脈沖電流作用下高鐵接觸網(wǎng)吊弦線拉伸試驗(yàn)探究

胡向義， 王忠誠(chéng)， 陳時(shí)光， 王世英， 張建華

(1 山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250061；2 山東大學(xué) 機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 濟(jì)南 250061)

接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的特殊形式的輸電線路，是電力機(jī)車供電系統(tǒng)中的重要組成部分。吊弦是承力索和接觸線間的連接部件，在高鐵高速運(yùn)行過程中承受一定的振動(dòng)和力，是整個(gè)接觸網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵零部件之一[1]。在高鐵的整個(gè)系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)故障會(huì)造成列車供電出現(xiàn)問題，而吊弦是接觸網(wǎng)系統(tǒng)中最容易產(chǎn)生故障的零部件[2]。據(jù)文獻(xiàn)[3]統(tǒng)計(jì)分析，在高鐵運(yùn)營(yíng)過程中因吊弦發(fā)生損壞而造成的高鐵故障中，吊弦線磨損斷絲、斷股或全斷及吊弦線在中間處斷裂而造成的吊弦缺陷占比77.2%，對(duì)列車正常運(yùn)行存在著極大的隱患。

吊弦工作環(huán)境復(fù)雜，在列車運(yùn)行過程中承受一定的振動(dòng)和力，所以吊弦的疲勞特性一直成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的對(duì)象，在這個(gè)方面獲得了較為成熟的理論和研究成果。而對(duì)于拉伸破壞理論的研究較少，楊廣英[3]通過對(duì)既有高鐵吊弦斷裂情況的統(tǒng)計(jì)和拉伸破壞研究，得到吊弦損壞相關(guān)規(guī)律。張寶奇[4]分析了目前高鐵吊弦斷裂的原因，結(jié)合法國(guó)高鐵吊弦的結(jié)構(gòu)形式和制造、試驗(yàn)方法，提出一系列具體的改進(jìn)措施。德國(guó)的Frank Pupke，Samir Ouchanin等[5]對(duì)吊弦疲勞斷裂的斷口形貌進(jìn)行分析，從而研究出改進(jìn)吊弦疲勞壽命的相關(guān)措施。電塑性效應(yīng)是金屬材料中有脈沖電流通過時(shí)其具有的特殊性質(zhì)，我國(guó)列車運(yùn)行采用的吊弦大多為不可調(diào)載流整體吊弦，由銅鎂合金絞線組成，接觸線通過載流整體吊弦懸掛在承力索上，而在一些特殊地方采用非載流吊弦。相對(duì)于非載流吊弦，載流吊弦中有脈沖電流通過，故其吊弦線存在一定的電塑性效應(yīng)。范蓉[6]研究了連續(xù)電流和脈沖電流對(duì)銅合金和鋁合金的力學(xué)性能和微觀組織的影響，通過電輔助拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)比熱拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)建立材料熱電模型，能夠?qū)γ}沖電流引起的瞬時(shí)應(yīng)力下降幅值進(jìn)行預(yù)測(cè)。陳立明等[7]研究了受電弓作用下整體吊弦的拉伸、壓縮情況及動(dòng)態(tài)力變化情況。

目前，對(duì)脈沖電流通過吊弦線的應(yīng)力狀態(tài)和抗拉強(qiáng)度尚未有系統(tǒng)的研究，通過研究不同脈沖電流對(duì)吊弦線的影響可以預(yù)測(cè)不同電流條件下吊弦線的抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力變化，對(duì)于合理使用并延長(zhǎng)吊弦線壽命具有重要意義。通過研究電流預(yù)處理階段電流大小、預(yù)處理時(shí)間長(zhǎng)短、輔助拉伸電流大小等不同條件下吊弦線的應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度變化情況，為實(shí)際工作中吊弦線的合理使用提供參考。

1 吊弦線拉斷試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 吊弦線拉斷試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用設(shè)備為濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的WDW-50E微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，其參數(shù)如表1所示，拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。WDW-50E微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)為雙空間門式結(jié)構(gòu)，上空間為拉伸區(qū)域，下空間為壓縮區(qū)域，高鐵吊弦線拉伸破壞試驗(yàn)主要在上空間區(qū)域完成。

表1 WDW-50E試驗(yàn)機(jī)參數(shù)

圖1 拉伸試驗(yàn)機(jī)

1.2 脈沖電源

試驗(yàn)中脈沖電源主要作用是產(chǎn)生一定大小的試驗(yàn)用脈沖電流，對(duì)其基本要求是輸出電壓電流穩(wěn)定。試驗(yàn)采用的脈沖電源是自主定制的專用電源，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 脈沖電源參數(shù)

1.3 吊弦線結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

目前高速鐵路和客運(yùn)專線的整體吊弦普遍采用的是載流整體吊弦(C型整體吊弦、沖壓式接觸線和承力索吊弦線夾、不可調(diào)結(jié)構(gòu))，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3111—2017可得吊弦規(guī)格、結(jié)構(gòu)、尺寸、性能參數(shù)如表3所示[8]。

型號(hào)為JTMH10的吊弦材料為銅鎂合金絞線，結(jié)構(gòu)斷面為7×7結(jié)構(gòu)，其相關(guān)材料參數(shù)如表4所示，結(jié)構(gòu)斷面圖如下圖2所示。

表3 JTMH吊弦規(guī)格、結(jié)構(gòu)、尺寸及性能

圖2 結(jié)構(gòu)斷面圖

表4 JTMH10吊弦線材料參數(shù)

1.4 試驗(yàn)參數(shù)

在吊弦線拉伸破壞試驗(yàn)中，使用吊弦線拉伸前電流預(yù)處理和電流輔助拉伸兩種狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。拉伸破壞試驗(yàn)原理如圖3中(a)所示，吊弦線拉伸破壞示意圖如圖3中(b)所示。采用電流預(yù)處理試驗(yàn)中改變電流的大小，對(duì)比不同電流預(yù)處理后對(duì)吊弦線拉伸過程的影響。進(jìn)行電流輔助拉伸破壞試驗(yàn)時(shí)，主要對(duì)比無預(yù)處理時(shí)電流大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，有預(yù)處理時(shí)預(yù)處理時(shí)間大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。具體參數(shù)如表5所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 輔助拉伸電流作用結(jié)果

圖4、圖5分別是拉伸速度為2 mm/min時(shí)，拉伸過程中持續(xù)通電，無預(yù)處理?xiàng)l件下吊弦線在拉伸過程中最大應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度隨電流的變化情況。根據(jù)圖4中所示，在沒有電流預(yù)處理的條件下，隨著拉伸過程中電流的增大吊弦線中的最大應(yīng)力在不斷減小。根據(jù)圖5中所示，隨著拉伸過程中電流增大，吊弦線抗拉強(qiáng)度在不斷減小。

表5 試驗(yàn)參數(shù)

圖3 拉伸破壞試驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程

無預(yù)處理時(shí)，電流增大引起吊弦線中最大應(yīng)力減小，這是因?yàn)榈跸揖€材料一定，增大電流時(shí)會(huì)增加電流產(chǎn)生的焦耳熱，焦耳熱會(huì)使材料溫度上升，材料的軟化效應(yīng)隨溫度的升高而增強(qiáng)。與此同時(shí)材料的相關(guān)性能也隨著電流的增大發(fā)生改變，流動(dòng)應(yīng)力會(huì)降低，因?yàn)槔爝^程中高密度電流通入會(huì)加速材料內(nèi)部的位錯(cuò)滑移和攀移，打開位錯(cuò)纏結(jié)，降低材料加工硬化，從而使相同材料在通電情況下具有更大的拉伸性，而使其最大應(yīng)力得到降低，這就是材料電致塑性效應(yīng)。

圖4 最大應(yīng)力—電流變化關(guān)系曲線

拉伸過程中吊弦線抗拉強(qiáng)度隨著輔助電流的增大而不斷減小，因?yàn)殡娏髟黾訒?huì)增大吊弦線的塑性，同時(shí)電流增大會(huì)改變吊弦線的相關(guān)力學(xué)特性，當(dāng)拉伸速度一定的條件下，最大拉伸載荷隨著塑性的增大而減小，即吊弦線的抗拉強(qiáng)度減小。

圖5 抗拉強(qiáng)度—電流關(guān)系

2.2 預(yù)處理電流作用結(jié)果

吊弦線的預(yù)處理過程發(fā)生在拉伸試驗(yàn)前，拉伸開始的瞬間立即斷開預(yù)處理電流。圖6、圖7是預(yù)處理時(shí)間為100 s時(shí)，改變預(yù)處理過程中脈沖電流的大小，吊弦線在拉伸速度為2 mm/min的情況下，吊弦線最大應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度與預(yù)處理電流之間的關(guān)系。

圖6為吊弦線在不同脈沖電流預(yù)處理情況下，最大應(yīng)力隨電流變化曲線。隨著預(yù)處理電流的增大，拉伸過程中吊弦線中的最大應(yīng)力值下降。這是因?yàn)殂~鎂合金絞線在預(yù)處理電流作用下被加熱到一定的塑性區(qū)間，電流的加熱特性增加了材料的塑性，同時(shí)吊弦線材料和尺寸一致，隨著電流增大會(huì)使單位截面積吊弦線中的電流密度增大，高密度電流會(huì)使材料的溫度升高，晶界出現(xiàn)局部溶解[9]，在后續(xù)的拉伸過程中能夠使材料的加工硬化減小，從而引起材料應(yīng)力下降和伸長(zhǎng)率提高。

圖6 最大應(yīng)力—預(yù)處理電流關(guān)系

根據(jù)圖7所示，在不同預(yù)處理電流情況下，吊弦線的抗拉強(qiáng)度不同，吊弦線抗拉強(qiáng)度隨著預(yù)處理電流的增大而減小。預(yù)處理電流通過金屬材料時(shí)由于焦耳熱作用溫度上升，引起材料發(fā)生熱軟化，使材料的塑性增加；并且，隨著電流的增大，電流產(chǎn)生的焦耳熱增多，對(duì)材料的熱力學(xué)性能影響增大。當(dāng)進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)時(shí)，拉伸速度一定，塑性越大承受的最大負(fù)荷越小。所以隨著預(yù)處理電流的增大吊弦線的抗拉強(qiáng)度下降。

圖7 抗拉強(qiáng)度—預(yù)處理電流關(guān)系

2.3 預(yù)處理時(shí)間不同的試驗(yàn)結(jié)果

圖8是拉伸速度為2 mm/min時(shí)，預(yù)處理電流一致而時(shí)間不同時(shí)，吊弦線在拉伸過程中最大應(yīng)力變化情況。根據(jù)圖8中所示，吊弦線在拉伸過程中的最大應(yīng)力隨著預(yù)處理時(shí)間的增長(zhǎng)而減小。

由圖8所示，吊弦線預(yù)處理時(shí)間分別為0 s、100 s、200 s、300 s，隨著預(yù)處理時(shí)間的增長(zhǎng)，拉伸過程中吊弦線最大應(yīng)力逐漸減小，這是因?yàn)殡娏鳟a(chǎn)生的焦耳熱不僅與電流的大小有關(guān)還與電流作用的時(shí)間有關(guān)，隨著時(shí)間增長(zhǎng)電流產(chǎn)生的焦耳熱也在不斷增加，焦耳熱產(chǎn)生的塑性作用也在不斷增加，從而隨著預(yù)處理時(shí)間的增加，吊弦線中的最大應(yīng)力減小。

圖8 最大應(yīng)力—預(yù)處理時(shí)間關(guān)系

圖9是采用不同的預(yù)處理電流時(shí)長(zhǎng)，吊弦線在拉伸過程中應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，圖中可以看出在拉伸過程中吊弦線中的應(yīng)力在不斷增大，也就是說隨著拉伸時(shí)間的增長(zhǎng)吊弦線所承受的載荷也在不斷增大。同時(shí)，從應(yīng)力時(shí)間曲線可以看出，應(yīng)力在拉伸過程中會(huì)出現(xiàn)獨(dú)特的鋸齒狀，這是因?yàn)槔爝^程中吊弦線中的應(yīng)力會(huì)發(fā)生瞬時(shí)下降，而后又會(huì)迅速上升，從而造成的應(yīng)力往復(fù)現(xiàn)象。應(yīng)力往復(fù)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是金屬材料拉伸過程中由于變形功和摩擦功作用而產(chǎn)生一定的溫升，溫升造成的塑性效應(yīng)引起應(yīng)力下降，而裸露的吊弦線在變形的同時(shí)也在散熱從而使應(yīng)力回復(fù)。

圖9 應(yīng)力—時(shí)間曲線

3 結(jié) 論

在高鐵吊弦拉伸破壞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，拉伸過程中電流大小、預(yù)處理時(shí)間長(zhǎng)短、預(yù)處理電流大小等均對(duì)吊弦的最大應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生影響，具體如下：

(1)對(duì)于預(yù)處理電流和拉伸過程中電流，吊弦線拉伸過程中最大應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度隨著電流的增大而減小。因?yàn)殡娏髟龃蟮跸揖€中產(chǎn)生的焦耳熱增加，對(duì)材料的塑性產(chǎn)生一定的影響。

(2)無預(yù)處理時(shí)，電流輔助拉伸吊弦線過程中不僅有焦耳熱作用還有電致塑性效應(yīng)存在，即銅鎂合金絞線在脈沖電流作用下具有一定的塑性效應(yīng)，塑性效應(yīng)的強(qiáng)弱與輔助電流大小有關(guān)。

(3)預(yù)處理電流為15 A時(shí)，吊弦線拉伸過程中最大應(yīng)力隨著預(yù)處理時(shí)間的增長(zhǎng)而減小。預(yù)處理時(shí)間增多會(huì)使吊弦線中電流產(chǎn)熱增多，從而對(duì)塑性影響較大。

因此在吊弦工作過程中，在滿足列車運(yùn)行需要的同時(shí)控制工作電流的大小，可以有效提高吊弦線壽命。