简统化接触网技术研究

蒋先国，罗健，刘永红，范海江

（1.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308；2.中国铁路设计集团有限公司 电化电信工程设计研究院，天津 300308；3.中国国家铁路集团有限公司 工程管理中心，北京 100844）

0 引言

我国铁路传统接触网安装形式多样、结构种类庞杂、零件规格繁多，各相同速度等级的项目设计标准存在差异。其中腕臂结构存在铝合金平腕臂结构、水平钢腕臂结构、整体钢腕臂结构等多种形式；定位装置存在限位定位器、非限位定位器、带弹性定位器等多种结构［1］。在我国铁路发展初期，需要多样化方式来实现接触网工程技术的繁荣发展，但随着时间的推移，接触网设计标准、安装图纸、装备制造的多样化导致接触网装备种类、形式繁多，甚至出现了10余种接触网装备都能满足同一功能需求的情况。同时，其种类和形式的不同，增加了设计、施工、生产制造、运营维护等多方面的难度［2-5］，因此迫切需要从源头上进行统一、简化。

接触网系统及装备系列化、标准化、简统化一直是我国铁路持续发展的必由之路。以有利于设计、制造、施工和运维各个环节，有利于装备源头质量控制，有利于降低系统全生命周期成本，有利于提高系统安全性、可靠性［6-7］为目标，研究形成我国自主知识产权的简统化接触网装备技术具有创新意义。

1 国外接触网发展概况

国外铁路接触网技术和装备发展较为成熟的国家有德国、法国、日本等，其技术和装备各有特点、自成体系［8-10］。

德国铁路接触网系统按照速度分为Re160、Re200、Re250、Re330等系列形式，不同系列接触网既有技术上的统一性和关联性，又有适应不同速度所需的差异性，合理地分布了关键技术资源，实现了技术与经济的合理统一。统筹考虑各种因素，德国铁路从众多标准化和市场流通的原材料中选用铸造铝合金材料，腕臂管及定位器管均采用变形铝合金AlMgSi1F31（EN AW 6082）；连接零部件采用AlMg7Si0.3或AlMg7Si0.6铝合金。模锻件采用AlMgSi1F31（EN AW 6082）铝合金，这种合金可以时效强化，其强度满足实际负载的要求。

日本高速铁路已有50多年历史，高速铁路接触网采用的支撑结构为三角形平腕臂整体结构，腕臂为钢材质，腕臂及定位装置中的连接件采用钢制板材冲压并焊接工艺加工，连接件为铰链式结构。定位管与腕臂管连接相对固定，采用热浸镀锌工艺防腐。定位器采用弹性限位定位器，减小定位点处的弓网接触硬点，并防止在受电弓抬升力过大时碰撞定位管。一般地区采用铝合金定位器，定位器管材采用5系铝合金，在污染严重地区和隧道中采用铝青铜定位器。考虑到隧道区段的防火问题，连接部件采用铜合金件。区间线路和车站正线采用变比鼓轮补偿装置，下锚坠砣为铸铁或钢筋混凝土坠砣，目前大量坠砣式重力补偿装置已更换为弹簧补偿装置。为了防腐蚀，螺栓采用不锈钢制造，在海底隧道中还特别采用了加钼的SUS316型不锈钢螺栓。

法国高铁一般采用拉杆腕臂，腕臂及定位装置中的连接件采用铸铜工艺加工。接触悬挂线夹采用铝青铜合金线夹，铝青铜合金中含铝量为8%～12%，且加有少量铁、锰和镍，含量不少于3%。采用弓形定位器，增大定位器与受电弓间、定位器与定位管间的安全空间。

通过对德国、日本、法国铁路接触网腕臂结构、定位装置原型及演变进行梳理分析，可以看出不同国家接触网腕臂和定位装置的结构、材质均与各自系统相匹配。从更广的方面看，还与各国的环境条件、工业基础、经济模式相关。在腕臂结构形式方面，各国均采用较为稳定的三角形作为基本结构，这是由系统功能需求和结构自身特性所决定的。不同的是结构杆件连接方式、杆件材质、连接件形式等方面，各具特点。在我国简统化接触网装备研究中，要紧扣系统功能需求，采用更加合理的基本结构。在连接方式、部件材质、外形尺寸等方面要结合系统实际特点，博采众长、优化创新，以提高系统的综合性能。

2 我国接触网系统系列化研究

2.1 系列划分原则

（1）应结合线路速度等级划分标准，综合考虑弓网受流性能、接触悬挂稳定性等因素进行接触网系列划分。

（2）接触网系统参数对接触网技术性能和经济性均有重要影响，因此在接触网系列划分时应体现接触网系统参数合理的差异性。

（3）接触网系列划分应考虑减少安装结构和零部件种类规格，方便运营维护并兼顾经济性，装备宜通用化。

2.2 系列划分方案

在现状分析中发现，《铁路线路设计规范》中将我国高铁分为时速350、300、250 km三档，其余线路则大致分为时速200、160、120 km三档，其中重载铁路分为时速100、80 km。

《铁路技术管理规程》接触网章节，根据高速铁路、普速铁路以120、160、200、300、350 km/h为分界点，将系列划分为5档；《铁路电力牵引供电设计规范》中进一步细化，以120、160、200、250、300、350 km/h为分界点，将接触网系列划分为6档。

研究目前国内外已通车线路情况，速度级别大致包括时速350、250、200、160、120 km及以下5档，综合考虑接触网系统特性、装备特点及线路运营经验，并考虑高速铁路速度提升等因素，可将接触网系列初步划分为5档（见表1）。

表1 接触网系列划分初步方案

综合弓网模拟分析结果与试验数据分析，分别探讨各系列接触网主要技术参数。研究表明CRC160、CRC200的主要技术参数均一致，从简化系列划分角度出发，这2个系列合并为CRC200系列，形成4个系列，各系列接触网主要技术参数配置见表2。

表2 各系列接触网主要技术参数配置

3 装备方案研究

3.1 研究原则

（1）开展关键技术和装备的自主创新与技术攻关，形成具有自主知识产权、国际领先水平的简统化接触网装备。

（2）简统化接触网装备应满足对应速度等级铁路的安全性、可靠性、可维护性、可用性需要。

（3）接触网装备应重点考虑提升服役性能，减少种类规格，方便运营维护并兼顾经济性，宜通用化。

（4）满足线路气象条件和运行环境条件等需求。

3.2 装备方案

简统化接触网装备以“参数统一、结构简化、零件集成”的简统化技术为核心，引入微动摩擦学理论，通过宏观与微观分析、数值模拟、静态试验、微动疲劳试验等相结合的形式对接触网系统中失效较多、影响较严重的零部件进行研究，研发简统化接触网装备。

3.2.1 腕臂和定位装置

腕臂和定位装置的研发以功能需求为根本。腕臂结构功能需求一般包括：支撑接触悬挂；能够安装定位装置；具备顺线路方向旋转的能力；具备足够的强度和刚度。定位装置功能需求主要包括：夹持式定位接触导线应符合受电弓最大摆动量和抬升重量的规定；连接应安全可靠，运行灵活；具有适当的抗拉强度和刚性。根据功能需求，提出以下设计原则：

（1）腕臂构件应安全稳固可靠，局部结构与整体形状均符合规范要求；

（2）腕臂构造应尽可能简化，视觉效果更好，集成零件的构造与功用，降低零件数量；

（3）腕臂构件应有利于现场进行施工装配，满足安装、调整相关要求；

（4）定位装置在轻量化的前提下保证结构平衡，有较好的静态和耐疲劳特性；

（5）定位器外形与动态包络线要具备较好的配合性能，并具有很大的提升空间，以保持空间安全距离；

（6）定位装置各零部件之间要连接牢固，尽量增加连接的接触覆盖面，以减小互相损坏，并改善电气连接特性；

（7）腕臂与定位装置的自然本体宜选择通用型材料，连接件则优先选择型材原材料加工制造，并选择较稳定安全的模锻、冲压制造等工艺技术；

（8）腕臂与定位装置都要具备较好的环境适应性，以增强防腐蚀特性，连接件也要具备较好的抗松特性，以降低运营维修工作量。

依据上述原则，研究提出新型腕臂和定位装置技术方案。采用三角形旋转平腕臂结构，具有组合承力索座、组合定位环和销轴连接方式的弓形定位器见图1。基于新型腕臂和定位装置的结构形式，通过运用微动损伤分析，结合新材料、新工艺的应用，从简化零部件数量、集成功能和提高可靠性等方面入手，研制锻造式组合承力索座、锻造式支撑双耳、实腹式支撑、锻造式组合定位环及新型定位线夹等多种新型零部件。针对有砟轨道等不同工况，可采用分体式安装，即承力索座和腕臂连接器分开、定位环和支撑管连接器分开的方案。

图1 腕臂和定位装置正定位示意图

3.2.2 终端锚固线夹和接触线中心锚结线夹具

研制了新型终端锚固线夹，用锻铜合金终端锚固线夹代替铸铜终端锚固线夹，可避免铸铜的铸造缺陷；楔子采用高强度、韧性好、高性能铜合金材料机加工制造；提出接触线中心锚结线夹的材质由QAl10-4-4替代CuNi2Si，增加了滑动荷载和安全冗余。作为承受导线张力的关键零部件，改进后不仅提升了安全可靠性，也为应用于更大张力的接触网系统提供技术支撑。

3.2.3 整体吊弦

分别从改进钳压管、心形环结构、压接方式及工艺模具、提高吊弦线抗疲劳性能等方面开展深入研究，并提出相关改进措施。合理降低了滑动荷载考核指标，由3.9 kN降到2.0 kN，有效减少了对吊弦线压接损伤，提高了吊弦整体性能和寿命。该项修改已被纳入行业标准TB/T 2075.7—2020《电气化铁路接触网零部件：整体吊弦及吊弦线夹》。

4 研究成果

通过对系统参数、关键装备技术方案研究，简统化接触网在接触网的系统理论、损伤机理、装备制造、智能装配等方面取得重大突破，研发了以简统化、系列化和高服役性能为特征的接触网技术与装备。研究成果创新了接触网性能评估理论、攻克了接触网长期存在的系统性与结构性难题、提高了接触网装备的使用寿命，达到国际领先水平，主要创新成果为：

（1）创新接触悬挂性能评估理论，构建了覆盖高速普速、经济合理的系列化接触网技术标准体系，为打造中国标准接触网提供了理论支撑。

（2）率先在接触网系统领域引进微动摩擦学理论，首先发现了接触网系统微动破坏机制，并建立了接触网供电系统抗微动破坏的分析方法和处理方案，为建立简统化技术体系和冲破长期以来约束接触网系统装置寿命的瓶颈，奠定了重要理论基础。

（3）首创以“结构简化、零件集成”为核心特点的结构简统化技术，研发了适应不同速度等级的简统化接触网装备。

（4）提出悬链线路形态迭代预测法，大大提升了接触网系统预装配中复杂算法的效能与准确度，并首创了接触网线路的智能预装配置平台，突破了制约接触网系统高精度、高效率、优质智能施工的重要难点。

5 结束语

简统化接触网技术研究将接触网划分为CRC120、CRC200、CRC250、CRC350四个系列，并明确了各系列主要技术参数，研发了与之配套的技术装备，为构建体系完整、结构合理、具有自主知识产权的中国标准接触网奠定了坚实基础，进一步提升了我国铁路的核心竞争力。后续将进一步完善相关通用图、标准等技术支撑，深入研究相关配套检测监测技术，为进一步构建中国标准智能接触网系统提供技术支持。