高速鐵路接觸網系統中零部件功能及其實現方式探討

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)

高速鐵路接觸網系統中零部件功能及其實現方式探討

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系統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的4種方式，即：通過接觸網動態設計，準確預測零部件運行工況；合理選用接觸網零部件的材質和加工工藝，并根據運行條件選擇對應檢測方法檢驗，保證零部件性能達標；通過精細化施工，保證接觸網幾何參數達標；運營維護階段，積累運營維護經驗，反饋信息，優化接觸網設計，提高施工安裝水平，實現閉環管理。

高速鐵路；接觸網；零部件；功能；實現方式

接觸網是架設在鐵路線路上空，由一系列零部件及其他材料按照一定規律組裝而成，向電力機車供給電能的特殊形式的輸電線路[1]。鏈形接觸網系統中零部件是實現有序連接、接續接觸網中接觸線、承力索、支持裝置、絕緣元件、電氣設備以及支柱，同時傳遞電能并且有支持功能和具備相應強度的機械性質的整體系統[2]。接觸網零部件故障或失效直接或間接導致接觸網事故或故障。隨著電氣化鐵路運行速度的不斷提高，高速鐵路接觸網導線的張力逐漸增大，接觸網零部件重要程度也更加突出顯示出來[2]。

1 高速鐵路接觸網零部件功能及實現方式

接觸網零部件在接觸網系統中起關節和紐帶作用，零部件主要功能是實現機械連接和電氣導通，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的動態設計、接觸網的施工和維修質量等，而保證零部件功能的實現，應從零部件整個壽命周期統籌謀劃、嚴格把控。設計階段，通過接觸網動態設計，準確預測零部件運行工況；零部件制造時，合理選用接觸網零部件的材質和加工工藝，并采用力學、動力學、電氣及化學測試方法進行檢驗，保證零部件性能達標；施工階段，通過精細化施工，保證接觸網幾何參數達標；運營維護階段，遵守“預防為主、修養并重”原則，積累運營維護經驗，反饋指導接觸網設計和施工安裝，實現閉環管理，通過PDCA循環逐步提高[3]。

2 高速鐵路接觸網動態設計

2.1采用計算機模擬動態特性，準確預測零部件運行工況

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振動，振動與波動的共同作用導致接觸網結構變形，變形量越大，與接觸懸掛相關的零部件的內部應力交替變化量就越大。一些關鍵零部件(如定位器、吊弦等)的失效很大程度上與這種應力變化量相關。

架空接觸網和受電弓的動態性能應該考慮接觸網的幾何和靜態特性。在設計階段，應通過計算機模擬動態特性，并且對安裝后的架空接觸網系統用測量數據進行核實。模擬程序的確認應與EN50318(鐵路應用—集流系統—弓網動態相互作用仿真的確認)[4]相符，測量應保證與EN50317(鐵路應用—集流系統—弓網動態相互作用測量的要求與確認)[5]相符。

2.2 合理選擇系統參數，改善零部件運行工況

線索截面、張力和跨距是影響接觸網動態性能的重要參數。線索截面越大，張力應越大；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量

為方便施工和維修，提高接觸網調整的靈活性，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，零部件發生故障或失效的幾率就越多；零部件數量越多，接觸網發生故障幾率就越多。在滿足接觸網施工安裝及調整的前提下，降低零部件數量及其螺紋緊固件的數量，零部件和接觸網發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]，零部件緊固螺栓數量的大大減少，零部件發生故障或失效的幾率就越少；零部件的數量減少，接觸網發生故障或失效的幾率也就越少，零部件及接觸網可靠性得到大大提高。

3 高速鐵路零部件制造

質量合格的零部件是接觸網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，接觸網零部件的制造需要專門的材料、技術、知識和經驗。正常運行工況下，架空接觸網零部件的設計壽命至少為該系統的運行壽命。保證零部件的性能，應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和加工工藝

正確、合理選用接觸網零部件的材質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，客運專線接觸網零件發展的方向是采用優質材料，要求零件結構新穎可靠、質量輕、防腐性能好。為滿足要求，材質上應根據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 根據運行條件選擇相應測試方法

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

4 高速鐵路接觸網施工

接觸網施工包括所有經過質量認證的零部件的裝配工作以及最終驗收程序。接觸網施工應積極采用機械化、工廠化、專業化、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；安裝工人具有相應的專業知識；在較小的誤差范圍內確定設計的接觸線位置。

接觸網施工應采用先進、成熟、科學的檢驗檢測手段，所用方法和儀器符合相關技術標準的規定，儀器性能應符合質量檢測的要求，質量檢驗人員應具有規定的資格。TB10758∶2010(高速鐵路電力牽引供電工程施工質量驗收標準)規定了接觸網誤差界限以保證運行質量。對于較高質量的接觸網設計而言，這些誤差界限范圍均較窄。下列控制參數尤其重要：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]。

運行試驗結果的評價已經表明，通過接觸網精細化施工，設備安裝在規定誤差范圍內，接觸網幾何參數全部達標，接觸網零部件處于正常運行工況，零部件的機械連接和電氣導通功能得以正常實現，關節和紐帶作用得以體現。

5 高速鐵路接觸網維修

接觸網運行與維修，堅持“預防為主、修養并重”的方針，按照“周期檢測、狀態維修、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，積極采用接觸網自動檢測手段和機械化維修手段，提升接觸網維修的準確度，不斷提高接觸網運行品質和安全可靠性。運營維修中，收集整理接觸網發生的事故和故障案例，分類匯總，認真分析原因，反饋給設計和施工原單位，逐步優化接觸網設計和提高施工安裝水平。

6 實例

接觸網零部件眾多，具體要求各具特色，本文以吊弦為例介紹接觸網零部件功能及其實現方式。

6.1 吊弦設計

EN50119：2009(鐵路應用—固定設施—電力牽引架空接觸網)規定，吊弦的設計應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、彈性或滑動。不同的類型應能承受規定的荷載，且在系統壽命周期內不會對吊弦性能產生不利作用。

完整的吊弦的安全系數：垂直荷載為2.5，水平荷載為1.5。吊弦設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，應使用附加荷載而不是工作荷載進行吊弦的設計；低于2.5倍的時候，附加荷載可以忽略。

(2)電氣要求

吊弦設計可用于載流、非載流或者絕緣。

載流吊弦的設計應允許電流在接觸線與承力索之間傳輸，電氣設計要考慮至少一跨內的電流分布。靠近吊弦的短路會引起吊弦中產生很高的短路電流。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。試驗取值應依據接觸網動態設計確定。

特殊情況下，如低結構高度和高抬升的位置，總長度和壓縮范圍應重新考慮。

圖1 吊弦試驗周期實例

(2)機械試驗

按照吊弦供應商的說明，將吊弦線夾安裝在相應的導線上。對應于每種尺寸雙溝槽接觸線和承力索直徑的線夾，均應單獨進行試驗。如果線夾對應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)規定吊弦的尺寸與安裝為：

(1)預制長度偏差不超過1.5 mm；

(2)布置應符合設計要求，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生吊弦線斷裂故障，經現場抽查，共發現65根有吊弦線斷股和斷裂的吊弦。經分析，發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，壓接套環壓接位置錯誤；第3類，吊弦線扭轉安裝[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，實現閉環管理，提高施工安裝水平。

7 結語

接觸網與零部件的關系遵循唯物辯證法的基本規律：首先，接觸網和零部件不可分割，接觸網功能的形成離不開零部件原有的功能；零部件是接觸網的重要組成部分，離開了接觸網將不再具有零部件的功能；其次，接觸網與零部件相互影響，接觸網的性能狀態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，甚至在一定條件下，關鍵零部件的性能會對接觸網的性能狀態起決定作用。

[1] 中國鐵路工程總公司教衛處.接觸網工[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[M].成都：西南交通大學出版社，2002:377-390．

[3] 中華人民共和國鐵道部. 接觸網運行檢修規程[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.京滬高速鐵路先導段接觸網原型系統設計[J].電氣化鐵道，2011(5)：5-8.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范[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總體技術方案[R].北京：鐵道部運輸局，2007.

[9] 周振平.350 km/h客運專線接觸網整體式腕臂施工工法研究[J].城市建設理論研究，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吊弦缺陷調查的分析報告[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年畢業于上海鐵道大學鐵道電氣化專業，工學學士，E-mail：eebzzl@sina.com。

1004-2954(2014)09-0118-03

U238； U225

：B

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.029