復(fù)合型耐疲勞整體吊弦技術(shù)改進(jìn)方案探討

李 軍

0 引言

接觸網(wǎng)整體吊弦作為電氣化鐵路承力索與接觸線間連接的重要部件，在接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)中起到了機(jī)械負(fù)荷傳遞和載流的作用。我國(guó)于2002 年接觸網(wǎng)載流整體吊弦的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)頒布后開始對(duì)整體吊弦推廣運(yùn)用，2005 年在京滬、滬杭鐵路提速改造中廣泛使用，2008 年在京津城際350 km/h 客運(yùn)專線開始使用不可調(diào)式整體吊弦。目前，接觸網(wǎng)載流整體吊弦已被廣泛運(yùn)用，環(huán)節(jié)吊弦逐步被淘汰。整體吊弦技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了2 次修訂，當(dāng)前最新為2020 版[1～3]。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀

原TB/T 2075.7—2010 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定吊弦線夾本體及吊環(huán)材質(zhì)為CuNi2Si 銅鎳硅合金，心形護(hù)環(huán)材質(zhì)為12Cr18Ni9 奧式體不銹鋼，壓接端子和鉗壓管材質(zhì)為T2 銅，吊弦線采用型號(hào)為JTMH10 銅鎂合金絞線。近年來，整體吊弦在運(yùn)行過程中特別是高速鐵路上頻繁發(fā)生局部磨損、斷絲、斷股、鼓包甚至整體斷裂等問題，是當(dāng)前高鐵接觸網(wǎng)發(fā)生故障最頻繁的部件之一，給高鐵運(yùn)行帶來極大安全隱患。筆者統(tǒng)計(jì)分析了管轄區(qū)內(nèi)2014 年開通運(yùn)行以來時(shí)速200 km 及以上部分高速鐵路接觸網(wǎng)整體吊弦出現(xiàn)的問題，累計(jì)發(fā)生各類問題3 477 個(gè)，其中斷股1 587 個(gè)、占比46%，鼓包594 個(gè)、占比17%，吊線斷裂390 個(gè)、占比11%，線夾破裂等57 個(gè)、占比2%，其他類問題849 個(gè)、占比24%。

下文對(duì)問題吊弦的運(yùn)行及試驗(yàn)情況進(jìn)行分析。

1.1 大數(shù)據(jù)分析情況

從運(yùn)行時(shí)間看，整體吊弦上網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間為3～8 年，均未達(dá)到《普速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》中可參照的10～12 年壽命周期，上網(wǎng)時(shí)間最短的只有3 年左右。從運(yùn)行線路看，200 km/h 的客貨混跑線路發(fā)現(xiàn)的問題吊弦較多，占比較大，250～300 km/h 的客專高鐵線路吊弦問題零星持續(xù)發(fā)生。從吊弦類型看，可調(diào)式整體吊弦問題占比非常大，不可調(diào)式整體吊弦發(fā)生問題相對(duì)較少。從發(fā)生部位看，整體吊弦的吊弦線夾、調(diào)整螺栓、壓接管、心形護(hù)環(huán)、導(dǎo)流環(huán)及吊弦本線等各部位均有問題發(fā)生。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看，吊弦線與零部件間存在生產(chǎn)壓接工藝問題、吊弦線耐疲勞問題和吊環(huán)設(shè)計(jì)不盡合理等容易導(dǎo)致吊弦線斷絲、斷股或全斷。

1.2 疲勞試驗(yàn)情況

抽取斷裂整體吊弦、未斷裂整體吊弦（與斷裂整體吊弦同型號(hào)、同批次、同區(qū)段、同安裝上網(wǎng)時(shí)間）進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

（1）針對(duì)已斷裂吊弦，在外觀無損傷處按安裝標(biāo)準(zhǔn)（緊固力矩20 N）進(jìn)行整條吊弦安裝緊固試驗(yàn)，第1 次緊固后整體吊弦絞線單根無損傷，第2 次緊固后整條吊弦絞線單絲斷1 根傷2 根，第3次緊固后整體吊弦絞線單絲斷2 根傷2 根。

（2）針對(duì)已斷裂吊弦，在外觀無損傷處按安裝標(biāo)準(zhǔn)（緊固力矩20 N）進(jìn)行整條吊弦安裝緊固試驗(yàn)，松動(dòng)開口螺栓后，對(duì)開口螺栓安裝處進(jìn)行手動(dòng)疲勞試驗(yàn)（重復(fù)彎曲），在進(jìn)行至第22 次手動(dòng)疲勞試驗(yàn)時(shí)，開口螺栓處整體吊弦絞線單絲斷3 根。

接觸網(wǎng)整體吊弦頻繁發(fā)生的問題已危及到電氣化鐵路特別是高速鐵路的安全運(yùn)行，尤其是速度等級(jí)較高線路，研究如何提高整體吊弦的產(chǎn)品質(zhì)量和延緩壽命是從業(yè)者迫在眉睫的任務(wù)。

2 原因分析

通過對(duì)整體吊弦存在問題的梳理，從整體吊弦的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、工藝、周邊環(huán)境以及安裝位置等方面進(jìn)行全面分析。整體吊弦發(fā)生斷股、鼓包、斷裂等現(xiàn)象是一系列因素疊加的結(jié)果。

2.1 吊弦線材質(zhì)不足

吊弦線采用鎂銅合金材質(zhì)，生產(chǎn)過程可通過銅材性能影響未來吊弦疲勞壽命，其中絲成股、股成線的工藝會(huì)影響絲與絲、股與股間的預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而影響每根絲內(nèi)部殘余應(yīng)力，以及在變形狀態(tài)下的相互錯(cuò)動(dòng)過程，從而影響單絲的疲勞壽命，導(dǎo)致出現(xiàn)鼓包、斷裂等情況。此外，吊弦線韌性較差，導(dǎo)致整體吊弦在長(zhǎng)期頻繁振動(dòng)過程中易從壓接處斷裂。

另外，整體吊弦除承受機(jī)械載荷外，在正常使用過程中還起到電氣連接的作用，當(dāng)電流通過吊弦線時(shí)，吊弦線溫度升高，會(huì)降低吊弦線疲勞強(qiáng)度。

2.2 零部件材質(zhì)強(qiáng)度不足

心形護(hù)環(huán)和U 形吊環(huán)本體材料選型厚度不足，反復(fù)彎曲的疲勞性能低，在長(zhǎng)期振動(dòng)過程中部分容易出現(xiàn)斷裂。

2.3 壓接工藝不合理

（1）原標(biāo)準(zhǔn)中吊弦的壓接管采用犬牙齒形壓接工藝，在壓接處形成“點(diǎn)接觸”且應(yīng)力集中，壓接點(diǎn)處的吊弦線受到擠壓應(yīng)力發(fā)生變化甚至造成線索損傷，同時(shí)壓接模具放置不正確也會(huì)導(dǎo)致吊弦受力不均，加快壓接處鼓包、斷裂情況的發(fā)生。此外，壓接管兩端頭處未進(jìn)行圓弧處理，吊弦線在頻繁振動(dòng)時(shí)與壓接管端頭有切割，也會(huì)造成壓接處吊弦斷股現(xiàn)象，如圖1 所示。

圖1 壓接管處斷股

（2）壓接管與心形護(hù)環(huán)距離大于3 mm，導(dǎo)致心形護(hù)環(huán)與吊弦線不密貼，處于松弛狀態(tài)，長(zhǎng)期受振動(dòng)或抬升運(yùn)行后心形護(hù)環(huán)發(fā)生位置偏移，進(jìn)而摩擦或切割吊弦線，如圖2 所示。

圖2 心形護(hù)環(huán)與絞線不密貼

2.4 吊弦結(jié)構(gòu)存在缺陷

（1）U 形吊環(huán)與心形護(hù)環(huán)不匹配。心形護(hù)環(huán)在吊弦線夾固定螺栓過渡處沒有鏤空，固定螺栓緊固后，心形護(hù)環(huán)處吊弦線被繃緊，由于心形護(hù)環(huán)采用12Cr18Ni9 不銹鋼材質(zhì)，吊弦線為銅鎂合金，膨脹系數(shù)不一致（不銹鋼15×10-6，銅17×10-5），造成溫度變化時(shí)吊弦線在該處的應(yīng)力不能釋放而折斷，如圖3 和圖4 所示。

圖3 心形護(hù)環(huán)與固定螺栓

圖4 心形護(hù)環(huán)鏤空處理

其次，U 形吊環(huán)和心形護(hù)環(huán)尺寸不匹配，U 形吊環(huán)過短或心形護(hù)環(huán)過大都會(huì)在受電弓抬升情況下致使心形護(hù)環(huán)及頂端吊線與吊弦線夾碰撞磨擦，長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)造成心形護(hù)環(huán)弧端處的吊弦線發(fā)生斷絲、斷股現(xiàn)象，如圖5 所示。（2）調(diào)整螺栓處缺陷明顯。早期的B 型可調(diào)整體吊弦的調(diào)節(jié)固定螺栓開口處未進(jìn)行圓弧處理或加墊片，遇緊固力矩過大造成整體吊弦絞線壓傷，長(zhǎng)期振動(dòng)使其斷裂。調(diào)節(jié)固定螺栓未頂緊心形護(hù)環(huán)安裝（安裝標(biāo)準(zhǔn)未明確安裝位置），機(jī)車受電弓抬升使心形護(hù)環(huán)脫落，導(dǎo)致整體吊弦絞線與吊環(huán)磨損斷裂，如圖6 所示。

圖5 心形護(hù)環(huán)頂端處斷股

圖6 調(diào)節(jié)固定螺栓處斷裂

（3）接線端子結(jié)構(gòu)、管壁厚度壓接方式不統(tǒng)一，存在平角和仰角（30°）現(xiàn)象，致使導(dǎo)流環(huán)擠壓心形護(hù)環(huán)造成偏磨或整體吊弦的偏轉(zhuǎn)。

2.5 振動(dòng)頻率和振幅的影響

原TB/T 2073—2010規(guī)定吊弦適應(yīng)振幅為±35 mm，振動(dòng)次數(shù)為200 萬次運(yùn)行條件，但是實(shí)際行車振幅和振動(dòng)次數(shù)遠(yuǎn)大于此數(shù)據(jù)。在列車受電弓通過的瞬間，接觸線被抬高，吊弦發(fā)生松弛，受電弓通過后，接觸線瞬間落回原位，此時(shí)吊弦因限制接觸線下落而被瞬間拉直，從而承受巨大瞬時(shí)拉力。在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，該瞬間大拉力循環(huán)出現(xiàn)，構(gòu)成了吊弦疲勞斷裂的主要交變應(yīng)力源，如圖7 所示。

圖7 受電弓通過時(shí)吊弦振動(dòng)曲線

受電弓高速通過吊弦后，接觸線瞬間被受電弓抬升，吊弦線在重力作用下突然下落而拉緊，吊弦上下振擺達(dá)20 余次，此時(shí)吊弦發(fā)生非等幅振動(dòng)（振幅為-5～+50 mm），同時(shí)吊弦線在水平方向產(chǎn)生振動(dòng)，造成吊弦線在鉗壓管根部出現(xiàn)反復(fù)彎曲，該過程隨著振動(dòng)長(zhǎng)期存在。目前采用的標(biāo)準(zhǔn)吊弦線韌性較差，反復(fù)彎曲次數(shù)較低，加之三點(diǎn)犬牙式壓接點(diǎn)應(yīng)力較大。在鉗壓管處韌性較差的吊弦既要承受較大壓接應(yīng)力，又受到反復(fù)彎曲、相互間的摩擦等作用，因此易在壓接處出現(xiàn)斷絲、斷股。發(fā)生斷股后，吊弦線有效截面減小，拉應(yīng)力進(jìn)一步增大，當(dāng)剩余截面拉應(yīng)力達(dá)到吊弦線臨界破壞值時(shí)，吊弦線將發(fā)生突然斷裂。

2.6 惡劣運(yùn)行環(huán)境影響

當(dāng)接觸網(wǎng)運(yùn)行于酸雨、鹽堿、重污染、大風(fēng)和風(fēng)沙等惡劣環(huán)境時(shí)，吊弦腐蝕老化程度加速，壽命周期縮短，甚至發(fā)生零部件故障。

2.7 安裝不當(dāng)

新建或改建鐵路接觸網(wǎng)施工時(shí)，施工單位需提前測(cè)量、計(jì)算和預(yù)制吊弦，由于各環(huán)節(jié)誤差的存在，部分不可調(diào)式吊弦參數(shù)可能與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在輕微偏差，施工人員安裝時(shí)通過對(duì)吊弦線扭轉(zhuǎn)和偏移達(dá)到微量調(diào)整目的，經(jīng)過后期的長(zhǎng)時(shí)間、高頻次振動(dòng)運(yùn)行后，導(dǎo)致吊弦線在應(yīng)力集中處出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生吊弦線斷股，進(jìn)而造成整體斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，如圖8 所示。

圖8 吊弦線鼓包

3 優(yōu)化措施

針對(duì)接觸網(wǎng)整體吊弦發(fā)生的各類問題或缺陷，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材質(zhì)選擇、工藝制造等方面提出對(duì)整體吊弦優(yōu)化、改進(jìn)的技術(shù)方案和措施。

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

以C 型吊弦為例，該型由吊弦線、沖壓型承力索吊弦線夾、沖壓型接觸線吊弦線夾、心形護(hù)環(huán)、鉗壓管及吊弦線等部件組成，為長(zhǎng)度不可調(diào)結(jié)構(gòu)，通過改進(jìn)U 形吊環(huán)和心形護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸，滿足吊弦抬升時(shí)吊線本體不與線夾碰撞，避免磨損心形護(hù)環(huán)端部吊弦線，如圖9 所示。

圖9 C 型整體吊弦結(jié)構(gòu)

3.2 吊弦線改進(jìn)

吊弦線采用復(fù)合型7×7 纏繞結(jié)構(gòu)，單股絞線采用6+7 纏繞結(jié)構(gòu)（圖10 中中間紅色7 股為不銹鋼絲，采用022Cr17Ni12Mo2 奧式體不銹鋼），銅線單絲及不銹鋼絲（絞線）直徑為0.5 mm。銅鎂合金線為JTMH10，鎂含量占比宜采用0.2%～0.4%，其性能滿足TB/T 3111—2017 標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖10 所示。

圖10 改進(jìn)后吊弦線

3.3 零配件改進(jìn)

鉗壓管、壓接端子均按GB/T 5231—2001 要求，采用牌號(hào)為T2 的加工銅，其機(jī)械性能應(yīng)符合GB/T 2040—2002 中M 狀態(tài)的規(guī)定。選用鉗壓管端頭外擴(kuò)圓弧，長(zhǎng)度不小于30 mm。增加心形護(hù)環(huán)和吊環(huán)壁厚度強(qiáng)度，心形護(hù)環(huán)端部鏤空處理，壓接管端頭圓弧過渡處理，避免切割吊弦線，如圖11 所示。

圖11 改進(jìn)后的零部件

3.4 壓接工藝改進(jìn)

壓接方式由齒形壓接改為橢圓環(huán)形兩段或三段橢圓形對(duì)稱壓接，有效減小壓接應(yīng)力，壓接后鉗壓管的兩端呈“喇叭口”狀，減小了鉗壓管口部棱角與吊弦線之間的摩擦，有效預(yù)防鉗壓管銳口切割吊弦線而形成疲勞源。壓接端子彎折處增加過渡圓弧，減少壓痕。結(jié)構(gòu)如圖12 所示。

圖12 壓接方式改進(jìn)

3.5 防松措施改進(jìn)

在傳統(tǒng)止動(dòng)防松措施的基礎(chǔ)上，探索吊弦線夾處采用止動(dòng)墊圈及齒面碟簧防松墊圈雙重防松措施，線夾安裝到位后再涂抹厭氧型螺紋鎖固膠，或在承力索端吊弦線夾的螺桿上加開口銷，確保整體吊弦承力索線夾螺母不松動(dòng)，即便松動(dòng)也不會(huì)掉落，有效避免吊弦承力索端掉落低于導(dǎo)線高度而刮碰受電弓進(jìn)而引發(fā)弓網(wǎng)故障或更大事故。該防松改進(jìn)措施如圖13 所示。

圖13 承力索吊弦線夾防松改進(jìn)

4 改進(jìn)優(yōu)化后的效果

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(gè)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(duì)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。改進(jìn)前后試驗(yàn)對(duì)比見表2。

表2 壓接改進(jìn)前后試驗(yàn)對(duì)比 kN

4.1 吊弦線材的改進(jìn)效果

通過對(duì)吊弦線材材質(zhì)以及不同生產(chǎn)工藝對(duì)吊弦線的晶粒組織結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、電氣性能和耐反復(fù)彎曲疲勞性能的影響研究，完成了吊弦線線材以及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，生產(chǎn)出復(fù)合型7×7 纏繞結(jié)構(gòu)的銅鎂合金耐疲勞整體吊弦線，大幅提高了吊弦線的反復(fù)彎曲性能，增強(qiáng)了整體吊弦的可靠性和使用壽命。

4.1.1 復(fù)合型吊弦線性能指標(biāo)

復(fù)合型吊弦線采用JTMH10 型絞線，其主要性能指標(biāo)如表1 所示[4]。

表1 JTMH10 復(fù)合型絞線主要技術(shù)指標(biāo)

4.1.2 耐疲勞吊弦線工藝

通過對(duì)吊弦母材工藝的改善，消除坯料的鑄態(tài)組織缺陷，改善晶粒結(jié)構(gòu)組織，為后續(xù)吊弦線材加工提供更好的抗變形條件，提高材料機(jī)械性能。

4.1.3 增加單線消除應(yīng)力工藝

消除單絲加工有害殘余應(yīng)力，降低變形抗力，恢復(fù)塑性，保證吊弦線的延伸性能；對(duì)晶粒組織進(jìn)行控制，防止晶粒粗化，確保坯料的組織和性能。

4.2 壓接工藝的改進(jìn)效果

（1）橢圓環(huán)狀壓接可有效改善原有齒形壓接對(duì)線索的壓接損傷，壓接后的吊弦線整股壓縮密實(shí)；壓接后吊弦線呈波浪狀，軸向阻力增大，不易滑移。

4.3 整體性能指標(biāo)

引用TB/T 2075—2020、TB/T 3111—2017[5]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以原標(biāo)準(zhǔn)中C 型整體吊弦進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)壓接方式、吊弦線和吊弦結(jié)構(gòu)等優(yōu)化后進(jìn)行系列檢測(cè)試驗(yàn)，論證各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于普通吊弦，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表3。

表3 吊弦整體改進(jìn)試驗(yàn)對(duì)比 kN

4.4 試掛及抽檢試驗(yàn)情況

2018 年，將全面改進(jìn)后的復(fù)合型耐疲勞整體吊弦在200 km/h 線路上安裝試掛，運(yùn)行至今未發(fā)生任何問題。對(duì)其中運(yùn)行3 年的吊弦抽樣檢查并送檢試驗(yàn)，從振動(dòng)試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、滑動(dòng)荷重、破壞荷重等幾項(xiàng)重要指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果來看，證明復(fù)合型耐疲勞整體吊弦的各項(xiàng)性能指標(biāo)依然較好，綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通整體吊弦。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)接觸網(wǎng)載流整體吊弦在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材質(zhì)選擇、工藝制造等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并在運(yùn)營(yíng)線路中實(shí)踐運(yùn)用，運(yùn)行狀態(tài)較好，3 年多未發(fā)生任何異常情況。中國(guó)電氣化鐵路發(fā)展60 余年來，接觸網(wǎng)大量新工藝和標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)都是在不斷探索和大膽嘗試后得到廣泛認(rèn)可和推廣的，復(fù)合型耐疲勞整體吊弦的成功經(jīng)驗(yàn)可推廣到行業(yè)內(nèi)其他類似產(chǎn)品中并加以應(yīng)用。