接触网软定位软态钢丝脆断分析及应对

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故障维修·接触网软定位软态钢丝脆断分析及应对
doi:10.16648/ki.1005-2917.2020.01.101
接触网软定位软态钢丝脆断分析及应对
诸忠华
（南京地铁运营有限责任公司，江苏南京　211135）
摘
要： 接触网软定位的软态钢丝一旦发生脆性断裂，往往会引发严重的弓网事故。

本文从受力、材质、施工工艺、环境因素等方面进行分析，
并从设计、施工、检修、管理、防控、改造等方面提出应对措施，以降低软态钢丝脆断的风险及影响。

关键词： 脆性断裂；软定位；软态钢丝；尾支线
引言
在小半径弯道处，柔性接触网一般采用软定位的安装方式，由弯管定位器定位环通过两股ø3.5软态钢丝两头做拉线固定在腕臂上的定位环里。

如果软态钢丝断裂，定位器坠悬，会引发严重的弓网事故。

2018年7月2
1日，南京地铁3号线林场–星火路区段02–07号支柱软定位软态钢丝断裂（下文简称721
故障），对运营造成严重影响。

本文以721故障为例，就软态钢丝的断裂原因进行分析，并针对脆性断裂提出应对措施。

1. 断裂的成因及形式
1.1 断裂的外因
①荷载过大：实际受力超出软态钢丝的抗拉能力极限，致使其被拉断。

②外力冲击：受力绷紧状态的软态钢丝（或定位器）在垂直于正应力方向上受到坚硬物体的高速冲撞，致使其崩断。

③交变应力：交变应力长期作用于软态钢丝，较强频率和幅度下会使其局部形成微小裂纹并逐渐扩展，致使其疲劳而断裂。

④环境因素：温度的变化及大气、雨水中的腐蚀性物质，逐渐降低软态钢丝力学性能。

1.2 断裂的内因
①制造工艺：软态钢丝在生产过程中如存在拉拔不均匀、酸洗不净、磷化质量差等因素，会使其局部存在微裂纹。

②安装工艺：施工过程中，多次弯折会是软态钢丝局部产生微裂纹；过大的夹剪力会产生伤损降低抗拉强度；施工时较低的环境温度会产生冷作硬化，使其塑性降低脆性增加。

1.3 断裂的形式
①韧性断裂：断裂前视觉上有明显变形，根据受力大小存在一定时间的劣化过程，断口因受力拉伸而成收缩状，一般塑性材料易发生。

②脆性断裂：断裂前视觉上无明显变形，劣化过程几乎瞬间发生，断口呈晶状有光泽，平齐并与主应力垂直，一般脆性材料易发生。

2. 软态钢丝断裂分析
2.1 受力分析
721故障中的02–07号支柱的结构参数为：曲线半径R=450m ，支柱跨距L=25m ，接触线张力T=12000N 。

根据参数可算得该处软态钢丝水平荷载P 1=667N ，设计风荷载P 2=273N ，软态钢丝工作总荷载P=P1+P2=940N 。

根据GB/T4240–2009标准，ø3.5软态钢丝单股抗拉强度R m 为550~850Mpa ，取最小值R m =550Mpa ，考虑3倍安全系数，两股软态钢丝最大工作荷载F=3528N 。

软态钢丝工作最大工作荷载F 远大于总荷载P ，因此工作受力不超限。

2.2 形态分析
721故障中两股软态钢丝在同一位置平齐断裂（见图1），断口无塑性形变、平整与受力方向垂直、呈晶状有光泽、无伤损、撞击及腐蚀痕迹，可判断为脆性断裂。

2.3 综合判断
①设计：ø3.5软态钢丝的设计荷载能够满足弯道处软定位的受力需求，并且已有多年的现场应用历史，无频繁断裂故障发生。

②生产：因生产导致的批次性质量问题，会导致邻近软定位也会发生类似断裂故障，这类现象未见。

③施工：软定位软态钢丝的安装过程涉及拉出值的定位，难以一步到位的达到设计拉出值的要求，存在多次调整过程，因此需多次进行软态钢丝的弯折和制作回头码线，其过程容易导致软态钢丝产生微裂纹等问题。

721故障中两股钢丝在同一位置平齐断裂，说明微裂纹的位置相同，对应于同时弯折两股线的施工过程。

④运行：受电弓的抬升产生冲击和频繁震动，形成交变应力，在软态钢丝本身存在微裂纹的情况下，裂纹逐步扩展，最终导致局部应力突破材料屈服强度，突然产生脆性断裂。

图1　软态钢丝断裂断口形态
3. 应对脆断的措施
3.1 设计及施工
①设计：现有设计中软态钢丝为消耗料而非关键受力部件，缺乏必要的检测。

设计中应将其列为关键受力部件，或采用其他替代方案（如尾支线）。

②施工：施工前准确测算好软态钢丝结构长度，尽量一次性安装到位避免多次弯折，如需调整不得超过1次，否则更换钢丝重新安装。

3.2 检修及管理
①检修：排查软态钢丝的裂纹、夹痕、坑槽、腐蚀、打火等伤损痕迹，及时更换。

②管理：运营3年以上的线路，每年抽取不少于2处现场软态钢丝进行拉拔、探伤及金相等检测分析，如有性能降低趋势，应逐步全线更换。

3.3 防控及改造
①防控：可加装一道“防坠线”，防止断裂后定位器坠悬而避免事故。

“防坠线”可用同型软态钢丝在两定位环间做一环线，预留约10mm 活动间隙，确保其不受力，起作用时不导致拉出值偏移过大。

②改造：可采用尾支线来替代改造软态钢丝。

尾支线有多股细钢线，不会整体断裂，若部分断裂，仍能在一段时间内保持功能，检修中可以发现其断股现象。

结语
软定位软态钢丝的断裂大都是脆性断裂，劣化过程极短，劣化部位往往在内部，事前无可视化的征兆，难以在检修中发现，其偶发性防不胜防，其后果的严重性又不得不防。

要有效降低软态钢丝脆断故障的发生概率及影响，需从设计、施工、检修、管理、防控及改造等多个方面进行管控。

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