小半徑曲線段接觸網(wǎng)軟定位拉線斷裂原因分析及應(yīng)對措施

王 超

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營一分公司，215101，蘇州∥助理工程師)

接觸網(wǎng)軟定位用于小半徑曲線線路外側(cè)支柱上，由彎管定位器通過不銹鋼軟態(tài)鋼絲擰成的拉線固定在絕緣腕臂上的定位環(huán)里，承受接觸線拉力，起到修正接觸線“之”字形拉出值的作用。拉線一旦斷裂，相應(yīng)的接觸線因失去拉力，位置極易偏移至受電弓橫向動(dòng)態(tài)包絡(luò)線之外，列車經(jīng)過此處時(shí)會(huì)引發(fā)弓網(wǎng)故障，影響地鐵運(yùn)營。本文以某城市地鐵2號(hào)線某車輛段接觸網(wǎng)H050號(hào)支柱處固定軟定位的φ3.5 mm軟態(tài)鋼絲斷裂故障為例，分析軟態(tài)鋼絲斷裂原因，并針對脆性斷裂提出應(yīng)對措施。

1 弓網(wǎng)故障現(xiàn)象

列車在某地鐵車輛段經(jīng)38#道岔往25#道岔運(yùn)行過程中，受電弓與H050支柱定位出現(xiàn)碰撞，造成接觸線固定軟定位的φ3.5 mm軟態(tài)鋼絲斷裂，同時(shí)造成接觸網(wǎng)2個(gè)套管單耳斷裂和1個(gè)定位環(huán)變形，隨后接觸線失去拉力，軟定位及定位管下垂，與列車發(fā)生第一次短路跳閘，相應(yīng)供電分區(qū)失電。列車由于慣性繼續(xù)前進(jìn)，接觸線因不受拉力而出現(xiàn)偏移，受電弓因此脫離接觸線抬升，與線路前方分段絕緣器軟電纜及吊弦發(fā)生第二次碰撞，并將另外一個(gè)供電分區(qū)與第一次出現(xiàn)碰撞所屬供電分區(qū)短接，造成另外一個(gè)供電分區(qū)失電。列車?yán)^續(xù)前行約10 m，在25#道岔處停下，此時(shí)受電弓鉆入接觸線線岔上部，發(fā)生第三次碰撞，使得線岔上部非支接觸線受損，線岔限制管受損。

故障發(fā)生后，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及分析可認(rèn)定，在列車通過H050支柱前，司機(jī)未發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)異常情況，因此初步判定H050支柱處定位為弓網(wǎng)故障發(fā)生的初始故障點(diǎn)。在受電弓通過軟定位時(shí)，固定軟定位的軟態(tài)鋼絲出現(xiàn)斷裂，使接觸線失去拉力，軟定位脫落，受電弓離線抬升造成弓網(wǎng)故障。

2 接觸網(wǎng)軟定位拉線斷裂故障原因分析

將斷裂的軟態(tài)鋼絲送第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行材料檢測，并同時(shí)對正線、停車場、車輛段及庫存的接觸網(wǎng)軟態(tài)鋼絲進(jìn)行抽檢。共抽檢9組接觸網(wǎng)軟態(tài)鋼絲，檢測結(jié)果如1所示。

根據(jù)某城市地鐵2號(hào)線工程供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)軟定位拉線使用的是φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲，材料規(guī)格為06Cr19Ni10。由表1可知，送檢的2號(hào)線一期工程8根φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲(含故障件)，唯有故障件不符合GB/T 4240—2009要求。該故障見，Mn(錳)含量為16.35%，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.00%；Cr(鉻)含量為8.35%，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的18.00%；Ni(鎳)含量為0.73%，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8.00%。Mn(錳)含量過高，會(huì)降低材質(zhì)穩(wěn)定性，抗氧化能力弱。一定含量的Cr(鉻)和Ni(鎳)能提高材質(zhì)的抗腐蝕能力，增加耐磨和柔韌性，但Cr(鉻)和Ni(鎳)的含量偏低，鋼絲表面易腐蝕，耐磨性和柔韌性差。

表1 接觸網(wǎng)軟態(tài)鋼絲抽檢結(jié)果表Tab.1 Sampling inspection results of catenary soft steel wire

經(jīng)上述數(shù)據(jù)分析可知，故障件鋼絲不是規(guī)定型號(hào)06Cr19Ni10的φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲，為其它來源不明的鋼絲，耐腐蝕、耐磨及柔韌性能較差。此外受損軟定位拉線位于小曲線半徑區(qū)段，受力較大，長期以來頻繁造受受電弓引起的低頻振動(dòng)，使軟態(tài)鋼絲表面損傷老化。日常的巡視檢修也未發(fā)現(xiàn)該處損傷隱患。上述因素累積導(dǎo)致此次弓網(wǎng)故障的發(fā)生。

3 接觸網(wǎng)軟定位拉線受力分析

接觸網(wǎng)軟定位一般用于小半徑曲線外側(cè)支柱上。在曲線區(qū)段，由于接觸線呈折線狀態(tài)布置，在支柱定位點(diǎn)處，因線索改變方向產(chǎn)生向曲線內(nèi)側(cè)的水平分力稱為曲線張力，用PR表示，如圖1表示。

圖1 曲線區(qū)段接觸網(wǎng)接觸線曲線力分析圖

圖1中A點(diǎn)為定位點(diǎn)，兩側(cè)跨距相等，因此△AOB∽△ACD，則有：

式中：

T——接觸線張力；

R——曲線半徑；

L——跨距長度；

m——接觸線質(zhì)量。

因m值與R值相比較可忽略不計(jì)，則曲線張力可表示為：

當(dāng)定位點(diǎn)兩側(cè)跨距不相等時(shí)，L值取相鄰兩跨距長度平均值，則曲線張力可表示為：

式中：

L1，L2——兩相鄰跨距長度。

某城市地鐵2號(hào)線柔性接觸網(wǎng)單接觸線設(shè)計(jì)張力T為12 kN,此次故障軟定位拉線所在接觸網(wǎng)曲線半徑R為150 m，兩側(cè)跨距L1和L2分別為18.6 m和25.8 m，則計(jì)算可得PR為1.776 kN，即故障點(diǎn)軟定位拉線所受張力為1.776 kN。經(jīng)排查，目前城市地鐵全線網(wǎng)柔性接觸網(wǎng)小曲線半徑處軟定位所受張力最大值為2.4 kN。

4 弓網(wǎng)故障防控措施與改造方案

目前，某城市地鐵2號(hào)線接觸網(wǎng)的軟定位拉線只有1根，無備用線，且處在小半徑曲線段。軟定位軟態(tài)鋼絲的斷裂大都是脆性斷裂，劣化過程極短，劣化部位往往在拉線結(jié)構(gòu)內(nèi)部，事前無可視化的征兆，難以在檢修中發(fā)現(xiàn)，其偶發(fā)性防不勝防，其后果的嚴(yán)重性又不得不防。

為保障接觸網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行安全，接觸網(wǎng)專業(yè)人員計(jì)劃采用兩種弓網(wǎng)故障防控措施及改造方案：第一種是采用雙股φ3.5 mm軟態(tài)鋼絲作為軟定位拉線備用線，并對現(xiàn)有軟定位拉線進(jìn)行加固纏繞，因此，一旦軟定位拉線出現(xiàn)斷裂，定位處接觸線不會(huì)產(chǎn)生較大偏移。第二種是采用尾支線作為軟定位拉線備用線。尾支線中有多股細(xì)鋼線，不會(huì)發(fā)生整體斷裂現(xiàn)象，即使出現(xiàn)部分細(xì)鋼線斷裂，仍能在一段時(shí)間內(nèi)保持其功能，檢修巡視時(shí)也可發(fā)現(xiàn)其斷股現(xiàn)象。為驗(yàn)證上述兩種防控措施及改造方案的可靠性，進(jìn)行了以下測試。

4.1 采用φ 3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲加固后的可靠性測試

對雙股φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲進(jìn)行拉力測試。根據(jù)GB/T 4240—2009的力學(xué)性能規(guī)定，型號(hào)06Cr19Ni10的不銹鋼軟態(tài)鋼絲公稱直徑在3～6 mm之間的抗拉強(qiáng)度為550～800 MPa，換算成φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲的最大可承受拉力約為5 kN。

測試結(jié)果顯示，雙股φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲可承受的拉力為14 kN(1.5T手扳葫蘆拉不動(dòng)，故未拉斷)，超過接觸線所承載的力。單股φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲可承受的最大拉力為8 kN(超過8 kN鋼絲拉斷)。

對測試過程觀察發(fā)現(xiàn)，φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲在受力后變化明顯，未使用的φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲直徑為φ3.5 mm，雙股所受拉力超過5 kN時(shí)鋼絲開始變長。雙股所受拉力達(dá)到14 kN時(shí)，φ3.5 mm變化為φ3.12 mm(未拉斷)。單股鋼絲所受拉力為8 kN時(shí)，φ3.5 mm變化為φ2.95 mm(拉斷)。在拉力測試時(shí)，雙股密貼纏繞兩頭各5圈時(shí)，當(dāng)所受力大于5 kN時(shí)，密貼纏繞的兩頭同時(shí)開始發(fā)生變化；當(dāng)所受力為14 kN時(shí)，5圈密貼纏繞變?yōu)?圈，減少了2圈。水滴狀的圓環(huán)也被拉直，密貼于定位環(huán)內(nèi)。

該測試表明，φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲可滿足接觸網(wǎng)軟定位安裝需求，實(shí)際產(chǎn)品單股φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲即可滿足現(xiàn)場需求，但為了設(shè)備運(yùn)行安全，雙股加固形式更為適宜。

4.2 采用尾支線加固后的可靠性測試

尾支線是使用不銹鋼細(xì)絞線替代軟態(tài)鋼絲作為軟定位拉線，一端為定位鉤，另一端為并溝線夾，如圖2所示。尾支線的最大工作荷重為4 kN。因要替代φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲作為軟定位拉線，因此所測試?yán)χ敌铦M足φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲的要求。

圖2 尾支線結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of tail branch line

按照軟定位拉線所受最大拉力2.4 kN以及最大荷重4 kN分別進(jìn)行拉力試驗(yàn)時(shí)，尾支線整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生任何形變變化。當(dāng)拉力超過4 kN時(shí)，定位鉤開口處逐步開始變大；當(dāng)拉力達(dá)到5 kN時(shí)，定位鉤開口間隙已超過所連接的定位環(huán)厚度。現(xiàn)場測試的2組尾支線均發(fā)生了上述情況。如果定位鉤開口變大，則在振動(dòng)環(huán)境下的某時(shí)刻一旦不受力時(shí)，極易發(fā)生脫落，使得該軟定位點(diǎn)處接觸線拉出值超標(biāo)，存在弓網(wǎng)故障隱患。

若尾支線采用兩端并溝線夾(見圖3)時(shí)，進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，尾支線及零部件未發(fā)生任何變化。當(dāng)拉力逐步增大到14 kN時(shí)，亦未發(fā)生任何變化。在使用φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲(受力)和并溝形式的尾支線(不受力)同時(shí)承受12 kN拉力時(shí)，瞬間剪斷φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲，瞬間力遠(yuǎn)大于12 kN，而并溝形式的尾支線未發(fā)生變化。

圖3 兩端并溝線夾的尾支線Fig.3 Tail branch line of parallel groove clamp at both ends

根據(jù)上述分析，經(jīng)接觸網(wǎng)專業(yè)研究后，對某城市地鐵2號(hào)線接觸網(wǎng)軟定位拉線長度進(jìn)行排查，對于軟定位拉線長度小于300 mm的，建議采用φ3.5 mm不銹鋼軟態(tài)鋼絲雙股纏繞加固方案；對于軟定位拉線長度大于300 mm的，建議采用可靠度較好的并溝形式尾支線加固方案。尾支線與既有軟定位拉線互為備用。

5 結(jié)語

軟定位作為柔性架空接觸網(wǎng)在小半徑曲線段的定位裝置，對保證通過小半徑曲線段列車受電弓正常受流具有極其重要的作用。對軟定位拉線采取雙線加固與尾支線加固，將增加軟定位設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性。