超高速極限試驗(yàn)中接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案探討

■ 李紅梅

李紅梅：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師，湖北 武漢，430063

攝影 張書(shū)梅

京津城際鐵路、武廣高速鐵路在達(dá)到運(yùn)行速度350 km/h，系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)完整性、先進(jìn)性、安全性、可靠性要求后，極限試驗(yàn)是保證運(yùn)輸系統(tǒng)安全穩(wěn)定、提高運(yùn)行質(zhì)量及旅客信任度的有力保障。京津城際鐵路和鄭西高速鐵路均創(chuàng)出單車(chē)394.2 km/h的實(shí)車(chē)試驗(yàn)速度。武廣高速鐵路于2009年12月，更是創(chuàng)出雙車(chē)重聯(lián)雙弓取流條件下394.2 km/h的實(shí)車(chē)沖高試驗(yàn)速度。在輪軌系統(tǒng)具備進(jìn)一步?jīng)_高的極限試驗(yàn)條件時(shí)，牽引供電接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)如何具備挑戰(zhàn)極限試驗(yàn)速度500 km/h及以上，甚至突破世界紀(jì)錄574.8 km/h的能力，值得深入研究。

1 超高速極限試驗(yàn)中接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案

1.1 波動(dòng)傳播速度分析

波動(dòng)傳播速度的計(jì)算公式為：

式中：m'——接觸線單位質(zhì)量；

H ——接觸線張力；

C ——波動(dòng)傳播速度。

波動(dòng)傳播速度是衡量受電弓動(dòng)態(tài)受流性能的主要參數(shù)，波動(dòng)傳播速度越高，接觸線的振動(dòng)和弓網(wǎng)間的動(dòng)態(tài)作用就越小，受流性能越優(yōu)。國(guó)外高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)波動(dòng)傳播速度值見(jiàn)表1。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最高運(yùn)營(yíng)速度一定要小于波動(dòng)傳播速度的70%，該經(jīng)驗(yàn)已納入EN50119和即將發(fā)布的《客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)計(jì)暫規(guī)》中。同樣張力條件下，簡(jiǎn)單鏈型懸掛方式（簡(jiǎn)稱“簡(jiǎn)鏈”）的最高運(yùn)營(yíng)速度與波動(dòng)傳播速度的比值還應(yīng)更小。因此，為達(dá)到最高運(yùn)營(yíng)速度的同等性能，簡(jiǎn)鏈應(yīng)采用比彈性鏈型懸掛方式（簡(jiǎn)稱“彈鏈”）更大的接觸導(dǎo)線張力，以加大波動(dòng)傳播速度，均衡彈性。

表1 國(guó)外高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)波動(dòng)傳播速度值

根據(jù)國(guó)外高速鐵路極限試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，波動(dòng)傳播速度有可能是極限試驗(yàn)的目標(biāo)速度。具體試驗(yàn)中，考慮到外部運(yùn)行環(huán)境，實(shí)際最高極限速度應(yīng)略有折減。

為適應(yīng)不同的極限試驗(yàn)速度，在其他外部環(huán)境均滿足要求的假設(shè)條件下，根據(jù)波動(dòng)傳播速度要求，計(jì)算得出試驗(yàn)速度與導(dǎo)線張力的對(duì)應(yīng)關(guān)系（見(jiàn)圖1）。

1.2 接觸導(dǎo)線安全系數(shù)分析

接觸導(dǎo)線張力加大，必定使安全系數(shù)減小。綜合試驗(yàn)段在采用CuMg150接觸導(dǎo)線時(shí)，安全系數(shù)極限值見(jiàn)圖2。試驗(yàn)導(dǎo)線為新線，如果導(dǎo)線產(chǎn)生較大磨損時(shí)，則需對(duì)磨損情況進(jìn)行評(píng)估后采取相應(yīng)的安全措施（如換線），或確定提前大修日期并定期監(jiān)控，以保證運(yùn)營(yíng)安全。

1.3 各項(xiàng)性能參數(shù)分析

對(duì)于高速鐵路接觸網(wǎng)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，跨中彈性值應(yīng)當(dāng)限制在0.4 mm/N以下。使用彈性吊索將會(huì)使彈性不均勻度小于10%，而無(wú)彈性吊索彈性不均勻度則小于25%。無(wú)彈性吊索接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性變化量很大。無(wú)彈性吊索的接觸懸掛在懸掛點(diǎn)比較硬，由此導(dǎo)致受電弓與接觸線接觸點(diǎn)的動(dòng)態(tài)高度變化更大，這可以通過(guò)加大導(dǎo)線張力、縮短跨距或設(shè)置預(yù)留馳度得到改善。特別是對(duì)一些特殊點(diǎn)（如關(guān)節(jié)和道岔）更需正確的彈性優(yōu)化設(shè)計(jì)。在我國(guó)高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350技術(shù)基礎(chǔ)上，滿足不同極限試驗(yàn)速度的接觸網(wǎng)性能參數(shù)適應(yīng)性分析見(jiàn)表2。

圖1 CuMg150接觸導(dǎo)線試驗(yàn)速度張力曲線

圖2 CuMg150接觸導(dǎo)線試驗(yàn)速度安全系數(shù)曲線

表2 不同極限試驗(yàn)速度的接觸網(wǎng)性能參數(shù)適應(yīng)性分析

2 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能評(píng)估

仿真分析在動(dòng)態(tài)受流過(guò)程中，為確定新的接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案提供重要依據(jù)。由于世界上超過(guò)350 km/h及以上的弓網(wǎng)仿真軟件及其評(píng)估均需試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，因此建議結(jié)合國(guó)外試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)為主進(jìn)行評(píng)估。

極限試驗(yàn)接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案的優(yōu)化調(diào)整，需反復(fù)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)地面和試驗(yàn)車(chē)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)并及時(shí)進(jìn)行評(píng)估，監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)抬升量和弓網(wǎng)接觸壓力，盡可能避免極限試驗(yàn)失敗造成的損失。同時(shí)，為超高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論深化研究提供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 不同試驗(yàn)速度接觸網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)施建議

根據(jù)國(guó)外高速鐵路極限試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)改造數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)鏈懸掛在導(dǎo)線張力加大后，可創(chuàng)造極限試驗(yàn)的世界紀(jì)錄。

在挑戰(zhàn)極限試驗(yàn)中，彈鏈在張力變化后調(diào)整工作量較大，根據(jù)法國(guó)高速列車(chē)的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，新建試驗(yàn)線路可在550 km/h以下速度的極限試驗(yàn)中，采用簡(jiǎn)鏈懸掛進(jìn)行調(diào)整。

若開(kāi)展進(jìn)一步突破極限試驗(yàn)，可增加彈性吊索并進(jìn)行精確調(diào)整，或直接采用系統(tǒng)方案的最大張力體系的彈鏈懸掛系統(tǒng)（試驗(yàn)方案四），有望刷新世界紀(jì)錄。

[1]Kiessling/Puschmann/Schmieder,Siemens AG. Contact Lines for Electric Railways[M]. German：Publicis Corperate Publishing，2001

[2]CELENEC歐洲電工協(xié)會(huì). EN50119:2001-Railway applications Fixed installations-Electric traction overhead contact lines[S]

[3]鐵道部科學(xué)研究院. 國(guó)外高速鐵路試驗(yàn)研究[R]，1988

[4]趙洪倫. 法國(guó)鐵路非常高速試驗(yàn)綜述[J]. 上海鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1992（6）

[5]羅慶中，黃乃勇. 國(guó)外高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的研究[R].鐵道部科學(xué)研究院，1995

[6]Réseau Ferré de France (RFF)，ALSTOM，SNCF.THE ATTEMPT ON THE WORLD RAIL SPEED RECORD:Discovering the V150 trainset[R]，2008