接触网整体吊弦疲劳问题探究

巨子琪，尹 启

（1. 西安交通工程学院，陕西西安；2.中国铁路太原局集团公司临汾综合段，山西临汾）

1 吊弦的研究现状

Lopez-Garcia 研究了整体吊弦静态力的关系，已知接触线的结构高度，得出整体吊弦静态力的分布情况[1]。Yong seck Kim 将整体吊弦放置重复弯曲的工作状态下，模拟列车经过的状态，并进行相关力学的分析（轴向和弯曲量），得出整体吊弦的疲劳寿命[2]。王伟通过疲劳实验研究了整体吊弦疲劳性能，分析吊弦负载量和列车的速度对整体吊弦的影响，结果表明，吊弦的使用寿命与负载量和列车速度成反比，即负载量和速度越大整体吊弦寿命越短[3]；鲁敏和韩兰贵等人通过研究京沪高铁线路某段区间发现整体吊弦断裂的主要原因是压接工艺不合理，认为三点压接方式容易造成应力集中现象发生，改善压接工艺可有效提高整体吊弦的使用寿命[4]。

2 吊弦的疲劳分析

通过对武广高铁线路的研究发现接触网零部件开始慢慢发生老化现象。其中，整体吊弦疲劳现象的发生较为严重。由表1 所知：2012 年至2014 年间，随着列车速度的不断提高，列车所产生的振动能量也越来越大，导致磨损现象较为严重。后两年期间，随着服役时间的增长，发生故障现象明显增加，吊弦主弦处发生断丝现象次数较多。

表1 整体吊弦损耗占总缺陷比值

2.1 机械疲劳的分析

从机械疲劳角度来考虑分为无抬升量的影响和有抬升量的影响两种情况：

无抬升量但发生机械疲劳可称为低周疲劳失效，当某一段跨距内无列车运行时，整体吊弦受到接触线拉力的影响，会使整体吊弦发生低周疲劳失效，存在重大的事故隐患。低周疲劳所产生的时间长，虽然没有明显的破环特性，但潜在危害性很大。在往复式循环作用载荷下，绝大多数的材料都会发生疲劳损害[5]。当整体吊弦没有抬升量产生时，吊弦只受到静态力的作用。选取接触网中部的某跨距为研究对象，对跨距内6 根整体吊弦进行静态力分析。

由表2 发现同一跨距内6 根整体吊弦静态力大小呈现两边高、中间低的特点。研究表明，与吊弦所处的位置不同有关。1 号和6 号吊弦位于跨距端部，承受载重较大，即静态力大。3 号和4 号吊弦位于中部位置所受载荷较小，即静态力小。由此可得出，整体吊弦受静态力的作用不是使吊弦发生断裂的主要原因。

表2 整体吊弦静态力

当产生抬升量时，由于整体吊弦的安装位置是通过线夹连接在承力索和接触线之间，所以整体吊弦的弯曲量是指两个线夹之间的弯曲现象。抬升量可以分为接触线的抬升量和承力索的抬升量。如果接触线的抬升量和承力索的抬升量的差值为0，则说明整体吊弦的弯曲量为0。差值大于0，即产生了弯曲量。

当整体吊弦发生弯曲现象时，吊弦则受到动态力的作用。在同一跨距内的吊弦，因接触线和受电弓相互接触会使吊弦因动态力的作用而发生弯曲现象。

由于整体吊弦是由铜镁合金铰接而成，丝与丝之间必然会发生接触现象，这就导致了整体吊弦内部可能会发生摩擦的影响因素。从接触面的角度来看，整体吊弦内部的摩擦属于微动摩擦现象。当列车经过时，受电弓给予接触线抬升力的作用，这就导致整体吊弦会产生弯曲现象，吊弦内部丝与丝之间可能会发生相对运动这就导致了摩擦现象的发生。另外，由于整体吊弦属于金属制品，摩擦必然会产生磨屑，磨屑也会加入到磨损的过程中，从而加剧整体吊弦的使用寿命。

近年来，整体吊弦发生断裂情况主要有断丝、断股或者全断并且吊弦断裂部位主要表现在以下几个方面：钳压管内的吊弦部分会发生机械疲劳造成吊弦丝发生断裂；心形环在实际服役过程中，由于吊弦发生振动的影响，心形环会发生磨损现象，造成吊弦发生断裂；由于吊弦会产生弯曲量，吊弦的主弦处会发生磨损断裂[6]。

2.2 电气疲劳的分析

从电气的角度来看整体吊弦可分为载流型吊弦和非载流型吊弦两种。目前，我国大多数的电气化铁路均采用载流型吊弦；非载流型吊弦只用在特殊的地理位置。载流型吊弦两端的接触线线夹和承力索线夹上分别具有载流环，当接触线的电流过大，可以通过吊弦本体来传递电流。因此，吊弦不但起着连接承力索与接触线的作用，还负担着当电流过大吊弦可以作为并联线路来传递电流的路径。当跨距内不允许有电流通过可以采用非载流型吊弦，非载流型吊弦材料大多为绝缘性材料，只起着连接作用[7]。

当整体吊弦内部有电流通过时，吊弦会在电流的影响产生疲劳，为了研究这种情况，将跨距内的接触网系统简化为电路图；如图1 所示,忽略接触网系统内部各种摩擦因素的影响；忽略接触线和承力索的弛度变化，均与大地处于平行关系；接触网系统中，忽略因电流的作用，各零部件产生的互感现象。

图1 接触网系统简化为电路图

我国的电气化铁路接触网系统大多数采用弹性链形悬挂。在某一跨距内，开展电流计算。为了示图的简洁，只标明电流强度大于1%的吊弦、承力索、接触线。当变流点处于跨距中部时，电流强度分布情况，如图2所示。

图2 变流点位于跨距中部

当变流点处于跨距端部时，电流强度的分布情况，如图3 所示。

图3 变流点位于跨距端部

由图2、图3 可知，当变流点位于跨距中部吊弦的电流强度为30.64%；变流点位于跨距端部的电流强度为37.43%。相比较来说，变流点位于端部吊弦的电流负载强度较大；整体吊弦在电流通过时，只起到多条线路并联的作用，变流点附近5 根左右吊弦只有少量电流通过，其余吊弦电流通过量可以忽略不记。

通过分析可知，无论变流点位于端部或中部，整体吊弦均会发生电致塑性反应。电致塑性反应是指在电因素的影响下，整体吊弦会发生硬度降低塑性升高的过程，从而导致电气因素引起的整体吊弦疲劳现象。

整体吊弦的断裂除了与机械疲劳、电气因素相关外，还与外界环境有一定的关系。当铁路线路位于工厂附近和环境比较潮湿的地方时，整体吊弦易受到腐蚀物的影响，会大大缩减整体吊弦的使用寿命。

3 结论

整体吊弦可能发生断裂的原因，本文从机械疲劳、电气因素两个方面对其进行分析，得到如下结论：

（1） 从机械疲劳角度进行：无抬升量时，吊弦只受到静态力的作用不是使吊弦发生断裂的主要原因，有抬升量时，会明显影响吊弦的使用寿命。

（2） 从电气角度分析：无论变流点位于端部还是中部，整体吊弦都会发生电致塑性反应，从而影响整体吊弦的使用寿命。