基本介紹
- 中文名：接觸線
- 外文名：line of contract
- 其他名稱：電車線
- 製作材料：金屬
- 相關學科：材料科學
- 套用：鐵道接觸網
介紹,發展現狀,工藝及特性,強度分布,制線架線,內部缺陷,分類,純銅類,銅合金累,鋼鋁類,銅包鋼類,疲勞壽命,研究意義,研究方法,具體操作,
介紹
接觸線也稱為電車線，是接觸網中重要的組成部分，一般製成兩側帶溝槽的圓柱狀。溝槽是為了便於安裝線夾並懸吊固定接觸線而又不影響受電弓滑板的滑行取流。接觸線下面與受電弓滑板接觸的部分呈圓弧狀，稱為接觸線的工作面。接觸線通過與電力機車上的電弓滑板滑動摩擦直接向電力機車輸送電流，其性能直接影響電力機車的受流質量和機車的安全運行。接觸線是所有供電類導線中工作環境最惡劣的一種，正常工作時需要承受衝擊、振動、溫差變化、環境腐蝕、磨耗、電火花燒蝕和極大的工作張力，因此其性能直接影響到高速列車的安全運行。
接觸線
接觸線發展現狀
接觸線的用量隨著中國鐵路、捷運和輕軌交通的不斷新建和改建，線路的總里程的不斷增長而增加。與此同時，實現全面提速，已成為鐵道部的既定方針。適於在中速和準高速下使用，具有較高抗拉強度(拉斷力)、導電性能幾乎和銅一樣的銅銀接觸線，成了首選的線種之一。可 以預計，在不久的將來銅合金接觸線，特別是銅銀接觸線的需要量將超過銅接觸線。大批量國產的和相當數量進口的銅銀接觸線正在不斷生產、架線和投入運用，對中國接觸線的發展和套用，及其新材料、新產品、新工藝、新設備的開發，以及推進國產化創造了機遇。
工藝及特性
強度分布
合金元素銀在銅中的均勻性, 直接影響產品抗拉強度(拉斷力)的均勻性。銀的熔點與銅比較接近，且熔煉時在銅中的分散性較好，因此銅銀合金是比較容易生產的銅合金之一。對銀的加入有直接和中間合金加入法兩種, 無論哪種方法只要能達到成份均勻、燒損少的目的就好, 如前者能達此目的則水平更高。
銅銀接觸線的生產方法有連鑄法和連鑄連軋法兩種, 成份的均勻性決定於熔、鑄, 尤其是熔銅用的爐型。中國用上引連鑄法制桿的爐型通常屬有芯工頻感應電爐，爐子的熔溝就是次級線圈，它對銅液起著渦流的攪拌作用，因此可確保成份的均勻性，而用連鑄連軋法制桿的爐型一般不用此種爐型，從保證成份的均勻性而言，上引連鑄法制桿優於連鑄連軋法制桿。
制線架線
接觸線的平直度直接影響架線通車後受電弓與接觸線間的離線，離線太大由於打火花而引起燒蝕。實踐證明平直度直接與工廠拉線成形後的校直力度、工地架線操作和架線時校直有關，與接觸線的製造方法、線的晶粒度大小、變形不均勻性和內應力分布不均無關。事實上冷拉成形後的雙溝形接觸線，在整個長度的斷面上，變形程度、硬度分布、 晶粒大小和分布以及內應力的分布是不均勻的，尤其在兩個溝槽處最為劇烈。這些因素引起在整批、整盤的產品上和架線後的整個線路上出現不平直。
內部缺陷
接觸線的脆斷與接觸線的製造方法無直接的關。接觸線的脆斷一般與嚴重的內部缺陷——夾雜、夾灰和氣孔等直接有關, 甚至可能與氫脆有關。這些缺陷多數在熔、鑄工序中產生，但氫脆所致將追溯到從電解銅開始直到熔、鑄和熱軋的整個過程。因此，無論何種製造方法應具有穩定的生產工藝和嚴格的操作是使可能突然出現的脆斷減到最少的關鍵，而所生產的產品，內部缺陷的檢驗應符合中國斷口檢驗方法的規定。
在生產工序上採用連續無損探傷，堵截嚴重的內部缺陷是防止危害的辦法之一，但往往出現漏檢或因儀器太靈敏而難於正常操作。國內外不同製造方法生產的接觸線都有脆斷髮生，這就足以說明漏檢難免 。究其原因，與探傷標準樣品的製備有關；只用渦流探傷（探表層缺陷）發現不了深層次的缺陷，要兼施超音波探傷才行；至於探傷在工序上何處進行為宜有深入研究的必要 , 應開發出既適於線上正常操作，又能切實檢出缺陷的儀器和方法。
分類
純銅類
純銅接觸線的抗拉強度一般為350MPa，電導率為97.5%IACS，軟化處理後，其抗拉強度只有未處理前的60%。純銅接觸線是無氧銅桿拉拔成型後使用的接觸線，其強化僅僅依靠加工硬化來實現。
其優點是導電性優異，耐蝕性好。存在的問題是:1.表面和內部硬化程度不一致，隨純銅接觸線冷加工率的提高強度增加，但更容易軟化，強度衰減很大；2.純銅接觸線強度低，易發生斷線，弓網故障多；3.純銅接觸線抗軟化溫度低，耐熱性能差；4.純銅接觸線耐磨性差，隨著牽引電力機車功率增大，電氣磨耗增大，使其壽命大大縮短。因此，在高速、繁忙、重載線路上，純銅接觸線無法滿足要求，只適合在低速鐵路上使用。
銅合金累
採用合金化可以明顯改善純銅接觸線的耐熱性能，提高軟化溫度以及力學強度等，同時利用多元微量的原則，使合金元素對電導率的影響降至最小，滿足高速電氣化鐵路對接觸線的要求。在接觸線的研製中，常用的合金元素主要有Ag、Cd、Cr、Zr、Sn、Mg、Re等。銅合 金接觸線高溫強度高，耐磨性好，而相對電導率下降不大，以優異的綜合性能在電氣化鐵路接觸網中占主導地位。從運輸、供電安全可靠、減少維修及技術經濟方面考慮，鐵道部提倡在重載、繁忙幹線、高速線路及大修換線工程中推廣使用銅合金接觸線。國外高速電氣化鐵路幾乎全部採用銅合金接觸線。
1、銀銅合金型接觸線
銀銅合金型接觸線包括銀銅和銅錫銀。我國銀銅和銅錫銀接觸線的性能與國外相當，但在接觸線的平直度上尚需稍微改進提高，以降低受電弓和接觸線的離線率。對銀銅合金型接觸線的研究主要集中於添加第二元素甚至第三元素對銀銅合金接觸線性能的影響。微量稀土元素的加入可以提高銀銅接觸線的強度、硬度和耐熱性，強度可達 470MPa，相對於銀銅接觸線提高了73MPa；而對銀銅接觸線的導電性 影響很小。
2、錫銅合金型接觸線
世界各國高速鐵路大多採用的接觸線以銅錫合金和銅鎂合金為主。相比之下，銅錫合金接觸線製造工藝簡單，成品率高，價格相對便宜
3、鉻鋯銅合金接觸線
Cu-Cr-Zr接觸線具有較高的力學性能，最顯著的特點是再結晶溫度遠 遠高於純銅的再結晶溫度，且具有較高的高溫強度。Cr元素在銅基體中的固溶度很小，儘量避免了溶質原子對銅基體導電性能的不良影響。鋯熔點高，耐蝕性好。同時，鉻和鋯都能形成氧化物，能夠使銅基體達到晶粒細化的目的，有利於提高接觸線的抗拉強度。在Cu-Cr-Zr中添加微量元素Mg、Si形成多元強化相能明顯提高銅合金的耐高溫性能，硬質點Cr大大提高了接觸線的耐磨性能，抗拉強度和電導率可以達到555.5MPa和78.8%IACS。
4、鎂銅合金接觸線
德國和西班牙多採用銅鎂合金接觸線。銅鎂合金的抗拉強度可以達到500MPa，且同等合金含量的銅鎂接觸線比銅錫接觸線耐磨耗性能好，耐高溫性能也更優異。但是，銅鎂接觸線的製造工藝比銅錫接觸線複雜、且工序較多。鎂的含量越高，加工難度越大，當鎂的含量超過0.7%時，加工過程中接觸線易發生碎斷。由於銅鎂接觸線製造工藝的複雜性，其產量較低。高強度銅鎂合金接觸線可承受很大懸掛張力，其截面又小，有利於提高接觸線波動傳播速度，提高列車運行速度。銅鎂合金線耐熱性能好、耐磨耗。 雖然其電導率較低，但與銅合金承力索配套使用，工藝相對較簡單，成本相對較低。通過連續鑄造及連續擠壓工藝，使連續鑄造成型的無氧銅鎂合金鑄桿的鑄態晶粒破碎，並在變形熱的作用下產生再結晶形成具有細晶組織的銅鎂合金接觸線桿坯，將該桿坯進行冷加工製備出具有超細晶強化效果的高強度銅鎂合金接觸線。其生產工藝簡單可靠，產量及質量完全滿足現有高速電氣化鐵路的要求。
鋼鋁類
鋼鋁接觸線是通過壓力加工機械包覆結合在一起。其存在的問題有:1、結合強度低，會出現分離；2、鋼鋁二相的電化學勢不同，存在電化學腐蝕；3、鋼鋁接觸線抗鹽霧、大氣腐蝕性能差；4、接頭多，易斷裂，接觸網可靠性差。由於鋁電導率低，為保證較大的載流量，需增大導線的截面積，從而使導線對風、冰、雪的負載增大。我國改型生產的CGLN-250型鋁包鋼接觸線和日本研製開發的 TA-196鋁包鋼接觸線，抗拉強度和電導率都較低，但由於截面積大，在準高速和高速接觸網中均可滿足拉斷力的要求。
銅包鋼類
銅包鋼接觸線的銅複比可在20%～85%之間變化，故可製成不同電導率與強度相匹配的導線。研究和開發高質量的國產銅包鋼接觸線具有重要的意義。銅包鋼線材的生產方法主要有鑄造熱壓法、電鍍法、浸塗上引法以及連續擠壓包覆法等。其中，連續擠壓包覆技術設備投資少，生產率高，銅包覆層厚度均勻、無露點、無焊縫，內在質量好，電導率高，成本低，是理想的生產工藝。
疲勞壽命
研究意義
電力機車運行過程中，受電弓-接觸網耦合系統的動態受流對接觸線產生較高的循環應力作用，容易發生疲勞破壞。接觸線在斷線前外觀沒有明顯的變化，目測困難，若發生事故危害很大。因此對接觸網進行精確的壽命預測至關重要。
研究方法
雨流計數法簡稱雨流法，也稱之為塔頂法，是一種雙參數計數法，能將載荷譜以離散載荷循環的形式表示出來，計數結果用應力幅值和應力均值來表示。雨流計數法能統計出應力的封閉環，通過編程可以廣泛套用於隨機載荷譜下的疲勞壽命估算。雨流計數法在程式中的具體實現方法，簡單有效並易於操作。
具體操作
對接觸線上每個單元的應力時程分別進行雨流計數，將各單元的應力時程儲存於一個二維數組中，二維數組的每行表示同一時刻接觸線各單元的應力，每列表示接觸線某一單元的應力時程，具體實現過程如下:
(1)相鄰等值數壓縮。分別對二維數組的每列判斷應力時程前後兩個元素是否相等，若相等則只保留一個。
(2)提取谷峰值。判斷經壓縮後的二維數組每列相鄰數值的差的乘積是否大於零，若大於零則提取峰(或谷)值。
(3)谷峰值調整。對二維數組的每列判斷峰谷值點總數是奇數還是偶數，若是奇數，則對經以上兩步處理過的應力時程不做變化；若是偶數，則去掉最後一個點。判斷首尾點是峰值還是谷值，若是峰值，則使首尾兩點的值都取二者中的較大者；若是谷值，則使首尾兩點的值都取二者中的較小者。
(4)對接。尋找調整過的應力時程二維數組的每列最高波峰(最低波谷)點，將應力時程的每列從該點處截斷，將左段的起點與右段的末點對接，使新的應力時程首尾皆為最高波峰(最低波谷)點。
(5 )用四峰谷值法進行一次雨流計數，4個點的選取遵循單向選取、循環進行的原則提取循環應力幅值和應力均值，並記錄相應的應力循環數。
6)雨流計數循環。對一次雨流計數後剩下的點編制循環命令流，繼續提取應力循環直至剩下3個點(即是數組中最值構成的整循環)為止。對提取的應力循環、每次雨流計數剩下的點、用於刪除計數點的數組 等分別存放於不同的二維數組；用一維數組存放雨流計數剩下的點和應力循環每列的個數，並在每次雨流計數後更新；用於刪除計數點的數組和雨流計數剩下的點的數組初始值為應力時程經前四步處理後的數組，在每次雨流計數後更新。
(7 )無效幅值去除。用變程閾值公式去除幅值很小的可以忽略不計的應力循環。
8)按1MPa的應力幅分級範圍統計不同應力幅下的應力循環數目。 經過以上雨流計數過程，得到接觸線單元的應力幅值集合、應力均值集合、相應的應力循環數集合。
