復合型耐疲勞整體吊弦技術改進方案探討

李 軍

0 引言

接觸網整體吊弦作為電氣化鐵路承力索與接觸線間連接的重要部件，在接觸網的結構中起到了機械負荷傳遞和載流的作用。我國于2002 年接觸網載流整體吊弦的技術標準頒布后開始對整體吊弦推廣運用，2005 年在京滬、滬杭鐵路提速改造中廣泛使用，2008 年在京津城際350 km/h 客運專線開始使用不可調式整體吊弦。目前，接觸網載流整體吊弦已被廣泛運用，環節吊弦逐步被淘汰。整體吊弦技術標準也進行了2 次修訂，當前最新為2020 版[1～3]。

1 運行現狀

原TB/T 2075.7—2010 標準中規定吊弦線夾本體及吊環材質為CuNi2Si 銅鎳硅合金，心形護環材質為12Cr18Ni9 奧式體不銹鋼，壓接端子和鉗壓管材質為T2 銅，吊弦線采用型號為JTMH10 銅鎂合金絞線。近年來，整體吊弦在運行過程中特別是高速鐵路上頻繁發生局部磨損、斷絲、斷股、鼓包甚至整體斷裂等問題，是當前高鐵接觸網發生故障最頻繁的部件之一，給高鐵運行帶來極大安全隱患。筆者統計分析了管轄區內2014 年開通運行以來時速200 km 及以上部分高速鐵路接觸網整體吊弦出現的問題，累計發生各類問題3 477 個，其中斷股1 587 個、占比46%，鼓包594 個、占比17%，吊線斷裂390 個、占比11%，線夾破裂等57 個、占比2%，其他類問題849 個、占比24%。

下文對問題吊弦的運行及試驗情況進行分析。

1.1 大數據分析情況

從運行時間看，整體吊弦上網運行時間為3～8 年，均未達到《普速鐵路接觸網運行維修規則》中可參照的10～12 年壽命周期，上網時間最短的只有3 年左右。從運行線路看，200 km/h 的客貨混跑線路發現的問題吊弦較多，占比較大，250～300 km/h 的客專高鐵線路吊弦問題零星持續發生。從吊弦類型看，可調式整體吊弦問題占比非常大，不可調式整體吊弦發生問題相對較少。從發生部位看，整體吊弦的吊弦線夾、調整螺栓、壓接管、心形護環、導流環及吊弦本線等各部位均有問題發生。從產品結構看，吊弦線與零部件間存在生產壓接工藝問題、吊弦線耐疲勞問題和吊環設計不盡合理等容易導致吊弦線斷絲、斷股或全斷。

1.2 疲勞試驗情況

抽取斷裂整體吊弦、未斷裂整體吊弦（與斷裂整體吊弦同型號、同批次、同區段、同安裝上網時間）進行疲勞試驗。

（1）針對已斷裂吊弦，在外觀無損傷處按安裝標準（緊固力矩20 N）進行整條吊弦安裝緊固試驗，第1 次緊固后整體吊弦絞線單根無損傷，第2 次緊固后整條吊弦絞線單絲斷1 根傷2 根，第3次緊固后整體吊弦絞線單絲斷2 根傷2 根。

（2）針對已斷裂吊弦，在外觀無損傷處按安裝標準（緊固力矩20 N）進行整條吊弦安裝緊固試驗，松動開口螺栓后，對開口螺栓安裝處進行手動疲勞試驗（重復彎曲），在進行至第22 次手動疲勞試驗時，開口螺栓處整體吊弦絞線單絲斷3 根。

接觸網整體吊弦頻繁發生的問題已危及到電氣化鐵路特別是高速鐵路的安全運行，尤其是速度等級較高線路，研究如何提高整體吊弦的產品質量和延緩壽命是從業者迫在眉睫的任務。

2 原因分析

通過對整體吊弦存在問題的梳理，從整體吊弦的產品結構、材料、工藝、周邊環境以及安裝位置等方面進行全面分析。整體吊弦發生斷股、鼓包、斷裂等現象是一系列因素疊加的結果。

2.1 吊弦線材質不足

吊弦線采用鎂銅合金材質，生產過程可通過銅材性能影響未來吊弦疲勞壽命，其中絲成股、股成線的工藝會影響絲與絲、股與股間的預應力，進而影響每根絲內部殘余應力，以及在變形狀態下的相互錯動過程，從而影響單絲的疲勞壽命，導致出現鼓包、斷裂等情況。此外，吊弦線韌性較差，導致整體吊弦在長期頻繁振動過程中易從壓接處斷裂。

另外，整體吊弦除承受機械載荷外，在正常使用過程中還起到電氣連接的作用，當電流通過吊弦線時，吊弦線溫度升高，會降低吊弦線疲勞強度。

2.2 零部件材質強度不足

心形護環和U 形吊環本體材料選型厚度不足，反復彎曲的疲勞性能低，在長期振動過程中部分容易出現斷裂。

2.3 壓接工藝不合理

（1）原標準中吊弦的壓接管采用犬牙齒形壓接工藝，在壓接處形成“點接觸”且應力集中，壓接點處的吊弦線受到擠壓應力發生變化甚至造成線索損傷，同時壓接模具放置不正確也會導致吊弦受力不均，加快壓接處鼓包、斷裂情況的發生。此外，壓接管兩端頭處未進行圓弧處理，吊弦線在頻繁振動時與壓接管端頭有切割，也會造成壓接處吊弦斷股現象，如圖1 所示。

圖1 壓接管處斷股

（2）壓接管與心形護環距離大于3 mm，導致心形護環與吊弦線不密貼，處于松弛狀態，長期受振動或抬升運行后心形護環發生位置偏移，進而摩擦或切割吊弦線，如圖2 所示。

圖2 心形護環與絞線不密貼

2.4 吊弦結構存在缺陷

（1）U 形吊環與心形護環不匹配。心形護環在吊弦線夾固定螺栓過渡處沒有鏤空，固定螺栓緊固后，心形護環處吊弦線被繃緊，由于心形護環采用12Cr18Ni9 不銹鋼材質，吊弦線為銅鎂合金，膨脹系數不一致（不銹鋼15×10-6，銅17×10-5），造成溫度變化時吊弦線在該處的應力不能釋放而折斷，如圖3 和圖4 所示。

圖3 心形護環與固定螺栓

圖4 心形護環鏤空處理

其次，U 形吊環和心形護環尺寸不匹配，U 形吊環過短或心形護環過大都會在受電弓抬升情況下致使心形護環及頂端吊線與吊弦線夾碰撞磨擦，長時間就會造成心形護環弧端處的吊弦線發生斷絲、斷股現象，如圖5 所示。（2）調整螺栓處缺陷明顯。早期的B 型可調整體吊弦的調節固定螺栓開口處未進行圓弧處理或加墊片，遇緊固力矩過大造成整體吊弦絞線壓傷，長期振動使其斷裂。調節固定螺栓未頂緊心形護環安裝（安裝標準未明確安裝位置），機車受電弓抬升使心形護環脫落，導致整體吊弦絞線與吊環磨損斷裂，如圖6 所示。

圖5 心形護環頂端處斷股

圖6 調節固定螺栓處斷裂

（3）接線端子結構、管壁厚度壓接方式不統一，存在平角和仰角（30°）現象，致使導流環擠壓心形護環造成偏磨或整體吊弦的偏轉。

2.5 振動頻率和振幅的影響

原TB/T 2073—2010規定吊弦適應振幅為±35 mm，振動次數為200 萬次運行條件，但是實際行車振幅和振動次數遠大于此數據。在列車受電弓通過的瞬間，接觸線被抬高，吊弦發生松弛，受電弓通過后，接觸線瞬間落回原位，此時吊弦因限制接觸線下落而被瞬間拉直，從而承受巨大瞬時拉力。在長期運行過程中，該瞬間大拉力循環出現，構成了吊弦疲勞斷裂的主要交變應力源，如圖7 所示。

圖7 受電弓通過時吊弦振動曲線

受電弓高速通過吊弦后，接觸線瞬間被受電弓抬升，吊弦線在重力作用下突然下落而拉緊，吊弦上下振擺達20 余次，此時吊弦發生非等幅振動（振幅為-5～+50 mm），同時吊弦線在水平方向產生振動，造成吊弦線在鉗壓管根部出現反復彎曲，該過程隨著振動長期存在。目前采用的標準吊弦線韌性較差，反復彎曲次數較低，加之三點犬牙式壓接點應力較大。在鉗壓管處韌性較差的吊弦既要承受較大壓接應力，又受到反復彎曲、相互間的摩擦等作用，因此易在壓接處出現斷絲、斷股。發生斷股后，吊弦線有效截面減小，拉應力進一步增大，當剩余截面拉應力達到吊弦線臨界破壞值時，吊弦線將發生突然斷裂。

2.6 惡劣運行環境影響

當接觸網運行于酸雨、鹽堿、重污染、大風和風沙等惡劣環境時，吊弦腐蝕老化程度加速，壽命周期縮短，甚至發生零部件故障。

2.7 安裝不當

新建或改建鐵路接觸網施工時，施工單位需提前測量、計算和預制吊弦，由于各環節誤差的存在，部分不可調式吊弦參數可能與現場實際存在輕微偏差，施工人員安裝時通過對吊弦線扭轉和偏移達到微量調整目的，經過后期的長時間、高頻次振動運行后，導致吊弦線在應力集中處出現鼓包現象，嚴重時發生吊弦線斷股，進而造成整體斷裂的風險，如圖8 所示。

圖8 吊弦線鼓包

3 優化措施

針對接觸網整體吊弦發生的各類問題或缺陷，從產品結構、材質選擇、工藝制造等方面提出對整體吊弦優化、改進的技術方案和措施。

3.1 結構改進

以C 型吊弦為例，該型由吊弦線、沖壓型承力索吊弦線夾、沖壓型接觸線吊弦線夾、心形護環、鉗壓管及吊弦線等部件組成，為長度不可調結構，通過改進U 形吊環和心形護環結構尺寸，滿足吊弦抬升時吊線本體不與線夾碰撞，避免磨損心形護環端部吊弦線，如圖9 所示。

圖9 C 型整體吊弦結構

3.2 吊弦線改進

吊弦線采用復合型7×7 纏繞結構，單股絞線采用6+7 纏繞結構（圖10 中中間紅色7 股為不銹鋼絲，采用022Cr17Ni12Mo2 奧式體不銹鋼），銅線單絲及不銹鋼絲（絞線）直徑為0.5 mm。銅鎂合金線為JTMH10，鎂含量占比宜采用0.2%～0.4%，其性能滿足TB/T 3111—2017 標準要求。結構和實物如圖10 所示。

圖10 改進后吊弦線

3.3 零配件改進

鉗壓管、壓接端子均按GB/T 5231—2001 要求，采用牌號為T2 的加工銅，其機械性能應符合GB/T 2040—2002 中M 狀態的規定。選用鉗壓管端頭外擴圓弧，長度不小于30 mm。增加心形護環和吊環壁厚度強度，心形護環端部鏤空處理，壓接管端頭圓弧過渡處理，避免切割吊弦線，如圖11 所示。

圖11 改進后的零部件

3.4 壓接工藝改進

壓接方式由齒形壓接改為橢圓環形兩段或三段橢圓形對稱壓接，有效減小壓接應力，壓接后鉗壓管的兩端呈“喇叭口”狀，減小了鉗壓管口部棱角與吊弦線之間的摩擦，有效預防鉗壓管銳口切割吊弦線而形成疲勞源。壓接端子彎折處增加過渡圓弧，減少壓痕。結構如圖12 所示。

圖12 壓接方式改進

3.5 防松措施改進

在傳統止動防松措施的基礎上，探索吊弦線夾處采用止動墊圈及齒面碟簧防松墊圈雙重防松措施，線夾安裝到位后再涂抹厭氧型螺紋鎖固膠，或在承力索端吊弦線夾的螺桿上加開口銷，確保整體吊弦承力索線夾螺母不松動，即便松動也不會掉落，有效避免吊弦承力索端掉落低于導線高度而刮碰受電弓進而引發弓網故障或更大事故。該防松改進措施如圖13 所示。

圖13 承力索吊弦線夾防松改進

4 改進優化后的效果

若該壓接方式適配韌性好、彎曲次數高的耐疲勞吊弦線，可減少目前吊弦斷絲、斷股問題的發生。

（2）采用橢圓壓接方式，壓接的有效接觸面積增大，摩擦力增大，應力分散在壓接處形成一個橢圓形的縮頸，吊弦線相互有序排列，單絲單股受損小，減少壓接對吊弦線的損傷。若該壓接方式適配韌性好、彎曲次數高的耐疲勞吊弦線，亦可有效減少目前線路中吊弦斷絲、斷股問題的發生。改進前后試驗對比見表2。

表2 壓接改進前后試驗對比 kN

4.1 吊弦線材的改進效果

通過對吊弦線材材質以及不同生產工藝對吊弦線的晶粒組織結構、機械性能、電氣性能和耐反復彎曲疲勞性能的影響研究，完成了吊弦線線材以及生產工藝的優化，生產出復合型7×7 纏繞結構的銅鎂合金耐疲勞整體吊弦線，大幅提高了吊弦線的反復彎曲性能，增強了整體吊弦的可靠性和使用壽命。

4.1.1 復合型吊弦線性能指標

復合型吊弦線采用JTMH10 型絞線，其主要性能指標如表1 所示[4]。

表1 JTMH10 復合型絞線主要技術指標

4.1.2 耐疲勞吊弦線工藝

通過對吊弦母材工藝的改善，消除坯料的鑄態組織缺陷，改善晶粒結構組織，為后續吊弦線材加工提供更好的抗變形條件，提高材料機械性能。

4.1.3 增加單線消除應力工藝

消除單絲加工有害殘余應力，降低變形抗力，恢復塑性，保證吊弦線的延伸性能；對晶粒組織進行控制，防止晶粒粗化，確保坯料的組織和性能。

4.2 壓接工藝的改進效果

（1）橢圓環狀壓接可有效改善原有齒形壓接對線索的壓接損傷，壓接后的吊弦線整股壓縮密實；壓接后吊弦線呈波浪狀，軸向阻力增大，不易滑移。

4.3 整體性能指標

引用TB/T 2075—2020、TB/T 3111—2017[5]相關標準，以原標準中C 型整體吊弦進行試驗，通過對壓接方式、吊弦線和吊弦結構等優化后進行系列檢測試驗，論證各項性能指標均優于普通吊弦，試驗數據對比如表3。

表3 吊弦整體改進試驗對比 kN

4.4 試掛及抽檢試驗情況

2018 年，將全面改進后的復合型耐疲勞整體吊弦在200 km/h 線路上安裝試掛，運行至今未發生任何問題。對其中運行3 年的吊弦抽樣檢查并送檢試驗，從振動試驗、疲勞試驗、滑動荷重、破壞荷重等幾項重要指標試驗結果來看，證明復合型耐疲勞整體吊弦的各項性能指標依然較好，綜合性能遠優于普通整體吊弦。

5 結語

對接觸網載流整體吊弦在產品結構、材質選擇、工藝制造等方面進行優化改進，并在運營線路中實踐運用，運行狀態較好，3 年多未發生任何異常情況。中國電氣化鐵路發展60 余年來，接觸網大量新工藝和標準的改進都是在不斷探索和大膽嘗試后得到廣泛認可和推廣的，復合型耐疲勞整體吊弦的成功經驗可推廣到行業內其他類似產品中并加以應用。