接觸網零部件運行穩定性分析研究

陳根柱 上海鐵路局徐州供電段（中國鐵道科學研究院）

接觸網零部件運行穩定性分析研究

陳根柱 上海鐵路局徐州供電段（中國鐵道科學研究院）

接觸網零部件的運行可靠關乎供電可靠和鐵路運輸安全，通過對以往設備故障的分析和整治，吸取運行經驗教訓，學習國內外供電領域的研究和分析方法，提出造成接觸網零部件損壞的因素，以指導接觸網運行維護工作。

接觸網；零部件；分析；研究

在電氣化鐵路系統中，接觸網是電力機車、電力動車組的動力來源，其各個組件的相互連接形成了接觸網的主要結構，接觸網重要的組成部分之一就是接觸網零部件，在保證供電安全性方面起著關鍵作用，是我們關注的重點，所有的檢修、檢查工作都是為了保證其可以穩定、良好的運行，保證接觸網供電可靠。為了更好的進行分析和研究，本文對典型故障進行收集、整理，對零部件做重要度分析，對零部件損壞原因進行分析，得出危及其運行穩定性的相關因素，針對性的提出預防措施和辦法，指導一線站段的接觸網運行維護工作。

1 概況

1.1 運行現狀

接觸網零部件在國家標準、鐵路（電力）行業標準以及相關規范、文件、行業規程中在材質、制造質量、機械性能、電氣性能、防腐蝕、緊固等方面都有明確的標準和要求，運行狀態下要保證接觸網零部件選型合理，制造工藝達標，施工質量達標，安裝牢固，螺母緊固到位，受力均勻，在溫度變化時不應出現彎曲變形、位移，防疲勞、腐蝕等。雖然如此，從運行過程來看，每條線路依舊不斷地出現零部件斷裂、缺失、腐蝕、松脫、卡滯等問題。

1.2 重要性分析

我國作為鐵路大國，不僅在電氣化鐵路總里程上遙遙領先，而且在某些產品制造和標準運用上走在世界的前列，擁有豐富的鐵路設計、制造、施工、運營經驗，高速鐵路更是迅猛發展。但也是由于其發展速度較快，相當一部分的高新技術還沒有得到消化和吸收，接觸網在材料科學領域、工藝制造、維護管理方面的技術水平都還需要我們加快腳步細細鉆研，以求在接觸網領域形成成熟和穩定的體系。接觸網零部件是供電系統的基礎，金字塔的底層，每一個螺栓都有各自固定的位置，零部件的牢固和穩定與否直接影響到整個體系。

2 零部件重要度分析

接觸網零部件種類繁多，結構多種多樣，全部研究起來費時費力，不符合實際。本文引用重要度分析方法，找出哪些零部件對運行安全更加重要。基于測試數據的零部件重要度分析，是通過穩定性測試獲得接觸網動態測試數據，進行分析處理、等效載荷及其應力測試分析，得出影響運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果來看，結合實際運行經驗，重要度排序為：腕臂結構、定位結構、絕緣部件以及連接部件，而與現場實際經驗對比，故障也多發在此類位置，以下重點對此類部件進行分析研究。

3 影響因素分析

3.1 自身因素

3.1.1 設計

接觸網的設計在某種程度上決定了接觸網的運行穩定和可靠，設計不合理會直接造成接觸網帶“硬傷”運行，并給檢修帶來難以消除的隱患。一方面表現在零部件設計，結構不合理，幾何參數不達標，相關試驗不合格等，例如某高鐵線路的補償墜砣限制架，由于結構設計不合理，限制架角鋼易發生偏斜，限制管在冬季宜發生結冰堵塞，加之墜砣上下竄動造成限制管脫出，曾多次發生侵入鐵路限界險情。另一方面表現在接觸網設計中，未考慮相關影響因素（如張力、外部環境等），造成選用設備不適用，例如某高鐵線路正饋線采用的QBJX-25/70Q絕緣子，其構造長度500 mm，瓷質長度330 mm，不能滿足高鐵外部環境的運行需要，造成多次閃絡跳閘。因此設計是零部件穩定性能力強弱的前提。

3.1.2 設備質量和生產工藝

目前故障原因反映最多的就是設備質量和生產工藝問題，一是由于國內生產企業較多，水平參差不齊，再加上行業監管力度不強，個別生產企業往往將螺栓等產品分包給標準不嚴的小型企業進行生產，質量得不到保障；二是有些國內企業在引進國外技術時，技術質量監管不力，標準不嚴，加之國內生產企業員工專業素質不高，部分不合格產品流入市場；三是材質上的缺陷也是質量不合格的重要原因，多表現在以次充好，產品成分含量不足等。由于產品質量不合格（如圖1所示螺栓、圖2所示絕緣子），沒有達到耐壓、耐疲勞等技術條件，零件在長期動態工作（沖擊、振動、受壓、受拉等）過程中容易損壞，發生變形、松脫等，造成故障。

圖1 腕臂底座螺栓斷裂

圖2 絕緣子串質量不達標炸裂

3.1.3 施工、安裝工藝

由于施工或安裝工藝不達標等原因，接觸網個別部位長期運行會在結構和受力方面發生變化，出現“松、脫、卡、斷、磨、幾何參數、安全距離”問題。如某高鐵線路電連接線夾壓接工藝不達標（如圖3所示），線夾脫落后打壞受電弓，造成弓網故障。另隨著車速的提高，接觸網零部件成為彈性的薄弱環節，由于弓網壓力加大，其各部螺栓更容易振動脫落引起故障，根據計算分析，含螺栓的大部分零部件中由螺栓預緊力產生的安裝應力占較大比重，而工作應力相對較小，對這些零部件而言，如果采用的緊固力矩過當，有可能在施工安裝過程中就對其造成損傷，進而逐步失效，如某線路支柱定位管支撐螺栓緊固力矩不達標（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 應力腐蝕

應力腐蝕往往是在沒有任何明顯外觀變形條件下發生的脆性斷裂，破壞性較大，且目前沒有有效的監測手段。應力腐蝕斷裂是指零件在應力（殘余應力或工作應力）和特定的腐蝕環境共同作用下發生的一種局部腐蝕破壞，破壞形態是腐蝕裂紋擴展斷裂。應力腐蝕常出現在銅合金、高強度鋁合金和不銹鋼中，過程為：開始發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到極限應力值為止，從裂紋擴展到零件斷裂。在接觸網運行過程中，許多零部件由于最初的內在微小裂紋或者創傷，最終在受電弓沖擊和壓力、外部環境綜合作用下，出現失效、腐蝕斷裂。2006年~ 2013年間某供電段管內共發生10件定位線夾斷裂、2件電連接線夾斷裂事件，值得我們在今后的運行和維護工作中加以重視，特別是應力腐蝕發現難度較大。

3.2.2 化學腐蝕

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

一是直接化學腐蝕。表現在外部環境空氣中的化學成分對接觸網零部件的直接腐蝕，例如某地區接觸網在海鹽氣候條件以及周邊的化學工廠排污的影響下，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），瓷質絕緣子表面出現密集型腐蝕斑點（如圖6所示），接觸線和承力索上出現了銅銹，每年在冬季多霧、雨季時期，頻繁出現絕緣閃絡，給鐵路運輸造成了嚴重影響。

圖5 化學腐蝕的接觸線、吊弦

圖6 化學腐蝕的瓷質絕緣子

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

3.2.3 電腐蝕

除了電化學腐蝕，還存在著電位差、過電壓、電弧、電磁感應等造成的電腐蝕問題，如關節式分相的中性段，大型站場接觸網局部電位差，交叉線索處所的電位差，絕緣錨段兩側供電臂在線索處形成電位差，站場軟橫跨處電流分流不暢，連接線夾安裝不密貼等造成的放電腐蝕現象。上述類似處所在通過大電流時容易造成電腐蝕，燒損零部件。例如在2013年某車站發生了一件軟索式硬橫跨定位環、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軟橫跨處電流分流不暢造成的。

圖7 軟橫跨定位環、定位器燒熔斷裂

3.3 疲勞、壽命因素

接觸網具有機電復合特性，除滿足電氣強度、牽引功率、電壓水平、絕緣安全等電氣方面的技術要求外，還必須滿足機械強度、波動特性、空間位置、動靜態彈性等方面的技術要求，各部零件在運行中，承受機電復合作用，容易產生運行疲勞，從而影響使用壽命。

3.4 外部因素

接觸網為露天架設，運行工作受到外部環境影響較大，外部因素對零部件的運行穩定性有著巨大干擾，常出現鐵路旁邊的違規建筑物、樹木、鳥巢、風箏異物等造成的安全距離不足放電，內燃機車的油污染，站房雨棚構件脫落（如圖8所示），污染（如化學、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 維護管理水平

在國內大多數的運行站段中，還存在著老一輩敲敲打打的維修手法，已經不適應現代鐵路設備運行要求，特別是高速鐵路接觸網幾何參數及誤差已經精確到了毫米級別，線索坡度及變化率更加精細，對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行標準緊固的要求，但是由于職工素質不高以及運行要求不嚴等因素，未能得到很好的落實，在運行過程中，出現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 結論及建議

經過分析和研究，影響接觸網零部件運行穩定性的因素有很多，是接觸網復雜的學科特性決定的，其涉及學術專業較多，零部件也是如此，要保證其運行穩定，必須考慮諸多相關因素，例如環境、材料、動力學、化學、電等等因素。因此，我們只有對這些諸多因素進行再研究、再考量，不斷地完善接觸網零部件的設計實驗、生產制造、安裝驗收、維護等工作，才能保證其運行穩定，延長使用壽命。通過研究，提出以下幾點建議供參考。

（1）深入對接觸網零部件材料選用的研究，制造出耐腐蝕、強度高、導電性能好、具有良好的疲勞特性的零部件。

（2）加強行業監管，對生產廠家進行嚴格監督，滿足國家規定的技術條件和試驗方法，保證生產質量，做好研發和制造的質量控制。同時抓好行業準入和責任追究，杜絕不合格產品流入市場。

（3）進一步深入研究采用高效、全面的防腐技術，增加應力腐蝕檢驗，如對銅合金零件及不銹鋼螺栓進行應力腐蝕抽樣檢驗，以確保零件在使用期內不產生斷裂和其它危及使用的缺陷。

（4）提高接觸網設計水平，不斷完善仿真模擬和實驗技術，使其更貼近真實、運行的接觸網，以促進零部件的正確選用。

（5）強化管理水平。做到標準化作業，規范使用維修工具，編制作業指導書，規范作業內容和標準；建立零部件管理檔案，從出廠、施工、驗收、運行維護等多層次、系統化管理零部件，做到有據可查，管理到位。

（6）加大對外部環境的整治力度，聯合地方政府，對沿線化工企業、煤炭、水泥等污染企業進行清理整頓，減少其對接觸網的腐蝕、污染。

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

[1]蔣先國.電氣化鐵道接觸網零部件設計與制造 [M].中國鐵道出版社, 2009

[2]林裕華.高速鐵路接觸網零部件的重要度分析.電氣化鐵道,2011,22(2)

[3]鄧小桃.淺析局部電位差對接觸網設備的危害及對策 [J].科技資訊, 2014,04

[4]陳立明.接觸網零部件應力腐蝕斷裂分析.鐵道技術監督,2012,40(2)

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

責任編輯：王華 張萼輝

來稿日期：2015-05-22