400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系探討

楊 佳 林宗良 鄧云川 魯小兵

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

為貫徹習(xí)近平總書記對(duì)鐵路工作的重要指示批示精神和黨中央、國(guó)務(wù)院決策部署，服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略發(fā)展，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司已啟動(dòng)CR450科技創(chuàng)新工程，開展更高速度鐵路輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系、空氣動(dòng)力學(xué)以及多物理場(chǎng)耦合等基礎(chǔ)理論的深化研究，驗(yàn)證更高速度運(yùn)行條件下固定設(shè)施、移動(dòng)裝備的安全性、匹配性和適用性，探索輪軌系統(tǒng)更高試驗(yàn)速度和運(yùn)營(yíng)速度限值，研發(fā)更加安全、更加環(huán)保、更加節(jié)能、更加智能的復(fù)興號(hào)新產(chǎn)品，構(gòu)建我國(guó)CR450高速鐵路技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系，全力推進(jìn)我國(guó)高速鐵路技術(shù)的深入發(fā)展和技術(shù)引領(lǐng)。

弓網(wǎng)關(guān)系作為高速鐵路三大關(guān)鍵技術(shù)之一，在保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行上具有舉足輕重的地位。400 km/h接觸網(wǎng)將面臨更高速度運(yùn)行的安全性、適應(yīng)性、可靠性、匹配性、耐久性以及可維護(hù)性等問題，目前，更高速度下的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合機(jī)理尚不明確，弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)尚不成熟，對(duì)軌、車以及氣動(dòng)力等外部激擾影響下的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性研究尚不全面，且國(guó)內(nèi)外尚無可以借鑒的400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及工程案例。因此，亟待在全面總結(jié)現(xiàn)有高速鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，深入開展更高速度下弓網(wǎng)關(guān)系的理論研究和試驗(yàn)論證，提出并分析400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，形成400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)體系，支撐CR450科技創(chuàng)新工程實(shí)施，確保弓網(wǎng)系統(tǒng)及裝備在400 km/h條件下長(zhǎng)期、持續(xù)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 400 km/h接觸網(wǎng)服役條件

接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沿線裸露架設(shè)，長(zhǎng)期承受冰、雪、風(fēng)、氣溫、雷電以及地震等外部環(huán)境作用[1]，還與路基、橋梁、隧道以及車輛、供電、信號(hào)等專業(yè)接口緊密。對(duì)于運(yùn)行速度更高的400 km/h接觸網(wǎng)，其服役環(huán)境及接口條件的微小變化，都將影響到弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流質(zhì)量和列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。400 km/h接觸網(wǎng)服役環(huán)境及接口條件的影響分析如表1、表2所示。

表1 400 km/h接觸網(wǎng)外部環(huán)境影響分析表

表2 400 km/h接觸網(wǎng)接口條件影響分析表

2 400 km/h接觸網(wǎng)性能提升

基于現(xiàn)有技術(shù)方案及參數(shù)下的接觸網(wǎng)系統(tǒng)在400 km/h速度條件下運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)間振動(dòng)加劇，接觸力波動(dòng)及動(dòng)態(tài)抬升大幅增加，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流性能將急劇惡化。400 km/h接觸網(wǎng)必須具備更高、更優(yōu)性能以滿足更高速度下弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全性、可靠性及耐久性等要求。400 km/h接觸網(wǎng)性能提升措施如表3所示。

表3 400 km/h接觸網(wǎng)性能提升措施表

3 400 km/h接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 速度匹配

接觸網(wǎng)必須根據(jù)速度目標(biāo)值開展設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)應(yīng)與速度等級(jí)相適應(yīng)、匹配，設(shè)計(jì)速度影響并決定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的不同。對(duì)于400 km/h接觸網(wǎng)，其性能狀態(tài)與行車速度、設(shè)計(jì)速度、驗(yàn)收速度等速度間的科學(xué)合理匹配尤為關(guān)鍵，否則將影響工程投資甚至系統(tǒng)方案的可行性。

(1)波動(dòng)傳播速度

一般應(yīng)按設(shè)計(jì)速度與接觸網(wǎng)波動(dòng)傳播速度之比不大于0.7考慮，充分考慮承力索對(duì)波動(dòng)傳播速度的作用，同時(shí)結(jié)合導(dǎo)線產(chǎn)品性能及工程應(yīng)用情況，綜合選取系統(tǒng)的線材規(guī)格型號(hào)和匹配張力。

(2)設(shè)計(jì)速度

設(shè)計(jì)速度應(yīng)按線路的最高設(shè)計(jì)速度選取。400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)按設(shè)計(jì)速度400 km/h進(jìn)行設(shè)計(jì)，其接觸線平順性和弓網(wǎng)受流性能等應(yīng)按設(shè)計(jì)速度400 km/h進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，同時(shí)還應(yīng)考慮開行單弓或雙弓運(yùn)行時(shí)每個(gè)受電弓的受流質(zhì)量。

(3)驗(yàn)收速度

驗(yàn)收速度應(yīng)按線路的最高設(shè)計(jì)速度110%選取[4]。400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)校核驗(yàn)收速度440 km/h時(shí)的狀態(tài)及安全性，評(píng)估單弓運(yùn)行時(shí)應(yīng)能滿足弓網(wǎng)間的基本受流，不得出現(xiàn)鉆弓、侵限等安全問題。

3.2 弓網(wǎng)關(guān)系

弓網(wǎng)系統(tǒng)是高速列車獲取持續(xù)動(dòng)力的唯一途徑，其動(dòng)態(tài)受流性能直接決定列車能否高速穩(wěn)定運(yùn)行。400 km/h高速鐵路弓網(wǎng)關(guān)系面臨的重難點(diǎn)技術(shù)如表4所示。

表4 400 km/h接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)對(duì)措施表

3.3 系統(tǒng)參數(shù)

400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)至少包含接觸網(wǎng)和受電弓兩部分，兩者既相互獨(dú)立又緊密相關(guān)。系統(tǒng)方案及懸掛參數(shù)的建立必須基于接觸網(wǎng)服役環(huán)境和運(yùn)行目標(biāo)的要求，根據(jù)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合仿真分析，從系統(tǒng)性、匹配性、可靠性出發(fā)，反復(fù)優(yōu)選接觸網(wǎng)-受電弓以及相互間的技術(shù)參數(shù)，才能達(dá)到400 km/h高速運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)間的“完美”耦合。400 km/h接觸網(wǎng)受電弓參數(shù)和懸掛參數(shù)分別如表5、表6所示。

表5 400 km/h接觸網(wǎng)受電弓參數(shù)表

表6 400 km/h接觸網(wǎng)懸掛參數(shù)表

3.4 關(guān)鍵設(shè)施

接觸網(wǎng)設(shè)施主要包括錨段關(guān)節(jié)、電分相和道岔區(qū)布置，這些設(shè)施兼具電氣和機(jī)械性能要求，存在多錨段線索間相互交叉、位置重疊的現(xiàn)象，空間關(guān)系復(fù)雜，對(duì)400 km/h接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流性能及高速運(yùn)行時(shí)的安全性能影響較大，屬于系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)和重難點(diǎn)技術(shù)。

3.5 關(guān)鍵裝備

400 km/h接觸網(wǎng)安裝設(shè)計(jì)及裝備選型應(yīng)滿足更大張力荷載、更高速度運(yùn)行狀態(tài)下的安全性、可靠性、耐久性等要求，同時(shí)還應(yīng)充分考慮電氣、機(jī)械及結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)等對(duì)400 km/h弓網(wǎng)耦合性能和高速安全運(yùn)行的影響。400 km/h接觸網(wǎng)裝備需考慮的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)對(duì)措施如表8所示。

表7 400 km/h接觸網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)施表

表8 400 km/h接觸網(wǎng)裝備關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)對(duì)措施表

3.6 支柱及基礎(chǔ)

接觸網(wǎng)支(吊)柱及基礎(chǔ)應(yīng)結(jié)合400 km/h路基、橋梁及隧道等土建工程的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)采用安全、可靠且耐受動(dòng)荷載的預(yù)埋基礎(chǔ)。接觸網(wǎng)支(吊)柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度除應(yīng)充分考慮列車按最高設(shè)計(jì)速度運(yùn)行時(shí)引起的氣動(dòng)力作用外，還應(yīng)盡量減少支柱撓度，以降低其對(duì)400 km/h接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合性能的影響。

3.7 施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)

建造安全、穩(wěn)定、可靠的400 km/h接觸網(wǎng)工程，需要更加精準(zhǔn)、更加精細(xì)化的施工，主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)充分研究施工誤差及精度對(duì)400 km/h接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流性能的影響，制定合理、可行的施工質(zhì)量要求及控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)對(duì)400 km/h接觸網(wǎng)錨段逐點(diǎn)、逐跨的腕臂、吊弦及彈性吊索等進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量、計(jì)算和工廠化預(yù)配，提升安裝后接觸網(wǎng)的導(dǎo)線平順性及弓網(wǎng)受流性能。

(3)結(jié)合更大張力、更高平順性的要求，提升恒張力放線、吊弦及彈性吊索安裝的工法工藝，精細(xì)化調(diào)整接觸導(dǎo)線的平順性、吊弦高差、定位器及補(bǔ)償裝置狀態(tài)等，建造符合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的400 km/h接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)。

在400 km/h接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面，應(yīng)：(1)加快研究更高速度下的檢測(cè)方法及手段，積極采用更先進(jìn)、更精準(zhǔn)的檢測(cè)設(shè)備，全面提升檢測(cè)及評(píng)估技術(shù)；(2)結(jié)合400 km/h接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流性能及安全運(yùn)行的要求，制定科學(xué)合理的運(yùn)行檢修規(guī)則；(3)配置6C、PHM及監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等接觸網(wǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)，提高運(yùn)營(yíng)維護(hù)能力。

4 400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)體系

結(jié)合CR450科技創(chuàng)新工程部署，400 km/h接觸網(wǎng)應(yīng)從基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝備技術(shù)、施工建造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等方面著手，逐步構(gòu)建400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)體系，系統(tǒng)架構(gòu)圖建議如圖1所示。

圖1 400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)圖

5 結(jié)束語

400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)服役條件更加復(fù)雜、系統(tǒng)性能需求更高，本文基于現(xiàn)有鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)情況，深入分析了更高速度下弓網(wǎng)系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，探討了具體的應(yīng)對(duì)措施和思路，并提出了400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系初步構(gòu)想。400 km/h接觸網(wǎng)較之350 km/h存在較大差異，且國(guó)內(nèi)外尚無可供借鑒的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及工程案例，后續(xù)還須進(jìn)一步深化總結(jié)，深入開展科學(xué)試驗(yàn)、工程試驗(yàn)、產(chǎn)品試驗(yàn)，論證400 km/h接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)參數(shù)的系統(tǒng)性、適應(yīng)性、匹配性，驗(yàn)證弓網(wǎng)系統(tǒng)在400 km/h速度下長(zhǎng)期、持續(xù)、高速運(yùn)行時(shí)的安全性、可靠性、耐久性和可維護(hù)性。