高速鐵路接觸網拉出值和定位器坡度優化研究

羅 健，蔣冀龍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

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高速鐵路接觸網拉出值和定位器坡度優化研究

羅 健，蔣冀龍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

高速鐵路接觸網定位器與受電弓的相對位置關系直接影響弓網運行安全。通過合理設置拉出值和定位器坡度，既能保證弓網受流性能和弓網安全，又能降低受電弓滑板的損耗。通過對直線、曲線區段跨距值、拉出值、定位器坡度、第一吊弦點位置之間的相互關系進行詳細研究，為高鐵接觸網設計優化提供依據。通過研究，在接觸網其他主要設計參數一定的情況下，得出針對直線、曲線區段的不同跨距下拉出值的推薦設置，在保證定位器具有合理坡度值的同時，使得受電弓與定位器的匹配關系更加安全可靠，可指導工程設計。

高速鐵路；接觸網;定位器;坡度控制;拉出值

在高速鐵路中，弓網關系的好壞不僅關系到列車的安全、穩定、高速運行，而且還在很大程度上影響著接觸網、受電弓的使用壽命。一方面，受電弓在高速運動過程中對接觸懸掛產生一定激擾，對接觸懸掛的疲勞壽命有著較大的影響；另一方面，接觸線、受電弓滑板這對滑動摩擦副的磨耗，與兩者的相對硬度、相對幾何位置以及弓網離線率大小等因素有著密切的關系[1-3]。

目前高速鐵路受電弓滑板絕大多數采用碳滑板，接觸線采用銅合金導線，兩者布氏硬度接觸線較高，從理論上講，這樣的配置有利于減少接觸線的磨耗[4-5]。受電弓與接觸線的相對幾何位置，主要受控于接觸導線的拉出值。拉出值是指接觸線在定位點處與受電弓中心的距離，在直線區段一般垂直線路方向向兩側拉出，按“之”字形布置，其目的主要是避免受電弓滑板的不均勻磨損并使接觸懸掛具有較好的風穩定性[6-7]。接觸線拉出值的大小與方向，主要影響接觸懸掛風偏值、定位器的坡度值和受電弓滑板的磨損范圍[8-9]。

國內設計、施工、驗收有關規范未對拉出值、定位器坡度值作出明確規定，拉出值從200～300 mm設置不一，各設計院對定位器坡度控制要求也不盡相同，在設計中很少統籌考慮跨距、拉出值、第一吊弦位置對定位器坡度的影響，往往設計提出的定位器坡度控制要求在工程施工中無法實現。因此，有必要對高速鐵路接觸網拉出值設置、定位器坡度及控制要求等重要參數進行深化研究，厘清跨距、拉出值、定位器坡度、第一吊弦位置等的相互關系，優化設計，提出合理、可行的參數設置方案，提高弓網運行的安全性。

1 定位器坡度控制要求分析

定位器在接觸網系統中用于固定接觸線的位置，在直線區段，使接觸線沿線路走向呈“之”字形布置[10]。定位器坡度可以用定位器支座中心和接觸線底面連線與受電弓平面的夾角表述，也可以用定位器支座中心和接觸線底面連線與水平面的夾角表述，二者可通過軌道外軌超高進行轉換，本文中的定位器坡度用前者表述。對于限位定位器，定位器坡度等同于定位器本體與受電弓平面的夾角。定位器坡度是由接觸網系統參數決定的，在設計中要統籌考慮定位器坡度值對受電弓安全、接觸線偏磨等的影響。

1.1 受電弓安全

為保證受電弓的安全運行，在任何時候，定位器不應侵入受電弓動態包絡線，且應有一定的安全裕度，直形定位器坡度值與受電弓的相互位置關系見圖1～圖3[11]。

圖1 定位器坡度8°安全校驗(單位：mm)

圖2 定位器坡度6°安全校驗(單位：mm)

圖3 定位器坡度4°安全校驗(單位：mm)

受電弓按UIC 608 Annex 4a標準寬度1 950 mm，弓頭工作寬度為1 450 mm[12]。橫向擺動量按直線區段250 mm、曲線區段350 mm設計，動態最大抬升量150 mm[13]。限位定位裝置安裝設計按不小于1.5倍動態抬升量進行安全校驗[13]。

從圖中可以看出，定位器坡度越小，越不利于安全校驗。當定位器坡度為4°時，按照1.5倍動態抬升量校驗，定位器本體侵入受電弓動態包絡線，安全校驗不通過。在同等坡度情況下，如采用弧形定位器，會增大定位器與受電弓間的安全距離。

1.2 接觸線偏磨

為防止接觸線偏磨，應使接觸線頂面中心與底面中心連線垂直于受電弓平面，在定位器管與定位釘套筒制造角度為98°[14]的情況下，定位器坡度宜控制在8°左右。

從上述分析可以看出，考慮空間安全裕度，定位器坡度應取較大值；考慮減少接觸線偏磨，定位器坡度以8°為宜。綜合兩方面考慮，定位器坡度宜控制在8°，后文將從其它方面做深入研究。

2 定位器坡度計算

2.1 定位器受力分析

定位器一端安裝于定位支座，另一端安裝于接觸線，安裝穩定后達到力的平衡狀態。根據定位器工作狀態，建立力學模型，進行定位器坡度受力分析，見圖4。從受力分析可以看出，定位器主要受接觸線作用于定位線夾處的拉力FJ，定位支座作用于定位器根部的拉力Fzz，及定位器自身重力Gdw和定位線夾自身重力Gxj。

圖4 定位器受力分析

定位器坡度為

θ=arctan((Fy+Gdw/2+Gxj)/Fx)

其中，Fx為FJ的水平分量;Fy為FJ的垂直分量

從上式可以看出，Fx和Fy是計算定位坡度的關鍵參數。Fx可以在接觸網水平面內按矢量合成的方式進行計算，見圖5。

圖5 定位點水平力分析

其中，α為定位點處接觸線夾角，其大小與拉出值、跨距值相關；Sj為接觸線張力。

Fy即接觸線作用于定位器上的垂直力，可以在鏈型懸掛系統模型中計算得到，見圖6。

圖6 吊弦點(定位點)垂直力分析

圖6中，Leni為第i個跨距的長度；Ln為第n吊弦所在位置的水平坐標，n=1，2，…，MN，N為每跨的吊弦數，M為模型內的跨距數；Sj為接觸線水平張力；L為錨段長度；Sc為承力索水平張力。

對于接觸線，假設第n根吊弦或定位點處接觸線的抬升量為Δyn。Δyn為吊弦或定位點處接觸線相對于錨段起點接觸線水平高差，它受到豎曲線、外軌超高及導高變化等因素的影響。第n吊弦的拉力或者定位器受力的垂直分量Tn。參照《鏈形懸掛系統靜態彈性的解析計算》[15]可得方程組

通過求解方程組(1)可以得到每個吊弦的拉力Tn，其中包括定位器受力的垂直分量Fy。

2.2 計算輸入條件

接觸網采用全補償彈性鏈型懸掛，接觸懸掛線材為JTMH120+CTMH150，張力為21 kN+30 kN[16]；直形限位定位器，長度1 150 mm；跨距(L)50～60 m；拉出值(A)200～300 mm，第一吊弦距定位點距離(L1)一般取5～6 m，困難時4～7 m[17]；線路曲線半徑7 000～12 000 m；超高按照350 km/h線路標準設置[18]。

2.3 直線段定位器坡度計算與分析

根據定位器受力分析原理，建立數學模型，編制計算軟件，對直線段定位器坡度、拉出值、跨距等參數進行計算。結果見表1。

表1 直線計算結果

從表1可以看出，在跨距和拉出值一定的情況下，第一吊弦點與定位點距離越大，定位器坡度越大；在跨距和第一吊弦點位置一定的情況下，拉出值越小定位器坡度越大；在拉出值和第一吊弦點位置一定的情況下，跨距越大定位器坡度越大。

2.4 曲線段定位器坡度計算與分析

同理，對曲線段定位器坡度、拉出值、跨距等參數進行計算。以曲線半徑12 000、9 000、7 000 m為例，計算結果見表2～表4。

從上述結果可以看出，在相同跨距、拉出值、第一吊弦點位置的情況下，曲外的定位器坡度顯著小于曲內。因此，為使曲內、曲外定位器坡度都滿足標準要求，可通過曲內、曲外設置不同的第一吊弦點位置來解決。

3 拉出值和定位器坡度控制優化方案

根據上述計算結果，針對直線、曲線區段的不同跨距，按照定位器坡度優先8°～9°，最小7°，最大14°，第一吊弦間距優先按5～6 m，困難4～7 m，以拉出值盡量大的次第優先原則進行選取，推薦的配置見表5。其中曲線半徑7 000 m，跨距60 m、65 m時，定位器坡度超出上述范圍，故此時只能采用50～55 m跨距。

表2 曲線半徑12 000 m計算結果

表3 曲線半徑9 000 m計算結果

表4 曲線半徑7 000 m計算結果

表5 拉出值和第一吊弦點布置

4 結論與建議

基于常用的接觸網系統參數配置，通過對第一吊弦點位置、拉出值、跨距、定位器坡度的相互關系進行研究，得出在不同曲線半徑和跨距下推薦的拉出值設置，使得受電弓與定位器的匹配關系良好，且滑板磨耗較為均勻，能有效地延長碳滑板的壽命，具備良好的技術經濟性。

通過本次研究發現，定位器的外形尺寸和工作范圍對跨距、拉出值的設置有較大影響，建議研究采用非限位的弧形定位器，使跨距、拉出值的選取更加靈活。

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Study on Stagger Value and Steady Arm Slope of High Speed Railway Catenary

LUO Jian， JIANG Ji-long

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

The correlation between steady arm and pantograph of high speed railway is crucial to the safety of railway operation. Rational stagger and steady arm slope play an important role in obtaining good current-collection and safe operation of the pantograph-catenary system and reducing the wear of the pantograph strip. This paper conducts a detailed study on the span length, the stagger, the slope of steady arms and the first dropper position in both tangent and curve lines, providing references for the design and optimization of high speed railway catenary. Given the major design parameters of catenary system, the paper offers recommended stagger values with respect to different curvature radiuses and different spans, which makes it possible to achieve proper slope of steady arm and better matching performance of steady arm and pantograph. The solution may guide the engineering design.

High speed railway; Catenary; Steady arm; Slop control; Stagger

2016-08-31

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2015J005-D)。

羅 健(1980—)，男，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，E-mail:9195025@qq.com。

蔣冀龍(1992—)，男，2016年畢業于蘭州交通大學土木工程專業，工學學士，E-mail:2108016505@qq.com。

1004-2954(2016)12-0140-05

U238； U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.031