高速铁路接触网定位钩和定位支座失效分析

高速铁路接触网定位钩和定位支座失效分析

范声超

武汉高速铁路职业技能训练段 供电教研室 430000

摘要：高速铁路快速发展背景下，因接触网部件故障而引发的事故不断出现。下文通过结合高铁接触网定位钩和定位支座失效故障，根据其实际使用情况，借助理论分析以及实验模拟的方式，揭示其失效机理和故障原因，为高铁接触网的设计以及运维提供数据基础。

关键词：高速铁路；接触网；定位钩；定位支座；失效分析

引言：

接触网装置为高速动车组提供源源不断的牵引力，是确保高铁动车能够稳定运行的关键环节。随着运行速度的不断提高和动车组列车数量的持续增多，接触网工作环境变得十分复杂，由于其关键部件发生故障而导致接触网故障逐渐增多，严重影响了高速动车组的行驶安全。接触网的构成十分复杂，限位定位装置的作用在于对接触线在该位置相对于线路中心进行水平定位，对保证接触网运行可靠性十分关键。这种背景下，相关工作人员需要对接触网的定位支座以及定位钩失效问题进行严格管控，确保该装置能够稳定运行。为了方便研究，文章以某高铁线路发生了定位支座以及定位钩失效事故为例子，对失效的定位钩以及定位支座进行详细检查，探究其失效的原因。

一、定位钩失效分析

本次实验中将G3定位钩作为研究对象，在本次失效事故中G3定位钩的磨损情况最为严重，通过对G3定位钩进行深入分析，尝试总结定位钩失效的具体原因。相关研究人员使用EDS以及SEM技术对G3定位钩的磨损痕迹进行微观探测，同时对定位钩磨损成分进行系统性分析，借助这种方式总结定位钩的磨损特点以及磨损机理。在显微镜下对G3定位钩的磨损情况进行仔细观察，发现该零件与定位支座的连接位置呈现出群带剥落的特点，接触点有很多由于磨损而出现的碎屑。在观察G3定位钩的边缘部分时，发现边缘部分出现了塑形变形，部分区域出现了翻卷、脱落现象^[1]。造成这一现象的原因在于定位钩的环状连接部位与支座的接触过于紧密，由于摩擦而出现的碎屑无法及时排除，大量碎屑附着于定位钩中心部分，在与定位支座反复挤压过程中逐渐形成碎屑层，加速定位钩的老化。而定位钩的边缘位置的运动幅度要高于中心接触位置，碎屑能够及时排除，因此在边缘位置并没有出现碎屑层，而是出现了典型的塑形变形痕迹。

研究人员对受损严重的中心接触区进行SEM检测，借助这种方式更为深入地探究定位钩失效成因。通过SEM观察，研究人员发现G3定位钩表面形成的碎屑层的厚度达到了15μm，同时对碎屑层内部结构进行微观检查时发现，碎屑层中存在大量细小的裂隙，但是在定位钩本体上没有发现细小的裂隙，这说明G3定位钩与定位支座的接触区域出现了疲劳性荷载，同时伴有氧化性磨损。

二、定位支座失效原因分析

研究人员针对失效的定位支座，使用触针式轮廓仪进行检测，得到支座轮廓二维图像并对定位支座磨损痕迹进行二维测量。通过分析磨损痕迹二维图像发现：该零件的环外侧与环内侧均存在了较为严重的损伤，而定位支座中心的磨损痕迹较轻，中心区域的磨损无论是磨损宽度还是深度均不及内侧与外侧的磨损情况^[2]。此外，通过对磨损痕迹的观察发现，磨损痕迹呈现出一定的偏斜，属于非对称性磨损。在送检的3个定位支座零件中，Z3号零件的磨损最为明显，磨损深度已经超过3.5mm，超过了定位支座设计厚度的30%。

研究人员对Z3零件的摩擦痕迹进行了SEM检测，通过检测发现：该装置的外侧磨损痕迹以块状的脱落以及犁沟状的划痕为主，正是由于存在大量犁沟状的划痕，表明定位支座外侧的材料在摩擦过程中被快速消除。而Z3号定位支座内侧的磨损为大面积的片状脱落，表现出典型的剥落群特点，同时在磨损痕迹的表面附着了大量碎屑，其磨损情况与定位钩中心处的磨损情况较为相似。

通过对钩环结构进行分析发现，Z3号定位支座的外侧与定位钩接触边的位置重合。该区域的损坏是因为其在工作过程中与定位钩不断发生碰撞与摩擦；该区域相对运动幅度较大，能够快速清除由于磨损而产生的碎屑，因此其损坏主要表现为犁削痕迹。定位支座内侧与定位钩的中心区域接触，发生磨损的主要原因是定位钩疲劳冲击载荷，与外侧相比内侧的运动幅度不大，因此无法排除碎屑，导致在该区域出现了碎屑层。可以看出，连接结构中的钩环结构滑动运动是造成环外侧和内侧定位支座严重磨损的原因，并导致不同的连接区域表现出不同的损坏特征^[3]。

三、综合分析及问题处理建议

（一）综合分析

设计人员使用钩环结构让定位钩与定位支座相连，尽管能够提升定位装置的灵活性，但是在实际使用过程中，定位钩与定位支座之间会出现冲滑负荷现象，定位钩与定位支座持续受到冲滑负荷的影响，导致摩擦处的材料被迅速消耗，造成定位钩以及定位支座出现机械性损伤，这种损伤一定形成具有不可逆性，只能通过更换零件的方式处理。同时，采用钩环结构的另一个弊端在于在车辆运动过程中容易出现应力集中问题，定位钩以及定位支座持续受到巨大应力的冲击，其表面材料会快速脱离，定位钩以及定位支座本身也会出现裂隙或者变形问题。

（二）建议

1.以多种摩擦分析法为基础，对失效定位钩和定位支座进行系统性的摩擦分析，确定定位装置边界使用钩环结构是造成定位钩、定位支座连接处出现异常磨损的主要因素。

2.钩环结构会引发应力集中问题，导致定位钩与定位支座连接处的发生剧烈的滑移运动，造成磨损。

3.两种零件的主要损伤机制为犁削以及剥落，磨损则主要以氧化磨损与金属疲劳磨损为主^[4]。

针对上述问题，建议设计人员对定位支座与定位钩的连接结构进行优化，使用销轴结构来代替钩环结构，借助这种方式避免两种零件的连接处出现应力集中问题，减轻磨损，进而达到延长使用寿命的目的。

四、结束语

为确保定位钩与定位支座始终处于稳定的工作状态，相关工作人员需要对发生故障的零件进行SEM观察，仔细分析零件磨损原因，并对其进行针对性的处理，最终才能够在运行过程中为高速动车组的稳定运行提供保障。

参考文献：

[1]张向阳,张彩霞.接触网检修作业车和重型轨道车在西成高铁长大坡道牵引和电阻制动性能试验[J].铁道技术监督,2021,49(06):40-43.

[2]文泽波.怕大风的高铁接触网[J].大众科学,2021,{4}(06):50-53.

[3]樊曦,段亚楠. 异物来扰，如何守好高铁行车“安全红线”[N].新华每日电讯,2021-05-27(009).

[4]朱政,吴积钦,张家玮,关金发.高速铁路接触网定位钩与定位支座磨损失效机理分析[J].电气化铁道,2019,30(05):12-16.

作者简介：范声超，身份证号：413026198903137534，出生年月1989. 3月，男，籍贯：河南信阳，本科，技师，研究方向：高速铁路接触网供电系统