关于京沪高铁吊弦折断问题规律的认识和建议

2021-04-01雷阳成

铁道运营技术 2021年2期

雷阳成

（中国铁路南宁局集团有限公司工电检测所，工程师，广西南宁 530029）

京沪高铁于2011 年6 月开通，正线1 318 km 公里，其中桥梁区段1 140 km，占比86.5%；路基区段162 km，占比12.3%；隧道段区16 km，占比1.2%。直线区段约650 km，曲线区段约670 km，比例接近1:1。正线锚段共计2 712 个，约3 252 条公里，接触网采用弹性链形悬挂，但锚段关节为简单链形悬挂的四跨形式。吊弦采用整体不可调的结构，上下两端利用钳压管压接的方式，通过心形环和吊弦线夹，分别固定在承力索和接触线上，并设有防止电流灼伤的载流环。

1 问题概况

吊弦折断问题，给京沪高铁行车安全和供电安全带来极大影响。比如，2016 年，崔马庄至泰安，吊弦从上部压接部位折断后下垂侵限，被受电弓刮断带走，直至北京南站才因绝缘距离不足对车顶放电，引发接触网跳闸。又如，2018 年，沧州西至德州东，吊弦从上部压接部位折断后下垂侵限，被受电弓打起短接分相中性段，引发相间短路。还如，2019 年，蚌埠南至定远，吊弦从上部压接部位折断后下垂侵限，将受电弓风管打落，引发自动降弓。

据不完全统计，京沪高铁开通至今，吊弦断股、断丝、断裂等折断问题累计发生909 件。大数据分析得出，吊弦折断问题规律，主要为：

1）正线比侧线高发。吊弦折断发生在正线907处，侧线2处，正线是侧线的453.5倍。

2）桥梁区段比路基区段高发。吊弦折断发生在桥梁区段758 处，路基区段151 处，桥梁区段是路基区段的5.02倍。

3）直线区段比曲线区段高发。整体上看，吊弦折断发生在直线区段626 处，曲线区段283 处，直线区段是曲线区段的2.21 倍。局部上看，吊弦折断发生在桥梁区段的，直线区段535处，曲线区段223处，直线区段是曲线区段的2.40 倍；吊弦折断发生的路基区段的，直线区段91处，曲线区段60处，直线区段是曲线区段的1.52倍。

4）锚段关节内比锚段关节外高发。吊弦折断发生在锚段关节内465 处，锚段关节外444 处，换算成吊弦折断密度，锚段关节内每百条公里85.7处，锚段关节外每百条公里16.3 处，锚段关节内是锚段关节外的5.26倍。

5）锚段关节内第一根吊弦和锚段关节外第二根吊弦比其它吊弦高发。吊弦折断发生在锚段关节内第一根吊弦304 处，第二根吊弦114 处，所占锚段关节内吊弦折断问题总量的比例分别为65.38%和24.52%。发生在锚段关节外第二根吊弦262 处，第三根吊弦165 处，所占锚段关节外吊弦折断问题总量的比例分别为59.01%和37.16%。

6）吊弦压接部位比心形环和吊弦本体部位高发，下部压接部位比上部压接部位高发。吊弦折断发生在吊弦压接部位534 处，心形环和吊弦本体部位377 处，压接部位是心形环和吊弦本体的1.42倍。其中下部压接部位是上部压接部位的3.75倍。

2 原因分析

吊弦折断，与高速铁路弓网关系特征有关，是在长时间、高频次、大强度的弓网作用下，竖直抬升力迫使吊弦被上下来回拉扯，从而薄弱点吊弦在吊弦薄弱点疲劳损伤。而之所以会形成薄弱点吊弦和吊弦薄弱点，与以下因素有关：

2.1 与线路种类有关正线车流密度大，行车速度快，弓网振动大，加剧了吊弦被上下来回拉扯的强度。因此，正线吊弦比侧线吊弦更容易折断。

2.2 与轨道基础有关车辆高速通过桥梁区段的车桥耦合，加剧了吊弦被上下来回拉扯的强度。因此，桥梁区段吊弦比路基区段吊弦更容易折断。

2.3 与锚段部位有关京沪高铁的锚段关节为简单链形悬挂的四跨形式，一方面锚段关节比其它部位被的弓网冲击更大，另一方面四跨锚段关节本身的过渡平顺度不高，加剧了锚段关节部位吊弦被上下来回拉扯的力度。因此，锚段关节内吊弦比锚段关节外吊弦更容易折断。

2.4 与线路曲直有关与直线区段相比，受电弓在曲线区段随外轨超高倾斜，竖直抬升力由全部弓网接触压力减弱为弓网接触压力的竖直分量（图1 为接触悬挂受力示意图），减弱了吊弦被上下来回拉扯的强度。因此，直线区段吊弦比曲线区段吊弦更容易折断。

图1 接触悬挂受力示意图

2.5 与悬挂结构有关随接触悬挂振动而振动的承力索与接触线，因弹性差别和竖直抬升力作用程度不同，无法做到处处步调一致地晃动，上下两端弹性偏差大的吊弦，被上下来回拉扯的强度也大，也就更容易折断。

在简单链形悬挂的结构中，定位点处固定不动的承力索，随接触悬挂振动而振动的幅度从定位点向跨中逐渐变大，吊弦上下两端的弹性偏差从定位点向跨中逐渐变小。由于上下两端的弹性偏差比其它吊弦都大，距离定位点最近的第一根吊弦最容易在振动中损坏，其次是第二根吊弦。京沪高铁锚段关节正是简单链形悬挂的结构，所以锚段关节内第一根吊弦折断最多，第二根吊弦次之。

在弹性链形悬挂的结构中，由于弹性吊索的存在，定位点可以看成是，以弹性吊索为承力索的位于接触悬挂之内的接触悬挂的跨中（如接触悬挂结构示意图即图2 中加粗部分所示）。距离定位点最近的第一根吊弦上部连接弹性吊索，上下两端弹性偏差变小，并趋近于接触悬挂的跨中弹性偏差。从而，距离定位点最近的第二根吊弦，成为了上下两端弹性偏差最大的吊弦，其次是第三根吊弦。京沪高铁锚段关节外正是弹性链形悬挂，所以锚段关节外第二根吊弦折断最多，第三根吊弦次之。

图2 接触悬挂结构示意图

2.6 与吊弦本身有关京沪高铁的吊弦，采用整体不可调的结构，两端利用钳压管压接的方式，通过心形环和吊弦线夹，分别固定在承力索和接触线上。由于压接方式和制作工艺的原因，吊弦压接部位十分容易损伤或形成应力集中点，从而成为吊弦薄弱点。因此，吊弦压接部位比心形环和吊弦本体部位更容易折断。

在竖直抬升力的作用下，接触线抬升量大于承力索抬升量，吊弦下部弯曲幅度大于上部，伴随上下来回拉扯的来回弯曲，压接形成的应力集中点最先在吊弦下部产生破坏。因此，吊弦下部压接部位比上部压接部位更容易折断。

吊弦心形环与吊弦线夹是虚接状态，接触悬挂振动时，心形环与线夹之间形成了摩擦和碰撞。因此，吊弦心形环损坏的概率也比较大。

3 有关建议

必须深刻认识到，吊弦折断问题的本质，是无法避免的弓网受流带来无法避免的弓网作用，衍生出吊弦在长时间配合正常弓网振动中发生疲劳的自然现象，有一定的必然性。对于已经损伤的吊弦，必须更换，而更换的前提是要及时准确发现问题所在。为此，要做好以下工作：

1）利用已知规律有效介入和控制吊弦折断问题。吊弦折断问题的规律除了存在正线地段、路基区段、直线区段、锚段关节部位等刚性因素的影响之外，不能忽视的还有接触悬挂受力布局。一旦接触悬挂受力布局因为接触网参数而打乱，吊弦折断的规律将不复存在，应对吊弦折断问题也将无从下手。因此，在运营维护中，应当严格落实接触网各项技术标准，将接触网参数无限趋近于完美状态，特别是接触线的坡度和平顺性等参数，减少参数原因破坏接触悬挂受力布局，使吊弦折断问题按照已知规律发展，达到有节奏、有重点地介入和控制吊弦折断问题的目的，及时避免产生不良后果。

2）利用检测监测手段及时感知吊弦折断问题的发展情况。检测监测是现阶段发现接触网缺陷问题、掌握接触网设备状态的主要途径。因此，充分发挥6C系统和人工检查等检测监测手段的作用，完善功能，缩短周期，加密频次，在尽可能促使吊弦折断问题规律化发展的前提下，按照正线地段、路基区段、直线区段、锚段关节部位等不同设备分布，结合接触悬挂结构的不同类型，特别注意加强对已知规律中表明的薄弱点吊弦的检测监测，主要是简单链形悬挂的第一根吊弦、弹性链形悬挂的第二根吊弦，一旦发现断股、断丝等吊弦折断问题的前置性、苗头性现象，立即更换。

3）利用薄弱吊弦折断的信号及早安排整跨距吊弦更换。接触悬挂受力布局以跨距为最小单元。按照已知规律和原因分析，跨距内，作为薄弱吊弦的简单链形悬挂的第一根吊弦、弹性链形悬挂的第二根吊弦发生折断，可以说明此跨距内其它吊弦已经趋近于折断。因此，要注意跨距内薄弱吊弦变化，一旦薄弱吊弦出现断股、断丝等损伤现象，尽快实施整跨距的吊弦更换，避免因无法掌握更换吊弦的最佳时机而增加运营维护成本。

4）利用科技创新提高吊弦使用寿命。提高吊弦使用寿命，一方面可以通过科技创新研究制造耐疲劳材料，并用作于吊弦本体，先天提高吊弦抗疲劳能力；另一方面可以对容易造成吊弦损伤的制作工艺加以改进，后天避免吊弦薄弱点降低寿命，比如将压接方式从犬牙型改为椭圆形、研究改进心形环与线夹的连接方式等。

5）利用弹性改善降低京沪高铁锚段关节内吊弦折断的概率。根据吊弦折断问题分析，锚段关节内吊弦比锚段关节外吊弦更容易折断的原因是，锚段关节内简单链形悬挂方式的弹性相对差，从而遭受的冲击相对大，加剧了弓网振动。因此，改良办法可以从改善接触悬挂的弹性入手，充分研究在京沪高铁锚段关节内加装弹性吊索的可行性，以及弹性吊索安装工艺的科学性，力争找到既能保证弹性吊索功能正常，又能降低锚段关节内吊弦折断几率的可行方案。

6）利用差异化布置力求吊弦的整体寿命均衡一致。跨距内的吊弦位置决定了相同型号吊弦会有不同的使用寿命，以薄弱吊弦折断为信号安排整跨距吊弦更换的思路，在一定程度上会造成未到使用寿命的吊弦提前更换的浪费问题。为减少运营维护成本，解决问题的方向可以是，充分论证吊弦差异化布置的可行性，根据接触悬挂不同部位吊弦的薄弱程度，布置不同强度的吊弦，应对接触悬挂的结构特性带给不同吊弦不同时折断的现象，促使吊弦的整体寿命均衡，并且尽可能与接触悬挂寿命保持一致，把吊弦更换的时机人为延后在接触悬挂整体大修的时候，同时也避免了把运营维护的精力过多地耗费在吊弦的检测监测上。

7）利用吊弦不同部位折断危害不同的情况落实薄弱点吊弦重点部位的必查必看措施。2018年沧州西至德州东吊弦从上部压接部位折断后下垂侵限被受电弓打起造成相间短路的案例表明，吊弦从上部折断的危害最大，将直接打坏受电弓，甚至引发更严重的弓网故障。因此，充分关注吊弦上部折断的情况，把薄弱点吊弦的上部压接部位作为检测监测必查必看项目，是降低故障等级、缩短故障时间有效办法。