接觸網(wǎng)整體吊弦疲勞問題探究

巨子琪，尹 啟

（1. 西安交通工程學(xué)院，陜西西安；2.中國鐵路太原局集團(tuán)公司臨汾綜合段，山西臨汾）

1 吊弦的研究現(xiàn)狀

Lopez-Garcia 研究了整體吊弦靜態(tài)力的關(guān)系，已知接觸線的結(jié)構(gòu)高度，得出整體吊弦靜態(tài)力的分布情況[1]。Yong seck Kim 將整體吊弦放置重復(fù)彎曲的工作狀態(tài)下，模擬列車經(jīng)過的狀態(tài)，并進(jìn)行相關(guān)力學(xué)的分析（軸向和彎曲量），得出整體吊弦的疲勞壽命[2]。王偉通過疲勞實(shí)驗(yàn)研究了整體吊弦疲勞性能，分析吊弦負(fù)載量和列車的速度對整體吊弦的影響，結(jié)果表明，吊弦的使用壽命與負(fù)載量和列車速度成反比，即負(fù)載量和速度越大整體吊弦壽命越短[3]；魯敏和韓蘭貴等人通過研究京滬高鐵線路某段區(qū)間發(fā)現(xiàn)整體吊弦斷裂的主要原因是壓接工藝不合理，認(rèn)為三點(diǎn)壓接方式容易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，改善壓接工藝可有效提高整體吊弦的使用壽命[4]。

2 吊弦的疲勞分析

通過對武廣高鐵線路的研究發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)零部件開始慢慢發(fā)生老化現(xiàn)象。其中，整體吊弦疲勞現(xiàn)象的發(fā)生較為嚴(yán)重。由表1 所知：2012 年至2014 年間，隨著列車速度的不斷提高，列車所產(chǎn)生的振動能量也越來越大，導(dǎo)致磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重。后兩年期間，隨著服役時間的增長，發(fā)生故障現(xiàn)象明顯增加，吊弦主弦處發(fā)生斷絲現(xiàn)象次數(shù)較多。

表1 整體吊弦損耗占總?cè)毕荼戎?/p>

2.1 機(jī)械疲勞的分析

從機(jī)械疲勞角度來考慮分為無抬升量的影響和有抬升量的影響兩種情況：

無抬升量但發(fā)生機(jī)械疲勞可稱為低周疲勞失效，當(dāng)某一段跨距內(nèi)無列車運(yùn)行時，整體吊弦受到接觸線拉力的影響，會使整體吊弦發(fā)生低周疲勞失效，存在重大的事故隱患。低周疲勞所產(chǎn)生的時間長，雖然沒有明顯的破環(huán)特性，但潛在危害性很大。在往復(fù)式循環(huán)作用載荷下，絕大多數(shù)的材料都會發(fā)生疲勞損害[5]。當(dāng)整體吊弦沒有抬升量產(chǎn)生時，吊弦只受到靜態(tài)力的作用。選取接觸網(wǎng)中部的某跨距為研究對象，對跨距內(nèi)6 根整體吊弦進(jìn)行靜態(tài)力分析。

由表2 發(fā)現(xiàn)同一跨距內(nèi)6 根整體吊弦靜態(tài)力大小呈現(xiàn)兩邊高、中間低的特點(diǎn)。研究表明，與吊弦所處的位置不同有關(guān)。1 號和6 號吊弦位于跨距端部，承受載重較大，即靜態(tài)力大。3 號和4 號吊弦位于中部位置所受載荷較小，即靜態(tài)力小。由此可得出，整體吊弦受靜態(tài)力的作用不是使吊弦發(fā)生斷裂的主要原因。

表2 整體吊弦靜態(tài)力

當(dāng)產(chǎn)生抬升量時，由于整體吊弦的安裝位置是通過線夾連接在承力索和接觸線之間，所以整體吊弦的彎曲量是指兩個線夾之間的彎曲現(xiàn)象。抬升量可以分為接觸線的抬升量和承力索的抬升量。如果接觸線的抬升量和承力索的抬升量的差值為0，則說明整體吊弦的彎曲量為0。差值大于0，即產(chǎn)生了彎曲量。

當(dāng)整體吊弦發(fā)生彎曲現(xiàn)象時，吊弦則受到動態(tài)力的作用。在同一跨距內(nèi)的吊弦，因接觸線和受電弓相互接觸會使吊弦因動態(tài)力的作用而發(fā)生彎曲現(xiàn)象。

由于整體吊弦是由銅鎂合金鉸接而成，絲與絲之間必然會發(fā)生接觸現(xiàn)象，這就導(dǎo)致了整體吊弦內(nèi)部可能會發(fā)生摩擦的影響因素。從接觸面的角度來看，整體吊弦內(nèi)部的摩擦屬于微動摩擦現(xiàn)象。當(dāng)列車經(jīng)過時，受電弓給予接觸線抬升力的作用，這就導(dǎo)致整體吊弦會產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，吊弦內(nèi)部絲與絲之間可能會發(fā)生相對運(yùn)動這就導(dǎo)致了摩擦現(xiàn)象的發(fā)生。另外，由于整體吊弦屬于金屬制品，摩擦必然會產(chǎn)生磨屑，磨屑也會加入到磨損的過程中，從而加劇整體吊弦的使用壽命。

近年來，整體吊弦發(fā)生斷裂情況主要有斷絲、斷股或者全斷并且吊弦斷裂部位主要表現(xiàn)在以下幾個方面：鉗壓管內(nèi)的吊弦部分會發(fā)生機(jī)械疲勞造成吊弦絲發(fā)生斷裂；心形環(huán)在實(shí)際服役過程中，由于吊弦發(fā)生振動的影響，心形環(huán)會發(fā)生磨損現(xiàn)象，造成吊弦發(fā)生斷裂；由于吊弦會產(chǎn)生彎曲量，吊弦的主弦處會發(fā)生磨損斷裂[6]。

2.2 電氣疲勞的分析

從電氣的角度來看整體吊弦可分為載流型吊弦和非載流型吊弦兩種。目前，我國大多數(shù)的電氣化鐵路均采用載流型吊弦；非載流型吊弦只用在特殊的地理位置。載流型吊弦兩端的接觸線線夾和承力索線夾上分別具有載流環(huán)，當(dāng)接觸線的電流過大，可以通過吊弦本體來傳遞電流。因此，吊弦不但起著連接承力索與接觸線的作用，還負(fù)擔(dān)著當(dāng)電流過大吊弦可以作為并聯(lián)線路來傳遞電流的路徑。當(dāng)跨距內(nèi)不允許有電流通過可以采用非載流型吊弦，非載流型吊弦材料大多為絕緣性材料，只起著連接作用[7]。

當(dāng)整體吊弦內(nèi)部有電流通過時，吊弦會在電流的影響產(chǎn)生疲勞，為了研究這種情況，將跨距內(nèi)的接觸網(wǎng)系統(tǒng)簡化為電路圖；如圖1 所示,忽略接觸網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部各種摩擦因素的影響；忽略接觸線和承力索的弛度變化，均與大地處于平行關(guān)系；接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，忽略因電流的作用，各零部件產(chǎn)生的互感現(xiàn)象。

圖1 接觸網(wǎng)系統(tǒng)簡化為電路圖

我國的電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)大多數(shù)采用彈性鏈形懸掛。在某一跨距內(nèi)，開展電流計算。為了示圖的簡潔，只標(biāo)明電流強(qiáng)度大于1%的吊弦、承力索、接觸線。當(dāng)變流點(diǎn)處于跨距中部時，電流強(qiáng)度分布情況，如圖2所示。

圖2 變流點(diǎn)位于跨距中部

當(dāng)變流點(diǎn)處于跨距端部時，電流強(qiáng)度的分布情況，如圖3 所示。

圖3 變流點(diǎn)位于跨距端部

由圖2、圖3 可知，當(dāng)變流點(diǎn)位于跨距中部吊弦的電流強(qiáng)度為30.64%；變流點(diǎn)位于跨距端部的電流強(qiáng)度為37.43%。相比較來說，變流點(diǎn)位于端部吊弦的電流負(fù)載強(qiáng)度較大；整體吊弦在電流通過時，只起到多條線路并聯(lián)的作用，變流點(diǎn)附近5 根左右吊弦只有少量電流通過，其余吊弦電流通過量可以忽略不記。

通過分析可知，無論變流點(diǎn)位于端部或中部，整體吊弦均會發(fā)生電致塑性反應(yīng)。電致塑性反應(yīng)是指在電因素的影響下，整體吊弦會發(fā)生硬度降低塑性升高的過程，從而導(dǎo)致電氣因素引起的整體吊弦疲勞現(xiàn)象。

整體吊弦的斷裂除了與機(jī)械疲勞、電氣因素相關(guān)外，還與外界環(huán)境有一定的關(guān)系。當(dāng)鐵路線路位于工廠附近和環(huán)境比較潮濕的地方時，整體吊弦易受到腐蝕物的影響，會大大縮減整體吊弦的使用壽命。

3 結(jié)論

整體吊弦可能發(fā)生斷裂的原因，本文從機(jī)械疲勞、電氣因素兩個方面對其進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1） 從機(jī)械疲勞角度進(jìn)行：無抬升量時，吊弦只受到靜態(tài)力的作用不是使吊弦發(fā)生斷裂的主要原因，有抬升量時，會明顯影響吊弦的使用壽命。

（2） 從電氣角度分析：無論變流點(diǎn)位于端部還是中部，整體吊弦都會發(fā)生電致塑性反應(yīng)，從而影響整體吊弦的使用壽命。