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。

      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，来自上海申凯公共交通运营管理有限公司的董雪春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。

01 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。

图1 受电弓拉杆球铰轴承安装示意图

     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2 失效球铰轴承宏观形貌

     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3 1号球铰轴承残件宏观形貌

     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。

图4 受电弓拉杆装配示意图

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5 1-1处断口低倍形貌

      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6 未断裂圆角处低倍形貌

     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。

图7 断面A区微观形貌

图8 断面B区微观形貌

图9 断面C区微观形貌

图10 断面D区低倍形貌

图11 A 区附近外表面微观形貌

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(5mm)，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12 未断裂圆角处低倍组织形貌

     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13 断口附近纵向显微组织形貌

     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。

图14 断口处纵向显微组织形貌

     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。

图15 硬度测试位置示意图

表1 各区域硬度测试结果

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，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。

02 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0.2mm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。

03 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。

作者：董雪春

单位：上海申凯公共交通运营管理有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2021年第4期