陳 杰

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淺談影響高速鐵路接觸網(wǎng)零部件運(yùn)行穩(wěn)定性的因素

陳 杰

南昌鐵路局廈門供電段

為了保證高速鐵路接觸網(wǎng)安全可靠和經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，該文結(jié)合現(xiàn)階段我國高鐵運(yùn)行實(shí)際情況及日常運(yùn)營維護(hù)時遇到的問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，探討影響接觸網(wǎng)零部件運(yùn)行穩(wěn)定性的因素。

高速鐵路 接觸網(wǎng) 零部件 穩(wěn)定性

我國接觸網(wǎng)發(fā)源于前蘇聯(lián)，在引進(jìn)他國先進(jìn)技術(shù)后，經(jīng)過多年的電氣化鐵路運(yùn)營和高速鐵路的研究、發(fā)展，目前在高速鐵路產(chǎn)品制造和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用上引領(lǐng)世界。但因?yàn)榘l(fā)展速度較快，有些高新技術(shù)在消化吸收再創(chuàng)造方面還不夠深入，特別是接觸網(wǎng)零部件的制造和施工工藝、維護(hù)水平等。接觸網(wǎng)零部件涉及材料、力學(xué)、電氣、熱學(xué)、環(huán)境學(xué)等，有的甚至涉及多個學(xué)科交叉，且運(yùn)用復(fù)雜，各部件的配合需要默契和牢固，每一個螺栓都有各自固定的位置。接觸網(wǎng)零部件是牽引供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)，零部件的牢靠和穩(wěn)定與否將直接影響弓網(wǎng)系統(tǒng)，與高速鐵路的運(yùn)行安全息息相關(guān)。影響高鐵接觸網(wǎng)零部件運(yùn)行穩(wěn)定性的因素主要有以下幾方面。

1 主觀因素

主觀因素是指自身產(chǎn)品及質(zhì)量、施工安裝工藝等對接觸網(wǎng)零部件運(yùn)行性能的影響，可以通過前期進(jìn)行規(guī)范、要求和完善改進(jìn)。

1.1 設(shè)計(jì)因素

接觸網(wǎng)零部件的設(shè)計(jì)必須滿足接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能的要求，且要滿足運(yùn)行可靠性和方便安裝等要求。從某種程度來說，設(shè)計(jì)直接決定接觸網(wǎng)安裝、運(yùn)行后的穩(wěn)定、可靠和安全。設(shè)計(jì)不合理，會直接造成接觸網(wǎng)“硬傷”和帶“病”運(yùn)行，在實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)中，此類問題經(jīng)常出現(xiàn)。一方面，零件組織結(jié)構(gòu)不合理，各部件不匹配，滿足不了力學(xué)或電氣方面的要求。例如某高速鐵路使用的隧道內(nèi)補(bǔ)償墜砣限制架，由于升降滑輪與框架間隙在安裝過程中容易卡滯，且后期調(diào)整難度極大，給后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)帶來困難，需要改變結(jié)構(gòu)和安裝形式才能消除此類隱患。另一方面，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中未考慮外部環(huán)境等相關(guān)影響因素，選用設(shè)備不適用。例如某沿海高鐵跨海大橋上的接觸網(wǎng)硬橫梁橋鋼柱因選型不當(dāng)，未充分考慮極端天氣情況下的載荷，在2016年“莫蘭蒂”17級臺風(fēng)正面登陸襲擊時，200多根硬橫梁橋鋼柱全部扭曲變形，接觸網(wǎng)大面積塌網(wǎng)，中斷正常運(yùn)輸秩序，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。由此可見，設(shè)計(jì)是需要最周全考慮的一個環(huán)節(jié)，必須綜合相關(guān)的各種因素，以保證每個零部件選型、制造、安裝乃至接觸網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.2 設(shè)備質(zhì)量和生產(chǎn)工藝

目前，各運(yùn)營維護(hù)管理單位遇到的絕大部分設(shè)備問題和故障原因，都集中在設(shè)備質(zhì)量和生產(chǎn)工藝上。主要原因有：一是由于國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)較多，水平也參差不齊，目前國內(nèi)行業(yè)監(jiān)管力度還不強(qiáng)，對生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)是否應(yīng)使用滿足條件的鍛造、冶煉、處理設(shè)備沒有嚴(yán)格規(guī)定，工業(yè)化程度也難保證，檢驗(yàn)環(huán)節(jié)還大部分是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，高鐵入圍的產(chǎn)品對大部件、重要件實(shí)行的是抽樣檢驗(yàn)，沒有針對小部件如螺栓、螺帽、開口銷等進(jìn)行檢驗(yàn)，個別生產(chǎn)企業(yè)會將小部件（如螺栓、螺帽、穿釘?shù)龋┊a(chǎn)品從標(biāo)準(zhǔn)不嚴(yán)、工藝較差的小企業(yè)進(jìn)行采購、組裝，給接觸網(wǎng)運(yùn)行帶來安全隱患。二是雖然國內(nèi)企業(yè)在技術(shù)上引進(jìn)國外，但技術(shù)監(jiān)管、操作工藝、管理手段等還不夠成熟，未掌握核心技術(shù)，且工人素質(zhì)不達(dá)標(biāo)，以致部分不合格產(chǎn)品流入市場。三是我國在材料的組合、加工、形成所需要的材質(zhì)方面還存在不足，材質(zhì)上的缺陷是產(chǎn)品不合格的主要原因，現(xiàn)場表現(xiàn)為以次充好，產(chǎn)品中金屬、非金屬成分含量不達(dá)標(biāo)等，沒有達(dá)到接觸網(wǎng)運(yùn)行安全所需要的耐壓、耐疲勞等技術(shù)條件，在長期動態(tài)工作環(huán)境（如沖擊、振動、拉伸、壓縮等）中損壞、變形、松脫、腐蝕等，造成故障。

1.3 施工安裝工藝

高鐵接觸網(wǎng)施工多集中在工程后期，受工期影響大，容易出現(xiàn)“松、脫、卡、斷、磨、幾何參數(shù)、安全距離”問題，加上施工人員業(yè)務(wù)素質(zhì)不一，施工質(zhì)量差強(qiáng)人意。施工或安裝工藝不達(dá)標(biāo)等會造成接觸網(wǎng)個別部位長期運(yùn)行后在結(jié)構(gòu)和受力方面發(fā)生變化。

當(dāng)動車組速度進(jìn)一步提高，接觸網(wǎng)彈性薄弱環(huán)節(jié)直接表現(xiàn)在接觸網(wǎng)零部件上，由于弓網(wǎng)壓力加大和波動性能的加強(qiáng)，各部螺栓在沒有達(dá)標(biāo)工作要求的情況下，更容易受到振動、脫落引起故障。有數(shù)據(jù)顯示，在含螺栓的大部分零部件中，螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的安裝應(yīng)力占較大比重，工作應(yīng)力相對較小。對這些零部件而言（這些零件在腕臂結(jié)構(gòu)內(nèi)占大多數(shù)，如各部螺栓、線岔），如果緊固力矩過當(dāng)，在施工安裝過程中就對其造成損傷，進(jìn)而逐步失效。

2 腐蝕作用

腐蝕是指物質(zhì)因化學(xué)作用而逐漸消損破壞，現(xiàn)場運(yùn)行表現(xiàn)為化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕和電腐蝕。

2.1 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是指金屬與接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而被氧化損耗的過程，化學(xué)腐蝕可分為直接化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕區(qū)別于直接化學(xué)腐蝕的直接現(xiàn)象是，發(fā)生電化學(xué)腐蝕時在金屬表面存在微電池，在隔離的陰極與陽極之間有微小的電流。在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用中，都可以發(fā)現(xiàn)這兩種腐蝕的存在，其危害性均不容忽視。它們往往同時發(fā)生，但電化學(xué)腐蝕更普遍，速度快，危害更重。

直接化學(xué)腐蝕是指接觸網(wǎng)零部件直接接觸化學(xué)物質(zhì)，一般表現(xiàn)在周圍環(huán)境化學(xué)污染，空氣中存有大量化學(xué)物質(zhì)，對接觸網(wǎng)及其零部件進(jìn)行直接腐蝕。例如某供電段管內(nèi)接觸網(wǎng)處于海鹽氣候條件下，周邊存在化工廠，在海鹽和化學(xué)污物共同的影響下，腕臂、吊弦、絕緣部件、線索、線夾等遭到腐蝕，產(chǎn)生大面積銅銹和斑點(diǎn)，瓷質(zhì)絕緣子表面出現(xiàn)密集型腐蝕斑點(diǎn)，線索和線夾出現(xiàn)了銅銹，對絕緣性能產(chǎn)生了很大影響，在每一年霧季、雨季會出現(xiàn)絕緣閃絡(luò)，嚴(yán)重影響運(yùn)輸。

電化學(xué)腐蝕是指金屬接觸電解質(zhì)溶液時發(fā)生原電池反應(yīng)，金屬失去電子，如生鐵在潮濕的空氣中生銹。金屬的腐蝕原理有多種，電化學(xué)腐蝕較為普遍。在電、氧、水汽等的綜合作用下，在不同材質(zhì)間進(jìn)行了物質(zhì)轉(zhuǎn)化。電化學(xué)腐蝕一方面在短期內(nèi)使金屬表面遭到大面積腐蝕，另一方面，腐蝕后金屬表面會產(chǎn)生沉積物，加劇金屬垢的形成，運(yùn)行熱量也迅速增加，容易燒損設(shè)備或線夾。銅鋁過度線夾或墊片隨之產(chǎn)生，接觸網(wǎng)在上網(wǎng)點(diǎn)、開關(guān)、吸上線等處所會涉及到鋁線與銅線連接問題，銅和鋁直接連接會產(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)備線夾或墊片來避免電化學(xué)腐蝕，消除設(shè)備運(yùn)行隱患。

2.2 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力的大小及分布是零件、材料是否失效的重要判定準(zhǔn)則，主要分為四類：①最大拉應(yīng)力理論，發(fā)生斷裂由最大拉應(yīng)力引起；②最大拉應(yīng)變理論，發(fā)生斷裂由最大拉應(yīng)變力引起；③最大切應(yīng)力理論，發(fā)生屈服由最大切應(yīng)力引起；④畸變能理論，發(fā)生屈服由最大切應(yīng)力畸變能引起。

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。在沒有任何明顯外觀變形條件下發(fā)生，表現(xiàn)為脆性斷裂、開裂，目前尚無有效的監(jiān)測手段。例如，CuNiZSi合金鍛件內(nèi)如果存在殘余應(yīng)力,在潮濕大氣特別是含氮鹽的大氣環(huán)境中會引起應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕的過程見圖1。

圖1

高鐵運(yùn)行中，許多接觸網(wǎng)零部件是因?yàn)榱慵写嬖趹?yīng)力，形成了難以發(fā)現(xiàn)的內(nèi)在微小裂紋，經(jīng)過受電弓沖擊和壓力、外部環(huán)境綜合作用，最終出現(xiàn)失效、腐蝕斷裂。在日常的運(yùn)營維護(hù)中，應(yīng)力腐蝕須引起重視，發(fā)現(xiàn)難度較大，必須在施工、采購前期環(huán)節(jié)加強(qiáng)監(jiān)管，在制造過程中提高鍛造工藝。

2.3 電腐蝕

在接觸網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)因局部電位差、過電壓、電弧、電磁感應(yīng)等造成的電燒損問題，俗稱為“電腐蝕” 現(xiàn)象。現(xiàn)場表現(xiàn)為在關(guān)節(jié)式分相的中性段、大型站場岔區(qū)、交叉線索、絕緣錨段轉(zhuǎn)換柱等處所存在電位差，站場軟橫跨處電流分流不暢，連接線夾安裝不密貼等。這些處所在通過大電流時由于電位差、主導(dǎo)電回路不暢等原因會容易造成電腐蝕，燒損零部件。2017年1月17日,北京局管內(nèi)京津聯(lián)絡(luò)線下行線接觸網(wǎng)五跨絕緣錨段關(guān)節(jié)電分段處，因錨段關(guān)節(jié)兩側(cè)饋線負(fù)荷不平衡，關(guān)節(jié)斷口處存在較大電壓差，加之五跨絕緣錨段關(guān)節(jié)非工作支接觸線抬高緩慢，受電弓通過時，關(guān)節(jié)斷口處拉弧嚴(yán)重，持續(xù)燃弧燒傷接觸線，在張力作用下導(dǎo)致接觸網(wǎng)斷線。

3 疲勞和壽命因素

疲勞是指產(chǎn)品載荷的循環(huán)或變化所引起的失效。在實(shí)際運(yùn)用中，疲勞往往不只因?yàn)閱未蔚淖饔眯纬?，外觀表現(xiàn)為局部區(qū)域的塑性變形或裂紋。金屬的疲勞是在交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過較長時間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象。接觸網(wǎng)具有機(jī)電復(fù)合特性，除承受電壓電流、導(dǎo)電等電氣條件外，還要滿足機(jī)械、波動、空間位置、動靜態(tài)彈性等方面的技術(shù)要求，接觸網(wǎng)的大部分零部件為金屬材料，在運(yùn)行中承受機(jī)電復(fù)合作用，特別是振動影響，存在疲勞隱患。

對于大多數(shù)設(shè)備，特別是機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備，其壽命在不同階段會呈現(xiàn)不同的故障規(guī)律，即設(shè)備在壽命周期內(nèi)故障的發(fā)展變化規(guī)律。這通?？捎霉收下是€（又稱為浴盆曲線）來描述，它描述了時間與故障率的關(guān)系，隨著時間的增加，出現(xiàn)故障的概率變化曲線形似浴盆。從浴盆曲線（見圖2）可以看出，設(shè)備在運(yùn)行初期和后期的故障率較高，在穩(wěn)定期的故障率較低，在三個階段（初期、穩(wěn)定期和后期）分別出現(xiàn)了初期缺陷、偶發(fā)故障和磨損故障，當(dāng)設(shè)備達(dá)到后期磨損故障高發(fā)時（就是設(shè)備平均壽命時期），就應(yīng)該更換設(shè)備或進(jìn)行大修了。所以，設(shè)備都有一個固定壽命，接觸網(wǎng)的故障規(guī)律除不可抗力外，也遵循這一規(guī)律，存在固定的使用年限。高速鐵路接觸網(wǎng)按照“定期檢測、狀態(tài)維修、壽命管理”的原則，通過周期性運(yùn)行檢測，分析判定接觸網(wǎng)即將或基本達(dá)到壽命時，應(yīng)進(jìn)行更換。

圖2 浴盆曲線

4 外部因素

接觸網(wǎng)為露天架設(shè)且無備用，其運(yùn)行穩(wěn)定可靠性受外部環(huán)境及異物影響較大，主要表現(xiàn)為高鐵沿線違規(guī)建筑物、危樹、鳥巢、飄浮異物等。各運(yùn)營單位每年在整治外部環(huán)境隱患上耗費(fèi)了很多精力和財(cái)力。此外，在日常要更加關(guān)注和檢查上跨線的懸掛狀態(tài)、上跨橋的排水和凈空安全距離、防拋網(wǎng)安裝、橋下護(hù)套、附掛物安裝，甚至于站房雨棚的結(jié)構(gòu)等，避免導(dǎo)電、安全距離不足、物體跌落打擊等問題發(fā)生。

大氣污染、雨雪霧天等環(huán)境因素也是外部影響因素，主要影響絕緣部件的性能、降低空氣絕緣，造成絕緣閃絡(luò)，損壞設(shè)備及零部件，甚至發(fā)生燒斷線故障，在冬季的大霧天和多霧地區(qū)，此類故障較多。

5 維護(hù)管理水平

高速鐵路接觸網(wǎng)安裝工藝、幾何參數(shù)及誤差標(biāo)準(zhǔn)精確到了毫米級，要求我們有更先進(jìn)的維修手段和方法。例如，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各部零件的緊固力矩，必須嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)使用力矩扳手緊固螺栓，避免在運(yùn)行過程中出現(xiàn)螺栓緊固不到位或過緊造成線夾斷裂，過松造成零件脫落等問題。由于現(xiàn)在維修管理的手段還不完善、比較落后，維護(hù)維修水平尚無法完全滿足高鐵運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)要求，分級、精細(xì)維修還未實(shí)施，精密的檢測儀器還沒有普及，功能也不全面，在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)營維護(hù)中，往往還是靠較原始的扳手、水平尺結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行檢查和檢修，會出現(xiàn)部分參數(shù)、指標(biāo)檢查不到位，個別設(shè)備、零部件重復(fù)檢查問題。

鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）中的4C系統(tǒng)是指接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置，其主要功能是對接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的零部件實(shí)施高精度成像檢測，指導(dǎo)接觸網(wǎng)故障隱患的消缺。但實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)分析處理模塊還不成熟，達(dá)不到圖像分析功能，較難實(shí)現(xiàn)成像區(qū)域缺陷的自動識別，目前運(yùn)營單位大部分還是通過后期人工觀看分析，在技術(shù)方面還有較大的改進(jìn)空間。

綜上所述，在接觸網(wǎng)零部件的運(yùn)行條件下，其穩(wěn)定性受設(shè)計(jì)、制造、施工、腐蝕、環(huán)境、維護(hù)等影響。實(shí)際運(yùn)行過程中，也往往會由于一種或多種因素的共同作用，造成零部件失效或者性能下降，理論與實(shí)踐都有力證實(shí)了這一點(diǎn)。

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