京滬高速鐵路先導段接觸網(wǎng)原型系統(tǒng)設(shè)計

高 鳴

0 引言

京滬高速鐵路是國內(nèi)又一條采用更高標準，更高新技術(shù)的長大高速鐵路，其設(shè)計的運營速度目標值為 380 km/h。京滬高速鐵路先導段由棗莊至蚌埠，正線全長220 km。在京滬高速鐵路先導段下行原型系統(tǒng)中不僅要進行時速380 km高速鐵路的常規(guī)試驗，還要對國內(nèi)開展并已取得的一系列高速鐵路創(chuàng)新技術(shù)成果進行試驗驗證，同時還要開展一系列試驗為國內(nèi)進行更高速度的高速鐵路基礎(chǔ)性、前瞻性研究提供支持。

先導段接觸網(wǎng)原型系統(tǒng)，是為時速380 km及以上的電氣化鐵路項目而研制的，接觸懸掛類型為全補償彈性鏈形懸掛，具有當今世界電氣化鐵路接觸網(wǎng)領(lǐng)域中的前沿技術(shù)。該系統(tǒng)的主要創(chuàng)新技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)特征：a.具有超大額定工作張力的接觸懸掛張力體系；b.具有高強度高導電率的接觸導線及其配套的接觸網(wǎng)零部件；c.腕臂支持結(jié)構(gòu)、定位裝置及下錨裝置等安裝的優(yōu)化設(shè)計。

1 接觸懸掛張力體系及配套線材

1.1 張力體系

對于要適應于列車高速運行的接觸網(wǎng)系統(tǒng)而言，首先要保證接觸網(wǎng)的波動傳播速度。世界各國經(jīng)過多年的研究及實踐表明：為保證良好的弓網(wǎng)耦合關(guān)系，列車最高行車速度與接觸網(wǎng)的波動傳播速度之比β=V列車/V波動小于0.7時才能基本保證列車受電弓與接觸網(wǎng)之間的耦合集電特性，減少列車受電弓與接觸網(wǎng)之間的火花、離線率，進而達到列車在高速行駛時穩(wěn)定地從接觸網(wǎng)取流的效果。所以，列車速度越高，就要求接觸網(wǎng)的波動傳播速度越高，因此，目前世界各國均將追求更高的接觸網(wǎng)波動傳播速度作為其接觸網(wǎng)是否滿足高速鐵路性能要求的首要指標，即：要建設(shè)高性能的適應于高速列車運行的接觸網(wǎng)，首先應保證的就是接觸網(wǎng)的波動傳播速度。

根據(jù)波動傳播速度理論：

式中，T為接觸線的額定工作張力，N；ρ為接觸線的線密度，kg/m。

由式（1）可知，為增大接觸網(wǎng)的波動傳播速度，就應提高接觸線的額定工作張力，盡量降低接觸線的線密度。而在國內(nèi)高速鐵路裝備技術(shù)條件確定高速正線接觸線截面均采用150 mm2（即，接觸線的線密度為確定值）的前提條件下，加大接觸線的額定工作張力是提高接觸網(wǎng)波動傳播速度的直接途徑。

為滿足京滬高速鐵路最高運營速度及相應所需的試驗速度的要求，在先導段下行設(shè)置了接觸線分別為31.5，33，36和40 kN，承力索均為20 kN的 4種額定工作張力的張力試驗體系，其中（20+40）kN張力體系是為列車沖擊世界運營鐵路最高試驗速度而設(shè)置的。

試驗結(jié)果表明，對于380 km時速的運行要求而言：（20+36）kN張力體系區(qū)段受流性能最為優(yōu)越，（20+33）kN張力體系區(qū)段受流性能次之，（20+31.5）kN張力體系區(qū)段受流性能相對不如上述2種張力體系區(qū)段，但對于350 km時速的運行要求，能夠體現(xiàn)出良好的受流性能。

1.2 配套線材

1.2.1 接觸線及承力索選型

在（20+31.5）kN張力體系區(qū)段中，接觸線采用抗拉強度≥500 MPa的150 mm2截面銅鎂合金接觸線；在（20+33）kN及（20+36）kN張力體系區(qū)段中，接觸線采用抗拉強度≥530MPa的150 mm2截面銅鎂合金接觸線；在（20+40）kN張力體系區(qū)段中，接觸線采用抗拉強度≥560 MPa的150 mm2截面高強高導銅合金接觸線；各張力體系區(qū)段中承力索均采用（1×37）結(jié)構(gòu)120 mm2截面銅鎂合金承力索。

1.2.2 線材特性

（1）抗拉強度≥500 MPa的銅鎂合金接觸線是國內(nèi)《300～350 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件》（OCS-3）規(guī)定的接觸線，性能高于現(xiàn)行鐵標及歐標。

（2）抗拉強度≥530 MPa的銅鎂合金接觸線是經(jīng)過上引連鑄后再經(jīng)過連續(xù)擠壓工藝制造的超細晶粒金相組織的超高強度銅鎂合金接觸線。由于其金相組織的性能高于上引法的鑄態(tài)金相組織性能，所以能獲得高于高強度銅鎂合金接觸線的抗拉強度及導電率的特性，增大了接觸線工作張力提升空間。

（3）抗拉強度≥560 MPa的高強高導銅合金接觸線是“兩部科技支撐計劃”科研項目的科研成果產(chǎn)品，是采用三元合金（銅鉻鋯）結(jié)構(gòu)、析出強化型工藝制造的高強度高導電率銅合金接觸線，技術(shù)性能達到國際領(lǐng)先水平。其主要技術(shù)特征：

a.抗拉強度高于目前國外最先進產(chǎn)品的指標，超過日本同類產(chǎn)品PHC型導線指標（540 MPa），達到560～610 MPa。

b.延伸率與銅鎂、銅錫合金接觸線的最好指標一致，大大高于日本同類產(chǎn)品PHC型導線的2.0%水平，達到4.6%～6.2%水平。

c.導電率達到75% IACS～82% IACS范圍，與日本同類產(chǎn)品PHC型導線相當，大大高于銅鎂、銅錫合金接觸線62%～65% IACS的指標。

d.抗軟化能力具有耐受400℃保溫2h軟化后抗拉強度下降幅度不超過10%的性能。明顯超過銅鎂、銅錫合金接觸線300℃的軟化溫度指標。

e.耐磨性能高強度及高硬度保證了其有優(yōu)良的耐磨損能力。在同等試驗條件下，采用三元合金（銅鉻鋯）結(jié)構(gòu)、析出強化型工藝制造的高強高導銅合金接觸線的磨耗明顯低于銅鎂、銅錫合金接觸線。

上述主要技術(shù)特征奠定了采用三元合金（銅鉻鋯）結(jié)構(gòu)、析出強化型工藝制造的高強高導銅合金接觸線，在（20+40）kN張力體系區(qū)段創(chuàng)造世界運營鐵路最高試驗速度紀錄的基礎(chǔ)。

（4）（1×37）結(jié)構(gòu)120 mm2截面銅鎂合金承力索。該種承力索絞線同時具有高鎂銅合金絞線的機械性能及低鎂銅合金絞線的電氣性能，更加適應高速列車的受流工況。

2 與張力體系配套的接觸網(wǎng)零部件

為了使具有超大額定工作張力的張力體系能夠順利地在先導段工程項目中得到實際應用，必須具有與其相配套的系列接觸網(wǎng)零部件。在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，由于列車行車速度的提高及接觸線額定工作張力的增大，對接觸網(wǎng)零部件的影響主要有：下錨補償裝置、接觸線及承力索終端錨固線夾、定位裝置、錨支定位卡子等。所以在先導段下行中采用了同樣是“兩部科技支撐計劃”科研項目的上述接觸網(wǎng)零部件科技成果產(chǎn)品。

2.1 ZJ型定位器及錨支定位卡子

定位器采用在定位管水平安裝的條件下可自由調(diào)節(jié)限位間隙的彎折型限位定位器，其可最大限度地滿足列車在380 km及以上時速運行時受電弓最大動態(tài)范圍及抬升限位的要求。

（1）定位器管采用彎折處無芯子結(jié)構(gòu)的整根矩形管彎制工藝制造。定位器管采用的鋁合金型材綜合機械性能標準高于目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品標準，主要機械性能：抗拉強度≥320 MPa、規(guī)定非比例延伸強度≥300 MPa、斷后伸長率≥13%。表面均增加了陽極氧化處理的防腐措施，陽極氧化膜不低于AA10級。

（2）定位器鉤處設(shè)置調(diào)節(jié)限位間隙用的調(diào)節(jié)螺栓。

（3）定位器支座采用彎形設(shè)計結(jié)構(gòu)以適應安裝調(diào)節(jié)范圍，定位器支座本體處設(shè)置弧形限位板以保證定位器偏轉(zhuǎn)時的功能。

（4）錨支定位卡子采用無定位線夾型結(jié)構(gòu)，合理改進了工作荷載的受力方向，使其最大工作荷載有較大的提高。

2.2 棘輪下錨補償裝置

（1）為適應接觸線張力的增加而提高了棘輪下錨補償裝置的最大工作張力（40 kN）。

（2）棘輪下錨補償裝置大、小輪的纏繞補償繩處均采用溝槽設(shè)計，并加大輪徑，以防止補償繩間的相互磨損并提高下錨補償繩的抗疲勞性能。

（3）采用了新型結(jié)構(gòu)的下錨補償繩，提高了下錨補償繩的抗疲勞性能。接觸線下錨補償繩采用結(jié)構(gòu)為8×29Fi+PWRC、公稱直徑為11.0 mm的浸瀝青復合鋼絲繩，綜合拉斷力≥95.0 kN。

（4）接觸線用棘輪下錨補償裝置的斷線制動棘齒采用傘齒結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了大張力條件下斷線制動的可靠性。

2.3 接觸線及承力索終端錨固線夾

（1）錨固結(jié)構(gòu)，采用了“錐套+頂絲壓塊夾緊型”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為具有后備保護措施的雙級夾緊結(jié)構(gòu)，具有較高的抗滑脫安全裕度。

（2）增大了本體（包括套筒、錐套及終端雙耳）的強度，具有較高的強度安全裕度。

（3）銷釘材質(zhì)由不銹鋼改為Q345B低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，熱浸鍍鋅防腐；直徑由19 mm改為22 mm。具有較高的強度安全裕度。

（4）制造工藝由鑄造改為金屬模鍛造，提高了零件本體內(nèi)部金相組織的質(zhì)量，并且便于控制產(chǎn)品制造質(zhì)量。

3 安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 腕臂定位裝置安裝

（1）采用平腕臂為水平安裝、平/斜腕臂外徑均為70 mm的腕臂支持結(jié)構(gòu)（圖1、圖2）。

（2）正、反定位的定位管均采用水平安裝結(jié)構(gòu)，并均采用定位管支撐固定。

（3）定位裝置具有在定位管水平安裝狀態(tài)下，接觸線定位點處抬升量為240 mm時限制定位器繼續(xù)抬升、定位器不打弓、定位器不與定位管相碰的限位功能。定位器采用可自由調(diào)節(jié)限位間隙的彎折型限位定位器。

（4）各種鋁合金型材（平/斜腕臂管、腕臂/定位支撐管、定位器管等）的綜合機械性能標準均高于目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品標準，其中平/斜腕臂管主要機械性能：抗拉強度≥330 MPa、規(guī)定非比例延伸強度≥310 MPa、斷后伸長率≥13%。表面均增加了陽極氧化處理的防腐措施，陽極氧化膜不低于AA10級。

圖1 腕臂支持結(jié)構(gòu)正定位安裝示意圖

圖2 腕臂支持結(jié)構(gòu)反定位安裝示意圖

3.2 防疲勞型承力索安裝

為防止高速運行中振動對承力索固定點處產(chǎn)生的疲勞影響，新設(shè)計了一種防疲勞型預絞式承力索護線條，安裝在承力索座兩側(cè)的承力索表面處，該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)能夠有效地克服由于振動對承力索座兩側(cè)的承力索產(chǎn)生的疲勞影響，從而能夠有效地防止該處承力索的疲勞斷股。

3.3 下錨補償裝置安裝

承力索用棘輪下錨補償裝置采用反制動安裝形式，接觸線用棘輪下錨補償裝置采用正制動安裝形式。最大限度地減小了棘輪下錨補償裝置安裝底座的懸臂長度，從而有效地減小了由于墜砣重量對支柱產(chǎn)生的彎矩（圖3）。

圖3 下錨補償裝置安裝示意圖

4 試驗成果

在京滬高速鐵路先導段聯(lián)調(diào)聯(lián)試及沖擊最高運營時速的過程中，先導段下行接觸懸掛原型系統(tǒng)出色的導線張力體系及器材裝配結(jié)構(gòu)的技術(shù)平臺，保證了列車在380 km/h設(shè)計速度目標值所要求的各種試驗速度下，取得質(zhì)量優(yōu)異的弓網(wǎng)受流試驗結(jié)果。并且使國產(chǎn)CRH380AL型動車組于2010年12月3日在（20+40）kN張力體系區(qū)段創(chuàng)造出了雙弓運行 486.1 km/h的運營鐵路最高試驗速度的世界記錄。從弓網(wǎng)受流質(zhì)量來看，先導段下行接觸網(wǎng)原型系統(tǒng)完全可為列車進一步?jīng)_擊輪軌系統(tǒng)最高時速世界記錄的沖高試驗提供技術(shù)保證。雖然在聯(lián)調(diào)聯(lián)試及沖擊最高運營時速的試驗結(jié)束后，（20+40）kN及（20+36）kN張力體系區(qū)段均恢復為（20+33）kN張力體系，但作為世界運營鐵路最高試驗速度記錄的沖高試驗后其器材裝備還將繼續(xù)實際運行應用于接觸網(wǎng)系統(tǒng)。