接觸網整體吊弦疲勞問題探究

巨子琪，尹 啟

（1. 西安交通工程學院，陜西西安；2.中國鐵路太原局集團公司臨汾綜合段，山西臨汾）

1 吊弦的研究現狀

Lopez-Garcia 研究了整體吊弦靜態力的關系，已知接觸線的結構高度，得出整體吊弦靜態力的分布情況[1]。Yong seck Kim 將整體吊弦放置重復彎曲的工作狀態下，模擬列車經過的狀態，并進行相關力學的分析（軸向和彎曲量），得出整體吊弦的疲勞壽命[2]。王偉通過疲勞實驗研究了整體吊弦疲勞性能，分析吊弦負載量和列車的速度對整體吊弦的影響，結果表明，吊弦的使用壽命與負載量和列車速度成反比，即負載量和速度越大整體吊弦壽命越短[3]；魯敏和韓蘭貴等人通過研究京滬高鐵線路某段區間發現整體吊弦斷裂的主要原因是壓接工藝不合理，認為三點壓接方式容易造成應力集中現象發生，改善壓接工藝可有效提高整體吊弦的使用壽命[4]。

2 吊弦的疲勞分析

通過對武廣高鐵線路的研究發現接觸網零部件開始慢慢發生老化現象。其中，整體吊弦疲勞現象的發生較為嚴重。由表1 所知：2012 年至2014 年間，隨著列車速度的不斷提高，列車所產生的振動能量也越來越大，導致磨損現象較為嚴重。后兩年期間，隨著服役時間的增長，發生故障現象明顯增加，吊弦主弦處發生斷絲現象次數較多。

表1 整體吊弦損耗占總缺陷比值

2.1 機械疲勞的分析

從機械疲勞角度來考慮分為無抬升量的影響和有抬升量的影響兩種情況：

無抬升量但發生機械疲勞可稱為低周疲勞失效，當某一段跨距內無列車運行時，整體吊弦受到接觸線拉力的影響，會使整體吊弦發生低周疲勞失效，存在重大的事故隱患。低周疲勞所產生的時間長，雖然沒有明顯的破環特性，但潛在危害性很大。在往復式循環作用載荷下，絕大多數的材料都會發生疲勞損害[5]。當整體吊弦沒有抬升量產生時，吊弦只受到靜態力的作用。選取接觸網中部的某跨距為研究對象，對跨距內6 根整體吊弦進行靜態力分析。

由表2 發現同一跨距內6 根整體吊弦靜態力大小呈現兩邊高、中間低的特點。研究表明，與吊弦所處的位置不同有關。1 號和6 號吊弦位于跨距端部，承受載重較大，即靜態力大。3 號和4 號吊弦位于中部位置所受載荷較小，即靜態力小。由此可得出，整體吊弦受靜態力的作用不是使吊弦發生斷裂的主要原因。

表2 整體吊弦靜態力

當產生抬升量時，由于整體吊弦的安裝位置是通過線夾連接在承力索和接觸線之間，所以整體吊弦的彎曲量是指兩個線夾之間的彎曲現象。抬升量可以分為接觸線的抬升量和承力索的抬升量。如果接觸線的抬升量和承力索的抬升量的差值為0，則說明整體吊弦的彎曲量為0。差值大于0，即產生了彎曲量。

當整體吊弦發生彎曲現象時，吊弦則受到動態力的作用。在同一跨距內的吊弦，因接觸線和受電弓相互接觸會使吊弦因動態力的作用而發生彎曲現象。

由于整體吊弦是由銅鎂合金鉸接而成，絲與絲之間必然會發生接觸現象，這就導致了整體吊弦內部可能會發生摩擦的影響因素。從接觸面的角度來看，整體吊弦內部的摩擦屬于微動摩擦現象。當列車經過時，受電弓給予接觸線抬升力的作用，這就導致整體吊弦會產生彎曲現象，吊弦內部絲與絲之間可能會發生相對運動這就導致了摩擦現象的發生。另外，由于整體吊弦屬于金屬制品，摩擦必然會產生磨屑，磨屑也會加入到磨損的過程中，從而加劇整體吊弦的使用壽命。

近年來，整體吊弦發生斷裂情況主要有斷絲、斷股或者全斷并且吊弦斷裂部位主要表現在以下幾個方面：鉗壓管內的吊弦部分會發生機械疲勞造成吊弦絲發生斷裂；心形環在實際服役過程中，由于吊弦發生振動的影響，心形環會發生磨損現象，造成吊弦發生斷裂；由于吊弦會產生彎曲量，吊弦的主弦處會發生磨損斷裂[6]。

2.2 電氣疲勞的分析

從電氣的角度來看整體吊弦可分為載流型吊弦和非載流型吊弦兩種。目前，我國大多數的電氣化鐵路均采用載流型吊弦；非載流型吊弦只用在特殊的地理位置。載流型吊弦兩端的接觸線線夾和承力索線夾上分別具有載流環，當接觸線的電流過大，可以通過吊弦本體來傳遞電流。因此，吊弦不但起著連接承力索與接觸線的作用，還負擔著當電流過大吊弦可以作為并聯線路來傳遞電流的路徑。當跨距內不允許有電流通過可以采用非載流型吊弦，非載流型吊弦材料大多為絕緣性材料，只起著連接作用[7]。

當整體吊弦內部有電流通過時，吊弦會在電流的影響產生疲勞，為了研究這種情況，將跨距內的接觸網系統簡化為電路圖；如圖1 所示,忽略接觸網系統內部各種摩擦因素的影響；忽略接觸線和承力索的弛度變化，均與大地處于平行關系；接觸網系統中，忽略因電流的作用，各零部件產生的互感現象。

圖1 接觸網系統簡化為電路圖

我國的電氣化鐵路接觸網系統大多數采用彈性鏈形懸掛。在某一跨距內，開展電流計算。為了示圖的簡潔，只標明電流強度大于1%的吊弦、承力索、接觸線。當變流點處于跨距中部時，電流強度分布情況，如圖2所示。

圖2 變流點位于跨距中部

當變流點處于跨距端部時，電流強度的分布情況，如圖3 所示。

圖3 變流點位于跨距端部

由圖2、圖3 可知，當變流點位于跨距中部吊弦的電流強度為30.64%；變流點位于跨距端部的電流強度為37.43%。相比較來說，變流點位于端部吊弦的電流負載強度較大；整體吊弦在電流通過時，只起到多條線路并聯的作用，變流點附近5 根左右吊弦只有少量電流通過，其余吊弦電流通過量可以忽略不記。

通過分析可知，無論變流點位于端部或中部，整體吊弦均會發生電致塑性反應。電致塑性反應是指在電因素的影響下，整體吊弦會發生硬度降低塑性升高的過程，從而導致電氣因素引起的整體吊弦疲勞現象。

整體吊弦的斷裂除了與機械疲勞、電氣因素相關外，還與外界環境有一定的關系。當鐵路線路位于工廠附近和環境比較潮濕的地方時，整體吊弦易受到腐蝕物的影響，會大大縮減整體吊弦的使用壽命。

3 結論

整體吊弦可能發生斷裂的原因，本文從機械疲勞、電氣因素兩個方面對其進行分析，得到如下結論：

（1） 從機械疲勞角度進行：無抬升量時，吊弦只受到靜態力的作用不是使吊弦發生斷裂的主要原因，有抬升量時，會明顯影響吊弦的使用壽命。

（2） 從電氣角度分析：無論變流點位于端部還是中部，整體吊弦都會發生電致塑性反應，從而影響整體吊弦的使用壽命。