接觸網(wǎng)補(bǔ)償繩繩芯斷裂原因分析

吳挺勇

（中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 沿海鐵路工程建設(shè)指揮部，工程師，廣西 防城港 538000）

黎湛線電氣化于2015年開工建設(shè)，黎塘至玉林段于2016年底開通運(yùn)營，玉林至湛江段于2017年底開通運(yùn)營。2021年6月日常檢查維護(hù)時發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)補(bǔ)償繩存在繩芯突出及繩鼓松弛現(xiàn)象，經(jīng)排查共有247根接觸網(wǎng)補(bǔ)償繩存在該情況，會產(chǎn)生塌網(wǎng)的隱患，嚴(yán)重威脅電氣化設(shè)備的運(yùn)行安全。

黎湛線接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置采用滑輪補(bǔ)償裝置，滑輪補(bǔ)償裝置由不同直徑的滑輪、滑輪組框架、補(bǔ)償繩、補(bǔ)償繩與滑輪框架的連接線夾、補(bǔ)償繩與墜砣桿的連接線夾、承錨底座、線錨底座、墜砣限制架、單雙耳連接器、C型雙環(huán)桿、墜砣桿、墜砣抱箍組成（如圖1）。補(bǔ)償繩采用結(jié)構(gòu)為8T（1+6，6+12）+7（1+6+12）的不銹鋼鋼絲繩（如圖2），公稱直徑為φ8.75mm，允許偏差mm,綜合拉斷力≥54kN，1:3滑輪補(bǔ)償裝置補(bǔ)償繩長16m，1:2滑輪補(bǔ)償裝置補(bǔ)償繩長14m。

圖1 滑輪補(bǔ)償裝置示意圖

圖2 不銹鋼絲繩結(jié)構(gòu)示意圖

1 接觸網(wǎng)補(bǔ)償繩存在問題

1.1 補(bǔ)償繩問題特征

黎湛線接觸網(wǎng)補(bǔ)償繩外觀質(zhì)量問題特征主要表現(xiàn)為鼓包、松股、斷絲等，發(fā)生的位置一般在墜砣相連的垂直段或順向延伸的定滑輪和動滑輪之間，在定滑輪附近30～60cm。

1.2 補(bǔ)償繩拆解檢查情況

對三根拆卸下的鼓包補(bǔ)償繩進(jìn)行了拆解，發(fā)現(xiàn)鼓出的繩股均為中心股，中心股已斷裂，斷口參差不齊，有較明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口為明顯拉伸斷裂特征（見圖3、圖4）。

圖3 繩芯突出

圖4 繩芯中心股斷股

1.3 常規(guī)試驗(yàn)檢測情況

日常試驗(yàn)檢測方法是將從線路上拆卸的鼓包補(bǔ)償繩按照《不銹鋼絲繩》（GB∕T9944），對不銹鋼補(bǔ)償繩進(jìn)行表面質(zhì)量、捻制質(zhì)量、外徑、單絲纏繞試驗(yàn)、不松散檢查、破斷拉力試驗(yàn)、化學(xué)成分分析等檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果為表面發(fā)暗，有兩處鼓包表面質(zhì)量問題，其余檢測項(xiàng)目均合格，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

常規(guī)試驗(yàn)無法查出根本問題，為了分析補(bǔ)償繩發(fā)生問題的真正原因，需對補(bǔ)償繩進(jìn)行深層檢驗(yàn)。

2 理化檢驗(yàn)

分別對未發(fā)生鼓包、斷股鋼絲繩和外觀鼓包且中心股斷裂的鋼絲繩進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

2.1 宏觀形貌及缺陷觀察

對2根補(bǔ)償繩樣品墜砣固定端至補(bǔ)償動滑輪固定端之間的區(qū)域進(jìn)行形貌觀察，2根鋼絲繩樣品表面均未見明顯擠壓磨損，但局部呈波浪形，且不同程度地存在繩股松弛或繩芯突出現(xiàn)象。詳細(xì)統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 補(bǔ)償繩缺陷情況統(tǒng)計

上表測量數(shù)據(jù)顯示：補(bǔ)償繩出現(xiàn)繩芯突出及繩股松弛的部位在補(bǔ)償裝置定滑輪大輪附近。

將1#樣品繩芯外層股剝?nèi)?，可見繩芯突出位置中心股存在嚴(yán)重形狀畸變和斷絲，畸形區(qū)域繩芯中心股直徑變大，捻距減小，螺旋狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，有扭結(jié)現(xiàn)象，斷絲斷口為斜斷口和縮頸斷口兩種，在中心股斷絲附近表面可見擠壓磨損（見圖5、圖6）。

圖5 繩芯突出位置中心股畸形

圖6 繩芯中心股斷絲

2.2 補(bǔ)償繩捻距測量

對1#樣品和2#樣品墜砣固定端至補(bǔ)償裝置動滑輪固定端之間進(jìn)行補(bǔ)償繩捻距和繩芯捻距測量，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 補(bǔ)償繩捻距和繩芯捻距檢驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，1#樣品繩芯突出處鋼絲繩捻距是補(bǔ)償裝置動滑輪固定端的1.09倍，繩芯突出處繩芯捻距是補(bǔ)償裝置動滑輪固定端的1.08倍；2#樣品繩芯突出處鋼絲繩捻距是補(bǔ)償裝置動滑輪固定端的1.11倍，繩芯突出處繩芯捻距是補(bǔ)償裝置動滑輪固定端的1.08倍。繩芯突出處的補(bǔ)償繩捻距和繩芯捻距明顯增大，表明補(bǔ)償繩有解捻現(xiàn)象。

2.3 補(bǔ)償繩拆股試驗(yàn)

任取1#樣品表面無損傷部位外層股、繩芯外層股各一股和繩芯中心股進(jìn)行鋼絲繩拆股試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 1#樣品拆股試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，1#樣品表面無損傷部位外層股、繩芯外層股和繩芯中心股鋼絲抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn)值未出現(xiàn)明顯波動。

2.4 鋼絲斷口掃描電鏡觀察

取1#樣品繩芯中心股斷股處進(jìn)行表面損傷與斷口形貌觀察，繩芯中心股斷股處附近表面有明顯擠壓和磨損痕跡，縮頸斷口微觀形貌為韌窩（見圖7-圖10）。

圖7 斷絲及表面擠壓磨損

圖8 縮頸斷口

圖9 縮頸斷口全貌

圖10 中韌窩形貌

補(bǔ)償繩宏觀形貌觀察、補(bǔ)償繩及繩芯捻距檢驗(yàn)結(jié)果表明：繩芯突出現(xiàn)象主要出現(xiàn)在補(bǔ)償裝置定滑輪大輪兩側(cè)，繩芯突出和松散處補(bǔ)償繩繩芯中心股產(chǎn)生形狀畸變；繩芯突出處補(bǔ)償繩捻距和繩芯捻距明顯增大表明補(bǔ)償繩有解捻現(xiàn)象。補(bǔ)償繩繩股與繩芯外層股捻向均為右捻，繩芯中心股捻向?yàn)樽竽恚?dāng)補(bǔ)償繩出現(xiàn)解捻時，補(bǔ)償繩外層股與繩芯外層股解捻長，同時繩芯中心股加捻縮短，這樣就會造成荷載主要集中在繩芯的中心股上。中心股存在斷股和斷絲，斷口為縮頸斷口和斜斷口，微觀形貌均為韌窩，具有拉伸應(yīng)力作用下斷裂斷口的特征表明，繩芯中心股鋼絲的斷裂為過載受力的作用下發(fā)生拉伸斷裂。結(jié)合繩芯中心股表面存在擠壓和磨損痕跡而鋼絲繩表面和繩芯表面未見明顯擠壓和磨損痕跡表明，補(bǔ)償繩在工作狀態(tài)下各股受力不均，應(yīng)力主要集中于繩芯中心股。

3 補(bǔ)償裝置安裝環(huán)節(jié)影響因素分析

施工單位在進(jìn)行補(bǔ)償滑輪安裝過程中落錨后未固定墜砣串，墜砣串自由懸垂、自由轉(zhuǎn)動，在施工結(jié)束離開前用鐵絲將墜砣串拴在旁邊的支柱上進(jìn)行固定，防止墜砣串?dāng)[動侵入限界，一般在下一個天窗點(diǎn)或下一個施工時間點(diǎn)安裝墜砣限制架固定墜砣串，最終限制墜砣串的擺動。

墜砣串自由懸垂情況可能會帶動鋼絲繩出現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，造成補(bǔ)償繩解捻，為確定墜砣串自由懸垂是否對補(bǔ)償繩產(chǎn)生影響，需采用比對試驗(yàn)進(jìn)行檢測。

4 比對試驗(yàn)

從產(chǎn)品質(zhì)量符合要求的同規(guī)格補(bǔ)償繩上截取2段，分別命名為3#樣品和4#樣品，按照《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法》（TB∕T 2074-2010）進(jìn)行比對試驗(yàn)（疲勞）。疲勞試驗(yàn)參數(shù)見表4。

表4 比對試驗(yàn)（疲勞）參數(shù)

其中，3#樣品模擬現(xiàn)場安裝方式，在懸掛配重后不使用墜砣抱箍進(jìn)行固定，讓墜砣及鋼絲繩自由旋轉(zhuǎn)，待旋轉(zhuǎn)完全停止后固定墜砣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。3#樣品的墜砣串（配重5.5kN）安裝在距滑輪3.4m處，未使用墜砣抱箍固定情況下，第一次反向旋轉(zhuǎn)在第40s完成，反向旋轉(zhuǎn)13圈，其后墜砣串反復(fù)旋轉(zhuǎn)，390s左右停止，靜止時反向旋轉(zhuǎn)9圈，即補(bǔ)償繩外層股和繩芯外層股解捻9圈，繩芯中心股加捻9圈，垂直段補(bǔ)償繩有明顯變長。

4#樣品按照正常疲勞試驗(yàn)安裝方式，懸掛配重前使用墜砣抱箍固定墜砣串。

對疲勞試驗(yàn)后的3#和4#樣品進(jìn)行檢查，結(jié)果見表5。

表5 比對試驗(yàn)（疲勞）檢查結(jié)果

將3#樣品打開，繩芯外層股表面有大量斷絲，繩芯中心股有2處已斷裂，斷裂位置距墜砣串固定端2.03m和2.83m,即墜砣串與補(bǔ)償裝置定滑輪（大輪）之間垂直段。繩芯中心股斷股與1#樣品繩芯中心股斷裂特征一致。

5 原因分析

5.1 補(bǔ)償繩內(nèi)部應(yīng)力分布不均

由理化檢驗(yàn)分析結(jié)果可知,補(bǔ)償繩內(nèi)存在過與補(bǔ)償繩捻制方向反向的扭力，補(bǔ)償繩每反向旋轉(zhuǎn)一周，補(bǔ)償繩外層股與繩芯外層股解捻一周而伸長，繩芯中心股加捻一周而縮短，這樣就會造成外部荷載集中在繩芯的中心股上，且繩芯中心股破斷拉力僅為2.8kN,遠(yuǎn)小于墜砣串拉力5.5kN。由比對試驗(yàn)（疲勞）結(jié)果可知，墜砣串在落錨后未固定會導(dǎo)致補(bǔ)償繩反向旋轉(zhuǎn)，破壞補(bǔ)償繩內(nèi)部應(yīng)力分布，導(dǎo)致應(yīng)力集中于繩芯中心股，超過繩芯中心股承載能力，繩芯中心股發(fā)生斷裂。斷裂的繩芯中心股在補(bǔ)償繩中變?yōu)楸容^“自由”的狀態(tài)，隨著補(bǔ)償繩的往復(fù)運(yùn)動，在配重荷載的作用下，斷裂的繩芯中心股在補(bǔ)償繩中向各自相反的方向竄動，當(dāng)竄動力小于外層繩股擠壓摩擦阻力時止于某一處，補(bǔ)償繩繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動，在竄動終止處形成“堆積”、“鼓包”、“突出”等外觀缺陷。

5.2 施工工藝卡控不嚴(yán)

結(jié)合該補(bǔ)償裝置施工安裝情況可知，進(jìn)行補(bǔ)償滑輪裝置安裝過程中落錨后未固定墜砣串，墜砣串自由懸垂、自由轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致應(yīng)力集中于繩芯中心股。在使用過程中，由于工況復(fù)雜、環(huán)境惡劣，補(bǔ)償繩在承受軸向載荷的同時還會受到?jīng)_擊載荷的影響。由于作用時間極短，沖擊載荷主要作用于繩芯中心股，加劇了繩芯中心股的應(yīng)力集中，當(dāng)超過繩芯中心股承載能力時繩芯中心股發(fā)生斷裂。繩芯中心股斷裂進(jìn)一步加劇了鋼絲繩各股所受張力不均，在后續(xù)使用中逐漸出現(xiàn)繩股松弛、繩芯突出等現(xiàn)象。

6 解決對策

6.1 加強(qiáng)補(bǔ)償裝置安裝及調(diào)整工藝流程控制

在接觸網(wǎng)承導(dǎo)線落錨安裝接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置后，應(yīng)及時安裝補(bǔ)償裝置墜砣限制架，防止補(bǔ)償繩在墜砣串的重力作用下沿繩逆絞制方向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致補(bǔ)償繩散股或鼓包。安裝墜砣時補(bǔ)償繩保持自然狀態(tài)，禁止扭轉(zhuǎn)帶勁，如發(fā)生旋轉(zhuǎn)，應(yīng)在固定墜砣串時將其回轉(zhuǎn)同樣的圈數(shù)后方可固定。

接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置墜砣串底部至地面的距離（b值）調(diào)整時，提前將固定墜坨的抱箍松開，再利用手動葫蘆或起重設(shè)備等吊裝設(shè)備將墜砣串提升至要求的b值，b值調(diào)整過程中須防止墜砣串自由懸垂、自由轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致應(yīng)力集中于繩芯中心股。

6.2 采用結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)的補(bǔ)償繩

根據(jù)《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》（TBT2075-2010）要求，補(bǔ)償繩可采用奧氏體不銹鋼鋼絲繩或浸瀝青鋼絲繩。黎湛電化補(bǔ)償繩采用結(jié)構(gòu)為8T（1+6，6+12）+7（1+6+12）的不銹鋼鋼絲繩，公稱直徑為φ 8.75mm,綜合拉斷力≥54kN，建議采用結(jié)構(gòu)為12×25Fi+12×7+1×36SFi浸瀝青復(fù)合鋼絲繩，公稱直徑為Φ9.5mm，綜合拉斷力≥75.4kN，相對于奧氏體不銹鋼鋼絲繩，浸瀝青鋼絲繩具有較強(qiáng)的抗疲勞性能、耐疲勞性能及破斷力。

7 結(jié)束語

通過對黎湛電氣化鐵路接觸網(wǎng)補(bǔ)償繩進(jìn)行檢驗(yàn)、比對試驗(yàn)及分析，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償繩繩芯斷裂主要是補(bǔ)償裝置安裝工藝卡控不嚴(yán)，墜砣呈自由懸垂?fàn)顟B(tài)，破壞了補(bǔ)償繩的合理結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層股受力不均，應(yīng)力集中于繩芯所致。加強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)裝置安裝及調(diào)整，嚴(yán)格按照安裝工藝進(jìn)行施工，可以避免安全隱患發(fā)生。