高速鐵路接觸網(wǎng)吊弦振動疲勞試驗臺設計與實現(xiàn)

阮杰，袁洪波，李紅梅，徐鴻燕

（1.武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北武漢430070；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司電化院，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的主要傳遞對象，同時也是接觸網(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營時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］用雨流計數(shù)法對吊弦應力時程進行統(tǒng)計計數(shù)，并通過Goodman直線獲得用于疲勞試驗加載和壽命預測的疲勞載荷譜。Liu等［5］通過仿真分析研究壓接管的壓應力對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］通過研究認為接觸線的預弛度對吊弦壽命有影響（預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量模型。德國RIBE集團接觸網(wǎng)零部件中心用實驗手段模擬了吊弦在豎直方向的振動，但沒有對吊弦疲勞特性做進一步試驗或分析。楊廣英等［8-9］通過頻率為1.0～1.5 Hz的疲勞試驗設計，提出一種接觸網(wǎng)零部件壽命預測方法。

綜上所述，諸多學者都對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)學模型進行吊弦疲勞耐久特性分析難度較大，且分析結(jié)果缺乏可靠的實測數(shù)據(jù)驗證，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，對吊弦進行疲勞試驗實測，但普通吊弦疲勞試驗裝置只能進行低頻振動下的試驗研究。因此，對于吊弦疲勞耐久性能的整體研究依然薄弱。

為更有效地進行吊弦疲勞耐久性能研究，嚴格按照相關(guān)標準中接觸網(wǎng)零部件的疲勞試驗規(guī)范進行疲勞試驗，針對現(xiàn)服役于我國高鐵線路的吊弦，設計開發(fā)一種可在中、高頻振動下開展吊弦疲勞耐久特性的試驗裝置，并在試驗實測中驗證了其綜合性能滿足吊弦疲勞試驗要求。

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、壓接管和心形護環(huán)等部件。在實際高鐵線路中，接觸網(wǎng)吊弦在每次受電弓滑過時會產(chǎn)生多次振幅逐漸衰減的振動，在現(xiàn)階段對吊弦疲勞耐久性能試驗研究過程中，將吊弦的工況進行單周期循環(huán)簡化。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)；當機車通過時（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［10］。

圖1 吊弦的工況示意圖

吊弦在進行周期振動時，各部件受力復雜，壓接管附近的吊弦絞線既要承受壓接應力，又要承受反復彎曲作用［11］，且吊弦線的壓縮振動狀態(tài)不定，采用數(shù)值模擬很難獲得準確結(jié)果。因此通過疲勞試驗裝置開展疲勞試驗，研究整體吊弦疲勞破壞機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設計

3.1 疲勞試驗規(guī)范

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

（1）吊弦試驗長度：0.5～1.5 m；

（2）吊弦應與其特定的線夾配套進行試驗；

（3）試驗指定的壓縮幅度為20～200 mm；

（4）吊弦內(nèi)部力為100～400 N；

（5）試驗頻率應為0.5～10.0 Hz，最少應進行200萬次試驗，規(guī)定周期數(shù)內(nèi)吊弦不能斷裂破壞；

（6）疲勞試驗機具有恒速、恒力控制功能，能夠獨立設定與調(diào)整靜態(tài)與動態(tài)力值及位移量。

綜合以上試驗標準，吊弦疲勞試驗裝置實現(xiàn)具有如下技術(shù)難點：

（1）高頻率試驗時大壓縮幅值會讓運動機構(gòu)產(chǎn)生巨大慣性力。

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

為更加貼合標準中所提出的試驗要求，需要一種結(jié)構(gòu)可靠、擁有較寬加載頻率范圍，同時在中、高頻試驗時可平穩(wěn)加載力的疲勞試驗裝置。

3.2 疲勞試驗裝置方案設計

疲勞試驗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控制單元等，設計工作原理見圖2。變頻器與工業(yè)計算機間建立通信作為驅(qū)動控制系統(tǒng)；將拉力載荷、壓縮位移載荷單獨進行加載，利用光電傳感器對加載時間進行精確控制；通過力傳感器與位移傳感器輸出實時載荷測量值，同時利用單片機對力載荷進行反饋修正，從而保證力載荷的精確控制；利用監(jiān)控設備進行裝置的全局監(jiān)控，以便試驗裝置的檢修和維護。

圖2 疲勞試驗裝置方案設計

異步電機結(jié)合減速機作為動力源輸入，通過變頻器可確保在0.5～10.0 Hz范圍內(nèi)精確控制試驗頻率。用曲柄連桿作為運動機構(gòu)，與變頻器、電機和減速機組成位移加載系統(tǒng)，采用機械結(jié)構(gòu)的方式精準控制吊弦壓縮位移載荷，并可通過更換不同型號曲柄實現(xiàn)多種壓縮幅值。綜合考慮加載工況和氣動元件良好的高速特性，以氣動系統(tǒng)作為力加載裝置，與單片機、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，為試驗裝置設計專用的控制界面，用以便捷控制試驗裝置的運行工況，實時顯示力載荷與位移載荷等測量值，并能夠儲存試驗數(shù)據(jù)以便后期整理分析。

3.3 吊弦振動疲勞試驗臺結(jié)構(gòu)設計

3.3.1 位移加載系統(tǒng)

試驗裝置采取單獨位移加載的方式。位移加載系統(tǒng)包括電機、減速機、支撐座和曲柄連桿等機構(gòu)。電機工作時，輸出軸連接凸輪每旋轉(zhuǎn)1周，曲柄連桿機構(gòu)帶動吊弦進行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時有短暫間歇，力加載系統(tǒng)在此間歇進行拉力加載。吊弦壓縮幅值由曲柄控制（見圖3），曲柄連桿機構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑為C/2，因此，曲柄連桿進行圓周運動時可實現(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，通過實時測量導向機構(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的曲柄連桿機構(gòu)進行位移載荷實測。電機運轉(zhuǎn)頻率為1、3 Hz下實測的位移加載曲線見圖4，其中前5 s為3 Hz下采集的試驗數(shù)據(jù)，后5 s為1 Hz下采集的試驗數(shù)據(jù)。

圖3 曲柄連桿及導向機構(gòu)

圖4 試驗頻率為1、3 Hz下實測的100 mm位移加載曲線

3.3.2 力加載系統(tǒng)

試驗裝置采取單獨力加載的方式。力加載系統(tǒng)示意見圖5，力加載系統(tǒng)主要由單片機控制單元和氣動系統(tǒng)組成。氣動系統(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)壓后儲于穩(wěn)壓氣罐，消除調(diào)壓閥產(chǎn)生的氣壓波動后，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。激光對射傳感器分為激光發(fā)射器和激光接收模塊。當曲柄連桿機構(gòu)運行至行程下止點時吊弦剛好被拉直，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，輸出阻斷信號給單片機，單片機控制第二電磁閥連通，氣體推動氣缸活塞上行，對剛好處于拉直狀態(tài)的吊弦加載拉力；當曲柄連桿機構(gòu)上行到激光對射信號連通位置時，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)送給單片機與工業(yè)電腦；當最大拉力數(shù)值偏離目標設定值時，單片機控制調(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)原理簡圖

高頻拉力加載測試裝置示意見圖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)。設定輸入不同頻率的阻斷信號程序（控制氣缸加載頻率）到單片機，進行最大拉力為400 N的拉力載荷實測（見圖8）。

圖7 高頻拉力加載測試裝置示意圖

圖8 實測力加載曲線

4 吊弦振動疲勞試驗臺實現(xiàn)與實測

吊弦振動疲勞試驗臺整體結(jié)構(gòu)見圖9，并針對試驗臺架進行了相關(guān)配套軟件開發(fā)，以精確控制和記錄臺架工況與運行狀態(tài)。

圖9 吊弦振動疲勞試驗臺整體結(jié)構(gòu)

為考察吊弦振動疲勞試驗臺能提供的最大試驗工況參數(shù)，參考試驗裝置零件設計過程中的負載計算結(jié)果，進行吊弦振動疲勞試驗臺樣機的極限性能驗證試驗。吊弦振動疲勞試驗臺完成的極限測試試驗工況見表1。

表1 吊弦振動疲勞試驗臺完成的極限測試試驗工況

在完成的極限測試試驗中，每種試驗工況下的驗證試驗次數(shù)不少于50萬次，整個試驗裝置無零件發(fā)生疲勞破壞。

參照吊弦疲勞試驗標準，以試驗頻率為4 Hz、最大壓縮位移載荷100 mm、最大拉力載荷400 N的試驗工況對多個吊弦樣本進行疲勞試驗實測。典型吊弦實測疲勞失效形式見圖10，分別為心形護環(huán)斷裂、吊弦線夾斷裂和壓接管端部吊弦線全斷。心形護環(huán)和吊弦線夾在每次試驗循環(huán)中直接承受載荷沖擊，是整體吊弦試驗過程中工作環(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的壓接應力，又要承受周期振動中的反復彎曲作用力，相對其他吊弦部件更易發(fā)生疲勞斷裂，試驗結(jié)果與實際吊弦工作情況相符。

圖10 吊弦樣本失效主要形式

吊弦振動疲勞試驗臺以4 Hz/100 mm/400 N的試驗工況，在對吊弦進行疲勞實測的同時也進行了其自身的耐久性驗證，以考察試驗裝置本身的疲勞弱點。已進行的超過1 000萬次循環(huán)試驗中，裝置運行可靠，無主要零件發(fā)生疲勞破壞。該吊弦振動疲勞試驗臺具有以下綜合特點：

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

（2）使用氣動元件對吊弦進行拉力加載，高速適應性好，力加載平穩(wěn)，試驗結(jié)果可信度高；

（3）試驗加載頻率提高，可進行更高頻率下的振動試驗，為開展快速老化試驗研究提供平臺支撐。

5 結(jié)束語

設計并實現(xiàn)了一種高速鐵路接觸網(wǎng)吊弦振動疲勞試驗裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)精確穩(wěn)定的拉力加載，并具有較寬的試驗頻率范圍。通過運用該裝置進行疲勞試驗實測，首先，驗證了試驗裝置的可靠性；其次，通過試驗結(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估和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供試驗數(shù)據(jù)支持；同時為研究、建立吊弦疲勞快速老化評價體系，建立更科學、有效的疲勞試驗規(guī)范和流程，提供可靠的試驗設備條件。