京滬高速鐵路先導(dǎo)段接觸網(wǎng)原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 鳴

0 引言

京滬高速鐵路是國(guó)內(nèi)又一條采用更高標(biāo)準(zhǔn)，更高新技術(shù)的長(zhǎng)大高速鐵路，其設(shè)計(jì)的運(yùn)營(yíng)速度目標(biāo)值為 380 km/h。京滬高速鐵路先導(dǎo)段由棗莊至蚌埠，正線全長(zhǎng)220 km。在京滬高速鐵路先導(dǎo)段下行原型系統(tǒng)中不僅要進(jìn)行時(shí)速380 km高速鐵路的常規(guī)試驗(yàn)，還要對(duì)國(guó)內(nèi)開(kāi)展并已取得的一系列高速鐵路創(chuàng)新技術(shù)成果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)還要開(kāi)展一系列試驗(yàn)為國(guó)內(nèi)進(jìn)行更高速度的高速鐵路基礎(chǔ)性、前瞻性研究提供支持。

先導(dǎo)段接觸網(wǎng)原型系統(tǒng)，是為時(shí)速380 km及以上的電氣化鐵路項(xiàng)目而研制的，接觸懸掛類型為全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛，具有當(dāng)今世界電氣化鐵路接觸網(wǎng)領(lǐng)域中的前沿技術(shù)。該系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)特征：a.具有超大額定工作張力的接觸懸掛張力體系；b.具有高強(qiáng)度高導(dǎo)電率的接觸導(dǎo)線及其配套的接觸網(wǎng)零部件；c.腕臂支持結(jié)構(gòu)、定位裝置及下錨裝置等安裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 接觸懸掛張力體系及配套線材

1.1 張力體系

對(duì)于要適應(yīng)于列車(chē)高速運(yùn)行的接觸網(wǎng)系統(tǒng)而言，首先要保證接觸網(wǎng)的波動(dòng)傳播速度。世界各國(guó)經(jīng)過(guò)多年的研究及實(shí)踐表明：為保證良好的弓網(wǎng)耦合關(guān)系，列車(chē)最高行車(chē)速度與接觸網(wǎng)的波動(dòng)傳播速度之比β=V列車(chē)/V波動(dòng)小于0.7時(shí)才能基本保證列車(chē)受電弓與接觸網(wǎng)之間的耦合集電特性，減少列車(chē)受電弓與接觸網(wǎng)之間的火花、離線率，進(jìn)而達(dá)到列車(chē)在高速行駛時(shí)穩(wěn)定地從接觸網(wǎng)取流的效果。所以，列車(chē)速度越高，就要求接觸網(wǎng)的波動(dòng)傳播速度越高，因此，目前世界各國(guó)均將追求更高的接觸網(wǎng)波動(dòng)傳播速度作為其接觸網(wǎng)是否滿足高速鐵路性能要求的首要指標(biāo)，即：要建設(shè)高性能的適應(yīng)于高速列車(chē)運(yùn)行的接觸網(wǎng)，首先應(yīng)保證的就是接觸網(wǎng)的波動(dòng)傳播速度。

根據(jù)波動(dòng)傳播速度理論：

式中，T為接觸線的額定工作張力，N；ρ為接觸線的線密度，kg/m。

由式（1）可知，為增大接觸網(wǎng)的波動(dòng)傳播速度，就應(yīng)提高接觸線的額定工作張力，盡量降低接觸線的線密度。而在國(guó)內(nèi)高速鐵路裝備技術(shù)條件確定高速正線接觸線截面均采用150 mm2（即，接觸線的線密度為確定值）的前提條件下，加大接觸線的額定工作張力是提高接觸網(wǎng)波動(dòng)傳播速度的直接途徑。

為滿足京滬高速鐵路最高運(yùn)營(yíng)速度及相應(yīng)所需的試驗(yàn)速度的要求，在先導(dǎo)段下行設(shè)置了接觸線分別為31.5，33，36和40 kN，承力索均為20 kN的 4種額定工作張力的張力試驗(yàn)體系，其中（20+40）kN張力體系是為列車(chē)沖擊世界運(yùn)營(yíng)鐵路最高試驗(yàn)速度而設(shè)置的。

試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于380 km時(shí)速的運(yùn)行要求而言：（20+36）kN張力體系區(qū)段受流性能最為優(yōu)越，（20+33）kN張力體系區(qū)段受流性能次之，（20+31.5）kN張力體系區(qū)段受流性能相對(duì)不如上述2種張力體系區(qū)段，但對(duì)于350 km時(shí)速的運(yùn)行要求，能夠體現(xiàn)出良好的受流性能。

1.2 配套線材

1.2.1 接觸線及承力索選型

在（20+31.5）kN張力體系區(qū)段中，接觸線采用抗拉強(qiáng)度≥500 MPa的150 mm2截面銅鎂合金接觸線；在（20+33）kN及（20+36）kN張力體系區(qū)段中，接觸線采用抗拉強(qiáng)度≥530MPa的150 mm2截面銅鎂合金接觸線；在（20+40）kN張力體系區(qū)段中，接觸線采用抗拉強(qiáng)度≥560 MPa的150 mm2截面高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金接觸線；各張力體系區(qū)段中承力索均采用（1×37）結(jié)構(gòu)120 mm2截面銅鎂合金承力索。

1.2.2 線材特性

（1）抗拉強(qiáng)度≥500 MPa的銅鎂合金接觸線是國(guó)內(nèi)《300～350 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件》（OCS-3）規(guī)定的接觸線，性能高于現(xiàn)行鐵標(biāo)及歐標(biāo)。

（2）抗拉強(qiáng)度≥530 MPa的銅鎂合金接觸線是經(jīng)過(guò)上引連鑄后再經(jīng)過(guò)連續(xù)擠壓工藝制造的超細(xì)晶粒金相組織的超高強(qiáng)度銅鎂合金接觸線。由于其金相組織的性能高于上引法的鑄態(tài)金相組織性能，所以能獲得高于高強(qiáng)度銅鎂合金接觸線的抗拉強(qiáng)度及導(dǎo)電率的特性，增大了接觸線工作張力提升空間。

（3）抗拉強(qiáng)度≥560 MPa的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金接觸線是“兩部科技支撐計(jì)劃”科研項(xiàng)目的科研成果產(chǎn)品，是采用三元合金（銅鉻鋯）結(jié)構(gòu)、析出強(qiáng)化型工藝制造的高強(qiáng)度高導(dǎo)電率銅合金接觸線，技術(shù)性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。其主要技術(shù)特征：

a.抗拉強(qiáng)度高于目前國(guó)外最先進(jìn)產(chǎn)品的指標(biāo)，超過(guò)日本同類產(chǎn)品PHC型導(dǎo)線指標(biāo)（540 MPa），達(dá)到560～610 MPa。

b.延伸率與銅鎂、銅錫合金接觸線的最好指標(biāo)一致，大大高于日本同類產(chǎn)品PHC型導(dǎo)線的2.0%水平，達(dá)到4.6%～6.2%水平。

c.導(dǎo)電率達(dá)到75% IACS～82% IACS范圍，與日本同類產(chǎn)品PHC型導(dǎo)線相當(dāng)，大大高于銅鎂、銅錫合金接觸線62%～65% IACS的指標(biāo)。

d.抗軟化能力具有耐受400℃保溫2h軟化后抗拉強(qiáng)度下降幅度不超過(guò)10%的性能。明顯超過(guò)銅鎂、銅錫合金接觸線300℃的軟化溫度指標(biāo)。

e.耐磨性能高強(qiáng)度及高硬度保證了其有優(yōu)良的耐磨損能力。在同等試驗(yàn)條件下，采用三元合金（銅鉻鋯）結(jié)構(gòu)、析出強(qiáng)化型工藝制造的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金接觸線的磨耗明顯低于銅鎂、銅錫合金接觸線。

上述主要技術(shù)特征奠定了采用三元合金（銅鉻鋯）結(jié)構(gòu)、析出強(qiáng)化型工藝制造的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金接觸線，在（20+40）kN張力體系區(qū)段創(chuàng)造世界運(yùn)營(yíng)鐵路最高試驗(yàn)速度紀(jì)錄的基礎(chǔ)。

（4）（1×37）結(jié)構(gòu)120 mm2截面銅鎂合金承力索。該種承力索絞線同時(shí)具有高鎂銅合金絞線的機(jī)械性能及低鎂銅合金絞線的電氣性能，更加適應(yīng)高速列車(chē)的受流工況。

2 與張力體系配套的接觸網(wǎng)零部件

為了使具有超大額定工作張力的張力體系能夠順利地在先導(dǎo)段工程項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用，必須具有與其相配套的系列接觸網(wǎng)零部件。在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，由于列車(chē)行車(chē)速度的提高及接觸線額定工作張力的增大，對(duì)接觸網(wǎng)零部件的影響主要有：下錨補(bǔ)償裝置、接觸線及承力索終端錨固線夾、定位裝置、錨支定位卡子等。所以在先導(dǎo)段下行中采用了同樣是“兩部科技支撐計(jì)劃”科研項(xiàng)目的上述接觸網(wǎng)零部件科技成果產(chǎn)品。

2.1 ZJ型定位器及錨支定位卡子

定位器采用在定位管水平安裝的條件下可自由調(diào)節(jié)限位間隙的彎折型限位定位器，其可最大限度地滿足列車(chē)在380 km及以上時(shí)速運(yùn)行時(shí)受電弓最大動(dòng)態(tài)范圍及抬升限位的要求。

（1）定位器管采用彎折處無(wú)芯子結(jié)構(gòu)的整根矩形管彎制工藝制造。定位器管采用的鋁合金型材綜合機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)高于目前國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，主要機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度≥320 MPa、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度≥300 MPa、斷后伸長(zhǎng)率≥13%。表面均增加了陽(yáng)極氧化處理的防腐措施，陽(yáng)極氧化膜不低于AA10級(jí)。

（2）定位器鉤處設(shè)置調(diào)節(jié)限位間隙用的調(diào)節(jié)螺栓。

（3）定位器支座采用彎形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)安裝調(diào)節(jié)范圍，定位器支座本體處設(shè)置弧形限位板以保證定位器偏轉(zhuǎn)時(shí)的功能。

（4）錨支定位卡子采用無(wú)定位線夾型結(jié)構(gòu)，合理改進(jìn)了工作荷載的受力方向，使其最大工作荷載有較大的提高。

2.2 棘輪下錨補(bǔ)償裝置

（1）為適應(yīng)接觸線張力的增加而提高了棘輪下錨補(bǔ)償裝置的最大工作張力（40 kN）。

（2）棘輪下錨補(bǔ)償裝置大、小輪的纏繞補(bǔ)償繩處均采用溝槽設(shè)計(jì)，并加大輪徑，以防止補(bǔ)償繩間的相互磨損并提高下錨補(bǔ)償繩的抗疲勞性能。

（3）采用了新型結(jié)構(gòu)的下錨補(bǔ)償繩，提高了下錨補(bǔ)償繩的抗疲勞性能。接觸線下錨補(bǔ)償繩采用結(jié)構(gòu)為8×29Fi+PWRC、公稱直徑為11.0 mm的浸瀝青復(fù)合鋼絲繩，綜合拉斷力≥95.0 kN。

（4）接觸線用棘輪下錨補(bǔ)償裝置的斷線制動(dòng)棘齒采用傘齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了大張力條件下斷線制動(dòng)的可靠性。

2.3 接觸線及承力索終端錨固線夾

（1）錨固結(jié)構(gòu)，采用了“錐套+頂絲壓塊夾緊型”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為具有后備保護(hù)措施的雙級(jí)夾緊結(jié)構(gòu)，具有較高的抗滑脫安全裕度。

（2）增大了本體（包括套筒、錐套及終端雙耳）的強(qiáng)度，具有較高的強(qiáng)度安全裕度。

（3）銷(xiāo)釘材質(zhì)由不銹鋼改為Q345B低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，熱浸鍍鋅防腐；直徑由19 mm改為22 mm。具有較高的強(qiáng)度安全裕度。

（4）制造工藝由鑄造改為金屬模鍛造，提高了零件本體內(nèi)部金相組織的質(zhì)量，并且便于控制產(chǎn)品制造質(zhì)量。

3 安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 腕臂定位裝置安裝

（1）采用平腕臂為水平安裝、平/斜腕臂外徑均為70 mm的腕臂支持結(jié)構(gòu)（圖1、圖2）。

（2）正、反定位的定位管均采用水平安裝結(jié)構(gòu)，并均采用定位管支撐固定。

（3）定位裝置具有在定位管水平安裝狀態(tài)下，接觸線定位點(diǎn)處抬升量為240 mm時(shí)限制定位器繼續(xù)抬升、定位器不打弓、定位器不與定位管相碰的限位功能。定位器采用可自由調(diào)節(jié)限位間隙的彎折型限位定位器。

（4）各種鋁合金型材（平/斜腕臂管、腕臂/定位支撐管、定位器管等）的綜合機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)均高于目前國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，其中平/斜腕臂管主要機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度≥330 MPa、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度≥310 MPa、斷后伸長(zhǎng)率≥13%。表面均增加了陽(yáng)極氧化處理的防腐措施，陽(yáng)極氧化膜不低于AA10級(jí)。

圖1 腕臂支持結(jié)構(gòu)正定位安裝示意圖

圖2 腕臂支持結(jié)構(gòu)反定位安裝示意圖

3.2 防疲勞型承力索安裝

為防止高速運(yùn)行中振動(dòng)對(duì)承力索固定點(diǎn)處產(chǎn)生的疲勞影響，新設(shè)計(jì)了一種防疲勞型預(yù)絞式承力索護(hù)線條，安裝在承力索座兩側(cè)的承力索表面處，該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)能夠有效地克服由于振動(dòng)對(duì)承力索座兩側(cè)的承力索產(chǎn)生的疲勞影響，從而能夠有效地防止該處承力索的疲勞斷股。

3.3 下錨補(bǔ)償裝置安裝

承力索用棘輪下錨補(bǔ)償裝置采用反制動(dòng)安裝形式，接觸線用棘輪下錨補(bǔ)償裝置采用正制動(dòng)安裝形式。最大限度地減小了棘輪下錨補(bǔ)償裝置安裝底座的懸臂長(zhǎng)度，從而有效地減小了由于墜砣重量對(duì)支柱產(chǎn)生的彎矩（圖3）。

圖3 下錨補(bǔ)償裝置安裝示意圖

4 試驗(yàn)成果

在京滬高速鐵路先導(dǎo)段聯(lián)調(diào)聯(lián)試及沖擊最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速的過(guò)程中，先導(dǎo)段下行接觸懸掛原型系統(tǒng)出色的導(dǎo)線張力體系及器材裝配結(jié)構(gòu)的技術(shù)平臺(tái)，保證了列車(chē)在380 km/h設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值所要求的各種試驗(yàn)速度下，取得質(zhì)量?jī)?yōu)異的弓網(wǎng)受流試驗(yàn)結(jié)果。并且使國(guó)產(chǎn)CRH380AL型動(dòng)車(chē)組于2010年12月3日在（20+40）kN張力體系區(qū)段創(chuàng)造出了雙弓運(yùn)行 486.1 km/h的運(yùn)營(yíng)鐵路最高試驗(yàn)速度的世界記錄。從弓網(wǎng)受流質(zhì)量來(lái)看，先導(dǎo)段下行接觸網(wǎng)原型系統(tǒng)完全可為列車(chē)進(jìn)一步?jīng)_擊輪軌系統(tǒng)最高時(shí)速世界記錄的沖高試驗(yàn)提供技術(shù)保證。雖然在聯(lián)調(diào)聯(lián)試及沖擊最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速的試驗(yàn)結(jié)束后，（20+40）kN及（20+36）kN張力體系區(qū)段均恢復(fù)為（20+33）kN張力體系，但作為世界運(yùn)營(yíng)鐵路最高試驗(yàn)速度記錄的沖高試驗(yàn)后其器材裝備還將繼續(xù)實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用于接觸網(wǎng)系統(tǒng)。