浅谈高铁接触网整体吊弦存在问题及解决措施

浅谈高铁接触网整体吊弦存在问题及解决措施
赵戈红
【摘要】针对目前高铁客专接触网用整体吊弦在线路运行中存在断丝、断股以及鼓包等影响运行安全的问题,从产品结构、材料选用、工艺制造及运行环境等方面进行分析,并据此提出了结构优化和工艺改进,选择抗拉强度高且柔韧性好的吊弦线,通过压接工具、模具及压接方法的细化完善,从产品试验条件、考核标准方面提出改进建议,确定可靠有效的解决措施.
【期刊名称】《电气化铁道》
【年(卷),期】2017(028)004
【总页数】6页(P14-18,22)
【关键词】整体吊弦;断丝断股;原因分析;解决措施
【作者】赵戈红
【作者单位】中铁电气化局集团宝鸡器材有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U225.4+8
高速铁路接触网是保障机车安全运行的关键设备，整体吊弦是接触网系统重要组成部件之一，其安装在承力索和接触线之间，用于增加接触悬挂点，改善接触线的弛度和弹性均匀度，调节接触悬挂的结构高度，并起到一定承载力和载流的作用。

受电弓通过时，接触线持续抬高、振动，整体吊弦也随之抬高、弯曲。

因此，整体吊弦既要满足链形悬挂中承载力要求并确保电流正常通过，又要保证具有较强的耐疲
劳性，承载力、载流以及耐疲劳性是整体吊弦的关键技术要求。

目前，高铁客专弹性链形悬挂接触网系统采用的整体吊弦大多为由欧洲引进的冲压式载流整体吊弦，采用心形护环与吊环复合绞接的结构形式及不对称压接技术，线夹本体采用硅青铜CuNi2Si板材冲压而成。

采用T2铜连接线夹将吊弦线与承力索吊弦线夹、接触线吊弦线夹连接起来，通过压接管、心形护环与吊环之间的绞环连接。

吊弦线采用JTMH10铜合金绞线，由49股单丝绞合而成。

吊弦结构合理，自重轻，强度高，电气性能良好，有利于改善接触网的弹性和载流性能。

近年来，多条高铁线路的接触网设备均发生过整体吊弦断裂故障，成为影响行车安全的一大隐患。

通过对现场出现问题的整体吊弦进行数据收集，从问题发生位置、比例、性能、运行环境、标准等方面进行分析，借助检测工具逐一检查，找出断裂原因，制定解决措施。

1.1 问题现象
通过对多条高铁线路接触网系统失效整体吊弦断丝断股案例进行统计、分析，归纳出整体吊弦存在的问题有以下4个方面特征：
（1）吊弦线在钳压管压接处断丝、断股较多（占总数的13.6%），说明整体吊弦问题缺陷与压接方式有很大关系，且下部吊弦承受疲劳荷载，具体表象见图1。

（2）整体吊弦部件的心形环在运行过程中产生裂纹，后期延展断裂（占总数的7.6%）。

（3）吊弦线与心形环磨擦后发生断丝、断股或全断（占总数的59%），故障特征见图2。

（4）吊弦线在中间处断丝、断股（占总数的18.2%），问题症状见图3。

1.2 问题发生位置
1.2.1 路基与桥梁
按照线路条件统计，路基区段整体吊弦发生故障占缺陷总数的18%，核算后为
0.002处/100 km，其中直线、曲外与曲内整体吊弦问题数量占比接近3∶1∶1；桥梁区段整体吊弦发生故障占缺陷总数的82%，核算后为0.001 5处/ 100 km，其中直线、曲外、曲内整体吊弦问题数量占比亦接近3∶1∶1。

以上统计说明，虽然从数量上统计桥梁区段吊弦缺陷多于路基区段，但百公里缺陷数量相近，且缺陷占比和线路条件比例相近，说明整体吊弦发生故障与线路路基和桥梁条件无关；从不同线路条件、不同平面布置情况下的缺陷占比来看，路基段和桥梁段的不同平面布置缺陷占比相近，说明整体吊弦发生故障与平面布置无关。

1.2.2 安装形式及位置
以京沪高铁为例，按整体吊弦装配安装的形式及位置进行统计发现，发生整体吊弦断丝断股现象的位置，中间柱处占总数的54%，锚段关节处占总数的46%。

京沪高铁正线共计2 712个锚段，约 3 252条公里，中间柱处整体吊弦缺陷为8.5
根每百条公里，锚段关节处整体吊弦缺陷为36.0根每百条公里，为中间柱处整体
吊弦缺陷的4倍多。

从整体吊弦出现问题缺陷的数量上统计，发生问题的位置中间柱多于锚段关节处，但参考装配安装悬挂数量比例，锚段关节处吊弦出现的概率远大于中间柱，说明锚段关节内吊弦缺陷出现的概率要大；同时，不同的装配形式下，吊弦折断的趋势不一样，中间柱多发生在第2根和第3根上，锚段关节内多发生在第1根和第2根上。

通过以上对高铁线路整体吊弦存在问题的统计归纳，从整体吊弦的产品结构、材料、运行条件、周边环境以及标准和安装位置等方面进行原因分析。

2.1 产品结构
从产品结构上看，吊弦线与零部件间存在摩擦，容易导致吊弦线断丝、断股或全断。

2.2 吊弦线材料
吊弦线韧性较差，反复弯曲次数较多，加之压接应力较大，整体吊弦在长期振动过
程中易从压接处断裂（图4）。

机车受电弓高速滑过接触线后，吊弦线在重力作用下突然下落而拉紧，同时吊弦线在水平方向产生振动，造成吊弦线在钳压管根部出现反复弯曲，这个过程随着振动长期存在。

试验证明高铁线路整体吊弦反复弯曲次数较多（见第4节试验数据），加之采用犬牙式三点压接，压接点靠近接触点，故应力较大。

在钳压管处韧性较差的吊弦既要承受较大的压接应力，又受到反复弯曲、相互间的摩擦等作用，因此很容易在压接处出现断丝、断股。

断股发生后，吊弦线有效截面减小，拉应力进一步增大，当剩余截面拉应力达到吊弦线临界破坏值时，吊弦线会突然断裂。

2.3 实际运行振动频率、振幅的影响
目前，TB/T 2073-2010对接触网零部件振动试验中振幅的规定为±35 mm，振动次数为200万次。

但是，实际运营的高速铁路由于受施工质量、路基沉降、机车风载、双弓谐振等因素影响，接触网振幅远大于标准规定。

据有关资料显示，对于高速铁路，列车通过时受电弓对整体吊弦造成的正抬升量约为60 mm，甚至达到180 mm，负抬升量约 20 mm，而且会持续一定的振动周期才逐渐衰减。

大振幅使吊弦线反复弯曲，造成吊弦线弯曲疲劳，吊弦的实际寿命比标准条件下的寿命短很多。

沿海地区受到台风及大风影响，接触网可能会产生舞动现象，也加剧了吊弦的振动，恶化了吊弦的工作条件。

另外，整体吊弦除了承受机械载荷外，还起到电气连接的作用，当电流通过吊弦线时，吊弦线温度升高，会降低吊弦线的抗疲劳强度。

2.4 外界环境的影响
整体吊弦除正常工作过程中不断产生的疲劳失效外，外界环境也会加速整体吊弦失效的进程，如具有腐蚀性的大气环境等，特别是在沿海地带、化工企业附近。

通过观察现场返回的失效吊弦，吊弦线表面附着氧化物、锈蚀，在一定程度上降低了吊弦线抗疲劳能力，缩短了使用寿命。

2.5 安装及行车密度的影响
根据以往经验，整体吊弦的安装质量会直接影响产品的使用寿命，特别是在受电弓高速滑过接触线时，处于松弛状态的吊弦线瞬间承受较大的冲击载荷，可能出现吊弦线被拉断的现象。

高速、高密度行车造成的接触网振动频率及振幅远高于设计标准，沿海的台风、大风加剧了这一状况，造成吊弦线弯曲疲劳，缩短了吊弦的实际使用寿命。

以京沪高铁为例，按日平均140对车，受电弓每次通过后接触网振动20次计算，吊弦的年振摆量达100万次以上，接触网整体吊弦经过2年左右即可达到200万次振动的设计年限。

2.6 标准规范的影响
TB/T 2073、TB/T 2074、TB/T 2075及OCS-3等标准规定了整体吊弦的吊弦线采用TB/T 3111中规定的JTMH10铜合金绞线，该标准与德国标准一致。

振动试验采用振幅为±35 mm的正弦波进行振频为3～5 Hz的200万次常规试验。

产品设计参照的标准模拟工况与高铁接触网实际运营工况之间存在偏离，因此需要补充完善符合实际高铁接触网的零件试验技术条件和试验方法，研究结构更合理、性能更优越、寿命更长的吊弦用绞线。

综上所述，高铁专用整体吊弦的断丝、断股及断裂问题不仅是由于压接方式及压接损伤等原因造成，还与产品结构、运行环境、吊弦线的性能、压接工装模具、试验标准、试验设备等各方面的因素有关。

结合以上原因分析，从结构、吊弦线的选择、压接方式、试验验证条件等方面对整体吊弦进行优化改进。

3.1 结构改进
耐疲劳型整体吊弦采用心形环优化传统结构尺寸，使心形环与线夹本体之间的配合更加合理。

3.2 采用一种新型耐疲劳吊弦线
传统吊弦线采用的是铸造-拉拔-绞合工艺，线材存在应力、缺陷、组织结构不均匀、晶粒粗大等问题，致使吊弦线强度低、韧性差，耐疲劳性较低，在使用中易发生断裂。

耐疲劳吊弦线与现有传统吊弦线相比，由于采用了先进的有针对性的制造工艺，克服了传统吊弦线的不足，具有更高的强度及耐疲劳特性，通过测试，其疲劳寿命明显提高，确保了整体吊弦的性能，并且线材表面可进行防腐处理，可适用于隧道、工业区、沿海等腐蚀较严重区段。

3.3 压接工艺优化
原有犬牙三点式压接通过两侧交错布置的3个压接点（1-2），使吊弦线在压接点处微量变形，并且吊弦线在压接管范围内形成蛇形弯曲，增加吊弦线轴向位移阻碍以达到3.9 kN的标准规定滑动荷重要求，压接后造成吊弦线弯曲损伤。

椭圆环状压接采用一次压接、宽度适中、收缩量小的对称截面压接形式，压接的有效接触面积增大，摩擦力提高，应力分散。

由于压接管与模具均为椭圆形，所以施加外力时，同一位置的压接管向心部同时收缩，在压接处形成一个椭圆形的缩颈，使该处的压接管缩小，吊弦线相互紧临，线与线、线与压接管内壁的摩擦力增大，吊弦线轴向位移受阻，防止吊弦线滑脱，有效改善了原有犬牙式压接对线索的压接损伤情况。

椭圆压接形式压接后的线索整股压缩严实，减少了由于压接对吊弦线产生的损伤，且压接后绞线呈波浪状，轴向阻力增大，不易滑移。

3.4 试验条件的细化
新修订TB/T 2073、TB/T 2074、TB/T 2075参考EN 50119《铁路应用固定设施：电力牵引架空接触网》，结合线路运行实际工况对吊弦线及整体吊弦提出了更高的要求。

TB/T 2073第5.4.19条吊弦线整绳反复弯曲试验规定：
（1）反复弯曲半径R = 7.5 mm；
（2）反复弯曲速度小于或等于60次/min；
（3）反复弯曲1次的摆动角度范围为180°；
（4）反复弯曲至断丝时的弯曲次数大于或等于120 次。

TB/T 2073第5.4.14条模拟现场实际振动波形振动试验及交变荷载振动试验规定，特殊情况下，振动试验中的振动波形可按模拟现场实际振动波形进行振动试验；整体吊弦可按模拟现场实际振动波形进行振动试验，或按照下列条件进行交变荷载振动试验（交变荷载振动试验后不再进行疲劳试验）：
（1）试验荷载100～400 N；
（2）垂直振幅20～200 mm；
（3）振动频率1～3 Hz；
（4）振动次数2×106。

这些规定是针对新运行环境下吊弦线及整体吊弦耐疲劳寿命的检测。

4.1 采用耐疲劳型吊弦线前后的试验对比
采集了运行5年线路的旧吊弦线、普通标准的新吊弦线和耐疲劳型吊弦线3种类型，进行了反复弯曲试验、拉伸破坏试验，数据对比见图5和图6。

4.1.1 3种类型吊弦线反复弯曲试验
由图5数据可以看出，耐疲劳吊弦线耐反复弯曲次数明显高于普通吊弦线，其断
丝1根的反复弯曲次数平均180次，是线路运行5年旧吊弦线的3.83倍，是普通新吊弦线的3.4倍；耐疲劳型吊弦线断1股的反复弯曲次数300次，是线路运行
5年旧吊弦线的3.16倍，是普通新吊弦线的2.5倍；耐疲劳型吊弦线全断反复弯
曲次数375次，是线路运行5年旧吊弦线的3倍，是普通新吊弦线的2.14倍。

4.1.2 3种吊弦线拉伸破坏试验
对3种吊弦线进行拉伸破坏试验，对比结果见图6。

由图6可以看出，耐疲劳吊弦线拉伸破坏性能明显高于普通吊弦线及高铁线路用
旧吊弦线。

4.2 优化压接方式前后的试验对比
将压接方式优化后的三道椭圆压接方式和犬牙三点压接方式压接前后的拉断力进行比较，以验证压接方式对吊弦线的压接损伤，压接数据见表1。

从表1压接前后拉断力值试验结果比较可以看出耐疲劳型整体吊弦所采用的三道
椭圆压接工艺较犬牙三点压接方式更为可靠，对吊弦线压接损伤较小，可控制在5%以内，而犬牙三点压接方式对吊弦线强度的损伤达17.6%。

4.3 机械疲劳试验
对整体吊弦进行模拟振动试验，目前国内外及新旧行业标准规定有2种试验方法：TB/T 2074中推荐的接触网零部件振动及疲劳试验场；EN 50119《电气化铁道接触网设计、施工及验收标准》第8.7条吊弦章节中推荐的试验方法。

第2种试验方法能够充分模拟整体吊弦的运行工况，测出其耐受振动的次数，适用于整体吊弦寿命试验。

可以调整试验的3个主要参数（频率、振幅、载荷），并测量出吊弦承
受的冲击力大小，独立记录6个通道的试验次数等。

改变试验参数测定其对整体
吊弦寿命的影响；测定不同线路以及不同运行工况下的整体吊弦剩余使用寿命；作为试验平台可用于研发新型整体吊弦性能以及寿命试验。

通过改变压接方式、采用新型吊弦线等多种方法进行试验和验证数据对比，得出如下结论：
（1）椭圆环状压接可有效改善原有犬牙式压接对线索的压接损伤情况，压接后的吊弦线整股压缩密实，减少了压接对吊弦线产生的损伤；压接后吊弦线呈波浪状，轴向阻力增大，不易滑移。

若该压接方式适配韧性好、弯曲次数高的耐疲劳吊弦线，可减少目前线路中吊弦断丝、断股问题的发生。

（2）采用椭圆压接方式，压接的有效接触面积增大，摩擦力增大，应力分散在压
接处形成一个椭圆形的缩颈，吊弦线相互有序排列，单丝单股受损小，减少压接对吊弦线的损伤。

若该压接方式适配韧性好、弯曲次数高的耐疲劳吊弦线，亦可有效减少目前线路中吊弦断丝、断股问题的发生。

[1] 电气化铁路接触网零部件技术条. TB/T2073-2010[S]. 北京：中国铁道出版社，2010.
[2] 电气化铁路接触网零部件试验方法. TB/T2074-2010[S]. 北京：中国铁道出版社，2010.
[3] 电气化铁路接触网设计、施工及验收标准. EN50119：2009[S].。