陳根柱 上海鐵路局徐州供電段（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院）

接觸網(wǎng)零部件運(yùn)行穩(wěn)定性分析研究

陳根柱 上海鐵路局徐州供電段（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院）

接觸網(wǎng)零部件的運(yùn)行可靠關(guān)乎供電可靠和鐵路運(yùn)輸安全，通過對(duì)以往設(shè)備故障的分析和整治，吸取運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外供電領(lǐng)域的研究和分析方法，提出造成接觸網(wǎng)零部件損壞的因素，以指導(dǎo)接觸網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)工作。

接觸網(wǎng)；零部件；分析；研究

在電氣化鐵路系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)是電力機(jī)車、電力動(dòng)車組的動(dòng)力來源，其各個(gè)組件的相互連接形成了接觸網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)，接觸網(wǎng)重要的組成部分之一就是接觸網(wǎng)零部件，在保證供電安全性方面起著關(guān)鍵作用，是我們關(guān)注的重點(diǎn)，所有的檢修、檢查工作都是為了保證其可以穩(wěn)定、良好的運(yùn)行，保證接觸網(wǎng)供電可靠。為了更好的進(jìn)行分析和研究，本文對(duì)典型故障進(jìn)行收集、整理，對(duì)零部件做重要度分析，對(duì)零部件損壞原因進(jìn)行分析，得出危及其運(yùn)行穩(wěn)定性的相關(guān)因素，針對(duì)性的提出預(yù)防措施和辦法，指導(dǎo)一線站段的接觸網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)工作。

1 概況

1.1 運(yùn)行現(xiàn)狀

接觸網(wǎng)零部件在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、鐵路（電力）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)規(guī)范、文件、行業(yè)規(guī)程中在材質(zhì)、制造質(zhì)量、機(jī)械性能、電氣性能、防腐蝕、緊固等方面都有明確的標(biāo)準(zhǔn)和要求，運(yùn)行狀態(tài)下要保證接觸網(wǎng)零部件選型合理，制造工藝達(dá)標(biāo)，施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)，安裝牢固，螺母緊固到位，受力均勻，在溫度變化時(shí)不應(yīng)出現(xiàn)彎曲變形、位移，防疲勞、腐蝕等。雖然如此，從運(yùn)行過程來看，每條線路依舊不斷地出現(xiàn)零部件斷裂、缺失、腐蝕、松脫、卡滯等問題。

1.2 重要性分析

我國(guó)作為鐵路大國(guó)，不僅在電氣化鐵路總里程上遙遙領(lǐng)先，而且在某些產(chǎn)品制造和標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用上走在世界的前列，擁有豐富的鐵路設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，高速鐵路更是迅猛發(fā)展。但也是由于其發(fā)展速度較快，相當(dāng)一部分的高新技術(shù)還沒有得到消化和吸收，接觸網(wǎng)在材料科學(xué)領(lǐng)域、工藝制造、維護(hù)管理方面的技術(shù)水平都還需要我們加快腳步細(xì)細(xì)鉆研，以求在接觸網(wǎng)領(lǐng)域形成成熟和穩(wěn)定的體系。接觸網(wǎng)零部件是供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)，金字塔的底層，每一個(gè)螺栓都有各自固定的位置，零部件的牢固和穩(wěn)定與否直接影響到整個(gè)體系。

2 零部件重要度分析

接觸網(wǎng)零部件種類繁多，結(jié)構(gòu)多種多樣，全部研究起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不符合實(shí)際。本文引用重要度分析方法，找出哪些零部件對(duì)運(yùn)行安全更加重要?；跍y(cè)試數(shù)據(jù)的零部件重要度分析，是通過穩(wěn)定性測(cè)試獲得接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理、等效載荷及其應(yīng)力測(cè)試分析，得出影響運(yùn)行可靠性的零部件重要度分析。從高速鐵路的重要度分析結(jié)果來看，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，重要度排序?yàn)椋和蟊劢Y(jié)構(gòu)、定位結(jié)構(gòu)、絕緣部件以及連接部件，而與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)比，故障也多發(fā)在此類位置，以下重點(diǎn)對(duì)此類部件進(jìn)行分析研究。

3 影響因素分析

3.1 自身因素

3.1.1 設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)在某種程度上決定了接觸網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定和可靠，設(shè)計(jì)不合理會(huì)直接造成接觸網(wǎng)帶“硬傷”運(yùn)行，并給檢修帶來難以消除的隱患。一方面表現(xiàn)在零部件設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)不合理，幾何參數(shù)不達(dá)標(biāo)，相關(guān)試驗(yàn)不合格等，例如某高鐵線路的補(bǔ)償墜砣限制架，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，限制架角鋼易發(fā)生偏斜，限制管在冬季宜發(fā)生結(jié)冰堵塞，加之墜砣上下竄動(dòng)造成限制管脫出，曾多次發(fā)生侵入鐵路限界險(xiǎn)情。另一方面表現(xiàn)在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中，未考慮相關(guān)影響因素（如張力、外部環(huán)境等），造成選用設(shè)備不適用，例如某高鐵線路正饋線采用的QBJX-25/70Q絕緣子，其構(gòu)造長(zhǎng)度500 mm，瓷質(zhì)長(zhǎng)度330 mm，不能滿足高鐵外部環(huán)境的運(yùn)行需要，造成多次閃絡(luò)跳閘。因此設(shè)計(jì)是零部件穩(wěn)定性能力強(qiáng)弱的前提。

3.1.2 設(shè)備質(zhì)量和生產(chǎn)工藝

目前故障原因反映最多的就是設(shè)備質(zhì)量和生產(chǎn)工藝問題，一是由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)較多，水平參差不齊，再加上行業(yè)監(jiān)管力度不強(qiáng)，個(gè)別生產(chǎn)企業(yè)往往將螺栓等產(chǎn)品分包給標(biāo)準(zhǔn)不嚴(yán)的小型企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)，質(zhì)量得不到保障；二是有些國(guó)內(nèi)企業(yè)在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)時(shí)，技術(shù)質(zhì)量監(jiān)管不力，標(biāo)準(zhǔn)不嚴(yán)，加之國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)員工專業(yè)素質(zhì)不高，部分不合格產(chǎn)品流入市場(chǎng)；三是材質(zhì)上的缺陷也是質(zhì)量不合格的重要原因，多表現(xiàn)在以次充好，產(chǎn)品成分含量不足等。由于產(chǎn)品質(zhì)量不合格（如圖1所示螺栓、圖2所示絕緣子），沒有達(dá)到耐壓、耐疲勞等技術(shù)條件，零件在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)工作（沖擊、振動(dòng)、受壓、受拉等）過程中容易損壞，發(fā)生變形、松脫等，造成故障。

圖1 腕臂底座螺栓斷裂

圖2 絕緣子串質(zhì)量不達(dá)標(biāo)炸裂

3.1.3 施工、安裝工藝

由于施工或安裝工藝不達(dá)標(biāo)等原因，接觸網(wǎng)個(gè)別部位長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)在結(jié)構(gòu)和受力方面發(fā)生變化，出現(xiàn)“松、脫、卡、斷、磨、幾何參數(shù)、安全距離”問題。如某高鐵線路電連接線夾壓接工藝不達(dá)標(biāo)（如圖3所示），線夾脫落后打壞受電弓，造成弓網(wǎng)故障。另隨著車速的提高，接觸網(wǎng)零部件成為彈性的薄弱環(huán)節(jié)，由于弓網(wǎng)壓力加大，其各部螺栓更容易振動(dòng)脫落引起故障，根據(jù)計(jì)算分析，含螺栓的大部分零部件中由螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的安裝應(yīng)力占較大比重，而工作應(yīng)力相對(duì)較小，對(duì)這些零部件而言，如果采用的緊固力矩過當(dāng)，有可能在施工安裝過程中就對(duì)其造成損傷，進(jìn)而逐步失效，如某線路支柱定位管支撐螺栓緊固力矩不達(dá)標(biāo)（如圖4所示）造成螺栓、支撐脫落等此類問題，均有力說明了施工和安裝工藝的重要性。

圖3 電連接壓接錯(cuò)誤

圖4 緊固不到位，套管單耳松脫滑移

3.2 腐蝕作用

3.2.1 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕往往是在沒有任何明顯外觀變形條件下發(fā)生的脆性斷裂，破壞性較大，且目前沒有有效的監(jiān)測(cè)手段。應(yīng)力腐蝕斷裂是指零件在應(yīng)力（殘余應(yīng)力或工作應(yīng)力）和特定的腐蝕環(huán)境共同作用下發(fā)生的一種局部腐蝕破壞，破壞形態(tài)是腐蝕裂紋擴(kuò)展斷裂。應(yīng)力腐蝕常出現(xiàn)在銅合金、高強(qiáng)度鋁合金和不銹鋼中，過程為：開始發(fā)生于腐蝕引起腐蝕敏感部位形成微小蝕坑或裂紋核，再由蝕坑或裂紋核達(dá)到極限應(yīng)力值為止，從裂紋擴(kuò)展到零件斷裂。在接觸網(wǎng)運(yùn)行過程中，許多零部件由于最初的內(nèi)在微小裂紋或者創(chuàng)傷，最終在受電弓沖擊和壓力、外部環(huán)境綜合作用下，出現(xiàn)失效、腐蝕斷裂。2006年~ 2013年間某供電段管內(nèi)共發(fā)生10件定位線夾斷裂、2件電連接線夾斷裂事件，值得我們?cè)诮窈蟮倪\(yùn)行和維護(hù)工作中加以重視，特別是應(yīng)力腐蝕發(fā)現(xiàn)難度較大。

3.2.2 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕主要表現(xiàn)在兩方面，即直接的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，其危害性均不容忽視。

一是直接化學(xué)腐蝕。表現(xiàn)在外部環(huán)境空氣中的化學(xué)成分對(duì)接觸網(wǎng)零部件的直接腐蝕，例如某地區(qū)接觸網(wǎng)在海鹽氣候條件以及周邊的化學(xué)工廠排污的影響下，絕緣子、接觸線、腕臂、吊弦等部件及連接線夾遭到腐蝕（如圖5所示），瓷質(zhì)絕緣子表面出現(xiàn)密集型腐蝕斑點(diǎn)（如圖6所示），接觸線和承力索上出現(xiàn)了銅銹，每年在冬季多霧、雨季時(shí)期，頻繁出現(xiàn)絕緣閃絡(luò)，給鐵路運(yùn)輸造成了嚴(yán)重影響。

圖5 化學(xué)腐蝕的接觸線、吊弦

圖6 化學(xué)腐蝕的瓷質(zhì)絕緣子

二是電化學(xué)腐蝕。金屬的腐蝕原理有多種，其中電化學(xué)腐蝕是最為普遍的一種。在不同的材質(zhì)（如銅、鋁）在電、氧、水汽等的綜合作用下在接觸表面發(fā)生的化學(xué)置換現(xiàn)象。危害性非常大，一方面，它會(huì)在短期內(nèi)使金屬表面遭到大面積腐蝕；另一方面，腐蝕在金屬表面產(chǎn)生沉積物，加劇鐵垢的形成，也加劇了運(yùn)行熱量的增加，易燒損設(shè)備。例如接觸網(wǎng)銅鋁連接會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)際應(yīng)用中一般用銅鋁過渡設(shè)備線夾或墊片來消除隱患。

3.2.3 電腐蝕

除了電化學(xué)腐蝕，還存在著電位差、過電壓、電弧、電磁感應(yīng)等造成的電腐蝕問題，如關(guān)節(jié)式分相的中性段，大型站場(chǎng)接觸網(wǎng)局部電位差，交叉線索處所的電位差，絕緣錨段兩側(cè)供電臂在線索處形成電位差，站場(chǎng)軟橫跨處電流分流不暢，連接線夾安裝不密貼等造成的放電腐蝕現(xiàn)象。上述類似處所在通過大電流時(shí)容易造成電腐蝕，燒損零部件。例如在2013年某車站發(fā)生了一件軟索式硬橫跨定位環(huán)、定位器燒熔斷裂故障（如圖7所示），最終造成定位器脫落、打弓故障，正是由于高速鐵路大型站場(chǎng)軟橫跨處電流分流不暢造成的。

圖7 軟橫跨定位環(huán)、定位器燒熔斷裂

3.3 疲勞、壽命因素

接觸網(wǎng)具有機(jī)電復(fù)合特性，除滿足電氣強(qiáng)度、牽引功率、電壓水平、絕緣安全等電氣方面的技術(shù)要求外，還必須滿足機(jī)械強(qiáng)度、波動(dòng)特性、空間位置、動(dòng)靜態(tài)彈性等方面的技術(shù)要求，各部零件在運(yùn)行中，承受機(jī)電復(fù)合作用，容易產(chǎn)生運(yùn)行疲勞，從而影響使用壽命。

3.4 外部因素

接觸網(wǎng)為露天架設(shè)，運(yùn)行工作受到外部環(huán)境影響較大，外部因素對(duì)零部件的運(yùn)行穩(wěn)定性有著巨大干擾，常出現(xiàn)鐵路旁邊的違規(guī)建筑物、樹木、鳥巢、風(fēng)箏異物等造成的安全距離不足放電，內(nèi)燃機(jī)車的油污染，站房雨棚構(gòu)件脫落（如圖8所示），污染（如化學(xué)、粉塵等），雨雪霧天（如圖9所示）等等，都造成過零部件燒傷、斷線故障，在故障原因中的所占比例也較高。

圖8 車站雨棚扣件脫落

圖9 霧閃

3.5 維護(hù)管理水平

在國(guó)內(nèi)大多數(shù)的運(yùn)行站段中，還存在著老一輩敲敲打打的維修手法，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代鐵路設(shè)備運(yùn)行要求，特別是高速鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)及誤差已經(jīng)精確到了毫米級(jí)別，線索坡度及變化率更加精細(xì)，對(duì)我們的維修手段和方法提出了更高要求。例如最基本的螺栓緊固力矩，各路局均提出了使用力矩扳手進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)緊固的要求，但是由于職工素質(zhì)不高以及運(yùn)行要求不嚴(yán)等因素，未能得到很好的落實(shí)，在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)諸多螺栓緊固過緊造成線夾斷裂，過松造成零件脫落的問題。

4 結(jié)論及建議

經(jīng)過分析和研究，影響接觸網(wǎng)零部件運(yùn)行穩(wěn)定性的因素有很多，是接觸網(wǎng)復(fù)雜的學(xué)科特性決定的，其涉及學(xué)術(shù)專業(yè)較多，零部件也是如此，要保證其運(yùn)行穩(wěn)定，必須考慮諸多相關(guān)因素，例如環(huán)境、材料、動(dòng)力學(xué)、化學(xué)、電等等因素。因此，我們只有對(duì)這些諸多因素進(jìn)行再研究、再考量，不斷地完善接觸網(wǎng)零部件的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)制造、安裝驗(yàn)收、維護(hù)等工作，才能保證其運(yùn)行穩(wěn)定，延長(zhǎng)使用壽命。通過研究，提出以下幾點(diǎn)建議供參考。

（1）深入對(duì)接觸網(wǎng)零部件材料選用的研究，制造出耐腐蝕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能好、具有良好的疲勞特性的零部件。

（2）加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管，對(duì)生產(chǎn)廠家進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督，滿足國(guó)家規(guī)定的技術(shù)條件和試驗(yàn)方法，保證生產(chǎn)質(zhì)量，做好研發(fā)和制造的質(zhì)量控制。同時(shí)抓好行業(yè)準(zhǔn)入和責(zé)任追究，杜絕不合格產(chǎn)品流入市場(chǎng)。

（3）進(jìn)一步深入研究采用高效、全面的防腐技術(shù)，增加應(yīng)力腐蝕檢驗(yàn)，如對(duì)銅合金零件及不銹鋼螺栓進(jìn)行應(yīng)力腐蝕抽樣檢驗(yàn)，以確保零件在使用期內(nèi)不產(chǎn)生斷裂和其它危及使用的缺陷。

（4）提高接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)水平，不斷完善仿真模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使其更貼近真實(shí)、運(yùn)行的接觸網(wǎng)，以促進(jìn)零部件的正確選用。

（5）強(qiáng)化管理水平。做到標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，規(guī)范使用維修工具，編制作業(yè)指導(dǎo)書，規(guī)范作業(yè)內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)；建立零部件管理檔案，從出廠、施工、驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)等多層次、系統(tǒng)化管理零部件，做到有據(jù)可查，管理到位。

（6）加大對(duì)外部環(huán)境的整治力度，聯(lián)合地方政府，對(duì)沿線化工企業(yè)、煤炭、水泥等污染企業(yè)進(jìn)行清理整頓，減少其對(duì)接觸網(wǎng)的腐蝕、污染。

（7）加大新產(chǎn)品的審核鑒定工作，杜絕違規(guī)、不合理的產(chǎn)品流入鐵路建設(shè)和運(yùn)行管理中。

[1]蔣先國(guó).電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件設(shè)計(jì)與制造 [M].中國(guó)鐵道出版社, 2009

[2]林裕華.高速鐵路接觸網(wǎng)零部件的重要度分析.電氣化鐵道,2011,22(2)

[3]鄧小桃.淺析局部電位差對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備的危害及對(duì)策 [J].科技資訊, 2014,04

[4]陳立明.接觸網(wǎng)零部件應(yīng)力腐蝕斷裂分析.鐵道技術(shù)監(jiān)督,2012,40(2)

[5]趙正路,閆軍芳.接觸網(wǎng)螺栓緊固力矩應(yīng)用淺析[J].電氣化鐵道,2014,03

責(zé)任編輯：王華 張萼輝

來稿日期：2015-05-22