龔蘭芳，劉海蘭

中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

交流真空斷路器（見(jiàn)圖1）主要用于軌道交通車(chē)輛主電路斷開(kāi)和接通，同時(shí)還可以用于過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)。活塞位于真空斷路器低壓控制部分的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)，由材質(zhì)為Q235B、直徑100mm的圓鋼加工而成。真空斷路器利用壓縮氣體驅(qū)動(dòng)合閘。在壓縮氣體作用下，活塞受力由左向右運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)活塞銷(xiāo)，進(jìn)而帶動(dòng)肘節(jié)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸及連接塊運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)觸頭與主觸頭的閉合及斷開(kāi)?；钊惭b位置及運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)原理如圖2、圖3所示。

圖1 交流真空斷路器

圖2 活塞安裝位置

圖3 活塞運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 事件概述

某動(dòng)車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，IDU顯示“主斷路器卡合”故障，真空斷路器無(wú)法閉合，受電弓自動(dòng)降下，造成司機(jī)緊急制動(dòng)停車(chē)。停車(chē)拆檢后發(fā)現(xiàn)壓力氣缸內(nèi)活塞斷裂，斷裂碎塊卡滯在壓力氣缸內(nèi)，分合閘真空斷路器時(shí)造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯，致使輔助聯(lián)鎖反饋信號(hào)異常，報(bào)真空斷路器不閉合故障。真空斷路器實(shí)物及活塞裝配位置如圖4所示。

圖4 真空斷路器及活塞裝配位置

3 失效分析

3.1 宏觀(guān)斷口分析

真空斷路器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)活塞靠插頭側(cè)邊緣部分崩裂，且活塞表面有明顯被崩裂的金屬塊撞擊的痕跡。壓力氣缸內(nèi)部對(duì)應(yīng)撞擊位置存在明顯劃痕，位于活塞環(huán)開(kāi)口處。故障活塞的宏觀(guān)形貌如圖5所示。

圖5 故障活塞的宏觀(guān)形貌

將試樣置于DSX110三維視頻顯微鏡下觀(guān)察，該活塞斷面較平整，未見(jiàn)明顯塑性變形，裂紋起始于活塞薄壁端內(nèi)側(cè)機(jī)加工退刀槽的底部，向外表面擴(kuò)展，擴(kuò)展后期外壁表面也萌生疲勞裂紋[1]，兩側(cè)疲勞裂紋相會(huì)后活塞“崩斷”，斷面形貌如圖6所示。

另外，觀(guān)察發(fā)現(xiàn)靠近“崩斷”位置活塞薄壁端有撕裂痕跡，載荷方向由外表面指向活塞內(nèi)側(cè)，撕裂形貌如圖7所示。

圖6 活塞斷面宏觀(guān)形貌

圖7 活塞薄壁端撕裂

3.2 微觀(guān)斷口檢驗(yàn)

將試樣斷口經(jīng)無(wú)水乙醇超聲波清洗后置于EV0-MA10掃描電子顯微鏡下觀(guān)察，活塞斷裂于薄壁端內(nèi)側(cè)機(jī)加工退刀槽的底部起源，隨后活塞薄壁端外表面也萌生疲勞裂紋，雙向擴(kuò)展直至最終斷裂。

裂紋源區(qū)有多個(gè)疲勞臺(tái)階，未見(jiàn)明顯冶金缺陷。擴(kuò)展區(qū)放大后觀(guān)察，其微觀(guān)形貌為細(xì)密的疲勞輝紋[2]，在試樣基體上可見(jiàn)多處非金屬夾雜物，以及擴(kuò)展后期由于有效承載面積變小而產(chǎn)生的二次裂紋，如圖8~圖10所示。

圖8 試樣斷面宏觀(guān)

圖9 試樣裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌

由以上斷口分析結(jié)果可推斷，該活塞的斷裂機(jī)理為雙向多源彎曲疲勞斷裂。對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行EDS分析，結(jié)果顯示為冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的硫化物，能譜圖如圖11所示，能譜分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖10 試樣基體非金屬夾雜物及二次裂紋

圖11 非金屬夾雜物能譜

表1 非金屬夾雜物能譜分析結(jié)果

3.3 輪廓三維擬合測(cè)量

采用DSX110三維視頻顯微鏡對(duì)斷裂位置進(jìn)行三維擬合，可見(jiàn)退刀槽呈直角過(guò)渡，且輪廓不規(guī)則。對(duì)輪廓尺寸進(jìn)行測(cè)量，退刀槽深度約為0.49mm，R角半徑約為0.41mm，不滿(mǎn)足圖樣中R=0.2mm的要求，輪廓測(cè)量如圖12所示，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖12 試樣輪廓測(cè)量示意

表2 試樣輪廓測(cè)量結(jié)果 （μm）

3.4 金相組織分析

在斷裂的活塞上取樣進(jìn)行金相組織分析，試樣經(jīng)打磨、拋光浸蝕后，置于GX71金相顯微鏡上觀(guān)察，試樣觀(guān)察面分布有較多短細(xì)的硫化物（見(jiàn)圖13），說(shuō)明其材質(zhì)的純凈度較差。

同時(shí)斷裂位置退刀槽輪廓，即圓弧過(guò)渡處加工不良，如圖14所示。試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后觀(guān)察，金相組織為鐵素體+沿軋制方向分布的珠光體[3]，未見(jiàn)異常組織，如圖15所示。

圖13 試樣觀(guān)察面上分布的硫化物（紅圈標(biāo)出）

圖14 斷裂位置輪廓加工不良

圖15 試樣基體組織

3.5 化學(xué)成分對(duì)比分析

將故障活塞及另外兩個(gè)同廠(chǎng)家生產(chǎn)的活塞采用SPECTROLAB直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，該故障活塞及對(duì)比試樣的材質(zhì)成分均符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)Q235B的要求。

表3 活塞化學(xué)成分對(duì)比分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)交流真空斷路器活塞斷裂進(jìn)行失效分析，可得出以下結(jié)論：

1）斷裂機(jī)理為雙向多源彎曲疲勞斷裂，由活塞薄壁端靠?jī)?nèi)側(cè)退刀槽底部起源，隨后外壁表面也萌生疲勞裂紋，兩側(cè)疲勞裂紋相會(huì)后致使活塞“崩斷”。

2）疲勞源區(qū)未見(jiàn)明顯缺陷，但退刀槽輪廓加工不良，易導(dǎo)致退刀槽根部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而萌生疲勞裂紋[4]。

3）試樣基體上有較多的短條狀塑性非金屬夾雜物，A類(lèi)1.0級(jí)（GB/T 10561—2015），通過(guò)能譜掃描顯示為硫化物，原材料純凈度不高會(huì)降低產(chǎn)品的疲勞壽命。

4）該故障活塞及對(duì)比試樣的材質(zhì)成分均符合GB/T 700—2006中對(duì)Q235B的要求。

5）試樣金相組織為鐵素體+少量沿軋制方向分布的珠光體，未見(jiàn)異常組織。

5 改進(jìn)建議

針對(duì)該活塞斷裂的失效原因，提出以下改進(jìn)建議，以從根本上解決問(wèn)題。

1）由于活塞上的裂紋從薄壁端內(nèi)側(cè)退刀槽根部起源，因此建議適當(dāng)增加活塞薄壁端的厚度，同時(shí)減少厚壁端的厚度，減小兩側(cè)壁厚差，從而平衡分擔(dān)載荷，以提高疲勞壽命。

2）建議選用相對(duì)Q235B較高強(qiáng)度級(jí)別的材料，例如淬透性好的中碳低合金鋼35CrMoA等，同時(shí)采用淬火+高溫回火的熱處理工藝。試驗(yàn)證明[5]，選用調(diào)質(zhì)鋼，一方面可以明顯地提高沖擊韌度，另一方面還可以消除殘余應(yīng)力。

3）加強(qiáng)對(duì)原材料純凈度的控制。

4）提高退刀槽圓弧過(guò)渡處的加工質(zhì)量，借助輪廓測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控。