淺談高鐵接觸網(wǎng)整體吊弦存在問題及解決措施

趙戈紅

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淺談高鐵接觸網(wǎng)整體吊弦存在問題及解決措施

趙戈紅

針對目前高鐵客專接觸網(wǎng)用整體吊弦在線路運行中存在斷絲、斷股以及鼓包等影響運行安全的問題，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料選用、工藝制造及運行環(huán)境等方面進行分析，并據(jù)此提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝改進，選擇抗拉強度高且柔韌性好的吊弦線，通過壓接工具、模具及壓接方法的細化完善，從產(chǎn)品試驗條件、考核標準方面提出改進建議，確定可靠有效的解決措施。

整體吊弦；斷絲斷股；原因分析；解決措施

0 引言

高速鐵路接觸網(wǎng)是保障機車安全運行的關(guān)鍵設(shè)備，整體吊弦是接觸網(wǎng)系統(tǒng)重要組成部件之一，其安裝在承力索和接觸線之間，用于增加接觸懸掛點，改善接觸線的弛度和彈性均勻度，調(diào)節(jié)接觸懸掛的結(jié)構(gòu)高度，并起到一定承載力和載流的作用。受電弓通過時，接觸線持續(xù)抬高、振動，整體吊弦也隨之抬高、彎曲。因此，整體吊弦既要滿足鏈形懸掛中承載力要求并確保電流正常通過，又要保證具有較強的耐疲勞性，承載力、載流以及耐疲勞性是整體吊弦的關(guān)鍵技術(shù)要求。

目前，高鐵客專彈性鏈形懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)采用的整體吊弦大多為由歐洲引進的沖壓式載流整體吊弦，采用心形護環(huán)與吊環(huán)復(fù)合絞接的結(jié)構(gòu)形式及不對稱壓接技術(shù)，線夾本體采用硅青銅CuNi2Si板材沖壓而成。采用T2銅連接線夾將吊弦線與承力索吊弦線夾、接觸線吊弦線夾連接起來，通過壓接管、心形護環(huán)與吊環(huán)之間的絞環(huán)連接。吊弦線采用JTMH10銅合金絞線，由49股單絲絞合而成。吊弦結(jié)構(gòu)合理，自重輕，強度高，電氣性能良好，有利于改善接觸網(wǎng)的彈性和載流性能。

1 存在問題

近年來，多條高鐵線路的接觸網(wǎng)設(shè)備均發(fā)生過整體吊弦斷裂故障，成為影響行車安全的一大隱患。通過對現(xiàn)場出現(xiàn)問題的整體吊弦進行數(shù)據(jù)收集，從問題發(fā)生位置、比例、性能、運行環(huán)境、標準等方面進行分析，借助檢測工具逐一檢查，找出斷裂原因，制定解決措施。

1.1 問題現(xiàn)象

通過對多條高鐵線路接觸網(wǎng)系統(tǒng)失效整體吊弦斷絲斷股案例進行統(tǒng)計、分析，歸納出整體吊弦存在的問題有以下4個方面特征：

（1）吊弦線在鉗壓管壓接處斷絲、斷股較多（占總數(shù)的13.6%），說明整體吊弦問題缺陷與壓接方式有很大關(guān)系，且下部吊弦承受疲勞荷載，具體表象見圖1。

（2）整體吊弦部件的心形環(huán)在運行過程中產(chǎn)生裂紋，后期延展斷裂（占總數(shù)的7.6%）。

（3）吊弦線與心形環(huán)磨擦后發(fā)生斷絲、斷股或全斷（占總數(shù)的59%），故障特征見圖2。

（4）吊弦線在中間處斷絲、斷股（占總數(shù)的18.2%），問題癥狀見圖3。

圖1 壓接處斷裂

圖2 吊弦線磨損斷絲斷股

圖3 吊弦線中間斷絲斷股

1.2 問題發(fā)生位置

1.2.1 路基與橋梁

按照線路條件統(tǒng)計，路基區(qū)段整體吊弦發(fā)生故障占缺陷總數(shù)的18%，核算后為0.002處/100 km，其中直線、曲外與曲內(nèi)整體吊弦問題數(shù)量占比接近3∶1∶1；橋梁區(qū)段整體吊弦發(fā)生故障占缺陷總數(shù)的82%，核算后為0.001 5處/ 100 km，其中直線、曲外、曲內(nèi)整體吊弦問題數(shù)量占比亦接近3∶1∶1。

以上統(tǒng)計說明，雖然從數(shù)量上統(tǒng)計橋梁區(qū)段吊弦缺陷多于路基區(qū)段，但百公里缺陷數(shù)量相近，且缺陷占比和線路條件比例相近，說明整體吊弦發(fā)生故障與線路路基和橋梁條件無關(guān)；從不同線路條件、不同平面布置情況下的缺陷占比來看，路基段和橋梁段的不同平面布置缺陷占比相近，說明整體吊弦發(fā)生故障與平面布置無關(guān)。

1.2.2 安裝形式及位置

以京滬高鐵為例，按整體吊弦裝配安裝的形式及位置進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，發(fā)生整體吊弦斷絲斷股現(xiàn)象的位置，中間柱處占總數(shù)的54%，錨段關(guān)節(jié)處占總數(shù)的46%。京滬高鐵正線共計2 712個錨段，約 3 252條公里，中間柱處整體吊弦缺陷為8.5根每百條公里，錨段關(guān)節(jié)處整體吊弦缺陷為36.0根每百條公里，為中間柱處整體吊弦缺陷的4倍多。

從整體吊弦出現(xiàn)問題缺陷的數(shù)量上統(tǒng)計，發(fā)生問題的位置中間柱多于錨段關(guān)節(jié)處，但參考裝配安裝懸掛數(shù)量比例，錨段關(guān)節(jié)處吊弦出現(xiàn)的概率遠大于中間柱，說明錨段關(guān)節(jié)內(nèi)吊弦缺陷出現(xiàn)的概率要大；同時，不同的裝配形式下，吊弦折斷的趨勢不一樣，中間柱多發(fā)生在第2根和第3根上，錨段關(guān)節(jié)內(nèi)多發(fā)生在第1根和第2根上。

2 原因分析

通過以上對高鐵線路整體吊弦存在問題的統(tǒng)計歸納，從整體吊弦的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、運行條件、周邊環(huán)境以及標準和安裝位置等方面進行原因分析。

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看，吊弦線與零部件間存在摩擦，容易導致吊弦線斷絲、斷股或全斷。

2.2 吊弦線材料

吊弦線韌性較差，反復(fù)彎曲次數(shù)較多，加之壓接應(yīng)力較大，整體吊弦在長期振動過程中易從壓接處斷裂（圖4）。機車受電弓高速滑過接觸線后，吊弦線在重力作用下突然下落而拉緊，同時吊弦線在水平方向產(chǎn)生振動，造成吊弦線在鉗壓管根部出現(xiàn)反復(fù)彎曲，這個過程隨著振動長期存在。試驗證明高鐵線路整體吊弦反復(fù)彎曲次數(shù)較多（見第4節(jié)試驗數(shù)據(jù)），加之采用犬牙式三點壓接，壓接點靠近接觸點，故應(yīng)力較大。在鉗壓管處韌性較差的吊弦既要承受較大的壓接應(yīng)力，又受到反復(fù)彎曲、相互間的摩擦等作用，因此很容易在壓接處出現(xiàn)斷絲、斷股。斷股發(fā)生后，吊弦線有效截面減小，拉應(yīng)力進一步增大，當剩余截面拉應(yīng)力達到吊弦線臨界破壞值時，吊弦線會突然斷裂。

圖4 整體吊弦動態(tài)荷載產(chǎn)生示意圖

2.3 實際運行振動頻率、振幅的影響

目前，TB/T 2073-2010對接觸網(wǎng)零部件振動試驗中振幅的規(guī)定為±35 mm，振動次數(shù)為200萬次。但是，實際運營的高速鐵路由于受施工質(zhì)量、路基沉降、機車風載、雙弓諧振等因素影響，接觸網(wǎng)振幅遠大于標準規(guī)定。據(jù)有關(guān)資料顯示，對于高速鐵路，列車通過時受電弓對整體吊弦造成的正抬升量約為60 mm，甚至達到180 mm，負抬升量約 20 mm，而且會持續(xù)一定的振動周期才逐漸衰減。大振幅使吊弦線反復(fù)彎曲，造成吊弦線彎曲疲勞，吊弦的實際壽命比標準條件下的壽命短很多。沿海地區(qū)受到臺風及大風影響，接觸網(wǎng)可能會產(chǎn)生舞動現(xiàn)象，也加劇了吊弦的振動，惡化了吊弦的工作條件。

另外，整體吊弦除了承受機械載荷外，還起到電氣連接的作用，當電流通過吊弦線時，吊弦線溫度升高，會降低吊弦線的抗疲勞強度。

2.4 外界環(huán)境的影響

整體吊弦除正常工作過程中不斷產(chǎn)生的疲勞失效外，外界環(huán)境也會加速整體吊弦失效的進程，如具有腐蝕性的大氣環(huán)境等，特別是在沿海地帶、化工企業(yè)附近。通過觀察現(xiàn)場返回的失效吊弦，吊弦線表面附著氧化物、銹蝕，在一定程度上降低了吊弦線抗疲勞能力，縮短了使用壽命。

2.5 安裝及行車密度的影響

根據(jù)以往經(jīng)驗，整體吊弦的安裝質(zhì)量會直接影響產(chǎn)品的使用壽命，特別是在受電弓高速滑過接觸線時，處于松弛狀態(tài)的吊弦線瞬間承受較大的沖擊載荷，可能出現(xiàn)吊弦線被拉斷的現(xiàn)象。

高速、高密度行車造成的接觸網(wǎng)振動頻率及振幅遠高于設(shè)計標準，沿海的臺風、大風加劇了這一狀況，造成吊弦線彎曲疲勞，縮短了吊弦的實際使用壽命。

以京滬高鐵為例，按日平均140對車，受電弓每次通過后接觸網(wǎng)振動20次計算，吊弦的年振擺量達100萬次以上，接觸網(wǎng)整體吊弦經(jīng)過2年左右即可達到200萬次振動的設(shè)計年限。

2.6 標準規(guī)范的影響

TB/T 2073、TB/T 2074、TB/T 2075及OCS-3等標準規(guī)定了整體吊弦的吊弦線采用TB/T 3111中規(guī)定的JTMH10銅合金絞線，該標準與德國標準一致。振動試驗采用振幅為±35 mm的正弦波進行振頻為3～5 Hz的200萬次常規(guī)試驗。產(chǎn)品設(shè)計參照的標準模擬工況與高鐵接觸網(wǎng)實際運營工況之間存在偏離，因此需要補充完善符合實際高鐵接觸網(wǎng)的零件試驗技術(shù)條件和試驗方法，研究結(jié)構(gòu)更合理、性能更優(yōu)越、壽命更長的吊弦用絞線。

綜上所述，高鐵專用整體吊弦的斷絲、斷股及斷裂問題不僅是由于壓接方式及壓接損傷等原因造成，還與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、運行環(huán)境、吊弦線的性能、壓接工裝模具、試驗標準、試驗設(shè)備等各方面的因素有關(guān)。

3 解決措施

結(jié)合以上原因分析，從結(jié)構(gòu)、吊弦線的選擇、壓接方式、試驗驗證條件等方面對整體吊弦進行優(yōu)化改進。

3.1 結(jié)構(gòu)改進

耐疲勞型整體吊弦采用心形環(huán)優(yōu)化傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸，使心形環(huán)與線夾本體之間的配合更加合理。

3.2 采用一種新型耐疲勞吊弦線

傳統(tǒng)吊弦線采用的是鑄造-拉拔-絞合工藝，線材存在應(yīng)力、缺陷、組織結(jié)構(gòu)不均勻、晶粒粗大等問題，致使吊弦線強度低、韌性差，耐疲勞性較低，在使用中易發(fā)生斷裂。

耐疲勞吊弦線與現(xiàn)有傳統(tǒng)吊弦線相比，由于采用了先進的有針對性的制造工藝，克服了傳統(tǒng)吊弦線的不足，具有更高的強度及耐疲勞特性，通過測試，其疲勞壽命明顯提高，確保了整體吊弦的性能，并且線材表面可進行防腐處理，可適用于隧道、工業(yè)區(qū)、沿海等腐蝕較嚴重區(qū)段。

3.3 壓接工藝優(yōu)化

原有犬牙三點式壓接通過兩側(cè)交錯布置的3個壓接點（1-2），使吊弦線在壓接點處微量變形，并且吊弦線在壓接管范圍內(nèi)形成蛇形彎曲，增加吊弦線軸向位移阻礙以達到3.9 kN的標準規(guī)定滑動荷重要求，壓接后造成吊弦線彎曲損傷。

橢圓環(huán)狀壓接采用一次壓接、寬度適中、收縮量小的對稱截面壓接形式，壓接的有效接觸面積增大，摩擦力提高，應(yīng)力分散。由于壓接管與模具均為橢圓形，所以施加外力時，同一位置的壓接管向心部同時收縮，在壓接處形成一個橢圓形的縮頸，使該處的壓接管縮小，吊弦線相互緊臨，線與線、線與壓接管內(nèi)壁的摩擦力增大，吊弦線軸向位移受阻，防止吊弦線滑脫，有效改善了原有犬牙式壓接對線索的壓接損傷情況。橢圓壓接形式壓接后的線索整股壓縮嚴實，減少了由于壓接對吊弦線產(chǎn)生的損傷，且壓接后絞線呈波浪狀，軸向阻力增大，不易滑移。

3.4 試驗條件的細化

新修訂TB/T 2073、TB/T 2074、TB/T 2075參考EN 50119《鐵路應(yīng)用固定設(shè)施：電力牽引架空接觸網(wǎng)》，結(jié)合線路運行實際工況對吊弦線及整體吊弦提出了更高的要求。

TB/T 2073第5.4.19條吊弦線整繩反復(fù)彎曲試驗規(guī)定：

（1）反復(fù)彎曲半徑R = 7.5 mm；

（2）反復(fù)彎曲速度小于或等于60次/min；

（3）反復(fù)彎曲1次的擺動角度范圍為180°；

（4）反復(fù)彎曲至斷絲時的彎曲次數(shù)大于或等于120 次。

TB/T 2073第5.4.14條模擬現(xiàn)場實際振動波形振動試驗及交變荷載振動試驗規(guī)定，特殊情況下，振動試驗中的振動波形可按模擬現(xiàn)場實際振動波形進行振動試驗；整體吊弦可按模擬現(xiàn)場實際振動波形進行振動試驗，或按照下列條件進行交變荷載振動試驗（交變荷載振動試驗后不再進行疲勞試驗）：

（1）試驗荷載100～400 N；

（2）垂直振幅20～200 mm；

（3）振動頻率1～3 Hz；

（4）振動次數(shù)2×106。

這些規(guī)定是針對新運行環(huán)境下吊弦線及整體吊弦耐疲勞壽命的檢測。

4 改進優(yōu)化后的效果

4.1 采用耐疲勞型吊弦線前后的試驗對比

采集了運行5年線路的舊吊弦線、普通標準的新吊弦線和耐疲勞型吊弦線3種類型，進行了反復(fù)彎曲試驗、拉伸破壞試驗，數(shù)據(jù)對比見圖5和圖6。

4.1.1 3種類型吊弦線反復(fù)彎曲試驗

由圖5數(shù)據(jù)可以看出，耐疲勞吊弦線耐反復(fù)彎曲次數(shù)明顯高于普通吊弦線，其斷絲1根的反復(fù)彎曲次數(shù)平均180次，是線路運行5年舊吊弦線的3.83倍，是普通新吊弦線的3.4倍；耐疲勞型吊弦線斷1股的反復(fù)彎曲次數(shù)300次，是線路運行5年舊吊弦線的3.16倍，是普通新吊弦線的2.5倍；耐疲勞型吊弦線全斷反復(fù)彎曲次數(shù)375次，是線路運行5年舊吊弦線的3倍，是普通新吊弦線的2.14倍。

圖5 吊弦線反復(fù)彎曲斷裂次數(shù)統(tǒng)計

4.1.2 3種吊弦線拉伸破壞試驗

對3種吊弦線進行拉伸破壞試驗，對比結(jié)果見圖6。

圖6 3種吊弦線拉伸破壞試驗對比

由圖6可以看出，耐疲勞吊弦線拉伸破壞性能明顯高于普通吊弦線及高鐵線路用舊吊弦線。

4.2 優(yōu)化壓接方式前后的試驗對比

將壓接方式優(yōu)化后的三道橢圓壓接方式和犬牙三點壓接方式壓接前后的拉斷力進行比較，以驗證壓接方式對吊弦線的壓接損傷，壓接數(shù)據(jù)見表1。

從表1壓接前后拉斷力值試驗結(jié)果比較可以看出耐疲勞型整體吊弦所采用的三道橢圓壓接工藝較犬牙三點壓接方式更為可靠，對吊弦線壓接損傷較小，可控制在5%以內(nèi)，而犬牙三點壓接方式對吊弦線強度的損傷達17.6%。

表1 壓接前后拉斷力對比 kN

4.3 機械疲勞試驗

對整體吊弦進行模擬振動試驗，目前國內(nèi)外及新舊行業(yè)標準規(guī)定有2種試驗方法：TB/T 2074中推薦的接觸網(wǎng)零部件振動及疲勞試驗場；EN 50119《電氣化鐵道接觸網(wǎng)設(shè)計、施工及驗收標準》第8.7條吊弦章節(jié)中推薦的試驗方法。第2種試驗方法能夠充分模擬整體吊弦的運行工況，測出其耐受振動的次數(shù)，適用于整體吊弦壽命試驗?？梢哉{(diào)整試驗的3個主要參數(shù)（頻率、振幅、載荷），并測量出吊弦承受的沖擊力大小，獨立記錄6個通道的試驗次數(shù)等。改變試驗參數(shù)測定其對整體吊弦壽命的影響；測定不同線路以及不同運行工況下的整體吊弦剩余使用壽命；作為試驗平臺可用于研發(fā)新型整體吊弦性能以及壽命試驗。

5 結(jié)語

通過改變壓接方式、采用新型吊弦線等多種方法進行試驗和驗證數(shù)據(jù)對比，得出如下結(jié)論：

（1）橢圓環(huán)狀壓接可有效改善原有犬牙式壓接對線索的壓接損傷情況，壓接后的吊弦線整股壓縮密實，減少了壓接對吊弦線產(chǎn)生的損傷；壓接后吊弦線呈波浪狀，軸向阻力增大，不易滑移。若該壓接方式適配韌性好、彎曲次數(shù)高的耐疲勞吊弦線，可減少目前線路中吊弦斷絲、斷股問題的發(fā)生。

（2）采用橢圓壓接方式，壓接的有效接觸面積增大，摩擦力增大，應(yīng)力分散在壓接處形成一個橢圓形的縮頸，吊弦線相互有序排列，單絲單股受損小，減少壓接對吊弦線的損傷。若該壓接方式適配韌性好、彎曲次數(shù)高的耐疲勞吊弦線，亦可有效減少目前線路中吊弦斷絲、斷股問題的發(fā)生。

[1] 電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條. TB/T2073-2010[S]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

[2] 電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗方法. TB/T2074-2010[S]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

[3] 電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計、施工及驗收標準. EN50119：2009[S].

With regards to problems existed in wire breakage, wire strand breakage and wire strand bulging of integral droppers of high speed railway and passenger dedicated line which may affect the line’s safety operation, the paper puts forward structural optimization and processing improvement on the basis of analysis in terms of product structure, selection of materials, processing, fabricating and operation environment. Proposals for improvement are put forward in terms of conditions for tests and standards for verification of products, on the basis of selecting dropper wires of high tension strength and flexibility, by refinement and improvement of crimping tools, molds and crimping methods. Reliable and effective counter-measures have been finalized.

Integral droppers; breakage of wire & wire strand; analyzing of causes; counter-measures

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.04.004

U225.4+8

B

1007-936X(2017)04-0014-05

2017-04-18

趙戈紅.中鐵電氣化局集團寶雞器材有限公司，高級工程師，電話：13991723631。