某地铁受电弓拉杆球铰轴承失效原因
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。
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
1.2 断口分析
图3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3 1-1处断口低倍形貌
图4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4 未断裂圆角处低倍形貌
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5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5 未断裂圆角处低倍组织形貌
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。
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。
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。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，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。
