弯曲微动疲劳是引起零部件提前失效的主要原因之一,这一现象广泛存在于各个领域之中,如航空航天、航海、铁路、汽车、电力、高空线缆等领域。随着我国高速铁路服役里程和运营速度的不断提高,由高速铁路接触网零部件失效引起的事故日渐突出。而吊弦是接触网系统中最重要的关键零部件之一,上端与承力索连接,下端与接触线连接,主要承担载荷以及机械振动,是接触网系统的“支架”。在服役过程中,一旦发生吊弦断裂事故,与之对应位置的接触线将会扯坏接触网,打坏受电弓,严重影响列车运行安全。对国民将会造成巨大的生命财产损失。因此,对吊弦损伤防护的研究,有助于提高接触网安全可靠性,具有巨大的工程实际意义。本文首先通过现场调研,选取现场断裂吊弦进行失效分析,通过失效断口及有限元分析,找到吊弦断裂失效原因,从而提出吊弦存在的问题,并设计相关试验,研究吊弦的失效机理,失效分析结果显示弯曲微动疲劳是吊弦断裂失效的主要原因之一。然后采用整体吊弦原材料(CuMg0.4合金)为研究对象,基于电液伺服疲劳试验机,在自主设计、研制的弯曲微动疲劳试验工装上,试样与微动垫以点接触方式进行弯曲微动疲劳试验,两者间的夹角为90度,在不同的疲劳载荷、电流强度和循环周次的作用下,对CuMg0.4合金系统地进行了弯曲微动疲劳试验,获得了吊弦材料(CuMg0.4合金)的弯曲微动疲劳S~N曲线(即寿命曲线);在自主设计的吊弦弯曲微动疲劳试验工装上,对我国高速铁路上广泛应用整体吊弦,在不同弯曲微动疲劳振幅、电流强度、钳压管压接方式、钳压管的压入量等条件下进行弯曲微动疲劳试验。采用了体视显微镜(SM)、白光干涉仪(WIL)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)和电子探针(EPMA)对试验后的微动疲劳断口、微动损伤区以及力学性能进行了详细的分析,系统地研究了高速铁路整体吊弦弯曲微动疲劳的损伤机理,获得的主要结论如下:(1)整体吊弦在钳压管处断裂失效主要是由于弯曲微动疲劳所致;整体吊弦断裂失效起源于吊弦在最初的压接过程中,吊弦铜丝在压接处应力过于集中,有较大的塑性形变,导致整体吊弦的抗疲劳性降低。建议在现有材料的基础上,结合微动摩擦学理论,对吊弦的压接方式进行优化设计。(2)在微动条件下,吊弦材料的弯曲微动疲劳寿命低于常规弯曲疲劳寿命;弯曲微动疲劳的寿命S~N曲线呈现“C”型曲线特征,随着弯曲疲劳载荷的增大,吊弦材料的寿命呈现先减小,后增大趋势。对应曲线的寿命最短区域为微动运行的混合区(MFR),在混合区以下为部分滑移区(PSR),在混合区以上为完全滑移区(SR)。(3)CuMg0.4合金的接触损伤区的磨损机制主要表现为剥落、氧化磨损和磨粒磨损,在试验的初始阶段,接触损伤区的损伤比较轻微,可发现犁沟现象以及少量的氧化物磨屑存在;随着循环次周次的逐渐增加,接触损伤区的损伤逐渐加重,出现了剥落层以及磨屑堆积现象,且在靠近加载端一侧损伤更为严重,但并未发现疲劳裂纹的存在,此时接触区的磨损机制为主要为剥落、氧化磨损和磨粒磨损;随着循环次数的进一步增加,接触损伤区的损伤进一步加深,接触区近加载端附近萌生了疲劳裂纹,最终扩展形成宏观疲劳裂纹,此时的磨损机制仍然以剥落、氧化磨损和磨粒磨损为主。随着电流强度的不断增大,材料的弯曲微动疲劳寿命逐渐降低,试样接触区的温度逐渐上升,由于电流的热效应,导致在相同法向载荷的条件下,接触损伤区的尺寸会随着电流强度的增加而增大,同时,接触损伤区近加载端方向的含氧量增加,氧化磨损加剧;在相同循环次数下,随着作用电流强度的增加,接触损伤区的剥落层逐渐细化。(4)在相同的法向载荷、吊弦预紧力的作用下,随着疲劳幅值的增加,整体吊弦的弯曲微动疲劳寿命逐渐降低,吊弦断口有明显的疲劳特征以及有微裂纹,钳压管近加载端损伤严重,特别是与主线压接的钳压管部分存在剥落现象;在整体吊弦接入大电流时,随着电流强度的增大,整体吊弦热效应明显,温度明显升高,吊弦的弯曲微动疲劳寿命也随电流强度的增大而减小,表面氧化磨损严重,此时的磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。(5)采用自行研制的“一种精确控制吊弦压入量的压接装置”,通过改变钳压管的压接方式、压入量对现役整体吊弦进行微动疲劳设计,提出了延长整体吊弦服役寿命的方案。随着电流强度的增大,吊弦的弯曲微动疲劳寿命降低,在电流强度相同的条件下,“反向压接”压入量为4.8mm时,吊弦的弯曲微动疲劳寿命最长;“反向压接”压入量为5.0mm时的吊弦弯曲微动疲劳寿命次之,而目前应用的“正向压接”压入量为5.0mm的吊弦在试验条件下,寿命最短,说明新型吊弦压接方式(“反向压接”压入量为5.0mm和“反向压接”压入量为4.8mm)能够起到延长吊弦服役寿命的作用。