電氣化鐵路曲線區(qū)段接觸線偏磨研究

馬啟明，劉繼冬，吳積欽

0 引言

文獻[3]指出受電弓兩端磨出的凹槽使錨段中部接觸線產生偏磨現(xiàn)象。文獻[4]指出彈性簡單懸掛組成的菱形交叉線岔由于懸掛本身彈性太大且不均勻，加之集中荷載（分段絕緣器）的影響，容易造成受電弓通過時側磨接觸線。文獻[5]指出接觸網偏磨問題影響設備的運行安全和質量。以上文獻雖然對接觸線偏磨現(xiàn)象進行了分析，但未對接觸線偏磨進行原理性分析。本文從曲線區(qū)段接觸線偏磨原因分析出發(fā)，經過計算與理論推導，對接觸線偏磨影響因素進行詳細論述并提出調整方式。

接觸網是經由集電器向電力牽引單元提供電能的導體系統(tǒng)[1]。電力機車通過車頂?shù)氖茈姽鍙慕佑|網中獲取所需電流以供正常運行。當機車行駛至曲線區(qū)段時由于存在離心力，外軌承受較大壓力，嚴重時甚至會造成傾覆事故，因此需要通過設置外軌超高，利用車體重力產生的向心力來平衡離心力[2]。但外軌超高會引起車身及受電弓傾斜，造成接觸線偏磨，偏磨程度較大時，定位線夾與滑板可能發(fā)生機械沖突。

1 接觸線偏磨

曲線區(qū)段受電弓與接觸線接觸形式如圖1 所示。圖中，L為軌距，h為外軌超高，α為外軌超高引起的軌面與水平面夾角。計算可知

圖1 曲線區(qū)段受電弓與接觸線接觸形式

由于外軌超高造成軌面與水平面形成α夾角，電力機車得以借助自身重力的分力提供向心力。但由此造成受電弓滑板與接觸線下表面的切線形成α夾角，滑板與接觸線的接觸位置由接觸線下表面轉移到接觸線左右兩側，致使接觸線發(fā)生偏磨。

2 偏磨量計算

假設曲線區(qū)段與直線區(qū)段的定位器坡度角一致，均使接觸線下表面與水平面相切。隨著運行年限的延長，接觸線磨耗量增加，受電弓滑板面與定位線夾夾板齒形間的距離不斷縮小。圖2 為曲線區(qū)段受電弓與接觸線接觸示意圖，圖中，y為定位線夾至滑板面橫向距離，x為接觸線偏磨深度極值，R為接觸線半徑，j為定位線夾夾板齒形寬。

圖2 受電弓與接觸線偏磨示意圖

由三角形相似關系可知

進一步求解圖2 中的陰影部分面積（磨損面積）Sx為

下文以某普速鐵路為例分析計算不同外軌超高情況下接觸線的偏磨量。該普速鐵路曲線區(qū)段使用CTAH150 型接觸線，計算截面積為151 mm2，半徑為7.2 mm，軌距為1 435 mm，定位線夾夾板齒形寬為4 mm。實際線路中外軌超高不超過150 mm，取外軌超高范圍為90～150 m，以10 mm 為一個間隔計算對應的定位線夾與滑板間最小距離及陰影部分面積，并求解磨耗占比（磨耗面積/接觸線總面積×100%），如表1 所示。

表1 外軌超高條件下接觸線偏磨量

該普速鐵路最大行車速度為90 km/h，弓網動態(tài)運行平穩(wěn)。根據(jù)表1 中的計算結果可知，若外軌超高為150 mm，則當接觸線磨損面積達到64.74 mm2，磨耗占比為42.87%時，受電弓滑板與定位線夾會發(fā)生撞擊?！镀账勹F路接觸網運行維修規(guī)則》中規(guī)定接觸線磨損面積的警示值為15%，限界值為20%[6]。當外軌超高為150 mm 且磨損面積為20%時，接觸線磨耗高度為3.46 mm，此時定位線夾夾板齒形與受電弓滑板面的距離為2.58 mm，不會發(fā)生撞擊事故。

2010 年5 月，武廣高鐵發(fā)生了一起定位器打弓故障，造成多架受電弓被打壞，并影響了武廣高鐵的正常運營[7]。通過對武廣高鐵全線的所有定位器進行逐一排查發(fā)現(xiàn)：定位器的坡度各不相同，多數(shù)定位器坡度角在4°～5°范圍，但少數(shù)定位器坡度角為0°，有的甚至為負。在曲線區(qū)段上，定位器坡度角有可能為0°，也有可能為負，這就會造成定位點處的接觸線下表面向上旋轉，造成定位線夾與滑板之間的距離進一步縮小。設β為由于定位器坡度角過小造成的弓網接觸點與接觸線中心連線同接觸線下表面與接觸線中心連線的夾角增量，此時的接觸狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 定位器坡度角過小時受電弓與接觸線偏磨示意圖

經計算可知

當定位器坡度角為0°，甚至為負數(shù)時，則必有x≤3.57 m，接觸線偏磨深度極值x會迅速減小，易發(fā)生滑板與定位線夾、定位器撞擊。對于某些線路采用CTAH120 型接觸線，導線半徑僅為6.45 mm而非7.2 mm，則更需注意接觸線偏磨導致的受電弓與定位線夾、定位器撞擊隱患。

3 影響因素分析

接觸網施工誤差[8]、隨機風荷載[9]以及列車振動[10]均會影響弓網動態(tài)運行平穩(wěn)性，為確保曲線區(qū)段弓網的安全運行，進一步分析與接觸線偏磨相關的影響因素。

無論是否存在外軌超高，受電弓滑板面均與軌面平行，而接觸線下表面切線與軌面之間的角度取決于定位器坡度。若接觸線下表面的切線與軌面平行，則不會發(fā)生接觸線偏磨。

圖4 為定位點曲線分力示意圖。圖中R曲為曲線區(qū)段的曲線半徑，m；L1為定位點前一跨跨距，m；L2為定位點后一跨跨距，m，L1＞L2；Tj為接觸線張力，N；PR為定位點處曲線分力，N；a、b、c為拉出值，m。定位點曲線分力為

圖4 定位點曲線分力示意圖

式中：g1、g2分別為定位器、定位線夾質量，kg；e1、e2為定位器左右第一根吊弦至定位點的距離，m；gJ為接觸線單位長度質量，kg/m。

曲線區(qū)段定位點受力狀態(tài)如圖5 所示，F(xiàn)為沿定位器向上的拉力。靜止狀態(tài)下PR、F、FG三力平衡，定位器相對于水平面的角度為θ。

圖5 所示狀態(tài)中，接觸線下表面切線與軌面平行。而曲線區(qū)段外軌超高使受電弓滑板與水平面形成夾角，即滑板與接觸線下表面切線存在夾角，引發(fā)接觸線偏磨。需要緩解接觸線偏磨就需要調整定位器坡度，使接觸線下表面切線與軌面平行，消除受電弓滑板面與接觸線下表面切線的夾角。

圖5 曲線區(qū)段定位點受力狀態(tài)

定位器坡度由PR、F、FG三力共同決定，通過調整定位點前后第一吊弦的位置（調整FG）、拉出值大小（調整PR）、跨距大小（調整PR）適當改變定位器坡度緩解或消除接觸線偏磨。圖6 為調整后曲線區(qū)段受電弓滑板與接觸線的接觸示意圖。

圖6 調整后滑板與接觸線的接觸示意圖

為緩解偏磨需將定位器相對于水平面角度增至θ+α。若保持拉出值及跨距不變，僅通過調整定位點前后第一吊弦的位置來增加定位器角度，其變化量Δl為

若保持定位點前后第一吊弦的位置及跨距不變，僅通過改變當前支柱拉出值（b、c）的方式增大定位器角度，拉出值減量Δa為

若保持拉出值與定位點前后第一吊弦的位置不變，僅通過改變跨距大小增加定位器角度，為了簡化計算，保持L2不變，則L1的減小量ΔL的計算式如下（調整L2同理）：

由于跨距的乘積遠大于拉出值的差值，所以對上式求解可得

在實際調整中可將上述3 種方法結合使用。以該普速鐵路曲線區(qū)段為例，其定位器質量為2.56 kg，定位線夾質量為0.28 kg，CTAH150 接觸線的單位長度質量為1.35 kg/m。曲線區(qū)段定位器左右第一根吊弦至定位點的距離均為5 m，曲線區(qū)段半徑為800 m，外軌超高為90 mm，拉出值均為0.15 m，跨距為32.5、33 m，接觸線張力為14 700 N。各參數(shù)計算結果如表2 所示。

表2 各參數(shù)計算結果

為使定位器相對于水平面的角度由7.71°增至11.3°，需要對定位點處重力與曲線分力進行調整?？蓪⒍ㄎ稽c前后第一吊弦的位置增加2 m，定位點處重力的增量為26.48 N，此時定位點處重力為108 N。保持拉出值不變，將定位點處曲線分力調整為540.5 N，即定位點處曲線分力減少61.28 N，代入式（9）可計算出跨距需減少6.67 m，可將前一跨跨距調整為29 m，后一跨跨距調整為29.83 m。經過上述調整即可緩解接觸線偏磨。

4 高速鐵路接觸線偏磨的借鑒意義

自2008 年8 月1 日京津城際鐵路開通以來，我國經歷了高速鐵路發(fā)展的黃金十年。2017 年12月28 日，石濟高速鐵路開通運營，至此，“四橫四縱”高鐵網全部建成。迄今為止，中國已在長三角、珠三角、環(huán)渤海等地區(qū)城市群建成高密度高鐵路網，東部、中部、西部和東北四大板塊區(qū)域之間完成高鐵互聯(lián)互通。近年來，隨著客運量的逐漸增大，給既有線路的運營維護帶來了一定的挑戰(zhàn)。與普速鐵路相比，高速鐵路列車的速度更快，在曲線區(qū)段仍以較高的速度通過，隨著長年累月的高負荷運轉，高速鐵路曲線區(qū)段接觸線偏磨問題更加不可忽視。一旦接觸線偏磨量超過限值且未及時更換，就可能造成受電弓滑板高速撞擊定位線夾事故，甚至造成受電弓損壞，影響線路的正常運營。在后續(xù)高鐵新線的建設中，可將服役年限內的曲線區(qū)段接觸線偏磨量作為一個新的設計參考項。

為減少接觸線偏磨，可在設計之初就將運營過程中的曲線區(qū)段接觸線偏磨予以考慮，調整為圖6所示狀態(tài)。同時，還需兼顧定位器坡度是否過大，定位點前后第一吊弦位置過大會不會造成硬點或影響彈性，跨距的縮小是否會帶來線路成本較大的增加。針對上述問題應進行系統(tǒng)研究，根據(jù)線路實際情況進行具體分析，最終尋求接觸線偏磨、定位器坡度、吊弦位置及跨距大小的最佳契合點。

5 結語

曲線區(qū)段接觸線偏磨是由于外軌超高造成受電弓滑板面與接觸線下表面切線存在夾角引起。為確保弓網安全運行，進一步分析了與接觸線偏磨相關的影響因素，增大定位點前后第一吊弦的位置、減小拉出值、適當減小跨距可以調整滑板與接觸線的接觸角度，緩解接觸線偏磨，即在曲線區(qū)段定位器坡度角應略大于直線區(qū)段的定位器坡度角，其增量與實際線路的外軌超高與水平面形成的夾角一致，具體線路需進行具體分析。

高速鐵路發(fā)展至今，在運營與維護方面面臨更多挑戰(zhàn)，其曲線區(qū)段接觸線偏磨逐漸引起關注。在設計之初就考慮接觸線偏磨問題，對降低后期運營維護的難度具有一定現(xiàn)實意義。后期還需要對高鐵曲線區(qū)段接觸線偏磨做進一步的實地調查，獲取更多信息，并對其進行系統(tǒng)性研究及應對。