關于京滬高鐵吊弦折斷問題規律的認識和建議

雷陽成

（中國鐵路南寧局集團有限公司 工電檢測所，工程師，廣西 南寧 530029）

京滬高鐵于2011 年6 月開通，正線1 318 km 公里，其中橋梁區段1 140 km，占比86.5%；路基區段162 km，占比12.3%；隧道段區16 km，占比1.2%。直線區段約650 km，曲線區段約670 km，比例接近1:1。正線錨段共計2 712 個，約3 252 條公里，接觸網采用彈性鏈形懸掛，但錨段關節為簡單鏈形懸掛的四跨形式。吊弦采用整體不可調的結構，上下兩端利用鉗壓管壓接的方式，通過心形環和吊弦線夾，分別固定在承力索和接觸線上，并設有防止電流灼傷的載流環。

1 問題概況

吊弦折斷問題，給京滬高鐵行車安全和供電安全帶來極大影響。比如，2016 年，崔馬莊至泰安，吊弦從上部壓接部位折斷后下垂侵限，被受電弓刮斷帶走，直至北京南站才因絕緣距離不足對車頂放電，引發接觸網跳閘。又如，2018 年，滄州西至德州東，吊弦從上部壓接部位折斷后下垂侵限，被受電弓打起短接分相中性段，引發相間短路。還如，2019 年，蚌埠南至定遠，吊弦從上部壓接部位折斷后下垂侵限，將受電弓風管打落，引發自動降弓。

據不完全統計，京滬高鐵開通至今，吊弦斷股、斷絲、斷裂等折斷問題累計發生909 件。大數據分析得出，吊弦折斷問題規律，主要為：

1）正線比側線高發。吊弦折斷發生在正線907處，側線2處，正線是側線的453.5倍。

2）橋梁區段比路基區段高發。吊弦折斷發生在橋梁區段758 處，路基區段151 處，橋梁區段是路基區段的5.02倍。

3）直線區段比曲線區段高發。整體上看，吊弦折斷發生在直線區段626 處，曲線區段283 處，直線區段是曲線區段的2.21 倍。局部上看，吊弦折斷發生在橋梁區段的，直線區段535處，曲線區段223處，直線區段是曲線區段的2.40 倍；吊弦折斷發生的路基區段的，直線區段91處，曲線區段60處，直線區段是曲線區段的1.52倍。

4）錨段關節內比錨段關節外高發。吊弦折斷發生在錨段關節內465 處，錨段關節外444 處，換算成吊弦折斷密度，錨段關節內每百條公里85.7處，錨段關節外每百條公里16.3 處，錨段關節內是錨段關節外的5.26倍。

5）錨段關節內第一根吊弦和錨段關節外第二根吊弦比其它吊弦高發。吊弦折斷發生在錨段關節內第一根吊弦304 處，第二根吊弦114 處，所占錨段關節內吊弦折斷問題總量的比例分別為65.38%和24.52%。發生在錨段關節外第二根吊弦262 處，第三根吊弦165 處，所占錨段關節外吊弦折斷問題總量的比例分別為59.01%和37.16%。

6）吊弦壓接部位比心形環和吊弦本體部位高發，下部壓接部位比上部壓接部位高發。吊弦折斷發生在吊弦壓接部位534 處，心形環和吊弦本體部位377 處，壓接部位是心形環和吊弦本體的1.42倍。其中下部壓接部位是上部壓接部位的3.75倍。

2 原因分析

吊弦折斷，與高速鐵路弓網關系特征有關，是在長時間、高頻次、大強度的弓網作用下，豎直抬升力迫使吊弦被上下來回拉扯，從而薄弱點吊弦在吊弦薄弱點疲勞損傷。而之所以會形成薄弱點吊弦和吊弦薄弱點，與以下因素有關：

2.1 與線路種類有關正線車流密度大，行車速度快，弓網振動大，加劇了吊弦被上下來回拉扯的強度。因此，正線吊弦比側線吊弦更容易折斷。

2.2 與軌道基礎有關車輛高速通過橋梁區段的車橋耦合，加劇了吊弦被上下來回拉扯的強度。因此，橋梁區段吊弦比路基區段吊弦更容易折斷。

2.3 與錨段部位有關京滬高鐵的錨段關節為簡單鏈形懸掛的四跨形式，一方面錨段關節比其它部位被的弓網沖擊更大，另一方面四跨錨段關節本身的過渡平順度不高，加劇了錨段關節部位吊弦被上下來回拉扯的力度。因此，錨段關節內吊弦比錨段關節外吊弦更容易折斷。

2.4 與線路曲直有關與直線區段相比，受電弓在曲線區段隨外軌超高傾斜，豎直抬升力由全部弓網接觸壓力減弱為弓網接觸壓力的豎直分量（圖1 為接觸懸掛受力示意圖），減弱了吊弦被上下來回拉扯的強度。因此，直線區段吊弦比曲線區段吊弦更容易折斷。

圖1 接觸懸掛受力示意圖

2.5 與懸掛結構有關隨接觸懸掛振動而振動的承力索與接觸線，因彈性差別和豎直抬升力作用程度不同，無法做到處處步調一致地晃動，上下兩端彈性偏差大的吊弦，被上下來回拉扯的強度也大，也就更容易折斷。

在簡單鏈形懸掛的結構中，定位點處固定不動的承力索，隨接觸懸掛振動而振動的幅度從定位點向跨中逐漸變大，吊弦上下兩端的彈性偏差從定位點向跨中逐漸變小。由于上下兩端的彈性偏差比其它吊弦都大，距離定位點最近的第一根吊弦最容易在振動中損壞，其次是第二根吊弦。京滬高鐵錨段關節正是簡單鏈形懸掛的結構，所以錨段關節內第一根吊弦折斷最多，第二根吊弦次之。

在彈性鏈形懸掛的結構中，由于彈性吊索的存在，定位點可以看成是，以彈性吊索為承力索的位于接觸懸掛之內的接觸懸掛的跨中（如接觸懸掛結構示意圖即圖2 中加粗部分所示）。距離定位點最近的第一根吊弦上部連接彈性吊索，上下兩端彈性偏差變小，并趨近于接觸懸掛的跨中彈性偏差。從而，距離定位點最近的第二根吊弦，成為了上下兩端彈性偏差最大的吊弦，其次是第三根吊弦。京滬高鐵錨段關節外正是彈性鏈形懸掛，所以錨段關節外第二根吊弦折斷最多，第三根吊弦次之。

圖2 接觸懸掛結構示意圖

2.6 與吊弦本身有關京滬高鐵的吊弦，采用整體不可調的結構，兩端利用鉗壓管壓接的方式，通過心形環和吊弦線夾，分別固定在承力索和接觸線上。由于壓接方式和制作工藝的原因，吊弦壓接部位十分容易損傷或形成應力集中點，從而成為吊弦薄弱點。因此，吊弦壓接部位比心形環和吊弦本體部位更容易折斷。

在豎直抬升力的作用下，接觸線抬升量大于承力索抬升量，吊弦下部彎曲幅度大于上部，伴隨上下來回拉扯的來回彎曲，壓接形成的應力集中點最先在吊弦下部產生破壞。因此，吊弦下部壓接部位比上部壓接部位更容易折斷。

吊弦心形環與吊弦線夾是虛接狀態，接觸懸掛振動時，心形環與線夾之間形成了摩擦和碰撞。因此，吊弦心形環損壞的概率也比較大。

3 有關建議

必須深刻認識到，吊弦折斷問題的本質，是無法避免的弓網受流帶來無法避免的弓網作用，衍生出吊弦在長時間配合正常弓網振動中發生疲勞的自然現象，有一定的必然性。對于已經損傷的吊弦，必須更換，而更換的前提是要及時準確發現問題所在。為此，要做好以下工作：

1）利用已知規律有效介入和控制吊弦折斷問題。吊弦折斷問題的規律除了存在正線地段、路基區段、直線區段、錨段關節部位等剛性因素的影響之外，不能忽視的還有接觸懸掛受力布局。一旦接觸懸掛受力布局因為接觸網參數而打亂，吊弦折斷的規律將不復存在，應對吊弦折斷問題也將無從下手。因此，在運營維護中，應當嚴格落實接觸網各項技術標準，將接觸網參數無限趨近于完美狀態，特別是接觸線的坡度和平順性等參數，減少參數原因破壞接觸懸掛受力布局，使吊弦折斷問題按照已知規律發展，達到有節奏、有重點地介入和控制吊弦折斷問題的目的，及時避免產生不良后果。

2）利用檢測監測手段及時感知吊弦折斷問題的發展情況。檢測監測是現階段發現接觸網缺陷問題、掌握接觸網設備狀態的主要途徑。因此，充分發揮6C系統和人工檢查等檢測監測手段的作用，完善功能，縮短周期，加密頻次，在盡可能促使吊弦折斷問題規律化發展的前提下，按照正線地段、路基區段、直線區段、錨段關節部位等不同設備分布，結合接觸懸掛結構的不同類型，特別注意加強對已知規律中表明的薄弱點吊弦的檢測監測，主要是簡單鏈形懸掛的第一根吊弦、彈性鏈形懸掛的第二根吊弦，一旦發現斷股、斷絲等吊弦折斷問題的前置性、苗頭性現象，立即更換。

3）利用薄弱吊弦折斷的信號及早安排整跨距吊弦更換。接觸懸掛受力布局以跨距為最小單元。按照已知規律和原因分析，跨距內，作為薄弱吊弦的簡單鏈形懸掛的第一根吊弦、彈性鏈形懸掛的第二根吊弦發生折斷，可以說明此跨距內其它吊弦已經趨近于折斷。因此，要注意跨距內薄弱吊弦變化，一旦薄弱吊弦出現斷股、斷絲等損傷現象，盡快實施整跨距的吊弦更換，避免因無法掌握更換吊弦的最佳時機而增加運營維護成本。

4）利用科技創新提高吊弦使用壽命。提高吊弦使用壽命，一方面可以通過科技創新研究制造耐疲勞材料，并用作于吊弦本體，先天提高吊弦抗疲勞能力；另一方面可以對容易造成吊弦損傷的制作工藝加以改進，后天避免吊弦薄弱點降低壽命，比如將壓接方式從犬牙型改為橢圓形、研究改進心形環與線夾的連接方式等。

5）利用彈性改善降低京滬高鐵錨段關節內吊弦折斷的概率。根據吊弦折斷問題分析，錨段關節內吊弦比錨段關節外吊弦更容易折斷的原因是，錨段關節內簡單鏈形懸掛方式的彈性相對差，從而遭受的沖擊相對大，加劇了弓網振動。因此，改良辦法可以從改善接觸懸掛的彈性入手，充分研究在京滬高鐵錨段關節內加裝彈性吊索的可行性，以及彈性吊索安裝工藝的科學性，力爭找到既能保證彈性吊索功能正常，又能降低錨段關節內吊弦折斷幾率的可行方案。

6）利用差異化布置力求吊弦的整體壽命均衡一致。跨距內的吊弦位置決定了相同型號吊弦會有不同的使用壽命，以薄弱吊弦折斷為信號安排整跨距吊弦更換的思路，在一定程度上會造成未到使用壽命的吊弦提前更換的浪費問題。為減少運營維護成本，解決問題的方向可以是，充分論證吊弦差異化布置的可行性，根據接觸懸掛不同部位吊弦的薄弱程度，布置不同強度的吊弦，應對接觸懸掛的結構特性帶給不同吊弦不同時折斷的現象，促使吊弦的整體壽命均衡，并且盡可能與接觸懸掛壽命保持一致，把吊弦更換的時機人為延后在接觸懸掛整體大修的時候，同時也避免了把運營維護的精力過多地耗費在吊弦的檢測監測上。

7）利用吊弦不同部位折斷危害不同的情況落實薄弱點吊弦重點部位的必查必看措施。2018年滄州西至德州東吊弦從上部壓接部位折斷后下垂侵限被受電弓打起造成相間短路的案例表明，吊弦從上部折斷的危害最大，將直接打壞受電弓，甚至引發更嚴重的弓網故障。因此，充分關注吊弦上部折斷的情況，把薄弱點吊弦的上部壓接部位作為檢測監測必查必看項目，是降低故障等級、縮短故障時間有效辦法。

4 結束語

吊弦折斷是一個十分復雜的問題，充分認識京滬高鐵吊弦折斷問題規律并準確把握其成因，切實做到精心養護、科學防范、綜合施策，就能有效增大接觸網安全運行系數，進一步夯實高鐵旅客運輸安全基礎。