阮杰，袁洪波，李紅梅，徐鴻燕

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化院，湖北武漢430063）

1 概述

吊弦是高速鐵路架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，是接觸線與承力索之間力與振動(dòng)的主要傳遞對(duì)象，同時(shí)也是接觸網(wǎng)系統(tǒng)中最易發(fā)生疲勞失效的部件之一。隨著高速鐵路開通運(yùn)營時(shí)間及行駛里程的增加，近年來，在部分線路中已經(jīng)開始發(fā)生吊弦疲勞失效等問題［1-3］。因此，為保障高速鐵路供電及行駛安全，對(duì)吊弦疲勞耐久性能的研究顯得愈發(fā)重要與迫切。

戚廣楓等［4］用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)吊弦應(yīng)力時(shí)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，并通過Goodman直線獲得用于疲勞試驗(yàn)加載和壽命預(yù)測(cè)的疲勞載荷譜。Liu等［5］通過仿真分析研究壓接管的壓應(yīng)力對(duì)整體吊弦壽命的影響，為吊弦結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了新的思路。Lee等［6-7］通過研究認(rèn)為接觸線的預(yù)弛度對(duì)吊弦壽命有影響（預(yù)弛度越大吊弦壽命越短），并提出一種估算吊弦疲勞壽命的測(cè)量模型。德國RIBE集團(tuán)接觸網(wǎng)零部件中心用實(shí)驗(yàn)手段模擬了吊弦在豎直方向的振動(dòng)，但沒有對(duì)吊弦疲勞特性做進(jìn)一步試驗(yàn)或分析。楊廣英等［8-9］通過頻率為1.0～1.5 Hz的疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)，提出一種接觸網(wǎng)零部件壽命預(yù)測(cè)方法。

綜上所述，諸多學(xué)者都對(duì)整體吊弦的疲勞耐久特性展開了研究，研究方式主要有2種類型：一種是數(shù)值模擬分析，雖然有較多疲勞分析理論和數(shù)值計(jì)算軟件可供選擇，但吊弦線的柔性結(jié)構(gòu)使得通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行吊弦疲勞耐久特性分析難度較大，且分析結(jié)果缺乏可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，無法保證分析的精確性；另一種是結(jié)合吊弦服役工況及等效載荷，對(duì)吊弦進(jìn)行疲勞試驗(yàn)實(shí)測(cè)，但普通吊弦疲勞試驗(yàn)裝置只能進(jìn)行低頻振動(dòng)下的試驗(yàn)研究。因此，對(duì)于吊弦疲勞耐久性能的整體研究依然薄弱。

為更有效地進(jìn)行吊弦疲勞耐久性能研究，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中接觸網(wǎng)零部件的疲勞試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，針對(duì)現(xiàn)服役于我國高鐵線路的吊弦，設(shè)計(jì)開發(fā)一種可在中、高頻振動(dòng)下開展吊弦疲勞耐久特性的試驗(yàn)裝置，并在試驗(yàn)實(shí)測(cè)中驗(yàn)證了其綜合性能滿足吊弦疲勞試驗(yàn)要求。

2 吊弦使用工況分析

整體吊弦通過線夾安裝于承力索與接觸線間，主要包括吊弦線、壓接管和心形護(hù)環(huán)等部件。在實(shí)際高鐵線路中，接觸網(wǎng)吊弦在每次受電弓滑過時(shí)會(huì)產(chǎn)生多次振幅逐漸衰減的振動(dòng)，在現(xiàn)階段對(duì)吊弦疲勞耐久性能試驗(yàn)研究過程中，將吊弦的工況進(jìn)行單周期循環(huán)簡(jiǎn)化。吊弦的工況示意見圖1，圖中C為吊弦壓縮幅度，F(xiàn)L為吊弦內(nèi)力，F(xiàn)u為受電弓舉升力。正常狀態(tài)下（圖1中①），吊弦承受接觸線自身重力而處于拉伸狀態(tài)；當(dāng)機(jī)車通過時(shí)（圖1中②），受電弓將接觸線抬起，極限工況下的吊弦處于壓縮松弛狀態(tài)；機(jī)車通過后（圖1中③④⑤），架空接觸網(wǎng)的自身恒定靜載使吊弦、承力索與接觸線三者經(jīng)振動(dòng)后回到靜平衡狀態(tài)。每1次受電弓通過，吊弦完成1次周期振動(dòng)［10］。

圖1 吊弦的工況示意圖

吊弦在進(jìn)行周期振動(dòng)時(shí)，各部件受力復(fù)雜，壓接管附近的吊弦絞線既要承受壓接應(yīng)力，又要承受反復(fù)彎曲作用［11］，且吊弦線的壓縮振動(dòng)狀態(tài)不定，采用數(shù)值模擬很難獲得準(zhǔn)確結(jié)果。因此通過疲勞試驗(yàn)裝置開展疲勞試驗(yàn)，研究整體吊弦疲勞破壞機(jī)理以及分析整體吊弦的疲勞壽命具有更好的可行性。

3 整體吊弦疲勞耐久試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 疲勞試驗(yàn)規(guī)范

吊弦疲勞試驗(yàn)由拉力載荷和壓縮位移載荷交替進(jìn)行。參照GB/T 32578—2016、EN 50119：2009及TB/T 2074—2010［12-14］，對(duì)3種標(biāo)準(zhǔn)中的主要試驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)及硬件要求進(jìn)行歸納如下：

（1）吊弦試驗(yàn)長(zhǎng)度：0.5～1.5 m；

（2）吊弦應(yīng)與其特定的線夾配套進(jìn)行試驗(yàn)；

（3）試驗(yàn)指定的壓縮幅度為20～200 mm；

（4）吊弦內(nèi)部力為100～400 N；

（5）試驗(yàn)頻率應(yīng)為0.5～10.0 Hz，最少應(yīng)進(jìn)行200萬次試驗(yàn)，規(guī)定周期數(shù)內(nèi)吊弦不能斷裂破壞；

（6）疲勞試驗(yàn)機(jī)具有恒速、恒力控制功能，能夠獨(dú)立設(shè)定與調(diào)整靜態(tài)與動(dòng)態(tài)力值及位移量。

綜合以上試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，吊弦疲勞試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)具有如下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）高頻率試驗(yàn)時(shí)大壓縮幅值會(huì)讓運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生巨大慣性力。

（2）高頻下難以進(jìn)行平穩(wěn)、精確的拉力加載?，F(xiàn)有疲勞試驗(yàn)裝置采用墜砣或砝碼等加載方式，試驗(yàn)時(shí)的力載荷值與重物質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)加速度有關(guān)。為了控制運(yùn)動(dòng)加速度的峰值，一般要求試驗(yàn)頻率在1.0 Hz左右，因此難以進(jìn)行更高頻率下的吊弦疲勞性能分析。

為更加貼合標(biāo)準(zhǔn)中所提出的試驗(yàn)要求，需要一種結(jié)構(gòu)可靠、擁有較寬加載頻率范圍，同時(shí)在中、高頻試驗(yàn)時(shí)可平穩(wěn)加載力的疲勞試驗(yàn)裝置。

3.2 疲勞試驗(yàn)裝置方案設(shè)計(jì)

疲勞試驗(yàn)裝置主要包含位移加載系統(tǒng)、整體吊弦、力加載系統(tǒng)、位移與力傳感器和單片機(jī)控制單元等，設(shè)計(jì)工作原理見圖2。變頻器與工業(yè)計(jì)算機(jī)間建立通信作為驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)；將拉力載荷、壓縮位移載荷單獨(dú)進(jìn)行加載，利用光電傳感器對(duì)加載時(shí)間進(jìn)行精確控制；通過力傳感器與位移傳感器輸出實(shí)時(shí)載荷測(cè)量值，同時(shí)利用單片機(jī)對(duì)力載荷進(jìn)行反饋修正，從而保證力載荷的精確控制；利用監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行裝置的全局監(jiān)控，以便試驗(yàn)裝置的檢修和維護(hù)。

圖2 疲勞試驗(yàn)裝置方案設(shè)計(jì)

異步電機(jī)結(jié)合減速機(jī)作為動(dòng)力源輸入，通過變頻器可確保在0.5～10.0 Hz范圍內(nèi)精確控制試驗(yàn)頻率。用曲柄連桿作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，與變頻器、電機(jī)和減速機(jī)組成位移加載系統(tǒng)，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)的方式精準(zhǔn)控制吊弦壓縮位移載荷，并可通過更換不同型號(hào)曲柄實(shí)現(xiàn)多種壓縮幅值。綜合考慮加載工況和氣動(dòng)元件良好的高速特性，以氣動(dòng)系統(tǒng)作為力加載裝置，與單片機(jī)、力傳感器等組成力加載系統(tǒng)，以提供平穩(wěn)精確的拉力載荷。在軟件方面，為試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)專用的控制界面，用以便捷控制試驗(yàn)裝置的運(yùn)行工況，實(shí)時(shí)顯示力載荷與位移載荷等測(cè)量值，并能夠儲(chǔ)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)以便后期整理分析。

3.3 吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 位移加載系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置采取單獨(dú)位移加載的方式。位移加載系統(tǒng)包括電機(jī)、減速機(jī)、支撐座和曲柄連桿等機(jī)構(gòu)。電機(jī)工作時(shí)，輸出軸連接凸輪每旋轉(zhuǎn)1周，曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)吊弦進(jìn)行1次位移壓縮加載。通過凸輪型線保證連桿在位于行程的下止點(diǎn)時(shí)有短暫間歇，力加載系統(tǒng)在此間歇進(jìn)行拉力加載。吊弦壓縮幅值由曲柄控制（見圖3），曲柄連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑為C/2，因此，曲柄連桿進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的吊弦最大壓縮幅值為C。將激光位移傳感器安裝于支撐座上，通過實(shí)時(shí)測(cè)量導(dǎo)向機(jī)構(gòu)位置，便可得到位移載荷變化曲線。選取最大壓縮位移載荷為100 mm的曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移載荷實(shí)測(cè)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為1、3 Hz下實(shí)測(cè)的位移加載曲線見圖4，其中前5 s為3 Hz下采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，后5 s為1 Hz下采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 曲柄連桿及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

圖4 試驗(yàn)頻率為1、3 Hz下實(shí)測(cè)的100 mm位移加載曲線

3.3.2 力加載系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置采取單獨(dú)力加載的方式。力加載系統(tǒng)示意見圖5，力加載系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制單元和氣動(dòng)系統(tǒng)組成。氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣源模塊、調(diào)壓閥、穩(wěn)壓氣罐、電磁閥和雙作用氣缸等部件。由空氣壓縮機(jī)作為氣源裝置提供初始高壓氣體，經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)壓后儲(chǔ)于穩(wěn)壓氣罐，消除調(diào)壓閥產(chǎn)生的氣壓波動(dòng)后，為雙作用氣缸提供穩(wěn)定壓力。第一電磁閥和第二電磁閥分別與氣缸上、下腔室連通，電磁閥的協(xié)同狀態(tài)決定了氣缸的工作狀態(tài)。

力加載觸發(fā)原理見圖6。激光對(duì)射傳感器分為激光發(fā)射器和激光接收模塊。當(dāng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行至行程下止點(diǎn)時(shí)吊弦剛好被拉直，激光發(fā)射器發(fā)射的激光被遮擋，激光接收模塊傳感器接收不到激光信號(hào)，輸出阻斷信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)控制第二電磁閥連通，氣體推動(dòng)氣缸活塞上行，對(duì)剛好處于拉直狀態(tài)的吊弦加載拉力；當(dāng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)上行到激光對(duì)射信號(hào)連通位置時(shí)，第二電磁閥關(guān)閉，第一電磁閥打開，氣缸活塞下行卸載拉力。加載過程中，力傳感器采集拉力數(shù)值并發(fā)送給單片機(jī)與工業(yè)電腦；當(dāng)最大拉力數(shù)值偏離目標(biāo)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制調(diào)節(jié)調(diào)壓閥的工作氣壓，改變雙作用氣缸的拉力值，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、精確的拉力加載。

圖5 力加載系統(tǒng)示意圖

圖6 力加載觸發(fā)原理簡(jiǎn)圖

高頻拉力加載測(cè)試裝置示意見圖7，雙作用氣缸、穩(wěn)壓氣罐、加載支架等部件通過上端承力梁板固定于支撐柱上，力傳感器固連于氣缸下端。將吊弦一端安裝于上安裝座，另一端安裝于下端固定支座，使吊弦剛好處于拉直狀態(tài)。設(shè)定輸入不同頻率的阻斷信號(hào)程序（控制氣缸加載頻率）到單片機(jī)，進(jìn)行最大拉力為400 N的拉力載荷實(shí)測(cè)（見圖8）。

圖7 高頻拉力加載測(cè)試裝置示意圖

圖8 實(shí)測(cè)力加載曲線

4 吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)與實(shí)測(cè)

吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)見圖9，并針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了相關(guān)配套軟件開發(fā)，以精確控制和記錄臺(tái)架工況與運(yùn)行狀態(tài)。

圖9 吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

為考察吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)能提供的最大試驗(yàn)工況參數(shù)，參考試驗(yàn)裝置零件設(shè)計(jì)過程中的負(fù)載計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)的極限性能驗(yàn)證試驗(yàn)。吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)完成的極限測(cè)試試驗(yàn)工況見表1。

表1 吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)完成的極限測(cè)試試驗(yàn)工況

在完成的極限測(cè)試試驗(yàn)中，每種試驗(yàn)工況下的驗(yàn)證試驗(yàn)次數(shù)不少于50萬次，整個(gè)試驗(yàn)裝置無零件發(fā)生疲勞破壞。

參照吊弦疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以試驗(yàn)頻率為4 Hz、最大壓縮位移載荷100 mm、最大拉力載荷400 N的試驗(yàn)工況對(duì)多個(gè)吊弦樣本進(jìn)行疲勞試驗(yàn)實(shí)測(cè)。典型吊弦實(shí)測(cè)疲勞失效形式見圖10，分別為心形護(hù)環(huán)斷裂、吊弦線夾斷裂和壓接管端部吊弦線全斷。心形護(hù)環(huán)和吊弦線夾在每次試驗(yàn)循環(huán)中直接承受載荷沖擊，是整體吊弦試驗(yàn)過程中工作環(huán)境最惡劣的環(huán)節(jié)之一；壓接管附近的吊弦線既要承受制造加工時(shí)的壓接應(yīng)力，又要承受周期振動(dòng)中的反復(fù)彎曲作用力，相對(duì)其他吊弦部件更易發(fā)生疲勞斷裂，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際吊弦工作情況相符。

圖10 吊弦樣本失效主要形式

吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)以4 Hz/100 mm/400 N的試驗(yàn)工況，在對(duì)吊弦進(jìn)行疲勞實(shí)測(cè)的同時(shí)也進(jìn)行了其自身的耐久性驗(yàn)證，以考察試驗(yàn)裝置本身的疲勞弱點(diǎn)。已進(jìn)行的超過1 000萬次循環(huán)試驗(yàn)中，裝置運(yùn)行可靠，無主要零件發(fā)生疲勞破壞。該吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)具有以下綜合特點(diǎn)：

（1）可通過更換不同尺寸曲柄連桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)吊弦的壓縮位移載荷；

（2）使用氣動(dòng)元件對(duì)吊弦進(jìn)行拉力加載，高速適應(yīng)性好，力加載平穩(wěn)，試驗(yàn)結(jié)果可信度高；

（3）試驗(yàn)加載頻率提高，可進(jìn)行更高頻率下的振動(dòng)試驗(yàn)，為開展快速老化試驗(yàn)研究提供平臺(tái)支撐。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高速鐵路接觸網(wǎng)吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)精確穩(wěn)定的拉力加載，并具有較寬的試驗(yàn)頻率范圍。通過運(yùn)用該裝置進(jìn)行疲勞試驗(yàn)實(shí)測(cè)，首先，驗(yàn)證了試驗(yàn)裝置的可靠性；其次，通過試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)吊弦結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，可為現(xiàn)有吊弦疲勞性能的綜合評(píng)估和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持；同時(shí)為研究、建立吊弦疲勞快速老化評(píng)價(jià)體系，建立更科學(xué)、有效的疲勞試驗(yàn)規(guī)范和流程，提供可靠的試驗(yàn)設(shè)備條件。