高速鐵路簡統化接觸網曲線區段拉出值優化

鄭 軍，劉 浩，李國勝，白裔峰

0 引言

近年來，我國高速鐵路快速發展，截至2021年底，高速鐵路運營里程已突破4 萬公里。在已開通項目中，接觸網曲線段拉出值設計標準不一，在實施過程中，小曲線區段受拉出值影響，腕臂定位裝置調整次數亦相對較多。通過多年運營經驗發現，施工中存在調整作業的處所也是運營安全隱患最多的處所。高速鐵路由于運行速度高，接觸網線材張力大，一旦后期檢查不到位就有可能引發重大事故，因此對曲線區段拉出值的研究尤為重要。

簡統化接觸網通過統一參數、統一結構型式、統一材質，已逐步得到推廣應用。曲線段拉出值的設置是接觸網參數研究的重要部分，通過對小曲線區段拉出值進行研究，為實現高速鐵路簡統化接觸網建設期間接觸網一次成型、一次成優的目標提供技術支撐，避免后期給運營帶來隱患。

1 拉出值設置機理

拉出值的設置與定位器的狀態有直接關系，并間接影響著弓網運行安全，設計、施工、運營人員對此進行了大量的研究。拉出值宜正反設置，且在滿足風偏、受電弓擺動量等技術要求的前提下盡量取大，可使接觸線盡量多地利用受電弓滑板有效工作面，可更好地使受電弓碳滑板磨耗均勻，進而延長碳滑板的壽命，節約運營成本。

在進行實際工程設計時，根據跨距和張力確定合理的拉出值后須同時校驗定位器坡度、第一吊弦點位置等是否滿足要求。因定位器最終會達到力矩平衡，水平方向的分力與接觸線的“之”字力平衡，垂直分力與定位器重力以及兩側相鄰吊弦間的接觸線重力平衡。水平分力與垂直分力均為定位器在不同方向上的分力，二者為正相關關系。定位器受力如圖1 所示。

圖1 定位器受力示意

為保障運行安全，要求定位器坡度處于一定范圍。從定位器受力分析上可以得出，拉出值變大時，水平分力變大，定位器坡度為變小的趨勢，需要加大第一吊弦間的距離；反之，拉出值變小時，水平分力變小，定位器坡度為變大的趨勢，需要減小第一吊弦間的距離。文獻[1]詳細闡述了高速鐵路直線區段接觸網拉出值和定位器坡度之間的關系，通過研究第一吊弦點位置、拉出值、跨距、定位器坡度四者之間的相互關系，得出結論：在曲線半徑不小于7 000 m 時，拉出值均應正反設置，并在文中給出了推薦的拉出值。曲線區段的拉出值設置機理與直線區段基本相同，實際工程中拉出值的設置同時與曲線半徑、外軌超高等因素有關，需要重點考慮線路外軌超高對定位器坡度的影響。此外，文獻[2]分析了運行速度對拉出值檢測誤差的影響，線路設計時速越高，低速通過曲線區段時引起的拉出值偏差就會變大。文獻[3]分析了在運營中曲線區段拉出值超標的原因，提出了針對不同的機車參數、線路參數，受電弓中心偏移量對拉出值影響的計算式。文獻[4]提出尤其在小曲線區段施工時，拉出值需要進行反復調整，并給出在曲線區段拉出值適當減小的建議。

簡統化接觸網較傳統接觸網在曲線區段理論體系一致。因簡統化接觸網腕臂預配零件較少，結構型式統一，受外軌超高、非限位定位器受電弓抬升影響，校驗值加大，有必要對曲線區段簡統化接觸網進行腕臂預配校驗。

2 曲線區段拉出值設置方案

對于高速鐵路線路，其設計時速為350 km 時，曲線半徑一般不小于7 000 m；設計時速為250 km時，曲線半徑一般不小于3 200 m。根據理論計算及工程經驗，在曲線半徑超過5 000 m 時，可以將曲線近似地作為直線處理，通過調整第一吊弦的位置，能夠使拉出值及定位器坡度均滿足要求。高速鐵路在引入車站等線路條件受限時，曲線半徑多采用3 000 m。本文對曲線半徑為3 000 m 情況下接觸網拉出值設置方案進行詳細研究，其他曲線半徑可參考。

根據橋梁構造情況，支柱跨距一般約為49 m，因此本文標準跨距選取為50 m，同時研究跨距為40、45、55、60 m 的情況。接觸網線材為JTMH120+CTMM150，張力采用20 kN + 25 kN 組合；第一吊弦距離腕臂5 m，外軌超高175 mm；最大運營風速30 m/s，最大風偏校驗值取450 mm。

通過理論分析并結合已開通線路拉出值設置情況，下文分別從拉出值對稱性最優、風偏最優、二者兼顧設置3 個方案討論。方案一采用雙側拉出值±200 mm；方案二采用雙側拉出值曲內-100 mm 曲外+300 mm；方案三參照普速線路采用單側拉出值150 mm。分別在不同跨距下進行3 個方案定位器受力、定位器坡度、最大風偏計算，同時按標準跨距進行腕臂預配模擬。

2.1 雙側拉出值±200 mm

本方案采用與高速鐵路正線一致的拉出值，雙側拉出值±200 mm，定位器坡度、定位器受力、最大風偏計算情況如表1 所示。

表1 雙側拉出值±200 mm 計算結果

通過計算可以看出，該拉出值布置方式對稱性最好，受電弓碳滑板磨耗最均勻，但跨距較大時曲內正定位或曲外反定位時定位器坡度無法滿足要求，定位器受力較小或已經受壓，調整第一吊弦點亦無法滿足要求，因此該設置方案不合理。

拉出值按±200 mm 腕臂預配情況如圖2 所示。

圖2 腕臂預配情況（單位：mm）

從腕臂預配模擬情況可以看出：曲內反定位時，腕臂預配結構正常，定位器坡度合理；曲內正定位時，腕臂結構臃腫，定位器已無法安裝，需調整腕臂結構或拉出值設置方案。

2.2 雙側拉出值曲內-100 mm 曲外+300 mm

該方案仍采用正反拉出值方案，選取拉出值時使曲外側拉出值大于曲內側拉出值，定位器坡度、定位器受力、最大風偏計算情況見表2。

表2 雙側拉出值曲內-100 mm 曲外+300 mm 計算結果

通過計算可以看出，按雙側不對稱設置拉出值，受電弓碳滑板磨耗均勻方面較方案一稍遜，在最大風偏值方面優于方案一。腕臂預配方面，從理論分析及計算結果來看，雙側拉出值曲內-100 mm 曲外+300 mm 與雙側±200 mm 拉出值定位器受力一致，同樣存在跨距較大時曲內正定位或曲外反定位時定位器坡度無法滿足要求，定位器受力較小或已經受壓的情況，該拉出值設置方案不合理。腕臂預配情況與雙側±200 mm 拉出值情況基本一致。

2.3 曲外單側拉出值150 mm

當采用單側拉出值方案，為使跨中接觸線盡量靠近線路中心位置，拉出值選定150 mm，定位器坡度、定位器受力、最大風偏計算情況見表3。

表3 曲外單側拉出值150 mm 計算結果

通過計算可以看出，單側拉出值150 mm 時，定位器受力及定位器坡度理想。因單側拉出值方案定位器受力均指向曲線內側，定位器受力及坡度與拉出值具體數值無關，主要受跨距和第一吊弦位置影響。該方案安裝合理，第一吊弦位置調整范圍較大，能適應不同跨距，同時還具有通過調整第一吊弦位置來改善定位器坡度的空間。

曲外單側拉出值150 mm 腕臂預配結果如圖3所示。

圖3 曲外單側拉出值150 mm 腕臂預配結果（單位：mm）

從腕臂預配模擬情況可以看出，無論支柱位于曲線內側還是曲線外側，腕臂結構均合理，定位器坡度合適。

該方案在跨距60 m 時跨中接觸線與線路中心相切，其余跨距均在線路中心線一側，表面看受電弓滑板處于偏磨狀態，但考慮實際運營情況，同一條線路既會向左彎曲也會向右彎曲，同時考慮動車組均為往復運行，上行接觸線位于線路的一側，則下行接觸線正好位于線路的另一側，受電弓滑板在一個往返中磨耗仍然是均勻的。

3 動態檢測

某在建時速350 km 高速鐵路引入車站時，線路曲線半徑3 000 m，接觸網采用20 kN + 25 kN 張力組合，按照本文研究結果，拉出值采用單側150 mm 方案，聯調聯試期間動檢車實際動態檢測結果如圖4 所示。

圖4 動態檢測結果

可以看出，單側150 mm 拉出值布置時，跨中接觸線基本相切于線路中心，接觸壓力、硬點、導高、燃弧情況都非常理想。

4 結論及建議

本文對小曲線半徑（3 000 m）情況下簡統化接觸網拉出值的布置方案進行探討，當線路曲線半徑較小時，應根據線路的跨距合理選取拉出值，建議為單側拉，拉出值宜為100～150 mm。