[科普中国]-接触线

简介

接触线也称为电车线，是接触网中重要的组成部分，一般制成两侧带沟槽的圆柱状。沟槽是为了便于安装线夹并悬吊固定接触线而又不影响受电弓滑板的滑行取流。接触线下面与受电弓滑板接触的部分呈圆弧状，称为接触线的工作面。接触线通过与电力机车上的电弓滑板滑动摩擦直接向电力机车输送电流，其性能直接影响电力机车的受流质量和机车的安全运行。接触线是所有供电类导线中工作环境最恶劣的一种，正常工作时需要承受冲击、振动、温差变化、环境腐蚀、磨耗、电火花烧蚀和极大的工作张力，因此其性能直接影响到高速列车的安全运行。1

发展现状接触线的用量随着中国铁路、地铁和轻轨交通的不断新建和改建，线路的总里程的不断增长而增加。与此同时，实现全面提速，已成为铁道部的既定方针。适于在中速和准高速下使用，具有较高抗拉强度(拉断力)、导电性能几乎和铜一样的铜银接触线，成了首选的线种之一。可 以预计，在不久的将来铜合金接触线，特别是铜银接触线的需要量将超过铜接触线。大批量国产的和相当数量进口的铜银接触线正在不断生产、架线和投入运用，对中国接触线的发展和应用，及其新材料、新产品、新工艺、新设备的开发，以及推进国产化创造了机遇。2

工艺及特性成份均匀性与强度分布合金元素银在铜中的均匀性, 直接影响产品抗拉强度(拉断力)的均匀性。银的熔点与铜比较接近，且熔炼时在铜中的分散性较好，因此铜银合金是比较容易生产的铜合金之一。对银的加入有直接和中间合金加入法两种, 无论哪种方法只要能达到成份均匀、烧损少的目的就好, 如前者能达此目的则水平更高。

铜银接触线的生产方法有连铸法和连铸连轧法两种, 成份的均匀性决定于熔、铸, 尤其是熔铜用的炉型。中国用上引连铸法制杆的炉型通常属有芯工频感应电炉，炉子的熔沟就是次级线圈，它对铜液起着涡流的搅拌作用，因此可确保成份的均匀性，而用连铸连轧法制杆的炉型一般不用此种炉型，从保证成份的均匀性而言，上引连铸法制杆优于连铸连轧法制杆。

接触线平直度与制线架线接触线的平直度直接影响架线通车后受电弓与接触线间的离线，离线太大由于打火花而引起烧蚀。实践证明平直度直接与工厂拉线成形后的校直力度、工地架线操作和架线时校直有关，与接触线的制造方法、线的晶粒度大小、变形不均匀性和内应力分布不均无关。事实上冷拉成形后的双沟形接触线，在整个长度的断面上，变形程度、硬度分布、 晶粒大小和分布以及内应力的分布是不均匀的，尤其在两个沟槽处最为剧烈。这些因素引起在整批、整盘的产品上和架线后的整个线路上出现不平直。

接触线脆断与制造方法和内部缺陷接触线的脆断与接触线的制造方法无直接的关。接触线的脆断一般与严重的内部缺陷——夹杂、夹灰和气孔等直接有关, 甚至可能与氢脆有关。这些缺陷多数在熔、铸工序中产生，但氢脆所致将追溯到从电解铜开始直到熔、铸和热轧的整个过程。因此，无论何种制造方法应具有稳定的生产工艺和严格的操作是使可能突然出现的脆断减到最少的关键，而所生产的产品，内部缺陷的检验应符合中国断口检验方法的规定。

在生产工序上采用连续无损探伤，堵截严重的内部缺陷是防止危害的办法之一，但往往出现漏检或因仪器太灵敏而难于正常操作。国内外不同制造方法生产的接触线都有脆断发生，这就足以说明漏检难免 。究其原因，与探伤标准样品的制备有关；只用涡流探伤（探表层缺陷）发现不了深层次的缺陷，要兼施超声波探伤才行；至于探伤在工序上何处进行为宜有深入研究的必要 , 应开发出既适于在线正常操作，又能切实检出缺陷的仪器和方法。

分类纯铜接触线纯铜接触线的抗拉强度一般为350MPa，电导率为97.5%IACS，软化处理后，其抗拉强度只有未处理前的60%。纯铜接触线是无氧铜杆拉拔成型后使用的接触线，其强化仅仅依靠加工硬化来实现。

其优点是导电性优异，耐蚀性好。存在的问题是:1.表面和内部硬化程度不一致，随纯铜接触线冷加工率的提高强度增加，但更容易软化，强度衰减很大；2.纯铜接触线强度低，易发生断线，弓网故障多；3.纯铜接触线抗软化温度低，耐热性能差；4.纯铜接触线耐磨性差，随着牵引电力机车功率增大，电气磨耗增大，使其寿命大大缩短。因此，在高速、繁忙、重载线路上，纯铜接触线无法满足要求，只适合在低速铁路上使用。

铜合金接触线采用合金化可以明显改善纯铜接触线的耐热性能，提高软化温度以及力学强度等，同时利用多元微量的原则，使合金元素对电导率的影响降至最小，满足高速电气化铁路对接触线的要求。在接触线的研制中，常用的合金元素主要有Ag、Cd、Cr、Zr、Sn、Mg、Re等。铜合 金接触线高温强度高，耐磨性好，而相对电导率下降不大，以优异的综合性能在电气化铁路接触网中占主导地位。从运输、供电安全可靠、减少维修及技术经济方面考虑，铁道部提倡在重载、繁忙干线、高速线路及大修换线工程中推广使用铜合金接触线。国外高速电气化铁路几乎全部采用铜合金接触线。

1、银铜合金型接触线

银铜合金型接触线包括银铜和铜锡银。我国银铜和铜锡银接触线的性能与国外相当，但在接触线的平直度上尚需稍微改进提高，以降低受电弓和接触线的离线率。对银铜合金型接触线的研究主要集中于添加第二元素甚至第三元素对银铜合金接触线性能的影响。微量稀土元素的加入可以提高银铜接触线的强度、硬度和耐热性，强度可达 470MPa，相对于银铜接触线提高了73MPa；而对银铜接触线的导电性 影响很小。

2、锡铜合金型接触线

世界各国高速铁路大多采用的接触线以铜锡合金和铜镁合金为主。相比之下，铜锡合金接触线制造工艺简单，成品率高，价格相对便宜

3、铬锆铜合金接触线

Cu-Cr-Zr接触线具有较高的力学性能，最显著的特点是再结晶温度远 远高于纯铜的再结晶温度，且具有较高的高温强度。Cr元素在铜基体中的固溶度很小，尽量避免了溶质原子对铜基体导电性能的不良影响。锆熔点高，耐蚀性好。同时，铬和锆都能形成氧化物，能够使铜基体达到晶粒细化的目的，有利于提高接触线的抗拉强度。在Cu-Cr-Zr中添加微量元素Mg、Si形成多元强化相能明显提高铜合金的耐高温性能，硬质点Cr大大提高了接触线的耐磨性能，抗拉强度和电导率可以达到555.5MPa和78.8%IACS。

4、镁铜合金接触线

德国和西班牙多采用铜镁合金接触线。铜镁合金的抗拉强度可以达到500MPa，且同等合金含量的铜镁接触线比铜锡接触线耐磨耗性能好，耐高温性能也更优异。但是，铜镁接触线的制造工艺比铜锡接触线复杂、且工序较多。镁的含量越高，加工难度越大，当镁的含量超过0.7%时，加工过程中接触线易发生碎断。由于铜镁接触线制造工艺的复杂性，其产量较低。高强度铜镁合金接触线可承受很大悬挂张力，其截面又小，有利于提高接触线波动传播速度，提高列车运行速度。铜镁合金线耐热性能好、耐磨耗。 虽然其电导率较低，但与铜合金承力索配套使用，工艺相对较简单，成本相对较低。通过连续铸造及连续挤压工艺，使连续铸造成型的无氧铜镁合金铸杆的铸态晶粒破碎，并在变形热的作用下产生再结晶形成具有细晶组织的铜镁合金接触线杆坯，将该杆坯进行冷加工制备出具有超细晶强化效果的高强度铜镁合金接触线。其生产工艺简单可靠，产量及质量完全满足现有高速电气化铁路的要求。3

钢铝接触线钢铝接触线是通过压力加工机械包覆结合在一起。其存在的问题有:1、结合强度低，会出现分离；2、钢铝二相的电化学势不同，存在电化学腐蚀；3、钢铝接触线抗盐雾、大气腐蚀性能差；4、接头多，易断裂，接触网可靠性差。由于铝电导率低，为保证较大的载流量，需增大导线的截面积，从而使导线对风、冰、雪的负载增大。我国改型生产的CGLN-250型铝包钢接触线和日本研制开发的 TA-196铝包钢接触线，抗拉强度和电导率都较低，但由于截面积大，在准高速和高速接触网中均可满足拉断力的要求。

铜包钢接触线铜包钢接触线的铜复比可在20%～85%之间变化，故可制成不同电导率与强度相匹配的导线。研究和开发高质量的国产铜包钢接触线具有重要的意义。铜包钢线材的生产方法主要有铸造热压法、电镀法、浸涂上引法以及连续挤压包覆法等。其中，连续挤压包覆技术设备投资少，生产率高，铜包覆层厚度均匀、无露点、无焊缝，内在质量好，电导率高，成本低，是理想的生产工艺。1

接触线疲劳寿命研究意义电力机车运行过程中，受电弓-接触网耦合系统的动态受流对接触线产生较高的循环应力作用，容易发生疲劳破坏。接触线在断线前外观没有明显的变化，目测困难，若发生事故危害很大。因此对接触网进行精确的寿命预测至关重要。

研究方法雨流计数法简称雨流法，也称之为塔顶法，是一种双参数计数法，能将载荷谱以离散载荷循环的形式表示出来，计数结果用应力幅值和应力均值来表示。雨流计数法能统计出应力的封闭环，通过编程可以广泛应用于随机载荷谱下的疲劳寿命估算。雨流计数法在程序中的具体实现方法，简单有效并易于操作。

具体操作对接触线上每个单元的应力时程分别进行雨流计数，将各单元的应力时程储存于一个二维数组中，二维数组的每行表示同一时刻接触线各单元的应力，每列表示接触线某一单元的应力时程，具体实现过程如下:

(1)相邻等值数压缩。分别对二维数组的每列判断应力时程前后两个元素是否相等，若相等则只保留一个。

(2)提取谷峰值。判断经压缩后的二维数组每列相邻数值的差的乘积是否大于零，若大于零则提取峰(或谷)值。

(3)谷峰值调整。对二维数组的每列判断峰谷值点总数是奇数还是偶数，若是奇数，则对经以上两步处理过的应力时程不做变化；若是偶数，则去掉最后一个点。判断首尾点是峰值还是谷值，若是峰值，则使首尾两点的值都取二者中的较大者；若是谷值，则使首尾两点的值都取二者中的较小者。

(4)对接。寻找调整过的应力时程二维数组的每列最高波峰(最低波谷)点，将应力时程的每列从该点处截断，将左段的起点与右段的末点对接，使新的应力时程首尾皆为最高波峰(最低波谷)点。

(5 )用四峰谷值法进行一次雨流计数，4个点的选取遵循单向选取、循环进行的原则提取循环应力幅值和应力均值，并记录相应的应力循环数。

6)雨流计数循环。对一次雨流计数后剩下的点编制循环命令流，继续提取应力循环直至剩下3个点(即是数组中最值构成的整循环)为止。对提取的应力循环、每次雨流计数剩下的点、用于删除计数点的数组 等分别存放于不同的二维数组；用一维数组存放雨流计数剩下的点和应力循环每列的个数，并在每次雨流计数后更新；用于删除计数点的数组和雨流计数剩下的点的数组初始值为应力时程经前四步处理后的数组，在每次雨流计数后更新。

(7 )无效幅值去除。用变程阈值公式去除幅值很小的可以忽略不计的应力循环。

8)按1MPa的应力幅分级范围统计不同应力幅下的应力循环数目。 经过以上雨流计数过程，得到接触线单元的应力幅值集合、应力均值集合、相应的应力循环数集合。4