重載鐵路接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)方案研究與應(yīng)用

羅 健

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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重載鐵路接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)方案研究與應(yīng)用

羅 健

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

重載鐵路具備牽引質(zhì)量大、功率高、接觸網(wǎng)載流量大等特點(diǎn)，對(duì)接觸網(wǎng)的系統(tǒng)需求不同于普通鐵路，有必要對(duì)接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)方案進(jìn)行深入研究。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真分析和多方案比選論證，確定接觸網(wǎng)導(dǎo)線規(guī)格、張力配置、主要零部件選型及電分相形式等關(guān)鍵技術(shù)方案。研究成果已經(jīng)成功應(yīng)用于山西中南部鐵路、張?zhí)畦F路等重載線路。針對(duì)目前重載鐵路接觸網(wǎng)零部件規(guī)格型式不一，不便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)的現(xiàn)狀，建議加強(qiáng)對(duì)重載鐵路接觸網(wǎng)主要裝備的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化研究，保障運(yùn)輸安全、降低工程投資。

重載鐵路；接觸網(wǎng)；張力配置；電分相；零部件

伴隨我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭、礦石等大宗貨物運(yùn)輸?shù)男枨罅恳才c日俱增，重載鐵路在日常運(yùn)輸生產(chǎn)和未來(lái)鐵路發(fā)展規(guī)劃中，都在扮演越來(lái)越重要的角色。隨著電氣化鐵路接觸網(wǎng)技術(shù)的不斷更新與進(jìn)步，有必要對(duì)重載鐵路接觸網(wǎng)不同于普通鐵路的關(guān)鍵技術(shù)方案進(jìn)行深入研究，以更好地滿足重載貨物運(yùn)輸?shù)囊?。針?duì)30 t軸重重載鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和裝備方案進(jìn)行了研究，研究成果已經(jīng)在山西中南部鐵路、張?zhí)畦F路等項(xiàng)目中獲得成功應(yīng)用。

1 重載鐵路對(duì)接觸網(wǎng)的功能需求

2015年國(guó)際重載運(yùn)輸協(xié)會(huì)對(duì)重載鐵路的定義為：重載列車牽引質(zhì)量不少于8 000 t；列中車輛軸重達(dá)到或超過(guò)27 t；在至少150 km線路區(qū)段上年計(jì)費(fèi)貨運(yùn)量不低于40 Mt，3項(xiàng)條件滿足其中2項(xiàng)稱為重載鐵路[1]。從技術(shù)指標(biāo)分析，重載鐵路較之普通鐵路，對(duì)牽引質(zhì)量、軸重和年運(yùn)量有著更高的要求，對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)也有直接的影響。

(1)牽引質(zhì)量大、牽引功率提高、接觸網(wǎng)載流量大，相應(yīng)的供電方式、導(dǎo)線截面等均應(yīng)有所提升；

(2)軸重大、線下基礎(chǔ)設(shè)施振動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)和零部件的可靠性、耐久性、易維護(hù)性提出了新的要求[2]；

(3)重載鐵路運(yùn)輸以煤炭等貨物為主，沿線粉塵較大，環(huán)境較為惡劣，對(duì)接觸網(wǎng)防污、防腐性能提出了新的要求[3]。

2 接觸懸掛導(dǎo)線規(guī)格和張力配置

2.1 導(dǎo)線截面

重載鐵路牽引質(zhì)量大，牽引時(shí)所需要的機(jī)車牽引功率大、牽引電流大，需要加大接觸導(dǎo)線的載流截面。根據(jù)單車功率和供電范圍，結(jié)合牽引計(jì)算，導(dǎo)線截面通常配置宜為截面150 mm2承力索和150 mm2接觸線，導(dǎo)線材質(zhì)為銅合金。

2.2 懸掛類型

重載鐵路最高設(shè)計(jì)速度一般為120 km/h[4]，針對(duì)截面為150 mm2的承力索和接觸線，接觸網(wǎng)懸掛類型可采用簡(jiǎn)單鏈型懸掛或彈性鏈型懸掛[5]。彈性鏈型懸掛較簡(jiǎn)單鏈型懸掛，彈性更為均勻，硬點(diǎn)更少，但是對(duì)于最高速度120 km/h的線路兩種懸掛類型的機(jī)械性能差異很小。彈性鏈型懸掛較簡(jiǎn)單鏈型懸掛造價(jià)高、施工安裝和運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，不宜采用。簡(jiǎn)單鏈型懸掛易于安裝和調(diào)整，造價(jià)較低，滿足重載鐵路的需要，故推薦采用簡(jiǎn)單鏈型懸掛方式。

2.3 張力配置

接觸懸掛采用150 mm2承力索和150 mm2接觸線配置不同于普速鐵路和高速鐵路，借助弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬仿真軟件分別對(duì)承力索和接觸線15 kN+10 kN、15 kN+15 kN、15 kN+20 kN張力組合進(jìn)行弓網(wǎng)關(guān)系動(dòng)態(tài)分析。動(dòng)態(tài)接觸力曲線見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 15 kN+10 kN弓網(wǎng)接觸力

圖2 15 kN+15 kN弓網(wǎng)接觸力

圖3 15 kN+20 kN弓網(wǎng)接觸力

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)壓力統(tǒng)計(jì) N

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出：

(1)各組張力配置下弓網(wǎng)接觸力平均值較接近，各組弓網(wǎng)接觸力分布均較為集中，均滿足接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)特征要求；

(2)導(dǎo)線張力越大，接觸力的分布越集中，弓網(wǎng)受流質(zhì)量越好。接觸線張力由10 kN增加到15 kN對(duì)于動(dòng)態(tài)接觸力的改善，比由15 kN增加到20 kN的情況更為明顯。

通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真分析，建議重載鐵路選用導(dǎo)線截面為150 mm2承力索和接觸線時(shí)，推薦張力配置為15 kN+15 kN。

3 主要零部件選型

重載鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)載流量大、線下基礎(chǔ)設(shè)施振動(dòng)強(qiáng)烈、粉塵污染嚴(yán)重等特點(diǎn)，寒溫寒冷地區(qū)還要考慮抗低溫沖擊性能。接觸網(wǎng)零部件作為保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要組成部分，腕臂系統(tǒng)、下錨底座等鋼結(jié)構(gòu)件主要選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼，材質(zhì)主要包括Q235A、Q345B、20#45#；接觸網(wǎng)零件配套的緊固件主要選用不銹鋼，材質(zhì)主要包括06Cr19Ni10、12Cr18Ni9；電連接、中心錨結(jié)、終端錨固線夾、定位線夾等零件采用銅及銅合金，材質(zhì)主要包括T2、QAl9-4、CuNi2Si；定位裝置、下錨裝置中部分配件采用鋁合金，材質(zhì)主要包括6082、ZL114A。

在接觸網(wǎng)零部件制造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果鍛造工藝與鑄造工藝均可同時(shí)滿足制造要求，應(yīng)優(yōu)先選擇鍛造工藝。鍛造工藝具有生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，綜合成本低、質(zhì)量易于控制、生產(chǎn)效率高、適用于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 腕臂底座

腕臂底座從工藝上分為鑄造和鍛造兩種，鑄造型主要材質(zhì)為ZG270-500，鍛造型主要材質(zhì)為Q235A，低溫時(shí)可選用Q345B。為提高產(chǎn)品性能穩(wěn)定性，同時(shí)提高生產(chǎn)效率及降低成本，推薦采用模鍛結(jié)構(gòu)[6]。

3.2 終端錨固線夾

終端錨固線夾從結(jié)構(gòu)形式分為雙耳楔形及錐套型兩種。雙耳楔形線夾為楔塊楔緊原理，線材錨固時(shí)需彎曲或回頭，線夾本體采用鑄造工藝，材質(zhì)為鋼；錐套型終端錨固線夾采用錐壓抱緊原理，線材不需要彎曲，線夾本體采用鍛造及機(jī)加工工藝制造，材質(zhì)為銅合金或不銹鋼。

雙耳楔形線夾的優(yōu)點(diǎn)為加工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低，缺點(diǎn)是體積大，大直徑線索安裝時(shí)彎曲困難，鑄造件容易產(chǎn)生缺陷；錐套型線夾的優(yōu)點(diǎn)是美觀、可靠，便于大直徑線材錨固，缺點(diǎn)是加工工藝復(fù)雜、造價(jià)較高。重載鐵路采用大直徑線材，為了便于施工，增加可靠性，推薦采用錐套型終端錨固線夾[7。

3.3 補(bǔ)償裝置

重載鐵路一般地處山區(qū)，對(duì)斷線制動(dòng)無(wú)太多要求，補(bǔ)償裝置推薦采用成熟可靠的滑輪補(bǔ)償裝置，考慮重載鐵路運(yùn)輸以煤炭等貨物為主，沿線粉塵較大，采用雙面軸承密封結(jié)構(gòu)的無(wú)油免維護(hù)滑輪組，可提高產(chǎn)品穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象[8]。

3.4 定位線夾

定位線夾從結(jié)構(gòu)形型有插銷、無(wú)插銷、T形頭3種形式，T形頭為鑄造工藝，相對(duì)于鍛造工藝的夾板式線夾可靠性稍差。有插銷定位線夾U形卡銷存在長(zhǎng)期振動(dòng)情況下發(fā)生斷裂，造成定位器從定位線夾處脫出的情況。推薦采用無(wú)插銷結(jié)構(gòu)定位線夾，避免插銷磨損，提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性，防止定位線夾出現(xiàn)脫落現(xiàn)象[9]。

3.5 電連接線夾

電連接線夾分為全壓接型和螺栓型兩種。全壓接型電連接線夾的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠、連接電阻小、質(zhì)量輕；缺點(diǎn)是需要專用壓接工具安裝，對(duì)壓接工藝要求高。螺栓型電連接線夾的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是質(zhì)量大、連接電阻較大。重載鐵路電流大，推薦采用全壓接型電連接線夾[10]。

4 電分相

4.1 電分相的形式4.1.1 器件式電分相

重載鐵路分布于山區(qū)的比例較高，線路往往出現(xiàn)長(zhǎng)大坡道、小半徑曲線、連續(xù)橋隧區(qū)段等情況。電分相的設(shè)置應(yīng)避免上述區(qū)段。重載鐵路運(yùn)營(yíng)速度往往不超過(guò)120 km/h，器件式電分相可以滿足線路運(yùn)行的機(jī)械、電氣需要，且安裝簡(jiǎn)單，可以廣泛適用于各種車型和升弓方式。但器件式電分相最主要問(wèn)題是受電弓在通過(guò)分相絕緣器時(shí)存在一定的機(jī)械沖擊，影響弓網(wǎng)平穩(wěn)授流[11]。

4.1.2 關(guān)節(jié)式電分相

(1) 兩斷口關(guān)節(jié)式電分相

當(dāng)線路條件比較理想時(shí)，應(yīng)考慮采用錨段關(guān)節(jié)式電分相以減輕對(duì)受電弓的沖擊。兩斷口式接觸網(wǎng)電分相裝置與設(shè)置原則如下。

當(dāng)列車編組采用雙弓運(yùn)行時(shí)，若雙弓間有高壓母線聯(lián)接，則雙弓之間的距離必須小于電分相無(wú)電區(qū)的長(zhǎng)度；若雙弓間無(wú)高壓母線聯(lián)接，則雙弓之間的距離應(yīng)小于無(wú)電區(qū)的長(zhǎng)度或大于中性段的長(zhǎng)度[12]。

若采用兩個(gè)斷口的分相無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度大于雙弓間距的長(zhǎng)分相方案，由于重載鐵路機(jī)車分布形式多樣，雙弓間距有可能超過(guò)1 km，長(zhǎng)分相將導(dǎo)致機(jī)車長(zhǎng)時(shí)間失電給行車安全帶來(lái)負(fù)面影響，故不推薦采用。

對(duì)于重載鐵路，當(dāng)采用兩斷口電分相時(shí)，推薦采用雙弓間距小于無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度的短分相方案，分相形式為2個(gè)4跨絕緣關(guān)節(jié)重疊1跨組成7跨電分相關(guān)節(jié)。

(2)三斷口關(guān)節(jié)式電分相

三斷口式電分相實(shí)際上是由3個(gè)連續(xù)的絕緣錨段關(guān)節(jié)構(gòu)成，3個(gè)絕緣關(guān)節(jié)共形成了3個(gè)斷口和2個(gè)中性段。

對(duì)于無(wú)高壓母線聯(lián)接的雙受電弓，無(wú)論雙弓間距如何，兩受電弓的滑板都不可能將3個(gè)斷口同時(shí)短接起來(lái)，不可能引起異相短路，這是三斷口式電分相相對(duì)于兩斷口式電分相的顯著優(yōu)勢(shì)。三斷口電分相較兩斷口電分相對(duì)于重載鐵路適用性更好。但是分相本身中性段較長(zhǎng)，特別是在橋梁區(qū)段采用11跨三斷口電分相時(shí)，中性段長(zhǎng)度超過(guò)350 m，設(shè)置往往受限，行車檢算困難。

4.2 電分相的選擇

重載鐵路在線路條件較好時(shí)，優(yōu)先采用關(guān)節(jié)式電分相；對(duì)線路上運(yùn)行機(jī)車受電弓配置明確的情況下，優(yōu)先采用兩斷口電分相，反之，可采用三斷口電分相；線路條件較差不適合采用關(guān)節(jié)式電分相時(shí)，可采用器件式電分相。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 山西中南部鐵路

山西中南部鐵路通道為重載鐵路長(zhǎng)大干線，設(shè)計(jì)速度為120 km/h；最小曲線半徑：一般1 200 m，困難800 m，個(gè)別地段600 m；牽引質(zhì)量5 000 t，部分10 000 t；到發(fā)線有效長(zhǎng)1 050 m，部分1 700 m[13]。

接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈型懸掛；正線承力索采用銅合金絞線JTM150，張力15 kN；正線接觸線采用銀銅合金CTA150，張力15 kN；主要零部件均按上述推薦意見(jiàn)選型；電分相路基區(qū)段采用8跨三斷口關(guān)節(jié)式，橋上采用11跨三斷口關(guān)節(jié)式，困難區(qū)段采用器件式[14]。

5.2 張?zhí)畦F路

張?zhí)畦F路張家口至李家營(yíng)段設(shè)計(jì)速度為120 km/h，李家營(yíng)至唐海段設(shè)計(jì)速度為160 km/h；設(shè)計(jì)速

度120 km/h地段最小曲線半徑800 m，160 km/h地段最小曲線半徑1 600 m；牽引質(zhì)量5 000 t，部分10 000 t；到發(fā)線有效長(zhǎng)度1 700 m。

接觸網(wǎng)導(dǎo)線配置、主要零部件選型與上述研究結(jié)論一致；電分相路基區(qū)段采用7跨兩斷口關(guān)節(jié)式，橋上采用8跨兩斷口關(guān)節(jié)式，困難區(qū)段采用器件式[15]。

6 結(jié)論與建議

(1)本文系統(tǒng)研究了重載鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線張力配置、零部件選型、電分相設(shè)置等與普通鐵路區(qū)別較大的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，研究結(jié)論成功應(yīng)用于山西中南部鐵路、張?zhí)畦F路等項(xiàng)目，開(kāi)通運(yùn)營(yíng)情況良好，研究成果具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

(2)針對(duì)目前重載鐵路接觸網(wǎng)零部件規(guī)格型式不一，不便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)的現(xiàn)狀，建議加強(qiáng)對(duì)重載鐵路接觸網(wǎng)主要裝備的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化研究，結(jié)合重載鐵路實(shí)際特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化主要裝備選型，細(xì)化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，在滿足運(yùn)輸安全的前提下盡可能節(jié)省工程投資。

[1] 錢立新.世界鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)的最新進(jìn)展[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2010(1)：3-5.

[2] 肖世偉 雷長(zhǎng)順.重載鐵路路基荷載特征和路基動(dòng)力響應(yīng)分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014(4):51-56.

[3] 肖尊群，周春梅.既有重載鐵路路基壓實(shí)指標(biāo)與承載力的關(guān)聯(lián)度分析研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016，60(1):34-38.

[4] 趙斗.我國(guó)重載鐵路速度目標(biāo)值探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016，60(4)：1-4.

[5] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10001—2005鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[6] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T2075.2—2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[7] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T2075.5—2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[8] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T2075.12—2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[9] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T2075.3—2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[10]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T2075.11—2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[11]范海江，張曼華，侯震宇.高速鐵路接觸網(wǎng)電分相設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(9)：99-101.

[12]周凡.大西客運(yùn)專線接觸網(wǎng)電分相的選擇與應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(6):79-82.

[13]張東風(fēng).山西中南部鐵路30 t軸重75 kg/m鋼軌重載道岔設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58(6):17-22.

[14]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建山西中南部鐵路通道工程施工圖·電氣化[Z].天津：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.

[15]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路張家口至唐山線施工圖·電氣化[Z].天津：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.

Study and Application of Key Technical Solutions for Overhead Contact System on Heavy Haul Railways

LUO Jian

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251， China)

With the characteristics of heavy haul railway， such as the heavy traction quality， high power consumption， high current carrying capacity of overhead contact system (OCS)， the requirement of overhead contact system is different from that of the conversional railways. Therefore， it is necessary to study the key technical solutions of the overhead contact system. According to the computer analogue simulation and comparison of different solutions， the key technical solutions are specifically recommended with respect to wire specifications， tension configurations， OCS fittings， phase isolation and etc. The results are successfully applied to Shanxi-Henan-Shandong heavy haul railway and Zhangjiakou-Tangshan heavy haul railway. In view of the inconsistent types of OCS fittings on heavy haul railways， which may result in problems during operation and maintenance， the consistency and standardization of main OCS facilities should be addressed to ensure safe transportation and less project investment.

Heavy haul railway; Overhead contact system; Tension configurations; Phase isolation; Tittings

2016-04-08；

2016-04-13

鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(721326)

羅 健(1980—)， 高級(jí)工程師，2003年畢業(yè)于西南交通大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，主要從事鐵路電氣化設(shè)計(jì)工作，E-mail:9195025@qq.com。

1004-2954(2016)11-0122-03

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.027