胡向義， 王忠誠， 陳時光， 王世英， 張建華

(1 山東大學 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室， 濟南 250061；2 山東大學 機械工程國家級實驗教學示范中心， 濟南 250061)

接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設的特殊形式的輸電線路，是電力機車供電系統(tǒng)中的重要組成部分。吊弦是承力索和接觸線間的連接部件，在高鐵高速運行過程中承受一定的振動和力，是整個接觸網(wǎng)安全運行的關鍵零部件之一[1]。在高鐵的整個系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)故障會造成列車供電出現(xiàn)問題，而吊弦是接觸網(wǎng)系統(tǒng)中最容易產(chǎn)生故障的零部件[2]。據(jù)文獻[3]統(tǒng)計分析，在高鐵運營過程中因吊弦發(fā)生損壞而造成的高鐵故障中，吊弦線磨損斷絲、斷股或全斷及吊弦線在中間處斷裂而造成的吊弦缺陷占比77.2%，對列車正常運行存在著極大的隱患。

吊弦工作環(huán)境復雜，在列車運行過程中承受一定的振動和力，所以吊弦的疲勞特性一直成為國內外學者研究的對象，在這個方面獲得了較為成熟的理論和研究成果。而對于拉伸破壞理論的研究較少，楊廣英[3]通過對既有高鐵吊弦斷裂情況的統(tǒng)計和拉伸破壞研究，得到吊弦損壞相關規(guī)律。張寶奇[4]分析了目前高鐵吊弦斷裂的原因，結合法國高鐵吊弦的結構形式和制造、試驗方法，提出一系列具體的改進措施。德國的Frank Pupke，Samir Ouchanin等[5]對吊弦疲勞斷裂的斷口形貌進行分析，從而研究出改進吊弦疲勞壽命的相關措施。電塑性效應是金屬材料中有脈沖電流通過時其具有的特殊性質，我國列車運行采用的吊弦大多為不可調載流整體吊弦，由銅鎂合金絞線組成，接觸線通過載流整體吊弦懸掛在承力索上，而在一些特殊地方采用非載流吊弦。相對于非載流吊弦，載流吊弦中有脈沖電流通過，故其吊弦線存在一定的電塑性效應。范蓉[6]研究了連續(xù)電流和脈沖電流對銅合金和鋁合金的力學性能和微觀組織的影響，通過電輔助拉伸試驗系統(tǒng)對比熱拉伸試驗系統(tǒng)建立材料熱電模型，能夠對脈沖電流引起的瞬時應力下降幅值進行預測。陳立明等[7]研究了受電弓作用下整體吊弦的拉伸、壓縮情況及動態(tài)力變化情況。

目前，對脈沖電流通過吊弦線的應力狀態(tài)和抗拉強度尚未有系統(tǒng)的研究，通過研究不同脈沖電流對吊弦線的影響可以預測不同電流條件下吊弦線的抗拉強度和應力變化，對于合理使用并延長吊弦線壽命具有重要意義。通過研究電流預處理階段電流大小、預處理時間長短、輔助拉伸電流大小等不同條件下吊弦線的應力和抗拉強度變化情況，為實際工作中吊弦線的合理使用提供參考。

1 吊弦線拉斷試驗系統(tǒng)

1.1 吊弦線拉斷試驗裝置

試驗用設備為濟南時代試金試驗機有限公司生產(chǎn)的WDW-50E微機控制電子萬能試驗機，其參數(shù)如表1所示，拉伸實驗機結構如圖1所示。WDW-50E微機控制電子萬能試驗機為雙空間門式結構，上空間為拉伸區(qū)域，下空間為壓縮區(qū)域，高鐵吊弦線拉伸破壞試驗主要在上空間區(qū)域完成。

表1 WDW-50E試驗機參數(shù)

圖1 拉伸試驗機

1.2 脈沖電源

試驗中脈沖電源主要作用是產(chǎn)生一定大小的試驗用脈沖電流，對其基本要求是輸出電壓電流穩(wěn)定。試驗采用的脈沖電源是自主定制的專用電源，相關參數(shù)如表2所示。

表2 脈沖電源參數(shù)

1.3 吊弦線結構及材料參數(shù)

目前高速鐵路和客運專線的整體吊弦普遍采用的是載流整體吊弦(C型整體吊弦、沖壓式接觸線和承力索吊弦線夾、不可調結構)，根據(jù)標準TB/T 3111—2017可得吊弦規(guī)格、結構、尺寸、性能參數(shù)如表3所示[8]。

型號為JTMH10的吊弦材料為銅鎂合金絞線，結構斷面為7×7結構，其相關材料參數(shù)如表4所示，結構斷面圖如下圖2所示。

表3 JTMH吊弦規(guī)格、結構、尺寸及性能

圖2 結構斷面圖

表4 JTMH10吊弦線材料參數(shù)

1.4 試驗參數(shù)

在吊弦線拉伸破壞試驗中，使用吊弦線拉伸前電流預處理和電流輔助拉伸兩種狀態(tài)進行試驗。拉伸破壞試驗原理如圖3中(a)所示，吊弦線拉伸破壞示意圖如圖3中(b)所示。采用電流預處理試驗中改變電流的大小，對比不同電流預處理后對吊弦線拉伸過程的影響。進行電流輔助拉伸破壞試驗時，主要對比無預處理時電流大小對試驗結果的影響，有預處理時預處理時間大小對試驗結果的影響。具體參數(shù)如表5所示。

2 試驗結果及分析

2.1 輔助拉伸電流作用結果

圖4、圖5分別是拉伸速度為2 mm/min時，拉伸過程中持續(xù)通電，無預處理條件下吊弦線在拉伸過程中最大應力和抗拉強度隨電流的變化情況。根據(jù)圖4中所示，在沒有電流預處理的條件下，隨著拉伸過程中電流的增大吊弦線中的最大應力在不斷減小。根據(jù)圖5中所示，隨著拉伸過程中電流增大，吊弦線抗拉強度在不斷減小。

表5 試驗參數(shù)

圖3 拉伸破壞試驗裝置及實驗過程

無預處理時，電流增大引起吊弦線中最大應力減小，這是因為吊弦線材料一定，增大電流時會增加電流產(chǎn)生的焦耳熱，焦耳熱會使材料溫度上升，材料的軟化效應隨溫度的升高而增強。與此同時材料的相關性能也隨著電流的增大發(fā)生改變，流動應力會降低，因為拉伸過程中高密度電流通入會加速材料內部的位錯滑移和攀移，打開位錯纏結，降低材料加工硬化，從而使相同材料在通電情況下具有更大的拉伸性，而使其最大應力得到降低，這就是材料電致塑性效應。

圖4 最大應力—電流變化關系曲線

拉伸過程中吊弦線抗拉強度隨著輔助電流的增大而不斷減小，因為電流增加會增大吊弦線的塑性，同時電流增大會改變吊弦線的相關力學特性，當拉伸速度一定的條件下，最大拉伸載荷隨著塑性的增大而減小，即吊弦線的抗拉強度減小。

圖5 抗拉強度—電流關系

2.2 預處理電流作用結果

吊弦線的預處理過程發(fā)生在拉伸試驗前，拉伸開始的瞬間立即斷開預處理電流。圖6、圖7是預處理時間為100 s時，改變預處理過程中脈沖電流的大小，吊弦線在拉伸速度為2 mm/min的情況下，吊弦線最大應力和抗拉強度與預處理電流之間的關系。

圖6為吊弦線在不同脈沖電流預處理情況下，最大應力隨電流變化曲線。隨著預處理電流的增大，拉伸過程中吊弦線中的最大應力值下降。這是因為銅鎂合金絞線在預處理電流作用下被加熱到一定的塑性區(qū)間，電流的加熱特性增加了材料的塑性，同時吊弦線材料和尺寸一致，隨著電流增大會使單位截面積吊弦線中的電流密度增大，高密度電流會使材料的溫度升高，晶界出現(xiàn)局部溶解[9]，在后續(xù)的拉伸過程中能夠使材料的加工硬化減小，從而引起材料應力下降和伸長率提高。

圖6 最大應力—預處理電流關系

根據(jù)圖7所示，在不同預處理電流情況下，吊弦線的抗拉強度不同，吊弦線抗拉強度隨著預處理電流的增大而減小。預處理電流通過金屬材料時由于焦耳熱作用溫度上升，引起材料發(fā)生熱軟化，使材料的塑性增加；并且，隨著電流的增大，電流產(chǎn)生的焦耳熱增多，對材料的熱力學性能影響增大。當進行拉伸破壞試驗時，拉伸速度一定，塑性越大承受的最大負荷越小。所以隨著預處理電流的增大吊弦線的抗拉強度下降。

圖7 抗拉強度—預處理電流關系

2.3 預處理時間不同的試驗結果

圖8是拉伸速度為2 mm/min時，預處理電流一致而時間不同時，吊弦線在拉伸過程中最大應力變化情況。根據(jù)圖8中所示，吊弦線在拉伸過程中的最大應力隨著預處理時間的增長而減小。

由圖8所示，吊弦線預處理時間分別為0 s、100 s、200 s、300 s，隨著預處理時間的增長，拉伸過程中吊弦線最大應力逐漸減小，這是因為電流產(chǎn)生的焦耳熱不僅與電流的大小有關還與電流作用的時間有關，隨著時間增長電流產(chǎn)生的焦耳熱也在不斷增加，焦耳熱產(chǎn)生的塑性作用也在不斷增加，從而隨著預處理時間的增加，吊弦線中的最大應力減小。

圖8 最大應力—預處理時間關系

圖9是采用不同的預處理電流時長，吊弦線在拉伸過程中應力隨時間變化曲線，圖中可以看出在拉伸過程中吊弦線中的應力在不斷增大，也就是說隨著拉伸時間的增長吊弦線所承受的載荷也在不斷增大。同時，從應力時間曲線可以看出，應力在拉伸過程中會出現(xiàn)獨特的鋸齒狀，這是因為拉伸過程中吊弦線中的應力會發(fā)生瞬時下降，而后又會迅速上升，從而造成的應力往復現(xiàn)象。應力往復現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是金屬材料拉伸過程中由于變形功和摩擦功作用而產(chǎn)生一定的溫升，溫升造成的塑性效應引起應力下降，而裸露的吊弦線在變形的同時也在散熱從而使應力回復。

圖9 應力—時間曲線

3 結 論

在高鐵吊弦拉伸破壞試驗中發(fā)現(xiàn)，拉伸過程中電流大小、預處理時間長短、預處理電流大小等均對吊弦的最大應力和抗拉強度產(chǎn)生影響，具體如下：

(1)對于預處理電流和拉伸過程中電流，吊弦線拉伸過程中最大應力和抗拉強度隨著電流的增大而減小。因為電流增大吊弦線中產(chǎn)生的焦耳熱增加，對材料的塑性產(chǎn)生一定的影響。

(2)無預處理時，電流輔助拉伸吊弦線過程中不僅有焦耳熱作用還有電致塑性效應存在，即銅鎂合金絞線在脈沖電流作用下具有一定的塑性效應，塑性效應的強弱與輔助電流大小有關。

(3)預處理電流為15 A時，吊弦線拉伸過程中最大應力隨著預處理時間的增長而減小。預處理時間增多會使吊弦線中電流產(chǎn)熱增多，從而對塑性影響較大。

因此在吊弦工作過程中，在滿足列車運行需要的同時控制工作電流的大小，可以有效提高吊弦線壽命。