關(guān)于京滬高鐵吊弦折斷問(wèn)題規(guī)律的認(rèn)識(shí)和建議

雷陽(yáng)成

（中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 工電檢測(cè)所，工程師，廣西 南寧 530029）

京滬高鐵于2011 年6 月開(kāi)通，正線(xiàn)1 318 km 公里，其中橋梁區(qū)段1 140 km，占比86.5%；路基區(qū)段162 km，占比12.3%；隧道段區(qū)16 km，占比1.2%。直線(xiàn)區(qū)段約650 km，曲線(xiàn)區(qū)段約670 km，比例接近1:1。正線(xiàn)錨段共計(jì)2 712 個(gè)，約3 252 條公里，接觸網(wǎng)采用彈性鏈形懸掛，但錨段關(guān)節(jié)為簡(jiǎn)單鏈形懸掛的四跨形式。吊弦采用整體不可調(diào)的結(jié)構(gòu)，上下兩端利用鉗壓管壓接的方式，通過(guò)心形環(huán)和吊弦線(xiàn)夾，分別固定在承力索和接觸線(xiàn)上，并設(shè)有防止電流灼傷的載流環(huán)。

1 問(wèn)題概況

吊弦折斷問(wèn)題，給京滬高鐵行車(chē)安全和供電安全帶來(lái)極大影響。比如，2016 年，崔馬莊至泰安，吊弦從上部壓接部位折斷后下垂侵限，被受電弓刮斷帶走，直至北京南站才因絕緣距離不足對(duì)車(chē)頂放電，引發(fā)接觸網(wǎng)跳閘。又如，2018 年，滄州西至德州東，吊弦從上部壓接部位折斷后下垂侵限，被受電弓打起短接分相中性段，引發(fā)相間短路。還如，2019 年，蚌埠南至定遠(yuǎn)，吊弦從上部壓接部位折斷后下垂侵限，將受電弓風(fēng)管打落，引發(fā)自動(dòng)降弓。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，京滬高鐵開(kāi)通至今，吊弦斷股、斷絲、斷裂等折斷問(wèn)題累計(jì)發(fā)生909 件。大數(shù)據(jù)分析得出，吊弦折斷問(wèn)題規(guī)律，主要為：

1）正線(xiàn)比側(cè)線(xiàn)高發(fā)。吊弦折斷發(fā)生在正線(xiàn)907處，側(cè)線(xiàn)2處，正線(xiàn)是側(cè)線(xiàn)的453.5倍。

2）橋梁區(qū)段比路基區(qū)段高發(fā)。吊弦折斷發(fā)生在橋梁區(qū)段758 處，路基區(qū)段151 處，橋梁區(qū)段是路基區(qū)段的5.02倍。

3）直線(xiàn)區(qū)段比曲線(xiàn)區(qū)段高發(fā)。整體上看，吊弦折斷發(fā)生在直線(xiàn)區(qū)段626 處，曲線(xiàn)區(qū)段283 處，直線(xiàn)區(qū)段是曲線(xiàn)區(qū)段的2.21 倍。局部上看，吊弦折斷發(fā)生在橋梁區(qū)段的，直線(xiàn)區(qū)段535處，曲線(xiàn)區(qū)段223處，直線(xiàn)區(qū)段是曲線(xiàn)區(qū)段的2.40 倍；吊弦折斷發(fā)生的路基區(qū)段的，直線(xiàn)區(qū)段91處，曲線(xiàn)區(qū)段60處，直線(xiàn)區(qū)段是曲線(xiàn)區(qū)段的1.52倍。

4）錨段關(guān)節(jié)內(nèi)比錨段關(guān)節(jié)外高發(fā)。吊弦折斷發(fā)生在錨段關(guān)節(jié)內(nèi)465 處，錨段關(guān)節(jié)外444 處，換算成吊弦折斷密度，錨段關(guān)節(jié)內(nèi)每百條公里85.7處，錨段關(guān)節(jié)外每百條公里16.3 處，錨段關(guān)節(jié)內(nèi)是錨段關(guān)節(jié)外的5.26倍。

5）錨段關(guān)節(jié)內(nèi)第一根吊弦和錨段關(guān)節(jié)外第二根吊弦比其它吊弦高發(fā)。吊弦折斷發(fā)生在錨段關(guān)節(jié)內(nèi)第一根吊弦304 處，第二根吊弦114 處，所占錨段關(guān)節(jié)內(nèi)吊弦折斷問(wèn)題總量的比例分別為65.38%和24.52%。發(fā)生在錨段關(guān)節(jié)外第二根吊弦262 處，第三根吊弦165 處，所占錨段關(guān)節(jié)外吊弦折斷問(wèn)題總量的比例分別為59.01%和37.16%。

6）吊弦壓接部位比心形環(huán)和吊弦本體部位高發(fā)，下部壓接部位比上部壓接部位高發(fā)。吊弦折斷發(fā)生在吊弦壓接部位534 處，心形環(huán)和吊弦本體部位377 處，壓接部位是心形環(huán)和吊弦本體的1.42倍。其中下部壓接部位是上部壓接部位的3.75倍。

2 原因分析

吊弦折斷，與高速鐵路弓網(wǎng)關(guān)系特征有關(guān)，是在長(zhǎng)時(shí)間、高頻次、大強(qiáng)度的弓網(wǎng)作用下，豎直抬升力迫使吊弦被上下來(lái)回拉扯，從而薄弱點(diǎn)吊弦在吊弦薄弱點(diǎn)疲勞損傷。而之所以會(huì)形成薄弱點(diǎn)吊弦和吊弦薄弱點(diǎn)，與以下因素有關(guān)：

2.1 與線(xiàn)路種類(lèi)有關(guān)正線(xiàn)車(chē)流密度大，行車(chē)速度快，弓網(wǎng)振動(dòng)大，加劇了吊弦被上下來(lái)回拉扯的強(qiáng)度。因此，正線(xiàn)吊弦比側(cè)線(xiàn)吊弦更容易折斷。

2.2 與軌道基礎(chǔ)有關(guān)車(chē)輛高速通過(guò)橋梁區(qū)段的車(chē)橋耦合，加劇了吊弦被上下來(lái)回拉扯的強(qiáng)度。因此，橋梁區(qū)段吊弦比路基區(qū)段吊弦更容易折斷。

2.3 與錨段部位有關(guān)京滬高鐵的錨段關(guān)節(jié)為簡(jiǎn)單鏈形懸掛的四跨形式，一方面錨段關(guān)節(jié)比其它部位被的弓網(wǎng)沖擊更大，另一方面四跨錨段關(guān)節(jié)本身的過(guò)渡平順度不高，加劇了錨段關(guān)節(jié)部位吊弦被上下來(lái)回拉扯的力度。因此，錨段關(guān)節(jié)內(nèi)吊弦比錨段關(guān)節(jié)外吊弦更容易折斷。

2.4 與線(xiàn)路曲直有關(guān)與直線(xiàn)區(qū)段相比，受電弓在曲線(xiàn)區(qū)段隨外軌超高傾斜，豎直抬升力由全部弓網(wǎng)接觸壓力減弱為弓網(wǎng)接觸壓力的豎直分量（圖1 為接觸懸掛受力示意圖），減弱了吊弦被上下來(lái)回拉扯的強(qiáng)度。因此，直線(xiàn)區(qū)段吊弦比曲線(xiàn)區(qū)段吊弦更容易折斷。

圖1 接觸懸掛受力示意圖

2.5 與懸掛結(jié)構(gòu)有關(guān)隨接觸懸掛振動(dòng)而振動(dòng)的承力索與接觸線(xiàn)，因彈性差別和豎直抬升力作用程度不同，無(wú)法做到處處步調(diào)一致地晃動(dòng)，上下兩端彈性偏差大的吊弦，被上下來(lái)回拉扯的強(qiáng)度也大，也就更容易折斷。

在簡(jiǎn)單鏈形懸掛的結(jié)構(gòu)中，定位點(diǎn)處固定不動(dòng)的承力索，隨接觸懸掛振動(dòng)而振動(dòng)的幅度從定位點(diǎn)向跨中逐漸變大，吊弦上下兩端的彈性偏差從定位點(diǎn)向跨中逐漸變小。由于上下兩端的彈性偏差比其它吊弦都大，距離定位點(diǎn)最近的第一根吊弦最容易在振動(dòng)中損壞，其次是第二根吊弦。京滬高鐵錨段關(guān)節(jié)正是簡(jiǎn)單鏈形懸掛的結(jié)構(gòu)，所以錨段關(guān)節(jié)內(nèi)第一根吊弦折斷最多，第二根吊弦次之。

在彈性鏈形懸掛的結(jié)構(gòu)中，由于彈性吊索的存在，定位點(diǎn)可以看成是，以彈性吊索為承力索的位于接觸懸掛之內(nèi)的接觸懸掛的跨中（如接觸懸掛結(jié)構(gòu)示意圖即圖2 中加粗部分所示）。距離定位點(diǎn)最近的第一根吊弦上部連接彈性吊索，上下兩端彈性偏差變小，并趨近于接觸懸掛的跨中彈性偏差。從而，距離定位點(diǎn)最近的第二根吊弦，成為了上下兩端彈性偏差最大的吊弦，其次是第三根吊弦。京滬高鐵錨段關(guān)節(jié)外正是彈性鏈形懸掛，所以錨段關(guān)節(jié)外第二根吊弦折斷最多，第三根吊弦次之。

圖2 接觸懸掛結(jié)構(gòu)示意圖

2.6 與吊弦本身有關(guān)京滬高鐵的吊弦，采用整體不可調(diào)的結(jié)構(gòu)，兩端利用鉗壓管壓接的方式，通過(guò)心形環(huán)和吊弦線(xiàn)夾，分別固定在承力索和接觸線(xiàn)上。由于壓接方式和制作工藝的原因，吊弦壓接部位十分容易損傷或形成應(yīng)力集中點(diǎn)，從而成為吊弦薄弱點(diǎn)。因此，吊弦壓接部位比心形環(huán)和吊弦本體部位更容易折斷。

在豎直抬升力的作用下，接觸線(xiàn)抬升量大于承力索抬升量，吊弦下部彎曲幅度大于上部，伴隨上下來(lái)回拉扯的來(lái)回彎曲，壓接形成的應(yīng)力集中點(diǎn)最先在吊弦下部產(chǎn)生破壞。因此，吊弦下部壓接部位比上部壓接部位更容易折斷。

吊弦心形環(huán)與吊弦線(xiàn)夾是虛接狀態(tài)，接觸懸掛振動(dòng)時(shí)，心形環(huán)與線(xiàn)夾之間形成了摩擦和碰撞。因此，吊弦心形環(huán)損壞的概率也比較大。

3 有關(guān)建議

必須深刻認(rèn)識(shí)到，吊弦折斷問(wèn)題的本質(zhì)，是無(wú)法避免的弓網(wǎng)受流帶來(lái)無(wú)法避免的弓網(wǎng)作用，衍生出吊弦在長(zhǎng)時(shí)間配合正常弓網(wǎng)振動(dòng)中發(fā)生疲勞的自然現(xiàn)象，有一定的必然性。對(duì)于已經(jīng)損傷的吊弦，必須更換，而更換的前提是要及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。為此，要做好以下工作：

1）利用已知規(guī)律有效介入和控制吊弦折斷問(wèn)題。吊弦折斷問(wèn)題的規(guī)律除了存在正線(xiàn)地段、路基區(qū)段、直線(xiàn)區(qū)段、錨段關(guān)節(jié)部位等剛性因素的影響之外，不能忽視的還有接觸懸掛受力布局。一旦接觸懸掛受力布局因?yàn)榻佑|網(wǎng)參數(shù)而打亂，吊弦折斷的規(guī)律將不復(fù)存在，應(yīng)對(duì)吊弦折斷問(wèn)題也將無(wú)從下手。因此，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格落實(shí)接觸網(wǎng)各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將接觸網(wǎng)參數(shù)無(wú)限趨近于完美狀態(tài)，特別是接觸線(xiàn)的坡度和平順性等參數(shù)，減少參數(shù)原因破壞接觸懸掛受力布局，使吊弦折斷問(wèn)題按照已知規(guī)律發(fā)展，達(dá)到有節(jié)奏、有重點(diǎn)地介入和控制吊弦折斷問(wèn)題的目的，及時(shí)避免產(chǎn)生不良后果。

2）利用檢測(cè)監(jiān)測(cè)手段及時(shí)感知吊弦折斷問(wèn)題的發(fā)展情況。檢測(cè)監(jiān)測(cè)是現(xiàn)階段發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)缺陷問(wèn)題、掌握接觸網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)的主要途徑。因此，充分發(fā)揮6C系統(tǒng)和人工檢查等檢測(cè)監(jiān)測(cè)手段的作用，完善功能，縮短周期，加密頻次，在盡可能促使吊弦折斷問(wèn)題規(guī)律化發(fā)展的前提下，按照正線(xiàn)地段、路基區(qū)段、直線(xiàn)區(qū)段、錨段關(guān)節(jié)部位等不同設(shè)備分布，結(jié)合接觸懸掛結(jié)構(gòu)的不同類(lèi)型，特別注意加強(qiáng)對(duì)已知規(guī)律中表明的薄弱點(diǎn)吊弦的檢測(cè)監(jiān)測(cè)，主要是簡(jiǎn)單鏈形懸掛的第一根吊弦、彈性鏈形懸掛的第二根吊弦，一旦發(fā)現(xiàn)斷股、斷絲等吊弦折斷問(wèn)題的前置性、苗頭性現(xiàn)象，立即更換。

3）利用薄弱吊弦折斷的信號(hào)及早安排整跨距吊弦更換。接觸懸掛受力布局以跨距為最小單元。按照已知規(guī)律和原因分析，跨距內(nèi)，作為薄弱吊弦的簡(jiǎn)單鏈形懸掛的第一根吊弦、彈性鏈形懸掛的第二根吊弦發(fā)生折斷，可以說(shuō)明此跨距內(nèi)其它吊弦已經(jīng)趨近于折斷。因此，要注意跨距內(nèi)薄弱吊弦變化，一旦薄弱吊弦出現(xiàn)斷股、斷絲等損傷現(xiàn)象，盡快實(shí)施整跨距的吊弦更換，避免因無(wú)法掌握更換吊弦的最佳時(shí)機(jī)而增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

4）利用科技創(chuàng)新提高吊弦使用壽命。提高吊弦使用壽命，一方面可以通過(guò)科技創(chuàng)新研究制造耐疲勞材料，并用作于吊弦本體，先天提高吊弦抗疲勞能力；另一方面可以對(duì)容易造成吊弦損傷的制作工藝加以改進(jìn)，后天避免吊弦薄弱點(diǎn)降低壽命，比如將壓接方式從犬牙型改為橢圓形、研究改進(jìn)心形環(huán)與線(xiàn)夾的連接方式等。

5）利用彈性改善降低京滬高鐵錨段關(guān)節(jié)內(nèi)吊弦折斷的概率。根據(jù)吊弦折斷問(wèn)題分析，錨段關(guān)節(jié)內(nèi)吊弦比錨段關(guān)節(jié)外吊弦更容易折斷的原因是，錨段關(guān)節(jié)內(nèi)簡(jiǎn)單鏈形懸掛方式的彈性相對(duì)差，從而遭受的沖擊相對(duì)大，加劇了弓網(wǎng)振動(dòng)。因此，改良辦法可以從改善接觸懸掛的彈性入手，充分研究在京滬高鐵錨段關(guān)節(jié)內(nèi)加裝彈性吊索的可行性，以及彈性吊索安裝工藝的科學(xué)性，力爭(zhēng)找到既能保證彈性吊索功能正常，又能降低錨段關(guān)節(jié)內(nèi)吊弦折斷幾率的可行方案。

6）利用差異化布置力求吊弦的整體壽命均衡一致?？缇鄡?nèi)的吊弦位置決定了相同型號(hào)吊弦會(huì)有不同的使用壽命，以薄弱吊弦折斷為信號(hào)安排整跨距吊弦更換的思路，在一定程度上會(huì)造成未到使用壽命的吊弦提前更換的浪費(fèi)問(wèn)題。為減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，解決問(wèn)題的方向可以是，充分論證吊弦差異化布置的可行性，根據(jù)接觸懸掛不同部位吊弦的薄弱程度，布置不同強(qiáng)度的吊弦，應(yīng)對(duì)接觸懸掛的結(jié)構(gòu)特性帶給不同吊弦不同時(shí)折斷的現(xiàn)象，促使吊弦的整體壽命均衡，并且盡可能與接觸懸掛壽命保持一致，把吊弦更換的時(shí)機(jī)人為延后在接觸懸掛整體大修的時(shí)候，同時(shí)也避免了把運(yùn)營(yíng)維護(hù)的精力過(guò)多地耗費(fèi)在吊弦的檢測(cè)監(jiān)測(cè)上。

7）利用吊弦不同部位折斷危害不同的情況落實(shí)薄弱點(diǎn)吊弦重點(diǎn)部位的必查必看措施。2018年滄州西至德州東吊弦從上部壓接部位折斷后下垂侵限被受電弓打起造成相間短路的案例表明，吊弦從上部折斷的危害最大，將直接打壞受電弓，甚至引發(fā)更嚴(yán)重的弓網(wǎng)故障。因此，充分關(guān)注吊弦上部折斷的情況，把薄弱點(diǎn)吊弦的上部壓接部位作為檢測(cè)監(jiān)測(cè)必查必看項(xiàng)目，是降低故障等級(jí)、縮短故障時(shí)間有效辦法。

4 結(jié)束語(yǔ)

吊弦折斷是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，充分認(rèn)識(shí)京滬高鐵吊弦折斷問(wèn)題規(guī)律并準(zhǔn)確把握其成因，切實(shí)做到精心養(yǎng)護(hù)、科學(xué)防范、綜合施策，就能有效增大接觸網(wǎng)安全運(yùn)行系數(shù)，進(jìn)一步夯實(shí)高鐵旅客運(yùn)輸安全基礎(chǔ)。