接觸網補償繩繩芯斷裂原因分析

吳挺勇

（中國鐵路南寧局集團有限公司 沿海鐵路工程建設指揮部，工程師，廣西 防城港 538000）

黎湛線電氣化于2015年開工建設，黎塘至玉林段于2016年底開通運營，玉林至湛江段于2017年底開通運營。2021年6月日常檢查維護時發現接觸網補償繩存在繩芯突出及繩鼓松弛現象，經排查共有247根接觸網補償繩存在該情況，會產生塌網的隱患，嚴重威脅電氣化設備的運行安全。

黎湛線接觸網補償裝置采用滑輪補償裝置，滑輪補償裝置由不同直徑的滑輪、滑輪組框架、補償繩、補償繩與滑輪框架的連接線夾、補償繩與墜砣桿的連接線夾、承錨底座、線錨底座、墜砣限制架、單雙耳連接器、C型雙環桿、墜砣桿、墜砣抱箍組成（如圖1）。補償繩采用結構為8T（1+6，6+12）+7（1+6+12）的不銹鋼鋼絲繩（如圖2），公稱直徑為φ8.75mm，允許偏差mm,綜合拉斷力≥54kN，1:3滑輪補償裝置補償繩長16m，1:2滑輪補償裝置補償繩長14m。

圖1 滑輪補償裝置示意圖

圖2 不銹鋼絲繩結構示意圖

1 接觸網補償繩存在問題

1.1 補償繩問題特征

黎湛線接觸網補償繩外觀質量問題特征主要表現為鼓包、松股、斷絲等，發生的位置一般在墜砣相連的垂直段或順向延伸的定滑輪和動滑輪之間，在定滑輪附近30～60cm。

1.2 補償繩拆解檢查情況

對三根拆卸下的鼓包補償繩進行了拆解，發現鼓出的繩股均為中心股，中心股已斷裂，斷口參差不齊，有較明顯的頸縮現象，斷口為明顯拉伸斷裂特征（見圖3、圖4）。

圖3 繩芯突出

圖4 繩芯中心股斷股

1.3 常規試驗檢測情況

日常試驗檢測方法是將從線路上拆卸的鼓包補償繩按照《不銹鋼絲繩》（GB∕T9944），對不銹鋼補償繩進行表面質量、捻制質量、外徑、單絲纏繞試驗、不松散檢查、破斷拉力試驗、化學成分分析等檢驗。檢驗結果為表面發暗，有兩處鼓包表面質量問題，其余檢測項目均合格，符合標準要求。

常規試驗無法查出根本問題，為了分析補償繩發生問題的真正原因，需對補償繩進行深層檢驗。

2 理化檢驗

分別對未發生鼓包、斷股鋼絲繩和外觀鼓包且中心股斷裂的鋼絲繩進行檢驗分析。

2.1 宏觀形貌及缺陷觀察

對2根補償繩樣品墜砣固定端至補償動滑輪固定端之間的區域進行形貌觀察，2根鋼絲繩樣品表面均未見明顯擠壓磨損，但局部呈波浪形，且不同程度地存在繩股松弛或繩芯突出現象。詳細統計結果見表1。

表1 補償繩缺陷情況統計

上表測量數據顯示：補償繩出現繩芯突出及繩股松弛的部位在補償裝置定滑輪大輪附近。

將1#樣品繩芯外層股剝去，可見繩芯突出位置中心股存在嚴重形狀畸變和斷絲，畸形區域繩芯中心股直徑變大，捻距減小，螺旋狀結構遭到破壞，有扭結現象，斷絲斷口為斜斷口和縮頸斷口兩種，在中心股斷絲附近表面可見擠壓磨損（見圖5、圖6）。

圖5 繩芯突出位置中心股畸形

圖6 繩芯中心股斷絲

2.2 補償繩捻距測量

對1#樣品和2#樣品墜砣固定端至補償裝置動滑輪固定端之間進行補償繩捻距和繩芯捻距測量，檢驗結果見表2。

表2 補償繩捻距和繩芯捻距檢驗結果

由表2可知，1#樣品繩芯突出處鋼絲繩捻距是補償裝置動滑輪固定端的1.09倍，繩芯突出處繩芯捻距是補償裝置動滑輪固定端的1.08倍；2#樣品繩芯突出處鋼絲繩捻距是補償裝置動滑輪固定端的1.11倍，繩芯突出處繩芯捻距是補償裝置動滑輪固定端的1.08倍。繩芯突出處的補償繩捻距和繩芯捻距明顯增大，表明補償繩有解捻現象。

2.3 補償繩拆股試驗

任取1#樣品表面無損傷部位外層股、繩芯外層股各一股和繩芯中心股進行鋼絲繩拆股試驗，結果見表3。

表3 1#樣品拆股試驗檢驗結果

由表3可知，1#樣品表面無損傷部位外層股、繩芯外層股和繩芯中心股鋼絲抗拉強度檢驗值未出現明顯波動。

2.4 鋼絲斷口掃描電鏡觀察

取1#樣品繩芯中心股斷股處進行表面損傷與斷口形貌觀察，繩芯中心股斷股處附近表面有明顯擠壓和磨損痕跡，縮頸斷口微觀形貌為韌窩（見圖7-圖10）。

圖7 斷絲及表面擠壓磨損

圖8 縮頸斷口

圖9 縮頸斷口全貌

圖10 中韌窩形貌

補償繩宏觀形貌觀察、補償繩及繩芯捻距檢驗結果表明：繩芯突出現象主要出現在補償裝置定滑輪大輪兩側，繩芯突出和松散處補償繩繩芯中心股產生形狀畸變；繩芯突出處補償繩捻距和繩芯捻距明顯增大表明補償繩有解捻現象。補償繩繩股與繩芯外層股捻向均為右捻，繩芯中心股捻向為左捻，當補償繩出現解捻時，補償繩外層股與繩芯外層股解捻長，同時繩芯中心股加捻縮短，這樣就會造成荷載主要集中在繩芯的中心股上。中心股存在斷股和斷絲，斷口為縮頸斷口和斜斷口，微觀形貌均為韌窩，具有拉伸應力作用下斷裂斷口的特征表明，繩芯中心股鋼絲的斷裂為過載受力的作用下發生拉伸斷裂。結合繩芯中心股表面存在擠壓和磨損痕跡而鋼絲繩表面和繩芯表面未見明顯擠壓和磨損痕跡表明，補償繩在工作狀態下各股受力不均，應力主要集中于繩芯中心股。

3 補償裝置安裝環節影響因素分析

施工單位在進行補償滑輪安裝過程中落錨后未固定墜砣串，墜砣串自由懸垂、自由轉動，在施工結束離開前用鐵絲將墜砣串拴在旁邊的支柱上進行固定，防止墜砣串擺動侵入限界，一般在下一個天窗點或下一個施工時間點安裝墜砣限制架固定墜砣串，最終限制墜砣串的擺動。

墜砣串自由懸垂情況可能會帶動鋼絲繩出現反向旋轉，造成補償繩解捻，為確定墜砣串自由懸垂是否對補償繩產生影響，需采用比對試驗進行檢測。

4 比對試驗

從產品質量符合要求的同規格補償繩上截取2段，分別命名為3#樣品和4#樣品，按照《電氣化鐵路接觸網零部件試驗方法》（TB∕T 2074-2010）進行比對試驗（疲勞）。疲勞試驗參數見表4。

表4 比對試驗（疲勞）參數

其中，3#樣品模擬現場安裝方式，在懸掛配重后不使用墜砣抱箍進行固定，讓墜砣及鋼絲繩自由旋轉，待旋轉完全停止后固定墜砣進行疲勞試驗。3#樣品的墜砣串（配重5.5kN）安裝在距滑輪3.4m處，未使用墜砣抱箍固定情況下，第一次反向旋轉在第40s完成，反向旋轉13圈，其后墜砣串反復旋轉，390s左右停止，靜止時反向旋轉9圈，即補償繩外層股和繩芯外層股解捻9圈，繩芯中心股加捻9圈，垂直段補償繩有明顯變長。

4#樣品按照正常疲勞試驗安裝方式，懸掛配重前使用墜砣抱箍固定墜砣串。

對疲勞試驗后的3#和4#樣品進行檢查，結果見表5。

表5 比對試驗（疲勞）檢查結果

將3#樣品打開，繩芯外層股表面有大量斷絲，繩芯中心股有2處已斷裂，斷裂位置距墜砣串固定端2.03m和2.83m,即墜砣串與補償裝置定滑輪（大輪）之間垂直段。繩芯中心股斷股與1#樣品繩芯中心股斷裂特征一致。

5 原因分析

5.1 補償繩內部應力分布不均

由理化檢驗分析結果可知,補償繩內存在過與補償繩捻制方向反向的扭力，補償繩每反向旋轉一周，補償繩外層股與繩芯外層股解捻一周而伸長，繩芯中心股加捻一周而縮短，這樣就會造成外部荷載集中在繩芯的中心股上，且繩芯中心股破斷拉力僅為2.8kN,遠小于墜砣串拉力5.5kN。由比對試驗（疲勞）結果可知，墜砣串在落錨后未固定會導致補償繩反向旋轉，破壞補償繩內部應力分布，導致應力集中于繩芯中心股，超過繩芯中心股承載能力，繩芯中心股發生斷裂。斷裂的繩芯中心股在補償繩中變為比較“自由”的狀態，隨著補償繩的往復運動，在配重荷載的作用下，斷裂的繩芯中心股在補償繩中向各自相反的方向竄動，當竄動力小于外層繩股擠壓摩擦阻力時止于某一處，補償繩繼續往復運動，在竄動終止處形成“堆積”、“鼓包”、“突出”等外觀缺陷。

5.2 施工工藝卡控不嚴

結合該補償裝置施工安裝情況可知，進行補償滑輪裝置安裝過程中落錨后未固定墜砣串，墜砣串自由懸垂、自由轉動，出現反向旋轉，導致應力集中于繩芯中心股。在使用過程中，由于工況復雜、環境惡劣，補償繩在承受軸向載荷的同時還會受到沖擊載荷的影響。由于作用時間極短，沖擊載荷主要作用于繩芯中心股，加劇了繩芯中心股的應力集中，當超過繩芯中心股承載能力時繩芯中心股發生斷裂。繩芯中心股斷裂進一步加劇了鋼絲繩各股所受張力不均，在后續使用中逐漸出現繩股松弛、繩芯突出等現象。

6 解決對策

6.1 加強補償裝置安裝及調整工藝流程控制

在接觸網承導線落錨安裝接觸網補償裝置后，應及時安裝補償裝置墜砣限制架，防止補償繩在墜砣串的重力作用下沿繩逆絞制方向旋轉，導致補償繩散股或鼓包。安裝墜砣時補償繩保持自然狀態，禁止扭轉帶勁，如發生旋轉，應在固定墜砣串時將其回轉同樣的圈數后方可固定。

接觸網補償裝置墜砣串底部至地面的距離（b值）調整時，提前將固定墜坨的抱箍松開，再利用手動葫蘆或起重設備等吊裝設備將墜砣串提升至要求的b值，b值調整過程中須防止墜砣串自由懸垂、自由轉動，出現反向旋轉，導致應力集中于繩芯中心股。

6.2 采用結構性能更優的補償繩

根據《電氣化鐵路接觸網零部件》（TBT2075-2010）要求，補償繩可采用奧氏體不銹鋼鋼絲繩或浸瀝青鋼絲繩。黎湛電化補償繩采用結構為8T（1+6，6+12）+7（1+6+12）的不銹鋼鋼絲繩，公稱直徑為φ 8.75mm,綜合拉斷力≥54kN，建議采用結構為12×25Fi+12×7+1×36SFi浸瀝青復合鋼絲繩，公稱直徑為Φ9.5mm，綜合拉斷力≥75.4kN，相對于奧氏體不銹鋼鋼絲繩，浸瀝青鋼絲繩具有較強的抗疲勞性能、耐疲勞性能及破斷力。

7 結束語

通過對黎湛電氣化鐵路接觸網補償繩進行檢驗、比對試驗及分析，發現補償繩繩芯斷裂主要是補償裝置安裝工藝卡控不嚴，墜砣呈自由懸垂狀態，破壞了補償繩的合理結構，內外層股受力不均，應力集中于繩芯所致。加強補強裝置安裝及調整，嚴格按照安裝工藝進行施工，可以避免安全隱患發生。