关于对郑西高铁吊弦断裂问题的成因分析

关于对郑西高铁吊弦断裂问题的成因分析

任勇

中国铁路郑州局集团有限公司洛阳供电段  河南洛阳    471000

在电气化铁路中,接触网是与电力机车直接相关联的设备,也是牵引供电重要的设备之一。电力机车能够安全平稳的运行，不仅与机车本身的性能和质量有关，同时也受接触网特性和线路特性的影响。在接触网日常维护过程中，吊弦断裂打弓问题逐渐成为接触悬挂设备的重点问题。

郑西高铁作为我国开通较早的一批高铁线路，对设备缺陷发生情况、运营维护经验都有一定的积累，可作为吊弦断裂问题的典型样本。通过对吊弦断裂情况进行总结对比分析，探讨吊弦断裂的成因，为后续提高吊弦维护质量提供有益的帮助。

一、郑西高铁接触网吊弦设计结构和形式

郑西高铁正线接触网采用全补偿弹性链形悬挂，承力索与接触线之间采用整体不可调吊弦进行连接。吊弦结构采用心形环形式，吊弦线在接触线、承力索端采用钳压管压接进行固定。同时，为防止电流灼伤吊弦，吊弦线与承力索、接触线之间有可靠的电气连接和防护措施，即载流环。

（1）材质

郑西高铁整体吊弦为宝鸡保德利电气设备有限责任公司产品，线夹本体采用硅青铜CuNi2Si板材冲压而成，吊弦线采用JTMH10铜合金绞线，由49根单丝绞合而成(共计7股，每股7根单丝)。吊弦由T2铜连接线夹通过压接管、心形护环与吊环绞环连接，采用犬牙式不对称方式压接。

（2）性能

本零件的最大垂直工作荷重为1.3 kN；

吊弦线夹与接触线及承力索之间的滑动荷重值不小于1.0 kN；

在钳压管处，两吊弦线之间压接后的滑动荷重不小于3.9kN；

连接线夹与吊弦线之间的滑动荷重不小于1.0kN；

线夹本体的拉伸破坏荷重不小于：4.0kN；

接触线吊弦线夹应与最大行车速度时的受电弓良好配合，左右偏转±30º时不打弓；

吊弦线的性能:

（3）制造工艺

吊弦线夹本体、吊环、心形环、线鼻子采用金属模冲压工艺。

二、吊弦断裂情况统计分析

通过统计郑西高铁2015年至2019年五年来的吊弦断裂缺陷数据,累计发现吊弦断裂缺陷44件。从吊弦断裂的位置统计分析，吊弦主线在承力索侧压接管处断裂21件，占总数的47.7%；吊弦主线在接触线侧压接管处断裂21件，占总数的47.7%；吊弦主线在心形环处断裂的2件，占总数的4.6%。根据断裂位置来看，压接管口为吊弦断裂的最主要位置，且接触线侧和承力索侧断裂情况差别不大。根据上述郑西高铁整体吊弦的设计技术参数标准，初步分析由于吊弦压接管的特殊结构形式，对吊弦主线造成了持续性的损伤，长期作用下吊弦发生断裂。

从吊弦在一跨内的分布情况统计分析，弹性吊索外第一吊弦断裂的22件，占总数的50%；弹性吊索外第二吊弦断裂的16件，占总数的36.4%；弹性吊索外第三吊弦断裂的5件，占总数的11.4%，弹性吊索吊弦断裂1件，占总数的2.3%。吊弦断裂主要集中在弹性吊索外第一吊弦，因弹性吊索外第一吊弦为一跨内弹性由定位点向跨中的弹性过渡点，为振动时弹性不均匀区域，使吊弦振动较为剧烈，导致吊弦断裂的情况较多。

三、吊弦断裂原因分析

（1）早期吊弦压接工艺存在缺陷

经查阅设备厂家提供的吊弦零部件安装手册，2014年前后对吊弦压接工艺进行了优化调整，新的压接工艺减少了在安装过程中对吊弦的损伤，也减轻了安装后对吊弦产生的不利影响。

①吊弦钳压管压接工艺对比

图1：优化前钳压管压接方式 图2:优化后钳压管压接方式

吊弦钳压管压接形式由原来的犬牙式压接改变为包裹式压接。犬牙式不对称方式使吊弦线在压接点处发生变形，在钳压管内部形成蛇形弯曲，易形成压接应力集中点，造成压接后主线在钳压管内部弯曲损伤，在长期高频振动下发生断丝。受高频振动影响，吊弦反复弯曲次数较多，加之犬牙三点压接方式在钳压管处韧性变差，既要承受较大压接应力，又受到反复弯曲在压接处出现断股、断丝后，吊弦线索有效截面减小，单丝承受拉力进一步增大，当剩余截面拉力达到吊弦线索临界破环值时，吊弦发生突然断裂。包裹式压接方式可以有效避免在钳压管内部形成应力集中，对吊弦线索损害更小，减轻不当压接方式对吊弦的影响。

同时，压接方式也由以往的人工压接改变为电动液压整套压接方式，减少了人工压接不规范、不密贴、张力不均匀等问题。

②吊弦心型环安装工艺对比

图3：2014年前心形环压接方式 图4:2014年后心形环压接方式

初期吊弦心形环的安装工艺，对心形环顶端与钳压管管口距离要求不大于5mm，后期经优化设计后，改为心形环顶端与钳压管管口距离0.5～0.8mm。由于旧的工艺标准存在问题，钳压管与心形环距离较大，在现场设备运行过程中，随着接触网上下波动时，心形环顶端边沿与吊弦本线产生摩擦，长此以往容易造成吊弦断裂。从现场检修情况看，该位置发生的吊弦断丝断股情况也较多。改为新工艺后，由于心形环顶端与钳压管管口较为密贴，接触网上下波动时，心形环与钳压管整体上下移动，减轻了心形环顶端边沿与吊弦本线的摩擦。

（2）施工建设时，设备安装质量不高。一是悬挂弹性分布不均匀。按照弹性链型悬挂在接触网跨距内的弹性分布及弓网振动原理，弹性吊索外第一、二吊弦为一跨内弹性由定位点向跨中的弹性过渡点，为振动时弹性不均匀区域，弹性吊索张力是否符合标准对其附近悬挂弹性均匀度存在较大影响。根据对洛阳龙门-渑池南区间断裂吊弦附近弹性吊索张力检测分析，张力符合标准范围(3.15KN≤F≤3.85KN)的(3处)仅占总数的27%；其余均超出标准范围，占该区段断裂总数的73%。其中上部断裂吊弦附近的弹性吊索张力全部大于标准值。故施工中人为增大弹性吊索张力引起附近吊弦悬挂的弹性降低，吊弦在承力索侧承受横向拉断力及振幅增大；采取减小单根吊弦长度以满足锚段关节处导高转换要求的方法，造成吊弦处弹性降低，局部受力变大，这些因素增大了吊弦在上部断裂的概率。二是吊弦安装技术标准不高。断裂吊弦分布较多的洛阳龙门-渑池南、渑池南-三门峡南等区段，吊弦松弛、未按工艺压接、吊弦心形环不密贴等现象也较多存在。由于施工人员技术标准掌握不到位、吊弦安装不规范，导致部分吊弦带病运行。吊弦在非正常状态下更容易受到线索振动、零部件摩擦等的影响，也是造成吊弦断裂的重要因素。

（3）接触网整体参数不达标。压接工艺缺陷以及施工质量只能通过更换吊弦以及全面检查作业才能进行消除，现阶段可通过线路环境以及1C、4C等检测参数掌握导高、接触压力等振动规律对吊弦折断的影响，从而掌握吊弦折断规律，以期通过参数分析和现场调整，做到将吊弦折断隐患遏制于萌芽之中。

通过对近期吊弦断裂处所的1C波形图进行分析，发现75%的吊弦断裂处所，其导高和接触力波形在吊弦折断处或者折断处附近波动较大。遂接触网参数变化较大时，导致受电弓通过时接触线振动较为剧烈、吊弦振动幅度较大，因此相邻几跨内导高参数不标准，过渡不平滑也是造成吊弦断裂的一个重要因素。

图5：洛渑1296#吊弦断裂位置波形图对比

图6：渑三519#吊弦断裂位置波形图分析

吊弦断裂问题的成因较为复杂，受整体接触网参数、吊弦安装工艺、施工质量、设备运行整体环境等各方面因素影响较大。随着设备运行时间的不断延长，吊弦断裂问题将会越来越多的显现出来。需要长期不断深入研究接触网运行规律，持续关注吊弦断裂问题，探讨吊弦断裂的有效解决办法，努力提高接触网设备运行质量。