高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中零部件功能及其實現(xiàn)方式探討

趙正路

(中鐵電氣化局集團有限公司京滬高鐵維護管理公司，北京 100055)

高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中零部件功能及其實現(xiàn)方式探討

趙正路

(中鐵電氣化局集團有限公司京滬高鐵維護管理公司，北京 100055)

介紹零部件在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中特殊地位和重要作用。重點論述高速鐵路零部件功能實現(xiàn)的4種方式，即：通過接觸網(wǎng)動態(tài)設(shè)計，準確預(yù)測零部件運行工況；合理選用接觸網(wǎng)零部件的材質(zhì)和加工工藝，并根據(jù)運行條件選擇對應(yīng)檢測方法檢驗，保證零部件性能達標；通過精細化施工，保證接觸網(wǎng)幾何參數(shù)達標；運營維護階段，積累運營維護經(jīng)驗，反饋信息，優(yōu)化接觸網(wǎng)設(shè)計，提高施工安裝水平，實現(xiàn)閉環(huán)管理。

高速鐵路；接觸網(wǎng)；零部件；功能；實現(xiàn)方式

接觸網(wǎng)是架設(shè)在鐵路線路上空，由一系列零部件及其他材料按照一定規(guī)律組裝而成，向電力機車供給電能的特殊形式的輸電線路[1]。鏈形接觸網(wǎng)系統(tǒng)中零部件是實現(xiàn)有序連接、接續(xù)接觸網(wǎng)中接觸線、承力索、支持裝置、絕緣元件、電氣設(shè)備以及支柱，同時傳遞電能并且有支持功能和具備相應(yīng)強度的機械性質(zhì)的整體系統(tǒng)[2]。接觸網(wǎng)零部件故障或失效直接或間接導(dǎo)致接觸網(wǎng)事故或故障。隨著電氣化鐵路運行速度的不斷提高，高速鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線的張力逐漸增大，接觸網(wǎng)零部件重要程度也更加突出顯示出來[2]。

1 高速鐵路接觸網(wǎng)零部件功能及實現(xiàn)方式

接觸網(wǎng)零部件在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中起關(guān)節(jié)和紐帶作用，零部件主要功能是實現(xiàn)機械連接和電氣導(dǎo)通，決定零部件性能的主要因素為制造，決定零部件運行工況的主要因素包括接觸網(wǎng)的動態(tài)設(shè)計、接觸網(wǎng)的施工和維修質(zhì)量等，而保證零部件功能的實現(xiàn)，應(yīng)從零部件整個壽命周期統(tǒng)籌謀劃、嚴格把控。設(shè)計階段，通過接觸網(wǎng)動態(tài)設(shè)計，準確預(yù)測零部件運行工況；零部件制造時，合理選用接觸網(wǎng)零部件的材質(zhì)和加工工藝，并采用力學(xué)、動力學(xué)、電氣及化學(xué)測試方法進行檢驗，保證零部件性能達標；施工階段，通過精細化施工，保證接觸網(wǎng)幾何參數(shù)達標；運營維護階段，遵守“預(yù)防為主、修養(yǎng)并重”原則，積累運營維護經(jīng)驗，反饋指導(dǎo)接觸網(wǎng)設(shè)計和施工安裝，實現(xiàn)閉環(huán)管理，通過PDCA循環(huán)逐步提高[3]。

2 高速鐵路接觸網(wǎng)動態(tài)設(shè)計

2.1采用計算機模擬動態(tài)特性，準確預(yù)測零部件運行工況

在列車高速行駛且雙弓集流情況下，受電弓的沖擊性激勵引起接觸網(wǎng)振動，振動與波動的共同作用導(dǎo)致接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)變形，變形量越大，與接觸懸掛相關(guān)的零部件的內(nèi)部應(yīng)力交替變化量就越大。一些關(guān)鍵零部件(如定位器、吊弦等)的失效很大程度上與這種應(yīng)力變化量相關(guān)。

架空接觸網(wǎng)和受電弓的動態(tài)性能應(yīng)該考慮接觸網(wǎng)的幾何和靜態(tài)特性。在設(shè)計階段，應(yīng)通過計算機模擬動態(tài)特性，并且對安裝后的架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)用測量數(shù)據(jù)進行核實。模擬程序的確認應(yīng)與EN50318(鐵路應(yīng)用—集流系統(tǒng)—弓網(wǎng)動態(tài)相互作用仿真的確認)[4]相符，測量應(yīng)保證與EN50317(鐵路應(yīng)用—集流系統(tǒng)—弓網(wǎng)動態(tài)相互作用測量的要求與確認)[5]相符。

2.2 合理選擇系統(tǒng)參數(shù)，改善零部件運行工況

線索截面、張力和跨距是影響接觸網(wǎng)動態(tài)性能的重要參數(shù)。線索截面越大，張力應(yīng)越大；跨距越小，接觸線橫向與垂向變化的選擇范圍越有限；線索張力越大、跨距越小，一些關(guān)鍵零部件的運行工況會趨于惡化，反之零部件工況趨于改善。例如：我國設(shè)計的350 km/h高速鐵路，接觸線額定張力有28.5、30 kN和31.5 kN[6]3種情況，在滿足接觸網(wǎng)波動傳播速度和運營需要前提下，接觸線選擇張力最小的28.5 kN[7]，零部件運行工況得到一定程度改善。我國高速鐵路接觸網(wǎng)跨距一般為50 m[8]，如果將跨距加大到65 m，零部件運行工況也將得到改善。

2.3 減少零部件及其螺栓緊固的數(shù)量

為方便施工和維修，提高接觸網(wǎng)調(diào)整的靈活性，大量選用零部件及其螺紋緊固件就不可避免，螺紋緊固件越多，零部件發(fā)生故障或失效的幾率就越多；零部件數(shù)量越多，接觸網(wǎng)發(fā)生故障幾率就越多。在滿足接觸網(wǎng)施工安裝及調(diào)整的前提下，降低零部件數(shù)量及其螺紋緊固件的數(shù)量，零部件和接觸網(wǎng)發(fā)生故障或失效的幾率就越少。如廣深港和海南高速鐵路采用的整體腕臂定位形式和整體吊弦[9]，零部件緊固螺栓數(shù)量的大大減少，零部件發(fā)生故障或失效的幾率就越少；零部件的數(shù)量減少，接觸網(wǎng)發(fā)生故障或失效的幾率也就越少，零部件及接觸網(wǎng)可靠性得到大大提高。

3 高速鐵路零部件制造

質(zhì)量合格的零部件是接觸網(wǎng)運行壽命長和運行安全的條件之一。由于高速鐵路的特殊要求和運行條件，接觸網(wǎng)零部件的制造需要專門的材料、技術(shù)、知識和經(jīng)驗。正常運行工況下，架空接觸網(wǎng)零部件的設(shè)計壽命至少為該系統(tǒng)的運行壽命。保證零部件的性能，應(yīng)從零部件制造和檢驗兩個方面考慮。

3.1 合理選用零部件的材質(zhì)和加工工藝

正確、合理選用接觸網(wǎng)零部件的材質(zhì)對提高零件的機械性能和安全可靠性，對保證零件的防腐性能、使用壽命和工程造價起著重要作用。接觸網(wǎng)零件材料選用的原則不僅要使零件在強度、防振、防腐等方面有一個較大的提高，而且要適應(yīng)市場，滿足不同的用戶、不同線路的各種需求。當前，客運專線接觸網(wǎng)零件發(fā)展的方向是采用優(yōu)質(zhì)材料，要求零件結(jié)構(gòu)新穎可靠、質(zhì)量輕、防腐性能好。為滿足要求，材質(zhì)上應(yīng)根據(jù)不同使用條件選用銅材、鋁材等，加工工藝采用精密模鍛、精密冷沖成型、精密鑄造成型、數(shù)控自動化加工成型等。表面處理采用拋丸、表面陽極氧化等化學(xué)處理方法，有效地提高安全性和可靠性，以達到少維修或無維修的目的。

3.2 根據(jù)運行條件選擇相應(yīng)測試方法

零部件的檢驗需要根據(jù)運行條件選擇力學(xué)、動力學(xué)、電氣及化學(xué)測試方法，這種選擇建立在對接觸網(wǎng)各個組成部分的荷載狀態(tài)與安裝條件有廣泛了解的基礎(chǔ)之上。

4 高速鐵路接觸網(wǎng)施工

接觸網(wǎng)施工包括所有經(jīng)過質(zhì)量認證的零部件的裝配工作以及最終驗收程序。接觸網(wǎng)施工應(yīng)積極采用機械化、工廠化、專業(yè)化、信息化等施工手段。如下因素對零部件可靠性和壽命具有決定性的影響：將零部件小心地搬運到安裝地點；正確地安裝接觸網(wǎng)零部件和絕緣子；對要通過電流的線夾徹底涂油和遵守給定的螺栓緊固力矩；配備專用工具；安裝工人具有相應(yīng)的專業(yè)知識；在較小的誤差范圍內(nèi)確定設(shè)計的接觸線位置。

接觸網(wǎng)施工應(yīng)采用先進、成熟、科學(xué)的檢驗檢測手段，所用方法和儀器符合相關(guān)技術(shù)標準的規(guī)定，儀器性能應(yīng)符合質(zhì)量檢測的要求，質(zhì)量檢驗人員應(yīng)具有規(guī)定的資格。TB10758∶2010(高速鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗收標準)規(guī)定了接觸網(wǎng)誤差界限以保證運行質(zhì)量。對于較高質(zhì)量的接觸網(wǎng)設(shè)計而言，這些誤差界限范圍均較窄。下列控制參數(shù)尤其重要：相鄰吊弦點的接觸線高度差；相鄰定位點的接觸線高差；定位點處的接觸線坡度變化；接觸線高度誤差[10]。

運行試驗結(jié)果的評價已經(jīng)表明，通過接觸網(wǎng)精細化施工，設(shè)備安裝在規(guī)定誤差范圍內(nèi)，接觸網(wǎng)幾何參數(shù)全部達標，接觸網(wǎng)零部件處于正常運行工況，零部件的機械連接和電氣導(dǎo)通功能得以正常實現(xiàn)，關(guān)節(jié)和紐帶作用得以體現(xiàn)。

5 高速鐵路接觸網(wǎng)維修

接觸網(wǎng)運行與維修，堅持“預(yù)防為主、修養(yǎng)并重”的方針，按照“周期檢測、狀態(tài)維修、壽命管理”的原則，遵循精細化、機械化、集約化的檢修方式，依靠科技進步，積極采用接觸網(wǎng)自動檢測手段和機械化維修手段，提升接觸網(wǎng)維修的準確度，不斷提高接觸網(wǎng)運行品質(zhì)和安全可靠性。運營維修中，收集整理接觸網(wǎng)發(fā)生的事故和故障案例，分類匯總，認真分析原因，反饋給設(shè)計和施工原單位，逐步優(yōu)化接觸網(wǎng)設(shè)計和提高施工安裝水平。

6 實例

接觸網(wǎng)零部件眾多，具體要求各具特色，本文以吊弦為例介紹接觸網(wǎng)零部件功能及其實現(xiàn)方式。

6.1 吊弦設(shè)計

EN50119：2009(鐵路應(yīng)用—固定設(shè)施—電力牽引架空接觸網(wǎng))規(guī)定，吊弦的設(shè)計應(yīng)考慮機械要求和電氣要求[11]。

(1)機械要求

吊弦可以分為硬質(zhì)、彈性或滑動。不同的類型應(yīng)能承受規(guī)定的荷載，且在系統(tǒng)壽命周期內(nèi)不會對吊弦性能產(chǎn)生不利作用。

完整的吊弦的安全系數(shù)：垂直荷載為2.5，水平荷載為1.5。吊弦設(shè)計需要考慮如下工作荷載。

垂直荷載：包含接觸線自重、覆冰荷載、風(fēng)荷載和來自接觸線輪廓的荷載；

水平荷載：來自接觸線軸向，且吊弦傾斜30°；

動態(tài)荷載：來自振動、吊弦彎曲等。

除工作荷載之外，還需要考慮以下附加荷載：

施工期間的荷載；

故障導(dǎo)致的臨時荷載(比如相鄰吊弦的故障)。

附加荷載大于2.5倍的工作荷載時，應(yīng)使用附加荷載而不是工作荷載進行吊弦的設(shè)計；低于2.5倍的時候，附加荷載可以忽略。

(2)電氣要求

吊弦設(shè)計可用于載流、非載流或者絕緣。

載流吊弦的設(shè)計應(yīng)允許電流在接觸線與承力索之間傳輸，電氣設(shè)計要考慮至少一跨內(nèi)的電流分布。靠近吊弦的短路會引起吊弦中產(chǎn)生很高的短路電流。載流吊弦不需要進行短路校驗。

非載流吊弦不是為了傳輸電流而設(shè)計，然而，吊弦兩邊的電壓有可能使電流穿過；嚴格限制電流通過時，必須使用絕緣吊弦。

6.2 制造和檢驗

吊弦線夾制造采用CuNi2Si帶材經(jīng)沖壓后熱處理，表面進行光飾處理，吊弦線采用JTMH10鎂銅合金絞線。

EN50119：2009規(guī)定，吊弦只要求進行機械疲勞試驗和機械試驗等型式試驗。

(1)機械疲勞試驗

機械疲勞試驗包括備用荷載、壓縮周期，如圖1所示。吊弦使用其配套的夾緊裝置并按正常運行的最低要求進行試驗。

壓縮幅度控制在20～200 mm，吊弦內(nèi)力控制在100～400 N，頻率控制在0.5～10 Hz，能運行至少2×106個周期，吊弦不得在指定的周期前折斷。試驗取值應(yīng)依據(jù)接觸網(wǎng)動態(tài)設(shè)計確定。

特殊情況下，如低結(jié)構(gòu)高度和高抬升的位置，總長度和壓縮范圍應(yīng)重新考慮。

圖1 吊弦試驗周期實例

(2)機械試驗

按照吊弦供應(yīng)商的說明，將吊弦線夾安裝在相應(yīng)的導(dǎo)線上。對應(yīng)于每種尺寸雙溝槽接觸線和承力索直徑的線夾，均應(yīng)單獨進行試驗。如果線夾對應(yīng)雙溝槽接觸線的變化范圍或承力索多種直徑，僅要求對最小的和最大的尺寸進行試驗。圖2所示為吊弦張力試驗組裝實例。要求在未達到3 kN的拉力時，線夾不得拔下。

圖2 吊弦張力試驗組裝實例

6.3 施工安裝

《高速鐵路電力牽引供電工程施工驗收標準》(TB10758—2010)規(guī)定吊弦的尺寸與安裝為：

(1)預(yù)制長度偏差不超過1.5 mm；

(2)布置應(yīng)符合設(shè)計要求，位置偏差不超過50 mm；

(3)平均溫度時，吊弦順線路方向垂直安裝，承力索吊弦線夾與接觸線吊弦線夾在垂直方向的相對偏差不超過20 mm；

(4)相鄰吊弦點接觸線高差不超過10 mm。

6.4 運營維修

2013年，京滬高速鐵路接連發(fā)生吊弦線斷裂故障，經(jīng)現(xiàn)場抽查，共發(fā)現(xiàn)65根有吊弦線斷股和斷裂的吊弦。經(jīng)分析，發(fā)生吊弦線斷裂主要分為3類，第1

類，吊弦安裝位置不合適，與非支承力索摩擦；第2類，吊弦壓接不合格，壓接套環(huán)壓接位置錯誤；第3類，吊弦線扭轉(zhuǎn)安裝[12]。以上問題均屬于施工問題，運營單位全面排查和整改，并反饋給施工單位，實現(xiàn)閉環(huán)管理，提高施工安裝水平。

7 結(jié)語

接觸網(wǎng)與零部件的關(guān)系遵循唯物辯證法的基本規(guī)律：首先，接觸網(wǎng)和零部件不可分割，接觸網(wǎng)功能的形成離不開零部件原有的功能；零部件是接觸網(wǎng)的重要組成部分，離開了接觸網(wǎng)將不再具有零部件的功能；其次，接觸網(wǎng)與零部件相互影響，接觸網(wǎng)的性能狀態(tài)及其變化會影響到零部件的性能及其變化，反之，零部件也制約接觸網(wǎng)，甚至在一定條件下，關(guān)鍵零部件的性能會對接觸網(wǎng)的性能狀態(tài)起決定作用。

[1] 中國鐵路工程總公司教衛(wèi)處.接觸網(wǎng)工[M].北京：中國鐵道出版社，1999：107-112．

[2] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2002:377-390．

[3] 中華人民共和國鐵道部. 接觸網(wǎng)運行檢修規(guī)程[M].北京：中國鐵道出版社，2012:1-2．

[4] EN50318: Railway applications—Current collection systems—Validation of simulation of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line[S]. Brussels CENELEC， 2002.

[5] EN50317: Railway applications—Current collection systems—Requirement for and validation of measurements of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line[S]. Brussels CENELEC， 2002.

[6] 高鳴.京滬高速鐵路先導(dǎo)段接觸網(wǎng)原型系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣化鐵道，2011(5)：5-8.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[8] 鐵道部運輸局.時速300～350 km高速鐵路牽引供電系統(tǒng)總體技術(shù)方案[R].北京：鐵道部運輸局，2007.

[9] 周振平.350 km/h客運專線接觸網(wǎng)整體式腕臂施工工法研究[J].城市建設(shè)理論研究，2012(15).

[10] 中華人民共和國鐵道部.TB10758—2010 高速鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗收標準[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[11] EN50119: Railway applications—Fixed installations—Electric traction overhead contact line[S]. Brussels CENELEC， 2009.

[12] 京滬高速鐵路維護管理公司.京滬高速鐵路接觸網(wǎng)吊弦缺陷調(diào)查的分析報告[R].北京：京滬高速鐵路維修管理公司,2014.

Approach to Functions of Fittings and Their Applications in Overhead Contact Line System of High Speed Railway

ZHAO Zheng-lu

(Beijing Shanghai high speed railway operation &maintenance company CEEB Co.， Ltd.，Beijing 100055)

2014-03-12；

：2014-04-14

趙正路(1972—)，男，高級工程師，1996年畢業(yè)于上海鐵道大學(xué)鐵道電氣化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：eebzzl@sina.com。

1004-2954(2014)09-0118-03

U238； U225

：B

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.029