张宏 杨金龙
中车大连机车车辆有限公司 大连 116021
摘要：针对国内电力机车受电弓弓头扭簧在某些运用环境较为恶劣的区域发生的极低概率断裂问题，从故障扭簧化学、断口、能谱、微观疲劳特征和金相等环节进行分析，判定导致问题发生的原因，并制定后续有效控制措施，保证机车运用的稳定性。
关键词:受电弓、扭簧、疲劳断裂
一、情况概述
目前国内电力机车已大批量配属于全国各铁路运用单位，长久以来运用质量稳定可靠，是中国轨道交通行业发展的重要组成部分。但在某些运用环境较为恶劣的区域，电力机车受电弓弓头扭簧会存在极低概率的断裂问题，受电弓弓头扭簧主要作用是吸收和缓解受电弓在运行时来自接触网对其作用的横向和垂向交变载荷从而对弓头及其它部件进行保护，如果发生扭簧断裂故障，断裂簧体在各自连接端螺栓紧固力作用下仍然能够保持与受电弓弓体连接，不会因为断裂而导致簧体与受电弓发生脱离现象，同时与扭簧连接的左（右）支撑及柱头也不会因为扭簧的断裂从弓体脱离，损坏车顶设备，这种故障不会对行车安全造成任何影响。
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扭簧及其安装示意图
二、断裂原理分析
2.1理化检测
2.1.1化学成分检测
对3个故障件的化学成分均进行了检测，结果下表所示，材质化学成分均符合GB/T24588-2009《不锈钢弹簧丝》标准要求。
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2.1.2断口分析
3个故障件断口均呈典型的疲劳断裂特征，疲劳源均位于扭簧表面，断口区域分为裂纹源起始区、扩展区及瞬断区。
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故障件断口形貌
为进一步弄清楚各故障件疲劳断裂机理，对其疲劳源附近部位针对性放大观察，发现故障件裂纹源萌生处出现大量的腐蚀坑和腐蚀物。从腐蚀物的分布来看，主要集中在裂纹源萌生区域和初期扩展区域。裂纹的萌生和初期的扩展速率非常缓慢，裂纹尖端有足够的时间进行腐蚀反应，因此大量的腐蚀产物可见断口表面。裂纹扩展后期由于扩展速率较快，发生腐蚀反应的时间较短，因此后期裂纹的扩展观察不到腐蚀产物。对断口附近部位簧体表面放大观察，可见表面存在明显的腐蚀产物，另外还明显可见腐蚀坑，详见下图。
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故障件疲劳源部位附近特征
对出现的腐蚀物成分进行能谱分析，电子普片中黑色区域为腐蚀区域，白色区域为未腐蚀区域。腐蚀区域对应的能谱，主要成分为Fe、Cr、Al，另外也检测到了Cl、S元素，能谱分析的结果进一步证实了J0026为腐蚀疲劳断裂。
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故障件能谱分析
对故障件疲劳源附近部位进一步放大观察，发现在靠近起裂点位置簧体表面存在大量的划伤，且划伤痕迹长度方向与外部载荷方向垂直。下右图为其宏观断口特征，疲劳源位于扭簧的表面，扩展区的疲劳辉纹非常明显，瞬断区呈塑性断裂特征的韧窝形貌，断口未见腐蚀物，疲劳源萌生于扭簧表面一凹坑处。
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故障件微观断口特征
2.1.3金相组织分析
对故障件取样抛光和腐蚀后，对其金相组织进行观察，样件心部和表面均为板条马氏体分布于奥氏体基体上，组织形态未见异常。
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故障件金相组织分析
2.2 综合分析
正常情况下，由于扭簧为圆柱型簧丝缠绕卷制而成，因此其本身并不存在结构上的应力集中，但是当该区域簧丝表面部位若存在机械损伤、电弧击打或持续承受接触网的硬点冲击时，簧体的正常使用寿命均会受到不同程度的影响。
通过相关理化检测分析，故障件属于腐蚀疲劳断裂，即机车长期在某一大气环境下（工业大气、海洋性气候或含Cl离子等）服役时，这些环境气候在一定的湿度条件下在扭簧表面形成液态薄膜，使得扭簧表面发生不同程度的点蚀坑、这些点蚀坑在簧体表面形成应力集中点，成为疲劳源，在随后的弓网交变载荷下发生扩至直至断裂，这种特征的断裂带有一定的偶发性和随机性。
三、改善措施
根据上述故障件断裂机理，对受电弓弓头扭簧从优化扭簧工艺和结构特征两方面着手提高扭簧疲劳寿命。
保持扭簧材质不变，将扭簧线径由既有的3.8mm增加至4.5mm，同时在扭簧卷制成型后增加喷砂和表面采用久美特喷涂工艺。
方案优点：
①通过增加簧体直径，降低了扭簧整体应力水平；
②扭簧在卷制成型后增加表面喷砂处理，可以对簧体表面进行强化和去除残余应力；
③簧体表面进行久美特喷涂处理，这是一种环保型表面防护工艺，主要是针对故障中的腐蚀疲劳问题，进一步提高其耐候性。
通过上述整改措施，机车受电弓弓头扭簧在运用环境较为恶劣的环境再未发生过断裂问题，保证了机车运用的稳定性。
参考文献：
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