小半徑曲線段接觸網軟定位拉線斷裂原因分析及應對措施

王 超

(蘇州市軌道交通集團有限公司運營一分公司，215101，蘇州∥助理工程師)

接觸網軟定位用于小半徑曲線線路外側支柱上，由彎管定位器通過不銹鋼軟態鋼絲擰成的拉線固定在絕緣腕臂上的定位環里，承受接觸線拉力，起到修正接觸線“之”字形拉出值的作用。拉線一旦斷裂，相應的接觸線因失去拉力，位置極易偏移至受電弓橫向動態包絡線之外，列車經過此處時會引發弓網故障，影響地鐵運營。本文以某城市地鐵2號線某車輛段接觸網H050號支柱處固定軟定位的φ3.5 mm軟態鋼絲斷裂故障為例，分析軟態鋼絲斷裂原因，并針對脆性斷裂提出應對措施。

1 弓網故障現象

列車在某地鐵車輛段經38#道岔往25#道岔運行過程中，受電弓與H050支柱定位出現碰撞，造成接觸線固定軟定位的φ3.5 mm軟態鋼絲斷裂，同時造成接觸網2個套管單耳斷裂和1個定位環變形，隨后接觸線失去拉力，軟定位及定位管下垂，與列車發生第一次短路跳閘，相應供電分區失電。列車由于慣性繼續前進，接觸線因不受拉力而出現偏移，受電弓因此脫離接觸線抬升，與線路前方分段絕緣器軟電纜及吊弦發生第二次碰撞，并將另外一個供電分區與第一次出現碰撞所屬供電分區短接，造成另外一個供電分區失電。列車繼續前行約10 m，在25#道岔處停下，此時受電弓鉆入接觸線線岔上部，發生第三次碰撞，使得線岔上部非支接觸線受損，線岔限制管受損。

故障發生后，經現場調查及分析可認定，在列車通過H050支柱前，司機未發現接觸網異常情況，因此初步判定H050支柱處定位為弓網故障發生的初始故障點。在受電弓通過軟定位時，固定軟定位的軟態鋼絲出現斷裂，使接觸線失去拉力，軟定位脫落，受電弓離線抬升造成弓網故障。

2 接觸網軟定位拉線斷裂故障原因分析

將斷裂的軟態鋼絲送第三方檢測機構進行材料檢測，并同時對正線、停車場、車輛段及庫存的接觸網軟態鋼絲進行抽檢。共抽檢9組接觸網軟態鋼絲，檢測結果如1所示。

根據某城市地鐵2號線工程供電系統接觸網設計要求，結構軟定位拉線使用的是φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲，材料規格為06Cr19Ni10。由表1可知，送檢的2號線一期工程8根φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲(含故障件)，唯有故障件不符合GB/T 4240—2009要求。該故障見，Mn(錳)含量為16.35%，大于標準規定的2.00%；Cr(鉻)含量為8.35%，小于標準規定的18.00%；Ni(鎳)含量為0.73%，小于標準規定的8.00%。Mn(錳)含量過高，會降低材質穩定性，抗氧化能力弱。一定含量的Cr(鉻)和Ni(鎳)能提高材質的抗腐蝕能力，增加耐磨和柔韌性，但Cr(鉻)和Ni(鎳)的含量偏低，鋼絲表面易腐蝕，耐磨性和柔韌性差。

表1 接觸網軟態鋼絲抽檢結果表Tab.1 Sampling inspection results of catenary soft steel wire

經上述數據分析可知，故障件鋼絲不是規定型號06Cr19Ni10的φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲，為其它來源不明的鋼絲，耐腐蝕、耐磨及柔韌性能較差。此外受損軟定位拉線位于小曲線半徑區段，受力較大，長期以來頻繁造受受電弓引起的低頻振動，使軟態鋼絲表面損傷老化。日常的巡視檢修也未發現該處損傷隱患。上述因素累積導致此次弓網故障的發生。

3 接觸網軟定位拉線受力分析

接觸網軟定位一般用于小半徑曲線外側支柱上。在曲線區段，由于接觸線呈折線狀態布置，在支柱定位點處，因線索改變方向產生向曲線內側的水平分力稱為曲線張力，用PR表示，如圖1表示。

圖1 曲線區段接觸網接觸線曲線力分析圖

圖1中A點為定位點，兩側跨距相等，因此△AOB∽△ACD，則有：

式中：

T——接觸線張力；

R——曲線半徑；

L——跨距長度；

m——接觸線質量。

因m值與R值相比較可忽略不計，則曲線張力可表示為：

當定位點兩側跨距不相等時，L值取相鄰兩跨距長度平均值，則曲線張力可表示為：

式中：

L1，L2——兩相鄰跨距長度。

某城市地鐵2號線柔性接觸網單接觸線設計張力T為12 kN,此次故障軟定位拉線所在接觸網曲線半徑R為150 m，兩側跨距L1和L2分別為18.6 m和25.8 m，則計算可得PR為1.776 kN，即故障點軟定位拉線所受張力為1.776 kN。經排查，目前城市地鐵全線網柔性接觸網小曲線半徑處軟定位所受張力最大值為2.4 kN。

4 弓網故障防控措施與改造方案

目前，某城市地鐵2號線接觸網的軟定位拉線只有1根，無備用線，且處在小半徑曲線段。軟定位軟態鋼絲的斷裂大都是脆性斷裂，劣化過程極短，劣化部位往往在拉線結構內部，事前無可視化的征兆，難以在檢修中發現，其偶發性防不勝防，其后果的嚴重性又不得不防。

為保障接觸網設備的運行安全，接觸網專業人員計劃采用兩種弓網故障防控措施及改造方案：第一種是采用雙股φ3.5 mm軟態鋼絲作為軟定位拉線備用線，并對現有軟定位拉線進行加固纏繞，因此，一旦軟定位拉線出現斷裂，定位處接觸線不會產生較大偏移。第二種是采用尾支線作為軟定位拉線備用線。尾支線中有多股細鋼線，不會發生整體斷裂現象，即使出現部分細鋼線斷裂，仍能在一段時間內保持其功能，檢修巡視時也可發現其斷股現象。為驗證上述兩種防控措施及改造方案的可靠性，進行了以下測試。

4.1 采用φ 3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲加固后的可靠性測試

對雙股φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲進行拉力測試。根據GB/T 4240—2009的力學性能規定，型號06Cr19Ni10的不銹鋼軟態鋼絲公稱直徑在3～6 mm之間的抗拉強度為550～800 MPa，換算成φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲的最大可承受拉力約為5 kN。

測試結果顯示，雙股φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲可承受的拉力為14 kN(1.5T手扳葫蘆拉不動，故未拉斷)，超過接觸線所承載的力。單股φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲可承受的最大拉力為8 kN(超過8 kN鋼絲拉斷)。

對測試過程觀察發現，φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲在受力后變化明顯，未使用的φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲直徑為φ3.5 mm，雙股所受拉力超過5 kN時鋼絲開始變長。雙股所受拉力達到14 kN時，φ3.5 mm變化為φ3.12 mm(未拉斷)。單股鋼絲所受拉力為8 kN時，φ3.5 mm變化為φ2.95 mm(拉斷)。在拉力測試時，雙股密貼纏繞兩頭各5圈時，當所受力大于5 kN時，密貼纏繞的兩頭同時開始發生變化；當所受力為14 kN時，5圈密貼纏繞變為3圈，減少了2圈。水滴狀的圓環也被拉直，密貼于定位環內。

該測試表明，φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲可滿足接觸網軟定位安裝需求，實際產品單股φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲即可滿足現場需求，但為了設備運行安全，雙股加固形式更為適宜。

4.2 采用尾支線加固后的可靠性測試

尾支線是使用不銹鋼細絞線替代軟態鋼絲作為軟定位拉線，一端為定位鉤，另一端為并溝線夾，如圖2所示。尾支線的最大工作荷重為4 kN。因要替代φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲作為軟定位拉線，因此所測試拉力值需滿足φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲的要求。

圖2 尾支線結構圖Fig.2 Structure diagram of tail branch line

按照軟定位拉線所受最大拉力2.4 kN以及最大荷重4 kN分別進行拉力試驗時，尾支線整體結構未發生任何形變變化。當拉力超過4 kN時，定位鉤開口處逐步開始變大；當拉力達到5 kN時，定位鉤開口間隙已超過所連接的定位環厚度。現場測試的2組尾支線均發生了上述情況。如果定位鉤開口變大，則在振動環境下的某時刻一旦不受力時，極易發生脫落，使得該軟定位點處接觸線拉出值超標，存在弓網故障隱患。

若尾支線采用兩端并溝線夾(見圖3)時，進行同樣的試驗，尾支線及零部件未發生任何變化。當拉力逐步增大到14 kN時，亦未發生任何變化。在使用φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲(受力)和并溝形式的尾支線(不受力)同時承受12 kN拉力時，瞬間剪斷φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲，瞬間力遠大于12 kN，而并溝形式的尾支線未發生變化。

圖3 兩端并溝線夾的尾支線Fig.3 Tail branch line of parallel groove clamp at both ends

根據上述分析，經接觸網專業研究后，對某城市地鐵2號線接觸網軟定位拉線長度進行排查，對于軟定位拉線長度小于300 mm的，建議采用φ3.5 mm不銹鋼軟態鋼絲雙股纏繞加固方案；對于軟定位拉線長度大于300 mm的，建議采用可靠度較好的并溝形式尾支線加固方案。尾支線與既有軟定位拉線互為備用。

5 結語

軟定位作為柔性架空接觸網在小半徑曲線段的定位裝置，對保證通過小半徑曲線段列車受電弓正常受流具有極其重要的作用。對軟定位拉線采取雙線加固與尾支線加固，將增加軟定位設備的安全性與穩定性。