严寒地区高速铁路接触网金属材质探讨

2011-06-22汪吉健

电气化铁道 2011年4期

汪吉健

0 引言

目前，国内建成投运的客运专线中，许多最低环境温度仅在-40℃左右，例如哈大客运专线最低环境温度-40℃、兰新第二双线最低环境温度-41.5℃。在低温环境下，随着温度降低，接触网材料强度得到提高，但塑性及韧性逐渐降低，特殊情况下甚至出现脆性断裂。

本文着重分析了高速铁路接触网所采用的主要金属材料在低温环境下的特性，并提出相关材质选择建议，以期为严寒地区高速铁路接触网研究、设计提供参考。

1 低温对接触网金属零部件影响

1.1 金属低温机械特性

根据《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144-2001）中的术语定义第 4.0.13条，严寒地区定义为最冷月平均温度≤-10℃的地区。表1标明了国内最低温度分布情况[1]。

由表1可得，国内除广东、广西、福建及浙江沿海外，其余大部分均为严寒地区。

强度是材料抵抗变形与断裂的能力；塑性是断裂时材料总塑性变形程度；而韧性则是材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。韧性包括断裂韧性与冲击韧性，其中断裂韧性是反映材料抵抗裂纹失稳扩展的性能指标，主要体现在裂纹扩展功大小；冲击韧性是指材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，体现在裂纹形成功及裂纹扩展功大小[2]。

表1 中国最低温度分布地区表

一般来说，在低温环境下，金属材料呈现如下机械特性：

（1）强度及塑性。大量试验结果和研究证明，fy、fu随温度变化规律可近似为[3]

随着温度降低，强度升高，且fy增加速度要大于fu的增加速度。当温度降至某临界点Ter时，屈服强度和极限强度相同，该点被定义为零塑性临界温度，即发生脆性断裂的温度。

（2）冲击韧性。文献[3]指出，冲击韧性一般随温度降低而降低。但材料不同，降低速度不同。

（3）焊接。低温除对金属零部件材质自身性能影响外，还对各金属零部件连接方式有一定影响。文献[4]提出低温对采用焊接方式连接可能存在的影响包括焊接接头冷却速度增加，冷裂纹敏感性也增加；在低温环境下用相同的热源，相同的时间，不能达到应有的预热效果；焊接残余应力的作用加剧；环境温度对焊工的操作带来不利的影响。

1.2 接触网主要金属材料及其低温特性

高速铁路接触网主要采用的金属材料有铜合金、铝合金及钢材质。

1.2.1 铜合金

铜合金主要应用于接触线、承力索等零部件。文献[5]给出了铜及铜合金的低温力学性能，见表2。由表2可知，铜合金材质在温度降低时，抗拉强度有所增加，冲击韧性有所降低，但二者变化都非常小。因此，低温对铜合金影响较小。

表2 铜及铜合金低温力学性能表

1.2.2 铝合金

铝合金材质主要应用于腕臂、腕臂支撑定位器本体等。铝合金具有独特的物理、化学性能，它的外观呈银灰色，密度小，电阻率小，线胀系数大。由于铝为面心立方结构，无同素异构转变，无“延-脆”转变，因而具有优异的低温韧性，在低温下能保持良好的力学性能。

1.2.3 钢材质

钢材主要应用在支柱、硬横梁等零部件。文献[3]指出，钢材质随温度降低，呈现了不同机械特性。钢结构的破坏形态可分为屈服破坏与断裂破坏。屈服破坏是由于零部件内部部分应力达到钢材屈服强度后，同时承载能力达到极限，不能承受继续增加的外荷载。随着温度降低，钢材屈服强度与极限强度逐渐提高。在接触网所受荷载不变时，温度越低，距离屈服强度及极限强度越远，因此一般不会产生屈服破坏。

断裂破坏主要包括脆性断裂和韧性断裂。产生脆性断裂的因素包括低温、应力集中、动荷载及焊接连接等。在上述因素中，低温影响最为明显。文献[3]指出，对一些钢材的相关研究表明，零塑性临界温度位于100K（-173.15℃）附近。目前，接触网最低环境温度（工作温度）约为-40℃，远高于-173.15℃，因此如果没有明显的缺陷，发生脆性断裂的可能性很小。

随着温度降低，钢材的冲击功逐渐降低，因此冲击韧性下降非常快。由图1可知，钢材焊缝冲击韧性下降也非常快，容易发生韧性断裂。

图1 16 Mn钢焊缝低温冲击值示意图

由上述分析可知，在接触网金属零部件中，钢材质受低温环境影响较大，容易产生韧性断裂。而铜合金及铝合金材质基本不受影响。

2 接触网钢材质在低温环境下应用

2.1 接触网荷载分析

接触网所受荷载主要由3类组成，一是永久荷载，即静荷载，比如重力、工作张力等；二是可变荷载，即动荷载，比如冰荷载、风荷载；三是偶然荷载，比如地震、接触网断线等。偶然荷载是具有一旦出现其值很大且持续时间很短的荷载[6]，其效果可视为冲击荷载。地震及接触网断线时，受到冲击的钢结构件主要有钢柱、硬横梁、基础螺栓等。

2.2 钢材应用相关规定

2.2.1 钢材质选用

接触网结构用钢材一般为 Q235或 Q345。在冲击性能上，Q235或Q345有如下要求：

（1）对焊接钢材质，当结构工作温度不高于0℃但高于-20℃时，Q235钢及Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；当结构工作温度不高于-20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有-20℃冲击韧性合格保证。

（2）对非焊接钢材质，当结构工作温度不高于-20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证。

2.2.2 钢材连接

（1）在工作温度等于或低于-20℃地区，结构宜采用螺栓连接。

（2）需采用焊接方式时，适用于较薄的板件结构，同时宜采用低氢型焊条；对接焊缝应焊透，质量等级为一级。

2.3 Q235与Q345的对比分析

Q235为普通碳素结构钢，一般用于钢结构建筑、工程机械等工程结构；Q345为低合金结构钢，一般用于较高荷载的结构件，低温韧性良好。

2.3.1强度对比[8]

由图2可知，无论Q235还是Q345，其屈服强度与极限强度均随温度降低而逐渐升高，但无论什么温度下，Q345屈服强度及极限强度均大于Q235相应值。由图3可知，随着温度降低，屈服强度提高速度大于极限强度。特别是 Q235，屈强比提高速度非常快，而Q345变化则相应平缓得多。

图2 Q235、Q345屈服与极限强度随温度变化图

2.3.2 冲击韧性对比

由图4、图5分析可知，Q235、Q345冲击功均随着温度降低而降低。但Q345钢材的冲击功一般均大于Q235材质。因此，在低温环境下，Q345钢材的韧性远优于Q235钢材。

图4 Q345结构钢材冲击功随温度变化图

图5 Q235结构钢材冲击功随温度变化图

2.3.3 不同厚度对比[7]

从表3可知，无论Q235还是Q345，随着钢材厚度增加，其抗拉、抗压、抗弯、抗剪性能都有所下降。但在任意厚度，Q345机械性能均优于Q235钢材。

表3 Q235与Q345不同厚度机械特性对比分析表

由上述分析可知，在不同温度环境、不同厚度情况下，Q345钢材均表现出较 Q235更出色的机械特性，特别是在低温冲击韧性方面性能更优。

3 结论

（1）根据铜合金、铝合金及钢材质低温特性，严寒地区高速铁路接触网零部件尽可能采用铜合金或铝合金，减少钢材质应用。如腕臂、腕臂支撑、承力索座等采用铝合金材质，终端锚固线夹采用铜合金材质等。具体见表4。

表4 严寒地区高速铁路接触网零部件材质表

（2）表4所列的钢材质零部件均直接承受动荷载，并且支柱、硬横梁、吊柱、基础螺栓在地震及接触网断线时承受冲击荷载，因此必须考虑冲击功对零件影响。由第2.2节、第2.3节分析可知，建议在低温工作环境下，一般选用冲击韧性较好的Q345钢材质。同时，由于厚钢材辊轧次数少、组织欠密，与薄钢材相比，冲击韧性较差。因此，在低温条件下使用的钢结构应尽量采用较薄的钢材。

（3）钢材质连接尽可能采用螺栓等非焊接连接方式。确需采用焊接（如H形钢柱与底板连接）时，应根据焊接环境、焊缝形式、连接钢材型号等选用合适的焊接工艺及焊条，例如根据接触网特点，焊缝等级应确定为一级，焊条型号应与主体金属力学性能相适应，且宜采用低氢型焊条等。

（4）腕臂底座、坠砣限制架等钢材质零部件仅承受静荷载与动荷载，因此可不考虑冲击韧性，但加工环境也应该满足文献[7]相关规定，比如冲孔边距、焊接环境等。