重載鐵路接觸網關鍵技術方案研究與應用

羅 健

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

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重載鐵路接觸網關鍵技術方案研究與應用

羅 健

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

重載鐵路具備牽引質量大、功率高、接觸網載流量大等特點，對接觸網的系統需求不同于普通鐵路，有必要對接觸網關鍵技術方案進行深入研究。通過計算機模擬仿真分析和多方案比選論證，確定接觸網導線規格、張力配置、主要零部件選型及電分相形式等關鍵技術方案。研究成果已經成功應用于山西中南部鐵路、張唐鐵路等重載線路。針對目前重載鐵路接觸網零部件規格型式不一，不便于運營維護的現狀，建議加強對重載鐵路接觸網主要裝備的統一化、標準化研究，保障運輸安全、降低工程投資。

重載鐵路；接觸網；張力配置；電分相；零部件

伴隨我國社會經濟的發展，煤炭、礦石等大宗貨物運輸的需求量也與日俱增，重載鐵路在日常運輸生產和未來鐵路發展規劃中，都在扮演越來越重要的角色。隨著電氣化鐵路接觸網技術的不斷更新與進步，有必要對重載鐵路接觸網不同于普通鐵路的關鍵技術方案進行深入研究，以更好地滿足重載貨物運輸的要求。針對30 t軸重重載鐵路接觸網系統關鍵技術和裝備方案進行了研究，研究成果已經在山西中南部鐵路、張唐鐵路等項目中獲得成功應用。

1 重載鐵路對接觸網的功能需求

2015年國際重載運輸協會對重載鐵路的定義為：重載列車牽引質量不少于8 000 t；列中車輛軸重達到或超過27 t；在至少150 km線路區段上年計費貨運量不低于40 Mt，3項條件滿足其中2項稱為重載鐵路[1]。從技術指標分析，重載鐵路較之普通鐵路，對牽引質量、軸重和年運量有著更高的要求，對接觸網系統也有直接的影響。

(1)牽引質量大、牽引功率提高、接觸網載流量大，相應的供電方式、導線截面等均應有所提升；

(2)軸重大、線下基礎設施振動強烈，對于接觸網結構和零部件的可靠性、耐久性、易維護性提出了新的要求[2]；

(3)重載鐵路運輸以煤炭等貨物為主，沿線粉塵較大，環境較為惡劣，對接觸網防污、防腐性能提出了新的要求[3]。

2 接觸懸掛導線規格和張力配置

2.1 導線截面

重載鐵路牽引質量大，牽引時所需要的機車牽引功率大、牽引電流大，需要加大接觸導線的載流截面。根據單車功率和供電范圍，結合牽引計算，導線截面通常配置宜為截面150 mm2承力索和150 mm2接觸線，導線材質為銅合金。

2.2 懸掛類型

重載鐵路最高設計速度一般為120 km/h[4]，針對截面為150 mm2的承力索和接觸線，接觸網懸掛類型可采用簡單鏈型懸掛或彈性鏈型懸掛[5]。彈性鏈型懸掛較簡單鏈型懸掛，彈性更為均勻，硬點更少，但是對于最高速度120 km/h的線路兩種懸掛類型的機械性能差異很小。彈性鏈型懸掛較簡單鏈型懸掛造價高、施工安裝和運行維護復雜，不宜采用。簡單鏈型懸掛易于安裝和調整，造價較低，滿足重載鐵路的需要，故推薦采用簡單鏈型懸掛方式。

2.3 張力配置

接觸懸掛采用150 mm2承力索和150 mm2接觸線配置不同于普速鐵路和高速鐵路，借助弓網動態模擬仿真軟件分別對承力索和接觸線15 kN+10 kN、15 kN+15 kN、15 kN+20 kN張力組合進行弓網關系動態分析。動態接觸力曲線見圖1～圖3。

圖1 15 kN+10 kN弓網接觸力

圖2 15 kN+15 kN弓網接觸力

圖3 15 kN+20 kN弓網接觸力

根據仿真結果，對弓網動態接觸壓力各項數值進行統計，見表1。

表1 弓網動態壓力統計 N

通過仿真結果可以看出：

(1)各組張力配置下弓網接觸力平均值較接近，各組弓網接觸力分布均較為集中，均滿足接觸網動態特征要求；

(2)導線張力越大，接觸力的分布越集中，弓網受流質量越好。接觸線張力由10 kN增加到15 kN對于動態接觸力的改善，比由15 kN增加到20 kN的情況更為明顯。

通過動態仿真分析，建議重載鐵路選用導線截面為150 mm2承力索和接觸線時，推薦張力配置為15 kN+15 kN。

3 主要零部件選型

重載鐵路接觸網系統應適應載流量大、線下基礎設施振動強烈、粉塵污染嚴重等特點，寒溫寒冷地區還要考慮抗低溫沖擊性能。接觸網零部件作為保障系統安全可靠運行的重要組成部分，腕臂系統、下錨底座等鋼結構件主要選用優質碳素結構鋼和低合金結構鋼，材質主要包括Q235A、Q345B、20#45#；接觸網零件配套的緊固件主要選用不銹鋼，材質主要包括06Cr19Ni10、12Cr18Ni9；電連接、中心錨結、終端錨固線夾、定位線夾等零件采用銅及銅合金，材質主要包括T2、QAl9-4、CuNi2Si；定位裝置、下錨裝置中部分配件采用鋁合金，材質主要包括6082、ZL114A。

在接觸網零部件制造工藝設計過程中，如果鍛造工藝與鑄造工藝均可同時滿足制造要求，應優先選擇鍛造工藝。鍛造工藝具有生產流程簡單，綜合成本低、質量易于控制、生產效率高、適用于大批量生產等優點。

3.1 腕臂底座

腕臂底座從工藝上分為鑄造和鍛造兩種，鑄造型主要材質為ZG270-500，鍛造型主要材質為Q235A，低溫時可選用Q345B。為提高產品性能穩定性，同時提高生產效率及降低成本，推薦采用模鍛結構[6]。

3.2 終端錨固線夾

終端錨固線夾從結構形式分為雙耳楔形及錐套型兩種。雙耳楔形線夾為楔塊楔緊原理，線材錨固時需彎曲或回頭，線夾本體采用鑄造工藝，材質為鋼；錐套型終端錨固線夾采用錐壓抱緊原理，線材不需要彎曲，線夾本體采用鍛造及機加工工藝制造，材質為銅合金或不銹鋼。

雙耳楔形線夾的優點為加工工藝簡單、造價低，缺點是體積大，大直徑線索安裝時彎曲困難，鑄造件容易產生缺陷；錐套型線夾的優點是美觀、可靠，便于大直徑線材錨固，缺點是加工工藝復雜、造價較高。重載鐵路采用大直徑線材，為了便于施工，增加可靠性，推薦采用錐套型終端錨固線夾[7。

3.3 補償裝置

重載鐵路一般地處山區，對斷線制動無太多要求，補償裝置推薦采用成熟可靠的滑輪補償裝置，考慮重載鐵路運輸以煤炭等貨物為主，沿線粉塵較大，采用雙面軸承密封結構的無油免維護滑輪組，可提高產品穩定性，防止出現偏磨現象[8]。

3.4 定位線夾

定位線夾從結構形型有插銷、無插銷、T形頭3種形式，T形頭為鑄造工藝，相對于鍛造工藝的夾板式線夾可靠性稍差。有插銷定位線夾U形卡銷存在長期振動情況下發生斷裂，造成定位器從定位線夾處脫出的情況。推薦采用無插銷結構定位線夾，避免插銷磨損，提高了產品穩定性，防止定位線夾出現脫落現象[9]。

3.5 電連接線夾

電連接線夾分為全壓接型和螺栓型兩種。全壓接型電連接線夾的優點是安全可靠、連接電阻小、質量輕；缺點是需要專用壓接工具安裝，對壓接工藝要求高。螺栓型電連接線夾的優點是安裝簡單，缺點是質量大、連接電阻較大。重載鐵路電流大，推薦采用全壓接型電連接線夾[10]。

4 電分相

4.1 電分相的形式4.1.1 器件式電分相

重載鐵路分布于山區的比例較高，線路往往出現長大坡道、小半徑曲線、連續橋隧區段等情況。電分相的設置應避免上述區段。重載鐵路運營速度往往不超過120 km/h，器件式電分相可以滿足線路運行的機械、電氣需要，且安裝簡單，可以廣泛適用于各種車型和升弓方式。但器件式電分相最主要問題是受電弓在通過分相絕緣器時存在一定的機械沖擊，影響弓網平穩授流[11]。

4.1.2 關節式電分相

(1) 兩斷口關節式電分相

當線路條件比較理想時，應考慮采用錨段關節式電分相以減輕對受電弓的沖擊。兩斷口式接觸網電分相裝置與設置原則如下。

當列車編組采用雙弓運行時，若雙弓間有高壓母線聯接，則雙弓之間的距離必須小于電分相無電區的長度；若雙弓間無高壓母線聯接，則雙弓之間的距離應小于無電區的長度或大于中性段的長度[12]。

若采用兩個斷口的分相無電區長度大于雙弓間距的長分相方案，由于重載鐵路機車分布形式多樣，雙弓間距有可能超過1 km，長分相將導致機車長時間失電給行車安全帶來負面影響，故不推薦采用。

對于重載鐵路，當采用兩斷口電分相時，推薦采用雙弓間距小于無電區長度的短分相方案，分相形式為2個4跨絕緣關節重疊1跨組成7跨電分相關節。

(2)三斷口關節式電分相

三斷口式電分相實際上是由3個連續的絕緣錨段關節構成，3個絕緣關節共形成了3個斷口和2個中性段。

對于無高壓母線聯接的雙受電弓，無論雙弓間距如何，兩受電弓的滑板都不可能將3個斷口同時短接起來，不可能引起異相短路，這是三斷口式電分相相對于兩斷口式電分相的顯著優勢。三斷口電分相較兩斷口電分相對于重載鐵路適用性更好。但是分相本身中性段較長，特別是在橋梁區段采用11跨三斷口電分相時，中性段長度超過350 m，設置往往受限，行車檢算困難。

4.2 電分相的選擇

重載鐵路在線路條件較好時，優先采用關節式電分相；對線路上運行機車受電弓配置明確的情況下，優先采用兩斷口電分相，反之，可采用三斷口電分相；線路條件較差不適合采用關節式電分相時，可采用器件式電分相。

5 應用實例

5.1 山西中南部鐵路

山西中南部鐵路通道為重載鐵路長大干線，設計速度為120 km/h；最小曲線半徑：一般1 200 m，困難800 m，個別地段600 m；牽引質量5 000 t，部分10 000 t；到發線有效長1 050 m，部分1 700 m[13]。

接觸網采用全補償簡單鏈型懸掛；正線承力索采用銅合金絞線JTM150，張力15 kN；正線接觸線采用銀銅合金CTA150，張力15 kN；主要零部件均按上述推薦意見選型；電分相路基區段采用8跨三斷口關節式，橋上采用11跨三斷口關節式，困難區段采用器件式[14]。

5.2 張唐鐵路

張唐鐵路張家口至李家營段設計速度為120 km/h，李家營至唐海段設計速度為160 km/h；設計速

度120 km/h地段最小曲線半徑800 m，160 km/h地段最小曲線半徑1 600 m；牽引質量5 000 t，部分10 000 t；到發線有效長度1 700 m。

接觸網導線配置、主要零部件選型與上述研究結論一致；電分相路基區段采用7跨兩斷口關節式，橋上采用8跨兩斷口關節式，困難區段采用器件式[15]。

6 結論與建議

(1)本文系統研究了重載鐵路接觸網導線張力配置、零部件選型、電分相設置等與普通鐵路區別較大的關鍵技術問題，研究結論成功應用于山西中南部鐵路、張唐鐵路等項目，開通運營情況良好，研究成果具有較高的推廣應用價值。

(2)針對目前重載鐵路接觸網零部件規格型式不一，不便于運營維護的現狀，建議加強對重載鐵路接觸網主要裝備的統一化、標準化研究，結合重載鐵路實際特點，進一步優化主要裝備選型，細化產品標準，在滿足運輸安全的前提下盡可能節省工程投資。

[1] 錢立新.世界鐵路重載運輸技術的最新進展[J].機車電傳動，2010(1)：3-5.

[2] 肖世偉 雷長順.重載鐵路路基荷載特征和路基動力響應分析[J].鐵道工程學報，2014(4):51-56.

[3] 肖尊群，周春梅.既有重載鐵路路基壓實指標與承載力的關聯度分析研究[J].鐵道標準設計，2016，60(1):34-38.

[4] 趙斗.我國重載鐵路速度目標值探討[J].鐵道標準設計，2016，60(4)：1-4.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2075.2—2010電氣化鐵路接觸網零部件[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2075.5—2010電氣化鐵路接觸網零部件[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2075.12—2010電氣化鐵路接觸網零部件[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[9] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2075.3—2010電氣化鐵路接觸網零部件[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[10]中華人民共和國鐵道部.TB/T2075.11—2010電氣化鐵路接觸網零部件[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[11]范海江，張曼華，侯震宇.高速鐵路接觸網電分相設計[J].鐵道標準設計，2011(9)：99-101.

[12]周凡.大西客運專線接觸網電分相的選擇與應用[J].鐵道工程學報，2010(6):79-82.

[13]張東風.山西中南部鐵路30 t軸重75 kg/m鋼軌重載道岔設計研究[J].鐵道標準設計，2014，58(6):17-22.

[14]鐵道第三勘察設計院集團有限公司.新建山西中南部鐵路通道工程施工圖·電氣化[Z].天津：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2013.

[15]鐵道第三勘察設計院集團有限公司.新建鐵路張家口至唐山線施工圖·電氣化[Z].天津：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2013.

Study and Application of Key Technical Solutions for Overhead Contact System on Heavy Haul Railways

LUO Jian

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251， China)

With the characteristics of heavy haul railway， such as the heavy traction quality， high power consumption， high current carrying capacity of overhead contact system (OCS)， the requirement of overhead contact system is different from that of the conversional railways. Therefore， it is necessary to study the key technical solutions of the overhead contact system. According to the computer analogue simulation and comparison of different solutions， the key technical solutions are specifically recommended with respect to wire specifications， tension configurations， OCS fittings， phase isolation and etc. The results are successfully applied to Shanxi-Henan-Shandong heavy haul railway and Zhangjiakou-Tangshan heavy haul railway. In view of the inconsistent types of OCS fittings on heavy haul railways， which may result in problems during operation and maintenance， the consistency and standardization of main OCS facilities should be addressed to ensure safe transportation and less project investment.

Heavy haul railway; Overhead contact system; Tension configurations; Phase isolation; Tittings

2016-04-08；

2016-04-13

鐵道第三勘察設計院集團有限公司科技開發項目(721326)

羅 健(1980—)， 高級工程師，2003年畢業于西南交通大學機械工程及自動化專業，工學學士，主要從事鐵路電氣化設計工作，E-mail:9195025@qq.com。

1004-2954(2016)11-0122-03

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.027