■ 薛卫星 刘赓然
高速电气化铁路接触网是架设在铁路沿线上空的特殊电力线路,由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱和基础组成,承担着为电力机车(动车组列车)供电的任务,是高速电气化铁路牵引供电系统的主体和关键组成部分。它与受电弓直接相连,当列车高速运行时,接触线和受电弓之间应该是一种动态稳定的关系,受流质量既取决于受电弓的参数,同时也取决于接触网的参数,两者只有合理匹配才能实现高质量的取流,确保列车高速、安全、稳定运行。为此,必须采用更加合理先进的技术手段提高接触网运行品质和安全可靠性能。
接触悬挂主要由接触线、吊弦、承力索及接连零件组成。接触悬挂通过支持装置架设在支柱上,作用是将从牵引变电所获得的电能传送给电力机车。接触悬挂质量优劣的主要指标是弹性的好坏。弹性是指接触悬挂在受电弓抬升力作用下发生形变,除去抬升力后能恢复到原来状态的性质。
接触悬挂弹性好坏的衡量标准为:(1)弹性的大小,取决于接触线的张力大小;(2)弹性的均匀度,取决于接触悬挂的结构。为使接触悬挂弹性优良,保证受电弓高质量受流和列车的高速运行,必须对其相关结构设备进行研究和改良。
改善接触悬挂弹性和取流的条件包括两个方面:一是尽量使受电弓对接触线的压力不随受电弓的起伏波动而变化,需要研究改进受电弓的结构;二是使受电弓沿接触线滑行时接触点的轨迹尽可能接近水平直线,需要研究改进接触悬挂的弹性质量。要达到上述任一条件都需要尽量减小接触线驰度,改善悬挂的弹性性能。改善措施的重点在于提高定位点、电分段(相)、绝缘器及线岔等特殊位置的悬挂弹性,并尽量使全线接触悬挂的弹性均匀一致。
简单链形悬挂在定位点处易产生硬点,受电弓在跨距中间和定位点处的导线抬高量差异较大,整个跨距内的接触网弹性不均匀,这将导致高速行车时受电弓的离线和拉弧现象。资料显示,静态情况下,简单链形悬挂的弹性不均匀度约为2 5%,动态情况下则约为2 8%,远大于高速铁路追求的接触网弹性不均匀度小于1 0%的目标值,不适合于高速行车。
全补偿弹性链形悬挂相比简单链形悬挂,在悬挂点处加装了弹性辅助索,使得该区域的弹性升高,从而令沿跨距的弹性基本上是均匀的。均匀的弹性使得静态接触压力抬升恒定,受电弓的运行轨迹高度变化减小,因此可显著减小弓网振动,降低了离线率和燃弧率。国内外运营成熟的高速铁路均采用该悬挂方式。
合蚌高铁正线亦全部采用全补偿弹性链形悬挂方式。计算表明,采用该悬挂方式后,支柱定位点处的弹性可达跨中弹性的9 5%,从而使接触悬挂弹性不均匀度约为6.2 3%,小于1 0%,满足高速行车要求。
增加接触线张力可减小接触网弹性,保证列车提速后弓网能够良好受流。数据表明,当接触线和承力索的张力分别增加到1 5 k N和2 0 k N时,接触网弹性可减少3 3%,能够更好地满足高速行车的要求。增加接触线张力还可限制高速运行时受电弓的动态抬升量,降低接触网弹性不均匀度,使弹性在整个跨距内趋于一致,改善受流性能。
合蚌高铁正线接触网采用铜镁合金线材T M H 1 5 0+J T M H 1 2 0,额定工作张力为3 0 k N+2 1 k N。检测结果表明,该方式有效减小了接触网弹性,降低了弹性不均匀度,满足高速行车相关标准要求。
张力补偿采用棘轮配铁坠陀的方式,接触线和承力索分别连接至补偿器,棘轮中间有一个起断线制动作用的齿轮。该补偿器的优点是具有断线快速制动功能,而且在发生事故后更易于恢复,影响面较小。
在接触网长期运行过程中,因腕臂定位环断裂后定位器(管)脱落低于接触线,以及定位环断裂后接触线失去定位,使拉出值发生变化,从而导致弓网事故。此类事故一般发生在定位偏移量较大、偏转活动频繁的部位,例如锚段关节、曲内反定位处,以及距离锚段关节较近的反定位腕臂定位环处等。
造成上述部位定位环断裂、定位环钩脱离的原因除零件材质问题外,9 5%以上是由于定位环与定位钩之间一直处于非正常受压状态。当定位管受力偏转时,压力作用使定位环根部对定位钩顶部产生一个摩擦阻力,此时定位环顶部将同时受到定位环根部侧缘给它的推力作用,在定位环顶部产生一个以定位环根部为轴心的转动扭矩,该转动扭矩令定位环发生一定程度的弯曲,其弯曲程度与定位环所受压力大小及定位管偏转角度有关。当定位管偏转角度较大时,定位环就很容易从定位钩的开口处挤出或是因疲劳而断裂。
为防止此类事故发生,建议研究采用新型的定位环零件取代反定位腕臂定位环,该零件应能在受压状态下灵活偏转,可抵消或克服抗扭力的不足,消除不利的剪力影响,并且各零部件的连接没有开口,从根本上增强定位装置性能,提高结构支点处的刚性,抗击接触网在受电弓及风力、振动等外部因素作用下所引起的定位环断裂或定位环从定位钩内脱出。
接触网性能包括接触线平顺性、接触网静态弹性及动态抬升量。性能优良的接触网应具备接触线硬点少、一跨内高差小、接触网静态弹性小和动态抬升量低的特点。合蚌高铁采用全补偿弹性链形悬挂。C R H 3 8 0 A-0 0 1综合检测车和C R H 2-0 6 1 C+C R H 2-0 6 5 C重联动车组列车分别以时速3 8 5 k m和3 5 0 k m运行于合蚌高铁正线时,所检测的接触线硬点及一跨内高差的数据见表1。合蚌高铁正线接触线硬点数值均小于6 8 6 m/s2,接触线一跨内高差均小于1 5 0 mm,符合相关标准要求。
表2和图1分别为相同检测工况下测得的静态弹性系数和动态抬升量结果。合蚌高铁正线接触线静态弹性差异系数小于1 0%,满足相关标准要求。时速为3 8 5 k m和3 5 0 k m条件下,接触线动态抬升量最大值分别为6 0 m m和5 2 mm,亦满足要求。
评价弓网受流性能的检测内容主要包括:弓网动态接触力指标和弓网燃弧指标。
2.2.1 弓网动态接触力指标测试
综合检测车时速为3 8 5 k m,重联动车组时速为3 5 0 k m时的弓网动态接触力指标检测结果见图2。
表1 接触线平顺性检测结果速度/(k m·h-1) 硬点≥6 8 6 m/s2的跨数/个 一跨内高差≥1 5 0 mm的跨数/个3 8 5(综合检测车) 0 0 3 5 0(重联动车组) 0 0表2 接触网静态弹性检测结果压力/N 1 5 6 1 4 6 1 4 8 1 4 0 1 3 8 1 4 2 1 4 6 1 5 1位移/mm 4 0 4 0 4 0 4 0 4 0 4 0 4 0 4 0静态弹性/(mm·N -1) 0.2 5 6 0.2 7 4 0.2 7 0 0.2 8 6 0.2 9 0 0.2 9 0 0.2 8 2 0.2 6 5弹性差异系数/% 6.2 3
2.2.2 弓网燃弧指标测试
在相同检测工况下的弓网燃弧指标检测结果见图3、图4。
2.2.3 受流性能检测综合数据
表3为合蚌高铁弓网受流性能检测的综合数据。可以看出,综合检测车以最高时速3 8 5 k m,重联动车组列车以最高时速3 5 0 k m运行在合蚌高铁正线时,弓网动态接触力指标符合相关标准要求,燃弧次数小于1次/1 6 0 m,燃弧率小于5%,最大燃弧时间小于1 0 0 m s,满足相关标准要求。
从提高高速铁路接触网运行品质和安全可靠性的角度入手,提出提升接触网性能的措施,目的在于改善弓网关系,优化弓网受流质量,保证动车组列车高速、安全、稳定运行。在此提出的部分改进措施已实际应用于合蚌高铁接触网设计与架设,并经试验车热滑检测。结果表明,在综合检测车时速3 8 5 k m和重联动车组时速3 5 0 k m的检测工况下,合蚌高铁接触网性能优良,弓网受流质量好,各项指标均满足相关标准要求。
表3 弓网受流性能检测综合数据速度/最大接 平均接 最小接 接触力 燃弧率/% 燃弧次数/最大燃弧(k m·h-1) 触力/N触力/N触力/N 标准差/N (次·(1 6 0 m)-1) 时间/m s 3 8 5 1 9 0~2 4 5 1 4 5~1 8 5 9 5~1 4 0 3 8 1.7 2 0.2 9 8 6 3 5 0 1 6 5~2 2 0 1 1 5~1 4 0 5 0~1 0 0 3 5 0.3 1 0.4 6 8 5
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