脉冲电流作用下高铁接触网吊弦线拉伸试验探究

胡向义， 王忠诚， 陈时光， 王世英， 张建华

(1 山东大学 高效洁净机械制造教育部重点实验室， 济南 250061；2 山东大学 机械工程国家级实验教学示范中心， 济南 250061)

接触网是沿铁路线上空架设的特殊形式的输电线路，是电力机车供电系统中的重要组成部分。吊弦是承力索和接触线间的连接部件，在高铁高速运行过程中承受一定的振动和力，是整个接触网安全运行的关键零部件之一[1]。在高铁的整个系统中，接触网故障会造成列车供电出现问题，而吊弦是接触网系统中最容易产生故障的零部件[2]。据文献[3]统计分析，在高铁运营过程中因吊弦发生损坏而造成的高铁故障中，吊弦线磨损断丝、断股或全断及吊弦线在中间处断裂而造成的吊弦缺陷占比77.2%，对列车正常运行存在着极大的隐患。

吊弦工作环境复杂，在列车运行过程中承受一定的振动和力，所以吊弦的疲劳特性一直成为国内外学者研究的对象，在这个方面获得了较为成熟的理论和研究成果。而对于拉伸破坏理论的研究较少，杨广英[3]通过对既有高铁吊弦断裂情况的统计和拉伸破坏研究，得到吊弦损坏相关规律。张宝奇[4]分析了目前高铁吊弦断裂的原因，结合法国高铁吊弦的结构形式和制造、试验方法，提出一系列具体的改进措施。德国的Frank Pupke，Samir Ouchanin等[5]对吊弦疲劳断裂的断口形貌进行分析，从而研究出改进吊弦疲劳寿命的相关措施。电塑性效应是金属材料中有脉冲电流通过时其具有的特殊性质，我国列车运行采用的吊弦大多为不可调载流整体吊弦，由铜镁合金绞线组成，接触线通过载流整体吊弦悬挂在承力索上，而在一些特殊地方采用非载流吊弦。相对于非载流吊弦，载流吊弦中有脉冲电流通过，故其吊弦线存在一定的电塑性效应。范蓉[6]研究了连续电流和脉冲电流对铜合金和铝合金的力学性能和微观组织的影响，通过电辅助拉伸试验系统对比热拉伸试验系统建立材料热电模型，能够对脉冲电流引起的瞬时应力下降幅值进行预测。陈立明等[7]研究了受电弓作用下整体吊弦的拉伸、压缩情况及动态力变化情况。

目前，对脉冲电流通过吊弦线的应力状态和抗拉强度尚未有系统的研究，通过研究不同脉冲电流对吊弦线的影响可以预测不同电流条件下吊弦线的抗拉强度和应力变化，对于合理使用并延长吊弦线寿命具有重要意义。通过研究电流预处理阶段电流大小、预处理时间长短、辅助拉伸电流大小等不同条件下吊弦线的应力和抗拉强度变化情况，为实际工作中吊弦线的合理使用提供参考。

1 吊弦线拉断试验系统

1.1 吊弦线拉断试验装置

试验用设备为济南时代试金试验机有限公司生产的WDW-50E微机控制电子万能试验机，其参数如表1所示，拉伸实验机结构如图1所示。WDW-50E微机控制电子万能试验机为双空间门式结构，上空间为拉伸区域，下空间为压缩区域，高铁吊弦线拉伸破坏试验主要在上空间区域完成。

表1 WDW-50E试验机参数

图1 拉伸试验机

1.2 脉冲电源

试验中脉冲电源主要作用是产生一定大小的试验用脉冲电流，对其基本要求是输出电压电流稳定。试验采用的脉冲电源是自主定制的专用电源，相关参数如表2所示。

表2 脉冲电源参数

1.3 吊弦线结构及材料参数

目前高速铁路和客运专线的整体吊弦普遍采用的是载流整体吊弦(C型整体吊弦、冲压式接触线和承力索吊弦线夹、不可调结构)，根据标准TB/T 3111—2017可得吊弦规格、结构、尺寸、性能参数如表3所示[8]。

型号为JTMH10的吊弦材料为铜镁合金绞线，结构断面为7×7结构，其相关材料参数如表4所示，结构断面图如下图2所示。

表3 JTMH吊弦规格、结构、尺寸及性能

图2 结构断面图

表4 JTMH10吊弦线材料参数

1.4 试验参数

在吊弦线拉伸破坏试验中，使用吊弦线拉伸前电流预处理和电流辅助拉伸两种状态进行试验。拉伸破坏试验原理如图3中(a)所示，吊弦线拉伸破坏示意图如图3中(b)所示。采用电流预处理试验中改变电流的大小，对比不同电流预处理后对吊弦线拉伸过程的影响。进行电流辅助拉伸破坏试验时，主要对比无预处理时电流大小对试验结果的影响，有预处理时预处理时间大小对试验结果的影响。具体参数如表5所示。

2 试验结果及分析

2.1 辅助拉伸电流作用结果

图4、图5分别是拉伸速度为2 mm/min时，拉伸过程中持续通电，无预处理条件下吊弦线在拉伸过程中最大应力和抗拉强度随电流的变化情况。根据图4中所示，在没有电流预处理的条件下，随着拉伸过程中电流的增大吊弦线中的最大应力在不断减小。根据图5中所示，随着拉伸过程中电流增大，吊弦线抗拉强度在不断减小。

表5 试验参数

图3 拉伸破坏试验装置及实验过程

无预处理时，电流增大引起吊弦线中最大应力减小，这是因为吊弦线材料一定，增大电流时会增加电流产生的焦耳热，焦耳热会使材料温度上升，材料的软化效应随温度的升高而增强。与此同时材料的相关性能也随着电流的增大发生改变，流动应力会降低，因为拉伸过程中高密度电流通入会加速材料内部的位错滑移和攀移，打开位错缠结，降低材料加工硬化，从而使相同材料在通电情况下具有更大的拉伸性，而使其最大应力得到降低，这就是材料电致塑性效应。

图4 最大应力—电流变化关系曲线

拉伸过程中吊弦线抗拉强度随着辅助电流的增大而不断减小，因为电流增加会增大吊弦线的塑性，同时电流增大会改变吊弦线的相关力学特性，当拉伸速度一定的条件下，最大拉伸载荷随着塑性的增大而减小，即吊弦线的抗拉强度减小。

图5 抗拉强度—电流关系

2.2 预处理电流作用结果

吊弦线的预处理过程发生在拉伸试验前，拉伸开始的瞬间立即断开预处理电流。图6、图7是预处理时间为100 s时，改变预处理过程中脉冲电流的大小，吊弦线在拉伸速度为2 mm/min的情况下，吊弦线最大应力和抗拉强度与预处理电流之间的关系。

图6为吊弦线在不同脉冲电流预处理情况下，最大应力随电流变化曲线。随着预处理电流的增大，拉伸过程中吊弦线中的最大应力值下降。这是因为铜镁合金绞线在预处理电流作用下被加热到一定的塑性区间，电流的加热特性增加了材料的塑性，同时吊弦线材料和尺寸一致，随着电流增大会使单位截面积吊弦线中的电流密度增大，高密度电流会使材料的温度升高，晶界出现局部溶解[9]，在后续的拉伸过程中能够使材料的加工硬化减小，从而引起材料应力下降和伸长率提高。

图6 最大应力—预处理电流关系

根据图7所示，在不同预处理电流情况下，吊弦线的抗拉强度不同，吊弦线抗拉强度随着预处理电流的增大而减小。预处理电流通过金属材料时由于焦耳热作用温度上升，引起材料发生热软化，使材料的塑性增加；并且，随着电流的增大，电流产生的焦耳热增多，对材料的热力学性能影响增大。当进行拉伸破坏试验时，拉伸速度一定，塑性越大承受的最大负荷越小。所以随着预处理电流的增大吊弦线的抗拉强度下降。

图7 抗拉强度—预处理电流关系

2.3 预处理时间不同的试验结果

图8是拉伸速度为2 mm/min时，预处理电流一致而时间不同时，吊弦线在拉伸过程中最大应力变化情况。根据图8中所示，吊弦线在拉伸过程中的最大应力随着预处理时间的增长而减小。

由图8所示，吊弦线预处理时间分别为0 s、100 s、200 s、300 s，随着预处理时间的增长，拉伸过程中吊弦线最大应力逐渐减小，这是因为电流产生的焦耳热不仅与电流的大小有关还与电流作用的时间有关，随着时间增长电流产生的焦耳热也在不断增加，焦耳热产生的塑性作用也在不断增加，从而随着预处理时间的增加，吊弦线中的最大应力减小。

图8 最大应力—预处理时间关系

图9是采用不同的预处理电流时长，吊弦线在拉伸过程中应力随时间变化曲线，图中可以看出在拉伸过程中吊弦线中的应力在不断增大，也就是说随着拉伸时间的增长吊弦线所承受的载荷也在不断增大。同时，从应力时间曲线可以看出，应力在拉伸过程中会出现独特的锯齿状，这是因为拉伸过程中吊弦线中的应力会发生瞬时下降，而后又会迅速上升，从而造成的应力往复现象。应力往复现象出现的原因是金属材料拉伸过程中由于变形功和摩擦功作用而产生一定的温升，温升造成的塑性效应引起应力下降，而裸露的吊弦线在变形的同时也在散热从而使应力回复。

图9 应力—时间曲线

3 结 论

在高铁吊弦拉伸破坏试验中发现，拉伸过程中电流大小、预处理时间长短、预处理电流大小等均对吊弦的最大应力和抗拉强度产生影响，具体如下：

(1)对于预处理电流和拉伸过程中电流，吊弦线拉伸过程中最大应力和抗拉强度随着电流的增大而减小。因为电流增大吊弦线中产生的焦耳热增加，对材料的塑性产生一定的影响。

(2)无预处理时，电流辅助拉伸吊弦线过程中不仅有焦耳热作用还有电致塑性效应存在，即铜镁合金绞线在脉冲电流作用下具有一定的塑性效应，塑性效应的强弱与辅助电流大小有关。

(3)预处理电流为15 A时，吊弦线拉伸过程中最大应力随着预处理时间的增长而减小。预处理时间增多会使吊弦线中电流产热增多，从而对塑性影响较大。

因此在吊弦工作过程中，在满足列车运行需要的同时控制工作电流的大小，可以有效提高吊弦线寿命。