高速鐵路接觸網(wǎng)無交叉線岔優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

劉再民，張寶奇

(1.中國國家鐵路集團(tuán)公司 工電部， 北京 100860；2.中國鐵路鄭州局集團(tuán)公司 工電檢測所，河南 鄭州 450052)

無交叉線岔是高速鐵路接觸網(wǎng)最復(fù)雜、技術(shù)要求最高的單元，其設(shè)計(jì)的基本理念是通過接觸網(wǎng)的拉出值、高度布置。正線通過線岔的受電弓僅接觸正線接觸線，不與側(cè)線接觸線接觸，從而使高速通過的動(dòng)車組受電弓在線岔處獲得與區(qū)間正線一樣的弓網(wǎng)關(guān)系，滿足高速運(yùn)行要求。當(dāng)然，高速鐵路無交叉線岔還要滿足動(dòng)車組受電弓以較低速度從正線到側(cè)線以及從側(cè)線到正線通過時(shí)的安全要求。

目前我國高速鐵路正線除京津城際鐵路采用交叉線岔外，其他高鐵均采用無交叉線岔。無交叉線岔有2種：①正線18#道岔廣泛采用的2支接觸懸掛組成無交叉線岔型式(我國僅石太客專正線18#道岔采用了帶輔助懸掛的無交叉線岔)；②高鐵聯(lián)絡(luò)線接入車站正線的38#及以上道岔處3支接觸懸掛組成的帶輔助懸掛的無交叉線岔。本文主要分析我國高鐵速度為350 km/h線路，2支接觸懸掛組成的正線無交叉線岔接觸網(wǎng)大拉出值布置方案運(yùn)行中存在的問題，結(jié)合國外高鐵無交叉線岔技術(shù)，探討設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，更好地滿足高鐵弓網(wǎng)安全運(yùn)行要求。

1 國內(nèi)外高鐵無交叉線岔的主要形式

1.1 中國高鐵無交叉線岔

早在20世紀(jì)90年代，我國在京廣、廣深線等普速鐵路電氣化改造或提速改造中已有無交叉線岔的研究和實(shí)踐應(yīng)用[1-2]，但數(shù)量不多。中國開始大規(guī)模高速鐵路建設(shè)后，為消除交叉線岔自身結(jié)構(gòu)缺陷，無交叉線岔在我國高鐵正線開始廣泛采用。本文研究的兩支接觸懸掛組成的正線無交叉線岔在側(cè)線布置方式上，有側(cè)線接觸網(wǎng)在運(yùn)行受電弓包絡(luò)線正上方以外的布置方式(亦稱大拉出值布置方式)，也有側(cè)線接觸網(wǎng)在受電弓包絡(luò)線正上方，側(cè)線接觸網(wǎng)抬高不與受電弓接觸的布置方式(亦稱小拉出值布置)。小拉出值布置方式的無交叉線岔的正線和側(cè)線的列車運(yùn)行速度相對較低。

1.1.1 大拉出值布置

(1)鄭西、武廣高鐵。鄭西、武廣高鐵正線無交叉線岔布置見圖1。主要特點(diǎn)： A1柱(圖中CA0柱，下同)位于道岔區(qū)線間距≥1 320 mm處，B1柱(圖中CB0柱，下同)位于在線間距150 mm處；B1柱處，側(cè)線接觸線高度比正線抬高120 mm；C1柱(圖中CC0柱，下同)處，側(cè)線接觸線高度比正線抬高500 mm。

圖1 鄭西、武廣高鐵正線無交叉線岔立面、平面布置示意圖(單位：mm)

鄭西、武廣正線道岔無交叉線岔定位支柱在正線側(cè)時(shí)，B1支柱安裝見圖2。

圖2 B1支柱安裝圖(單位：mm)

2016年10月，原中國鐵路總公司基于鄭西、武廣等大多數(shù)高鐵采用的無交叉線岔設(shè)計(jì)，改進(jìn)后發(fā)布了時(shí)速350 km高速鐵路接觸懸掛安裝圖(隧道外)-18#道岔無交叉線岔設(shè)計(jì)通用圖[3](以下簡稱時(shí)速350 km通用圖)，圖號為通化(2016)1302-Ⅸ。時(shí)速250 km高速鐵路18#道岔無交叉線岔設(shè)計(jì)通用圖于2013年發(fā)布，圖號為通化(2013)1206[4](以下簡稱時(shí)速250 km通用圖)。

(2)京滬高鐵。京滬高鐵無交叉線岔布置見圖3。主要特點(diǎn)： C柱設(shè)在線間距600 mm處(18號道岔，距離理論岔心5.8 m)；C柱處，側(cè)線接觸線高度比正線抬高60～80 mm；B柱處，側(cè)線接觸線高度比正線抬高500 mm。

圖3 京滬高鐵正線18#道岔處接觸網(wǎng)無交叉線岔平面示意圖(單位：mm)

1.1.2 小拉出值布置

支柱位于側(cè)線側(cè)的時(shí)速250 km正線和所有高鐵線線18#道岔無交叉線岔設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)：定位支柱位置同時(shí)速350 km通用圖的正線無交叉線岔；E柱處，側(cè)線接觸線高度比正線抬高80 mm；B柱處，側(cè)線接觸線高度比正線抬高500 mm。

1.2 國外高鐵無交叉線岔

法國、日本高鐵廣泛采用無交叉線岔。

1.2.1 法國

法國無交叉線岔設(shè)計(jì)[6]接觸網(wǎng)布置見圖4。WM為理論岔心，P為支柱B可以偏離理論岔心的距離，定位支柱一般位于線間距500～600 mm處，其具體確定與道岔號大小有關(guān)，18#道岔P為4 m左右。

圖4 法國無交叉線岔設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)布置圖(單位：mm)

1.2.2 日本

日本無交叉線岔是為了適應(yīng)新干線的高速化(時(shí)速210 km以上)而研發(fā)的[7]。也就是說日本新干線用的也是交叉線岔，為了滿足高速要求，改造成了無交叉線岔。

日本無交叉線岔接觸網(wǎng)布置根據(jù)支柱B的位置現(xiàn)場主要有2種形式：正線側(cè)線平行布置與八字形布置，見圖5。2種布置方式采用的原則是每個(gè)定位點(diǎn)處接觸線高度和拉出值是依據(jù)現(xiàn)場道岔型號和支柱位置數(shù)據(jù)，按照滿足受電弓正線通過不接觸側(cè)線接觸線以及受電弓從側(cè)線進(jìn)、出直線，2支接觸線安全轉(zhuǎn)換的要求進(jìn)行計(jì)算選取。由于是基于既有接觸網(wǎng)提速改造，用于支柱A、B位置不能改變。當(dāng)支柱B的側(cè)線接觸線位于正線通過的受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線限界以內(nèi)時(shí)(岔心方向)采用正線側(cè)線平行布置，否則采用八字形布置。

圖5 日本無交叉線岔接觸網(wǎng)正線側(cè)線平行布置、八字形布置

2 我國高鐵無交叉線岔存在的主要問題

目前我國時(shí)速300～350 km高鐵接觸網(wǎng)正線無交叉線岔存在的主要問題是受電弓從正線到側(cè)線和從側(cè)線到正線運(yùn)行時(shí)在過渡處拉出值偏大，存在安全隱患。即使是時(shí)速350 km通用圖設(shè)計(jì)，拉出值也能達(dá)到600 mm左右。拉出值超過了我國TG/GD 124—2015《高鐵接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》[8]要求的動(dòng)態(tài)拉出值不超過450 mm的規(guī)定，且道岔區(qū)2支接觸線過渡處，接觸線均在受電弓邊緣影響弓網(wǎng)運(yùn)行安全。若考慮風(fēng)偏影響，弓網(wǎng)關(guān)系安全可靠性會(huì)更差。

按比例顯示接觸網(wǎng)正線無交叉線岔定位布置關(guān)系，時(shí)速350 km通用圖設(shè)計(jì)的岔前15 m、岔后25 m支柱定位時(shí)接觸網(wǎng)平面布置見圖6。圖中藍(lán)色和淡紅色線條為組成無交叉線岔的2支接觸線。由圖6可見，受電弓在過渡區(qū)拉出值偏大。

圖6 時(shí)速300～350 km高鐵道岔區(qū)接觸網(wǎng)正線無交叉線岔定位布置

工程實(shí)踐中，因定位支柱不在設(shè)計(jì)要求的位置或接觸線拉出值調(diào)整不到位，過渡區(qū)(點(diǎn))拉出值更大，危及弓網(wǎng)安全。運(yùn)營部門高鐵運(yùn)營初期就發(fā)現(xiàn)了該問題。原中國鐵路總公司在制定TG/GD 124—2015《高鐵接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》[8]時(shí)，不得已增加了“在線路中心間距為720 mm處，正線與側(cè)線接觸線間距應(yīng)小于1 200 mm”作為維修控制標(biāo)準(zhǔn)。

下面簡要分析時(shí)速250 km通用圖側(cè)線小拉出值設(shè)計(jì)無交叉線岔的情況。等比例顯示的18#道岔的局部無交叉線岔側(cè)線小拉出值設(shè)計(jì)(時(shí)速250 km通用圖數(shù)據(jù))平面圖見圖7。圖7中道岔正線的紅色線為正線接觸線，側(cè)線中紅色虛線為側(cè)線線路中心，黑色虛線為側(cè)線接觸線。

圖7 時(shí)速250 km通用圖側(cè)殘小拉出值設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)無交叉線岔布置

顯然，對比圖6，其與正線無交叉線岔(時(shí)速350 km通用圖數(shù)據(jù))的主要差異在于B(E)柱定位拉出值。圖7中側(cè)線小拉出值設(shè)計(jì)無交叉線岔E柱正線和側(cè)線拉出值分別為100、150 mm，而圖6中正線無交叉線岔B柱正線和側(cè)線拉出值分別為400、1 100 mm。由圖7可見，這種側(cè)線小拉出值設(shè)計(jì)無交叉線岔布置方式有2個(gè)特點(diǎn)：①受電弓正線通過時(shí)側(cè)線接觸線在受電弓上方，對側(cè)線接觸線進(jìn)入受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線上方的位置要求高；②道岔區(qū)2支接觸線的工作轉(zhuǎn)換處間距小，受電弓從側(cè)線進(jìn)、出正線時(shí)工作支拉出值較易滿足不超過450 mm的要求。

3 我國高鐵無交叉線岔優(yōu)化方案及建議

從上文分析中不難看到，盡量減小無交叉線岔2支接觸線等高點(diǎn)過渡處拉出值的具體做法是在滿足接觸網(wǎng)線索及裝置不侵入受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線安全要求前提下，正線和側(cè)線接觸線在A、B柱處應(yīng)盡可能接近。

3.1 受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線分析

受電弓弓角外形設(shè)計(jì)的主要目的是滿足受電弓在通過線岔和錨段關(guān)節(jié)處所時(shí)，另一支接觸線能安全順利滑上或滑出受電弓表面。受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線范圍是無交叉線岔設(shè)計(jì)的核心和基礎(chǔ)。要優(yōu)化無交叉線岔布置就要嚴(yán)格控制和利用受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線安全裕量。

TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]第5.1.10條規(guī)定了受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線范圍。設(shè)計(jì)速度為120～200 km/h時(shí)，上下抬升量為120 mm，左右擺動(dòng)量250～300 mm；設(shè)計(jì)速度250～350 km/h時(shí)，上下抬升量為150 mm，左右擺動(dòng)量250～350 mm。這些數(shù)據(jù)是根據(jù)弓網(wǎng)關(guān)系仿真模擬結(jié)果及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)并考慮了一定裕量確定。實(shí)際上這些數(shù)據(jù)包含了定位點(diǎn)和跨中2個(gè)部位。

3.1.1 定位點(diǎn)抬升量

根據(jù)近年來中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司在國內(nèi)部分新開通線路動(dòng)態(tài)驗(yàn)收中現(xiàn)場檢測定位點(diǎn)抬升量檢測數(shù)據(jù)和西南交通大學(xué)2011、2018年分別在京滬高鐵、京津城際鐵路監(jiān)測數(shù)據(jù)，我國設(shè)計(jì)速度350 km/h及以下的高鐵接觸網(wǎng)定位點(diǎn)最大抬升量不會(huì)超過100 mm，且該數(shù)據(jù)已有一定余量。

3.1.2 左右晃動(dòng)量

根據(jù)TB/T 3271—2011《軌道交通受流系統(tǒng)受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》[10]中受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線寬度的計(jì)算，道岔區(qū)定位點(diǎn)處受電弓最大晃動(dòng)量156 mm。另外京津城際鐵路設(shè)計(jì)時(shí)，德國專家給出的道岔區(qū)定位點(diǎn)處受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線左右最大晃動(dòng)量為158 mm。而中國接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)選用的350 km/h正線、側(cè)線曲線(最高速度80 km/h，按200 km/h以下區(qū)段計(jì))均為250 mm[9]。說明直線正線和側(cè)線曲線在定位點(diǎn)處受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線左右最大晃動(dòng)量可按照160 mm選用，相比我國目前設(shè)計(jì)規(guī)范[9]，裕量均為90 mm。

3.1.3 受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線安全裕量計(jì)算

我國高鐵接觸網(wǎng)維規(guī)[8]和普鐵接觸網(wǎng)維規(guī)[11]中受電弓弓頭外形輪廓和尺寸見圖8。線夾Q是指接觸線上安裝的線夾，這里主要指定位線夾。不考慮受電弓抬升量，線夾Q距離受電弓中心的距離X大于725+160 =885 mm(160 mm為最大晃動(dòng)量)時(shí)，若線夾Q不侵入受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，則距離受電弓頂面最大值為Y，則

圖8 接觸網(wǎng)《高鐵維規(guī)》和《普鐵維規(guī)》中受電弓弓頭外形輪廓和尺寸(單位：mm)

Y=50+(X-885)tan40°

(1)

根據(jù)X、Y值校核、確定無交叉線岔A(D)柱非工作支、B(E)柱另一支懸掛拉出值和抬高值。

3.2 無交叉線岔定位拉出值優(yōu)化方案

利用式(1)可以對時(shí)速350 km通用圖無交叉線岔定位拉出值優(yōu)化。

3.2.1 無交叉線岔定位B(E)柱

以正線道岔正線側(cè)支柱ZB0安裝圖為例，見圖9。

圖9 正線道岔正線側(cè)支柱ZB0安裝(單位：mm)

圖9中顯示，若受電弓在正線通過B柱時(shí)，受電弓抬升量按100 mm、水平晃動(dòng)量160 mm(按3.1節(jié)結(jié)論)計(jì)算，現(xiàn)在計(jì)算側(cè)線接觸線拉出值余量。側(cè)線接觸線抬高仍按120 mm計(jì)算。

當(dāng)α=40°時(shí)，由式(1)可以計(jì)算出側(cè)線接觸線定位線夾距正線受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線中心950 mm處Y值為104 mm?？紤]受電弓正線定位點(diǎn)最大抬升量100 mm，也可滿足正線受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線范圍要求。此時(shí)側(cè)線接觸線對側(cè)線拉出值為950 -150 =800 mm，與原1 100 mm尚有300 mm余量。所以，可將側(cè)線接觸線對側(cè)線拉出值由1 100 mm調(diào)整為800 mm。圖9中紅色部分為利用余量的受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線上部輪廓線。

3.2.2 無交叉線岔定位A(D)柱

無交叉線岔A(D)柱定位見圖10。前面“側(cè)線接觸線定位線夾距正線受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線中心950 mm處也可滿足正線受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線范圍要求”結(jié)論同樣適用無交叉線岔定位A(D)柱。A(D)柱處線間距為1 320 mm。側(cè)線接觸線的最大拉出值為370 mm。所以側(cè)線接觸線的最大拉出值可從150 mm調(diào)整至370 mm，按350 mm選用。此時(shí)側(cè)線接觸線距受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線剩余高度Y=21 mm，滿足安全要求。其中100 mm為定位點(diǎn)處正線受電弓最大抬升量。圖10中紅色部分為利用了余量的受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線上部輪廓線。

圖10 無交叉線岔A(D)柱安裝(單位：mm)

按照上述B(E)柱、A(D)柱拉出值可優(yōu)化調(diào)整數(shù)據(jù)，計(jì)算跨中無交叉線岔2支接觸線間距可減少300～350 mm。這也就意味著跨中2支接觸線動(dòng)態(tài)等高點(diǎn)轉(zhuǎn)換處接觸線間距由原來的1 200 mm左右減少至800～900 mm。這將大大提高受電弓過渡處安全。

優(yōu)化后，側(cè)線接觸線布置與日本無交叉線岔的平行布置方式類似(即側(cè)線接觸線平行于正線線路中心)。2支接觸線間距減少后，受電弓正線高速通過時(shí)，從道岔閉口側(cè)向開口側(cè)方向安全性不受影響。受電弓從道岔開口側(cè)向閉口側(cè)方向正線高速通過，即使跨中最大風(fēng)偏時(shí)，由于側(cè)線接觸線只是橫向擺動(dòng)，弓網(wǎng)安全性也能保證。

3.3 拉出值優(yōu)化方案對無交叉線岔定位點(diǎn)定位器受力的影響

目前時(shí)速350 km通用圖設(shè)計(jì)的正線18#道岔中的無交叉線岔還存在B柱定位器受力偏小，造成定位器定位鉤異常磨損問題。這個(gè)問題不論是支柱位于道岔直線側(cè)還是位于側(cè)線側(cè)均存在。(如圖1中B1支柱側(cè)線接觸線定位器)原因是側(cè)線接觸線在C1、B1和A1支柱處對正線拉出值數(shù)值接近，造成B1支柱定位處側(cè)線接觸線之字力不足。此種情況下，若采用本節(jié)優(yōu)化后拉出值布置方案，則可以消除B柱側(cè)線定位器受力不足的問題。

4 結(jié)束語

接觸網(wǎng)是受電弓的機(jī)械滑道。道岔上方的接觸網(wǎng)布置應(yīng)滿足受電弓各個(gè)方向的正常運(yùn)行，且弓網(wǎng)性能指標(biāo)(如弓網(wǎng)接觸力、接觸線抬升)控制在允許的范圍內(nèi)。無交叉線岔始觸區(qū)接觸線與弓角接觸時(shí)，應(yīng)確保該接觸線順利從弓角滑入滑板上方。因此，無交叉線岔區(qū)段接觸線的布置，應(yīng)嚴(yán)格遵循受電弓的弓頭輪廓與動(dòng)態(tài)包絡(luò)線等相關(guān)規(guī)定。本文在我國高鐵時(shí)速350 km設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖基礎(chǔ)上，通過論證受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線范圍，利用設(shè)計(jì)余量，優(yōu)化側(cè)線接觸線拉出值布置，可更好地滿足了受電弓通過無交叉線岔側(cè)線時(shí)的安全可靠性要求。

無交叉線岔接觸網(wǎng)布置是高速鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。我國高鐵接觸網(wǎng)無交叉線岔技術(shù)滿足了中國高鐵建設(shè)和時(shí)速350 km及以上高速列車安全運(yùn)行要求。中國電氣化鐵路工程技術(shù)人員在大規(guī)模高鐵建設(shè)中總結(jié)了大量無交叉線岔設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)[13-16]。側(cè)線大拉出值布置方式在時(shí)速300～350 km線路，側(cè)線小拉出值布置方式在時(shí)速250 km正線和所有高鐵側(cè)線線路取得了10年成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。從掌握不多的法國和日本高鐵無交叉線岔技術(shù)資料來看，這2個(gè)國家無交叉線岔技術(shù)有較大差異。我國高鐵動(dòng)車組受電弓輪廓和寬度與法國和日本也存在差異。加強(qiáng)我國高鐵經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，深入國外技術(shù)和理論研究，不斷完善中國版本的高鐵接觸網(wǎng)無交叉線岔技術(shù)方案，能進(jìn)一步提高安全可靠性，滿足中國高鐵高質(zhì)量發(fā)展和走出去的要求。