高速鐵路接觸網無交叉線岔分析

錢慶玲，姚永明，丁宇鳴，周謙

（1.北京鐵科英邁技術有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

電氣化鐵路經常有站線、側線、渡線、到發線等需要并入正線，為了保證受電弓安全平滑地從一條接觸線過渡至另一條接觸線，通常通過設置線岔來完成。道岔上方的2支接觸懸掛交叉布置時，稱為交叉式線岔；無交叉布置時，稱為無交叉式線岔。無論交叉式線岔還是無交叉式線岔，均應確保動車組沿直向通過道岔或直向與側向道岔轉換時，受電弓能可靠橫越線岔［1］。目前，我國高速鐵路接觸網大量采用無交叉布置方式，當動車組通過無交叉線岔，從正線進入側線、側線進入正線時，存在動態接觸線拉出值缺陷問題。根據高速鐵路接觸網動態缺陷診斷標準：無交叉線岔動態拉出值按設計值校核，但應≤600 mm［2］，以充分保證受電弓動態包絡線，提高動車組受流質量，滿足動車組高速安全運行的需要。

由于不同受電弓動態包絡線存在差異，各設計院在進行高速接觸網設計時參照的線路參數及運行車輛采用的受電弓型號不同，其設計的18號道岔接觸網參數也不盡相同［3］。合理設置道岔柱定位點處的接觸網參數，優化側線下錨方向，充分考慮始觸區內的弓網安全關系，有利于降低動車組高速通過時發生弓網事故的概率。

通過對通化（2016）1302-Ⅸ（18號道岔）［4］正線道岔定位示意圖、動態檢測波形圖和視頻綜合分析，剖析接觸網設計參數和受電弓運行軌跡等關鍵技術參數，并對接觸網參數調整提出建議。

1 18號道岔基本參數

18號道岔正線允許通過最大速度為350 km/h，側線允許通過最大速度為80 km/h。道岔全長L=69.00 m，前端長度a=31.729 m，后端長度b=37.271 m，導曲線半徑R＝1 100 m，岔心角θ=3°10′47.39″。道岔側股平面線形選用圓曲線與直線相切的連接方式。18號道岔線形及主要尺寸見圖1。

圖1 18號道岔線形及主要尺寸

2 軌道中心線距離計算

根據TG/GD 124—2015《高速鐵路接觸網運行維修規則》對線岔始觸區的規定：線岔兩工作支中，任一工作支的垂直投影距另一股道線路中心600～1 050 mm不得安裝除吊弦（必需時）外的其他線夾［5］。確定始觸區即確定始觸點的軌道線距離和始觸點接觸線拉出值，確定接觸線與受電弓相對位置曲線方程［6］。

根據圖1的幾何關系，可得任意直、側股線間距L與距圓曲線理論起點PS的距離X的方程：

式中：R為道岔導曲線半徑。

3 左右擺動量

道岔處接觸網的平面布置取決于道岔類型、受電弓工作寬度、受電弓的動態運行軌跡（最大擺動量和最大抬升量）。半工作寬度和最大擺動量決定始觸區和無線夾區，最大抬升量決定線岔處2支接觸線的抬高量。

根據鐵路電力牽引供電設計規范，受電弓動態包絡線范圍：設計速度120～200 km/h時，上下抬升量為120 mm，左右擺動量為直線250 mm、曲線300 mm；設計速度250～350 km/h時，上下抬升量為150 mm，左右擺動量為直線250 mm、曲線300 mm［5］。

根據TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設計規范》［7］，受電弓弓頭外形輪廓和尺寸見圖2。由圖可知，受電弓半寬工作范圍為：1 450 mm/2=725 mm。考慮受電弓最大抬升量為150 mm、左右最大擺動量為250 mm時，得受電弓半寬工作范圍為：（725+（150-50）/tan（40°）+250）mm=（725+119+250）mm=1 094 mm。

圖2 受電弓弓頭外形輪廓和尺寸

4 無交叉線岔

2支無交叉接觸網布置方式要求在受電弓由正線通過時，受電弓滑板不能接觸側線接觸線，從而保證正線高速行車的絕對安全性，并且在道岔處不存在相對硬點；當動車組從正線進入側線或從側線進入正線時，能夠完成受電弓在2支接觸線間平穩過渡，不發生打弓和鉆弓事故。以通化（2016）1302-Ⅸ（18號道岔定位）正線道岔為例，對接觸網無交叉線岔進行分析，接觸網線岔布置見圖3。

圖3 接觸網線岔布置

（1）道岔開口方向上，道岔定位后的第1個懸掛點，設于軌道中心線距離≥受電弓半寬+橫向擺動量處，并保證2支接觸懸掛的任意1支接觸線分別與相鄰線路中心線距離≥受電弓半寬+橫向擺動量。否則，另一條線路的接觸線定位線夾會侵入該線的受電弓限界，存在打弓危險。

（2）道岔定位柱一般設于軌道中心線距離150～200 mm處（距理論岔心10～15 m），理論岔心后支柱一般設于線間距1 320～1 500 mm處（距理論岔心25～27 m），岔前與岔后支柱間距約40 m。

當受電弓由側線進入正線時，理論岔心后支柱（A1柱）位于岔心≥25 m處，即道岔開口（正線和側線線間距）≥1 320 mm處，施工時定位于1 400 mm處，側股接觸線與直股軌道中心線距離＞受電弓水平方向最大擺動范圍，A1柱接觸線拉出值應與支柱定位處的軌道中心線距離相匹配。在任何情況下，受電弓正（側）通過時，僅與正（側）線1支接觸線接觸。由圖3（b）可知，在A1柱，正線導高為H、側線導高為H+20；在B1柱，側線導高比正線導高抬高120 mm，即正線導高為H，側線導高為H+120。A1、B1柱間跨距為40 m，側線接觸線導高由岔后道岔柱A1向岔前道岔柱B1依次抬高，交叉吊弦處側線接觸線高于正線接觸線約35 mm。

受電弓從側線進入正線約10 m后，正線接觸線開始與受電弓接觸；繼續往前約11 m，正線接觸線完全進入受電弓工作區域，2支接觸線同時與受電弓接觸，側向接觸線開始抬升，進而逐漸脫離受電弓；繼續往前約10 m，受電弓僅與正線接觸線接觸，此后保持從正線接觸線取流。

當側向運行受電弓接觸正線接觸線時，正線和側線接觸線距離約1 280 mm；側線接觸線開始抬升時，正線和側線接觸線距離約為1 050 mm；側線接觸線離開受電弓時，正線和側線接觸線距離約為950 mm。因此，受電弓在側線到正線運行過程中，2支接觸線間距離保持在950～1 280 mm時為合理值。

5 動態數據分析

結合高速鐵路正線18號道岔，道岔直股以350 km/h速度通行時，接觸線變化坡度為0；側股以80 km/h速度通行時，其坡度變化應考慮受電弓在正線和側線轉換運行時，任何方向都應滿足始觸區范圍內無線夾（將正線或側線線路中心線兩側600～1 050 mm的區域內設置為無線夾區），以保證在受電弓限界范圍內無接觸網零部件。

5.1 正線通過

當動車組以350 km/h速度正線通過時，為確保側線接觸線任何位置都不能侵入正線運行中的受電弓動態包絡線，則側線接觸線到直股軌道中心線距離≥1 094 mm（受電弓半寬+橫向擺動量），才能保證側線接觸線不侵入受電弓包絡線（見圖4）。

圖4 受電弓正線通過線岔示意圖

由圖（3）可知，B1支柱：對正線接觸線拉出值400 mm，導高H；對側線接觸線拉出值1 100 mm，導高H+120。A1支柱：對正線拉出值-150 mm，導高H；對側線拉出值-150 mm，導高H+20。因此，B1柱側線接觸線距正線軌道中心線距離=B1柱側線接觸線拉出值（對側線）+正、側線軌道線間距。同理，A1柱側線接觸線距正線軌道中心線距離=A1柱側線接觸線拉出值（對側線）-正、側線軌道線間距。

道岔定位柱一般設在距理論岔心10～15 m，理論岔心后支柱一般設置于距理論岔心＞25 m，岔前與岔后支柱間距約為（10+25）m～（15+25）m=35～40 m。

當B1柱里理論岔心的距離為15 m（岔前），則：

當B1柱里理論岔心的距離為10 m（岔前），則：

式中：XB1為岔前B1柱距PS的距離。

當A1柱里理論岔心的距離為25 m（岔后），則

式中：XA1為岔后A1柱距PS的距離。

將XB1、XA1帶入式（1），得岔前、岔后定位柱處的軌道線間距如下：

考慮軌道尖軌尖端構造，則可修正岔前B1柱距PS的距離為150 mm（岔前15 m），200 mm（岔前10 m）；岔后A1柱距PS的距離1 400 mm（岔后25 m）。

B1柱側線接觸線距正線軌道中心線距離=（1 100+150）mm=1 250 mm（岔前15 m）；

B1柱側線接觸線距正線軌道中心線距離=（1 100+200）mm=1 300 mm（岔前10 m）；

A1柱側線接觸線距正線軌道中心線距離=（1 400-150）mm=1 250 mm（岔后25 m）。

由此可得，B1、A1間側線接觸線到正線軌道中心線距離≥1 250 mm＞1 109 mm，C1處接觸線定位點到正線軌道中心距離1 400 mm≥1 109 mm。其安全裕量≥141 mm，對比我國目前設計規范與TB/T 3271—2011《軌道交通受流系統受電弓與接觸網相互作用準則》［8］中受電弓動態包絡線，可知左右最大擺動具有裕量寬度，根據近年來中國鐵道科學研究院集團有限公司在我國部分新開通線路動態驗收中現場檢測定位點抬升量檢測數據，以及在京滬高鐵、京津城際鐵路監測數據，我國設計速度350 km/h及以下的高鐵接觸網定位點最大抬升量≤100 mm，且該數據已有一定余量［9］。

綜上所述，C1、B1、A1間側線接觸線滿足動車組正線高速通過、側線接觸線不侵入受電弓動態包絡線的要求。

5.2 正線進入側線、側線進入正線

當動車組列車由正線駛入側線時，在X點以前受電弓均從正線接觸線取流（見圖5），當受電弓到CAO、CBO段的中部附近位置時，受電弓滑板將脫離正線接觸線，在其靜壓力作用下與抬高的側線接觸線相接觸（此處側線接觸線抬高值宜控制在20～40 mm），進而轉入從側線接觸線取流。

圖5 受電弓正線進入側線、側線進入正線示意圖

受電弓通過無交叉線岔的變化過程見圖6。當動車組從正線進入側線到達B1柱，此時受電弓接觸的是正線接觸線，以支柱位于側線側為例，說明受電弓與接觸線相對位置關系：正線接觸線拉出值為正向最大（接觸線拉出值拉向支柱側為正）→正線接觸線遠離支柱側→正線接觸線拉出值變為0→正線接觸線拉出值變為負（接觸線拉出值遠離側線支柱）→正線、側線接觸線間過渡轉換（始觸區）→側線接觸線拉出值變為正→側線接觸線拉出值變為0→側線接觸線拉出值變為負→A1柱（側線接觸線為負）。

圖6 接觸線由正線進入側線示意圖

以圓曲線理論起點PS原點，平行正線中心線為X軸，垂直于正線中心線為Y軸（見圖7）。

圖7 18號道岔與正、側線接觸線示意圖

計算B1（岔前15 m）、A1（岔后25 m）時，側線接觸線坐標：B1（15.316，1.250），A1（55.316，1.250）；正線接觸線坐標：B1（15.316，0.400），A1（55.316，-0.150）。

側線接觸線直線方程：

正線接觸線直線方程：

側線線路中心線方程：

當動車組從正線進入側線、側線進入正線，正線接觸線、側線接觸線到受電弓中心線的距離，即：側線接觸線到受電弓中心線距離D1=Y1-Y3，正線接觸線到受電弓中心線距離D2=Y3-Y2。

當動車組從正線進入側線，正線接觸線到受電弓中心線距離為0.6 m，即D2為0.6，可計算出X=30.25，可得側線到接觸線離受電弓中心線距離D1=0.833 984＞0.6；當動車組從側線進入正線，側線接觸線到受電弓中心線距離為0.6 m，即D1為0.6，可計算出X=37.815 34，可得正線接觸線到受電弓中心線距離D2=0.559 366＜0.6。

同理可計算B1（岔前10 m）、A1（岔后25 m）時，側線接觸線坐標：B1（20.316，1.300），A1（55.316，1.250）；正線接觸線坐標：B1（20.316，0.400），A1（55.316，-0.150）。

側線接觸線直線方程：

正線接觸線直線方程：

側線線路中心線方程：

計算得到側線接觸線到受電弓中心線距離D1=Y1-Y3，正線接觸線到受電弓中心線距離D2=Y3-Y2。

當動車組從正線進入側線，正線接觸線到受電弓中心線距離為0.6 m時，即：

D2為0.6，計算X=34.571 46，可得側線接觸線到受電弓中心線距離D1=0.997 324＞0.6；當動車組從側線進入正線，側線接觸線到受電弓中心線距離為0.6 m時，即D1為0.6，計算X=38.501 54，可得正線接觸線到受電弓中心線距離D2=0.559 784＜0.6。

由上述計算結果可知：道岔柱B1距理論岔心10～15 m（岔前）、道岔柱A1距理論岔心25 m（岔后）范圍內，當動車組從正線進入側線，正線、側線接觸線間過渡轉換時，正線、側線接觸線不存在到受電弓中心線距離同時不超過600 mm的區域；當動車組從側線進入正線，正線、側線接觸線存在到受電弓中心線距離同時不超過600 mm的區域；但該區域正線、側線接觸線距受電弓中心線距離接近600 mm。

6 結論與建議

綜上所述，動車組從正線進入側線，正線、側線接觸線間過渡轉換時，正線、側線接觸線至少存在1支到受電弓中心線距離＞600 mm；動車組從側線進入正線，不考慮受電弓擺動量，理論上正線、側線接觸線存在到受電弓中心線距離同時≤600 mm的區域；但該區域正線、側線接觸線到受電弓中心線的距離接近600 mm。考慮受電弓擺動量和道岔柱定位、施工安裝偏差等因素影響，動車組從側線進入正線，正線、側線接觸線到受電弓中心線動態拉出值往往＞600 mm。建議適當將道岔柱定位點處拉出值減小，從而達到減小過渡區正線、側線接觸線到側線軌道中心線距離，減少動態缺陷，提高弓網安全裕度；同時結合動態檢測，增加正線進人側線、側線進入正線無交叉線岔檢測項目，驗證無交叉線岔接觸網動態參數，為設計與施工參數調整提供數據支持。