr18Ni9钢。 图3所示为1号球铰轴承残件宏观形貌,可见 外圈断裂且严重变形,两处断裂位置分别标记为1- 1和1-2,1-1处断面可见断口学特征,1-2处断裂位 置可见明显的金属熔化痕迹,球铰外圈断裂变形后, 1-2端由于高压接地短路而熔化,故将1-1断口作为 重点分析对象。图4所示为受电弓拉杆装配示意图,断裂位置 如图中箭头所示,经分析可知,正常服役状态下杆端 关节轴承(球铰)主要承受拉伸载荷及内圈转动引起 的轻微弯曲载荷作用。

1.2 断口分析

图5所示为1-1处断口低倍形貌,断裂起源于 轴承外圈与杆部过渡圆角处,断口表面平整,未发现 明显的磨损或锈蚀现象,左上部可见金属附着物。 将断口分为 A,B,C,D等4个区域进一步观察。图6所示 为 球 铰 未 断 裂 圆 角 处 低 倍 形 貌,可 见其上存在明显机加工刀痕。图7所示为 A 区微 观形貌,可见明显的轮辐状台阶及磨损痕迹。图8 为 B区微观形貌,可见存在明显疲劳辉纹,此区域 为疲劳裂纹扩展区。图9所示为断面 C区微观形 貌,可 见 明 显 的 韧 窝 形 貌,该 区 域 宽 度 约 为 0.3mm,为最终断裂区。图10所示为 D 区低倍形 貌,可见断面上的附着物呈球状及溅射状,应为电属熔滴飞溅到断面上所致。图11所示为 A 区附近 外表面的微观形貌,可见明显的犁沟状加工刀痕及 微裂纹。

1.3 金相检验

截取断口附近纵向试样进行金相检验,未发现明显的低倍缺陷。图12所示为球铰未断裂侧圆角 处低倍组织形貌,经测量圆角半径约为5.1mm,符 合图纸设 计 要 求(5 mm),但 圆 角 过 渡 不 平 滑,存 在明显的折角(图 中 箭 头 所 示),该 折 角 半 径 约 为 0.21mm。图13所示为断口附近的纵向显微组织形貌,可 见断口起源处表面存在一条弧形的微裂纹(箭头所 示),主裂纹与二次裂纹均从该微裂纹处萌生,近表 面显微组织存在滑移带和形变诱发马氏体,心部组 织为奥氏体。 图14所示为断口处纵向显微组织形貌,通过扫 描电镜观察到裂纹主要以穿晶方式扩展,无明显分 支裂纹。 检测的球铰中非金属夹杂物形貌,根据 GB/T 10561—2005《铜中非金属夹杂物含量的测定———标 准评级图显微检验法》规定,判定为 A 类硫化物(细 系)1级,B类氧化铝(细系)1.5级,D 类球状氧化物 (细系)1.5级。

1.4 硬度测试

选取试样断裂起源处4个区域(I区,II区,III 区,IV 区)进行硬度测试,测试位置如图15所示,硬 度结果见表1。可见断口边缘的硬度远远高于心部 硬度,说明零件外表面经过机械加工后形成了明显 的加工硬化。

1.5 化学成分分析

采用直读光谱仪对断裂试样进行化学成分分 析,结 果 见 表 2。 可 见 其 化 学 成 分 符 合 GB/T 1220—2007《不锈钢棒》中对0Cr18Ni9不锈钢的成 分要求。

2 分析与讨论

断裂球铰轴承的断口宏观形貌表明,断裂发生 于关节轴承与螺纹杆部过渡圆角处,断面平整但表 面附着金属熔滴,说明发生断裂在先,金属熔化在 后。断裂源外侧存在明显的机加工痕迹和微裂纹, 试样未断裂侧过渡圆角部位低倍形貌同样可见明显 的加工刀痕,说明该试样过渡圆角最终加工工艺为车 加工,且加工完成后未进行打磨处理,致使其表面残 留明显的加工刀痕和微裂纹,并引起表面加工硬化。 通过金相检验分析可知,断口起源处表面可见 一条弧形微裂纹,主裂纹与二次裂纹均从该微裂纹 处萌生,近表面显微组织存在形变而诱发马氏体,心 部组织为奥氏体,表面与心部组织存在显著区别。 通 过硬度测试结果可知,球铰表面硬度远远高于心 部硬度,该现象与显微组 织 特 征 一 致。断 口 电 镜 观察显示,断 面 微 观 形 貌 可 见 明 显 的 疲 劳 辉 纹, 辉纹间距较窄,且终 断 区 面 积 不 足 整 个 断 面 面 积 的10%,呈现典 型 的 高 周 低 应 力 疲 劳 断 裂 特 征。 低倍组 织 显 示,过 渡 圆 角 半 径 虽 然 符 合 图 纸 要 求,但圆 角 过 渡 不 顺 畅,存 在 半 径 约 0.2 mm 的 折角。 结合断口形貌与金相检验可知,机加工导致球 铰轴承近表面组织严重变形并诱发马氏体相变,同 时形成折角和大量微裂纹,在断裂源区表面形成明 显的应力集中区,球铰轴承服役过程中承受频繁的 振动和交变载荷作用,折角处的微裂纹成为疲劳裂 纹萌生的源区,裂纹在交变载荷作用下不断扩展,最 终导致球铰轴承失稳断裂。

3 结论及建议

该受电弓球铰轴承的断裂属于高周低应力疲劳 断裂。球铰轴承服役过程中承受频繁的振动和交变 载荷作用,折角处的微裂纹成为疲劳裂纹萌生的源 区,裂纹在交变载荷作用下不断扩展,最终导致球铰 轴承失稳断裂。 建议在电动受电弓拉杆轴承选型时,选择强度 较高,质量可靠厂家生产的轴承。检查球铰轴承是 否存在可视裂纹,轴承外观是否存在明显加工刀痕, 使用 X射线检测轴承是否存在制造缺陷。

来源：材料与测试网