铝合金定位器在接触网中的应用研究

铝合金定位器在接触网中的应用研究

发表时间：2019-01-11T15:42:11.947Z 来源：《新材料·新装饰》2018年7月下作者：佟金沛

[导读] 目前，我国高速铁路牵引供电系统的接触网装备引进并吸收了德系、日系、法系三种模式，且在此基础上再创造了我国的高速接触网装备。其中，德系、日系和法系三种腕臂结构模式中

（中铁九局集团电务工程有限公司，辽宁省沈阳市 110000）

摘要：目前，我国高速铁路牵引供电系统的接触网装备引进并吸收了德系、日系、法系三种模式，且在此基础上再创造了我国的高速接触网装备。其中，德系、日系和法系三种腕臂结构模式中，定位器材质均为铝合金，但三种定位器选择了不同的材质化学成分和外观结构。定位器为腕臂系统中的关键零部件，关系到列车的取流性能和运行安全，且定位器长时间承受动荷载作用，因零部件结构、材料或工艺的不足，易形成疲劳失效。因此对定位器的机械性能和匹配性进行研究是非常有必要性。

关键词：铝合金定位器；接触网；应用

1接触网概述

为保证电气化铁路能够流畅运输，电力机车能够源源不断获取动力，就需要保障牵引供电系统的稳定安全。牵引供电系统最重要设备之一接触网，则是为电力机车提供电能的电气化铁路所特有的结构，它的稳定安全与否将直接影响铁路的运输能力。接触网设备是一种架设于铁路沿线的户外供电装置，极容易受到外部环境的影响，同时，其沿路的跨距弹性分布不够均匀，再加上受电弓的惯性作用力和空气动力，因此受电弓在垂直方向容易发生微小振动，从一定程度上改变接触网的工作状态，引发弓网事故。对于无备用设备的接触网来说，故障的产生，将在一定程度上影响铁路的正常运输，故障程度越严重，对机车运行的影响也将越大。因此，如何提高接触网的可靠性，确保铁路安全运输则显得尤为重要。

2接触网定位器的特征

定位器作为电气化铁路接触网重要部件，在直线区段使接触线拉成“之”字形，在曲线区段使接触线相对于线路中心拉成割线或切线，起支持和固定接触线的作用，对弓网受流具有重要的影响。为避免定位器与高速通过的受电弓发生碰撞，同时保证接触网机械强度和弹性系数，定位器空间上不仅要满足受电弓动态包络限界的安全要求，结构上还要符合自身受力和抬升需要。在设计阶段，对定位器坡度有严格要求，须控制在1/10～1/5以内。定位器坡度是接触网的重要参数。静态条件下，定位器、接触线及其他零部件通过一定的连接，达到力学平衡。当列车受电弓通过时，定位器与受电弓距离最近，弓网耦合作用下，定位器是电气冲击、机械振动和应力集中部位，因此，是铁路供电部门进行接触网日常维护的重点。长期使其处于合理范围以内，对于确保电气化铁路牵引供电安全、稳定、可靠，十分关键。电气化铁路接触网固有结构型式决定了定位器长期服役存在以下特点：（1）露天架设无备用，工作环境极其恶劣，面临一切自然条件影响；（2）为保证受电弓碳滑板均匀磨耗及接触线受力平衡，定位器存在正、反两种不同定位方式；（3）在进出站场、道岔和锚段关节区域，一根接触网支柱同时可能存在多组定位器，空间布置十分复杂；（4）从前期架设到后期运营，对空间安装精度要求高；（5）不断承载高速运行受电弓振动和各种激扰作用。上述特点，决定了定位器是整个接触网系统最为薄弱环节之一。一旦失效，对于铁路运输影响巨大。一直以来，铁路供电部门都非常重视定位器坡度检测。

3铝合金定位器的应用分析

3.1机械性能分析

三种定位器均为铝合金材质，但其抗拉强度、屈服强度、断裂延伸率等性能相差较大，三种材质的机械性能对比如下表所示。从表中可以看出，6082铝合金的抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率均好于5086和5052铝合金，5086铝合金的机械强度好于5052铝合金。6082铝合金采用了固溶处理加完全人工时效的热处理工艺，管材在加工时经过了硬化处理，因此管材成品的机械强度较大。若采用压接工艺易断裂和回弹，因此，德系铝合金矩形定位器全部采用铆接方案。5052铝合金和5086铝合金均采用H34的热处理工艺，加工硬化达到了稳定状态的一半。虽然5052和5086铝合金的机械强度稍差，但其管材成品的材质稍软，因此日系定位器和法系定位器均采用压接连接方式，保证了连接处的密封性。对比5052和5086两种铝合金，5086铝合金的机械强度相对较好，因此定位器管壁厚较小。目前法系腕臂系统中定位器管壁厚仅为3mm，而日系腕臂系统中定位器管壁厚为7mm，因此5086铝合金定位器的重量较轻。

3.2匹配性研究

德系定位器为直型管材，截面为矩形，日系定位器和法系定位器均为弧形管材，截面为圆形。定位器的外形结构关系到和受电弓的匹配性能，因此，合理的外形结构是受电弓安全取流的重要保证。根据TB10621－2014《高速铁路设计规范》要求，受电弓动态最大抬升量不应小于150mm，限位定位器按1.5倍最大抬升做安全校验，非限位定位器按2倍最大抬升做安全校验，受电弓的横向摆动量宜按直线段250mm、曲线段350mm设计。本次研究受电弓采用1950mm型，最大外轨超高按150mm考虑，受电弓最大抬升量按225mm考虑，横向摆动量按350mm考虑，定位器坡度按9°考虑。德系直型定位器和受电弓匹配对照如图1所示，弧形定位器和受电弓匹配对照如图2所示。图中实线为初始状态定位器和受电弓位置，虚线为受电弓抬升摆动后和定位器的匹配位置图。从图1可以看出，在已定工况下，受电弓发生了打弓现象，表明在大外轨超高时直型定位器，动态匹配性不好，难以满足极限工况。从图2可以看出，在相同工况下，弧形定位器和受电弓的动

态匹配性能良好，受电弓依然留有抬升的空间。

3.3实例应用分析

以我国近海高铁的某典型长大隧道为例进行取样分析，隧道为全长约10 km的单线单洞盾构隧道，下穿与海洋相连的大河，河面宽度约6.1 km，地下深度约30 m。开通运营以来隧道内的接触网腕臂及定位装置安装已有6年之久，有海水渗漏、通风排水不充分等现象，隧道内大气环境为海洋大气，环境腐蚀性等级为最高等级Ⅵ，腐蚀程度为强腐蚀。随着运营时间的增长，潮湿空气含有的大量海盐、酸、碱、粉尘物质沉积，伴随着高速动车组和受电弓运动堆积于安装在隧道中上部的接触网装备上。因接触网定位器位于动车组受电弓正上方，其表面污染物堆积腐蚀严重，降低了设备机械强度及性能，具有一定的安全隐患。因此，为了保障铁路运营安全，必须研究强腐蚀环境下接触网铝合金定位器的失效状态，明确判断和评价标准，提出相应对策。

3.3.1腐蚀机理总结

根据腐蚀现象和数据分析，总结隧道内定位器的腐蚀机理如下：（1）长期潮湿、海盐离子含量较高是隧道内接触网定位器加剧腐蚀的重要因素。（2）现场定位器样件表面的腐蚀程度与列车行车方向有关。（3）定位器的铜合金部分与铝合金部分在结合处具有电偶腐蚀加速作用，铜铝电化学腐蚀的严重程度在行车方向和反方向差异不大。（4）行车方向的腐蚀较严重，是导致管件壁减薄失厚以及大量微裂纹萌生的主要因素。

3.3.2对策建议

针对现场接触网定位器的实际情况，提出以下对策建议：（1）制定现场更换计划，尽快更换隧道内定位器，消除安全隐患。对更换下来的定位器回厂抽检并进行疲劳试验，探知定位器工况下的剩余寿命，以便今后提出定位器防腐要求技术条件。（2）结合成熟的表面防护或涂层技术，建议铝合金定位器管表面采用阳极氧化加钝化形成保护防腐措施，并定期检测采集腐蚀状态数据。（3）定位器管根部和定位线夹端部铜铝合金结合处为异种金属电化学腐蚀和应力腐蚀，普通的涂层防护都不能考虑，采取异种金属绝缘隔离的方式也许是表面防护设计的重点，可探索通过微弧氧化形成陶瓷膜技术的试验及应用。优化定位器管根部和定位线夹端部铜铝结合处的压接工艺，尽量减少污染物堆积和侵入，减缓铜铝结合部的腐蚀。

参考文献

[1]张治国.接触网常用铝合金定位器管材料性能对比分析[J].铁道技术监督,2013,41(03):39-41.

[2]罗健,莫继良,韩凌青,闫军芳,张琦.新型高速铁路接触网腕臂与定位装置研究[J].铁道学报,2018,40(10):36-42.

[3]刘莉蓉,雍兴跃,郭奉迎.电气化接触网零部件在典型环境的腐蚀研究[J].铁道工程学报,2015,32(03):81-85