廈深鐵路提速試驗(yàn)弓網(wǎng)受流燃弧原因分析與整改

楊盧強(qiáng)，韓通新

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京 100081）

1 廈深鐵路提速試驗(yàn)弓網(wǎng)燃弧情況

廈深鐵路正線全長(zhǎng)502.4 km，在中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)廣州局集團(tuán)公司）管段正線全長(zhǎng)353.5 km，設(shè)計(jì)速度250 km/h。正線接觸線采用150 mm2銅合金線，額定工作張力25 kN；承力索采用120 mm2銅合金絞線，額定工作張力20 kN。正線接觸網(wǎng)導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高度為6 400 mm，隧道內(nèi)為6 380 mm，結(jié)構(gòu)高度為1 600 mm。

廈深鐵路廣州局集團(tuán)公司管段于2013年9—12月開(kāi)展了聯(lián)調(diào)聯(lián)試、動(dòng)態(tài)檢測(cè)及運(yùn)行試驗(yàn)，開(kāi)通至提速前動(dòng)車(chē)組按200 km/h速度運(yùn)營(yíng)。在2021年3月進(jìn)行了提速250 km/h試驗(yàn)，提速試驗(yàn)中使用CRH2A、CRH1A、CR300AF等多種車(chē)型。在提速試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)全線上下行均發(fā)生大量燃弧超限狀況。

在廈深鐵路提速試驗(yàn)中，弓網(wǎng)受流燃弧數(shù)據(jù)大量超限，總體燃弧率最高達(dá)到12%，為標(biāo)準(zhǔn)值的2倍多。為方便數(shù)據(jù)分析，分別計(jì)算了上下行的公里燃弧率（見(jiàn)圖1），其數(shù)據(jù)來(lái)源CRH2A-2010車(chē)開(kāi)口數(shù)據(jù)。

圖1 廈深鐵路提速試驗(yàn)燃弧率分布

由圖1數(shù)據(jù)可見(jiàn)，廈深鐵路上下行的燃弧超限狀態(tài)，整體上呈現(xiàn)靠近深圳側(cè)的大里程情況較差，靠近廈門(mén)側(cè)的小里程情況較好。其中，較差區(qū)段燃弧率在20%以上，大幅超過(guò)燃弧率標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值（5%）［1-2］。

同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開(kāi)閉口接觸力相差較大（見(jiàn)表1），其燃弧率分布占比見(jiàn)圖2。

表1 CRH2A-2010綜合檢測(cè)車(chē)接觸力數(shù)據(jù)

圖2 CRH2A-2010車(chē)開(kāi)閉口燃弧率

由圖2可見(jiàn)，開(kāi)口時(shí)燃弧率遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于閉口狀態(tài)，開(kāi)閉口主要差異是開(kāi)口接觸力較閉口時(shí)大30 N左右，而閉口接觸力相關(guān)數(shù)據(jù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［2］。

該線路同時(shí)使用CRH2J-0205綜合檢測(cè)車(chē)，試驗(yàn)中CRH2J-0205車(chē)燃弧率較CRH2A-2010車(chē)好很多，對(duì)比發(fā)現(xiàn)CRH2J-0205車(chē)開(kāi)閉口接觸力都更大，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 CRH2J-0205綜合檢測(cè)車(chē)接觸力數(shù)據(jù)

CRH2J-0205與CRH2A-2010車(chē)均為2型車(chē)，使用DSA250受電弓，在靜態(tài)力相同情況下，動(dòng)態(tài)接觸力相差較大的原因是其動(dòng)態(tài)下的氣動(dòng)力。為分析相同受電弓氣動(dòng)力差別較大的問(wèn)題，調(diào)研了CRH2A平臺(tái)動(dòng)車(chē)組車(chē)頂高壓設(shè)備，主要包括高壓隔離開(kāi)關(guān)、T型電纜接頭（內(nèi)絕緣）、直線型電纜接頭（內(nèi)絕緣）、電纜終端（外絕緣）、支撐絕緣子、保護(hù)接地開(kāi)關(guān)。對(duì)檢測(cè)車(chē)CRH2A-2010、CRH2J-0205及運(yùn)營(yíng)車(chē)CRH2A-4063的車(chē)頂高壓設(shè)備布局進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)CRH2J-0205、CRH2A-4063受電弓周?chē)邏涸O(shè)備較多，CRH2A-2010受電弓周?chē)邏涸O(shè)備較少，初步認(rèn)為受電弓周?chē)邏涸O(shè)備的分布可能會(huì)影響其氣動(dòng)力。

2 原因分析

對(duì)廈深鐵路燃弧問(wèn)題進(jìn)行分析，主要是由于弓網(wǎng)適配性差，受流性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)造成。而廈深鐵路在中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司管段，其燃弧數(shù)據(jù)要好很多。這2段線路的完工時(shí)間接近，可以排除因運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致的接觸網(wǎng)老化問(wèn)題，且其靜態(tài)驗(yàn)收均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［3-4］。

在分析了2段線路所有差異條件后，就相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出其不平順的原因可能是高度結(jié)構(gòu)不一致以及內(nèi)部張力不平衡。接觸網(wǎng)高度為6 400 mm，使測(cè)試及運(yùn)營(yíng)車(chē)輛上的DSA250受電弓工作高度過(guò)高，部分車(chē)頂高度較低車(chē)型（如CR300AF）基本接近工作高度極限。而工作高度過(guò)高使得受電弓自身接觸力的調(diào)節(jié)能力下降，氣動(dòng)力的影響增大，使受電弓開(kāi)閉口接觸力相差較大。當(dāng)接觸力下降到一定程度時(shí)，燃弧便會(huì)大量產(chǎn)生［5］。

針對(duì)上述分析結(jié)果，分別從車(chē)輛和線路入手，研究燃弧問(wèn)題整改措施。

3 整改措施

3.1 線路措施

廣州局集團(tuán)公司針對(duì)提速試驗(yàn)中燃弧率過(guò)大問(wèn)題，采取提升接觸網(wǎng)張力措施，選取部分區(qū)段將兩側(cè)張力提高至張力上限，對(duì)比燃弧數(shù)據(jù)無(wú)明顯效果。同時(shí)對(duì)部分錨段采取精調(diào)措施，燃弧率下降50%以上，效果明顯。

但是，線路精調(diào)要求天窗時(shí)間長(zhǎng)，施工人員多，且成本較高。雖然能從源頭上改變?nèi)蓟∏闆r，但從實(shí)際情況出發(fā)，很難對(duì)全線接觸網(wǎng)進(jìn)行精調(diào)，且供電維修也強(qiáng)調(diào) “重檢慎修”，避免大規(guī)模修理［6］。

3.2 車(chē)輛措施

對(duì)比CRH2A-2010車(chē)與CRH2J-0205車(chē)的數(shù)據(jù)，可見(jiàn)提高接觸力能明顯改善燃弧狀態(tài)。而受電弓靜態(tài)力需要在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，提高受電弓接觸力只能從氣動(dòng)力入手。以廣州局集團(tuán)公司為主導(dǎo)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司聯(lián)合中車(chē)四方車(chē)輛有限公司，針對(duì)廈深鐵路主要運(yùn)營(yíng)車(chē)輛CRH300AF進(jìn)行了受流試驗(yàn)，分別測(cè)試了原型CRH300AF車(chē)及針對(duì)氣動(dòng)力進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)板改造的CRH300AF受流數(shù)據(jù)。試驗(yàn)情況如下：

2021年4月11日和13日，對(duì)CRH300AF-2022動(dòng)車(chē)組在廈深鐵路上下行線開(kāi)展測(cè)試，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析。其中11日為CR300AF動(dòng)車(chē)組原始工況，13日為改善受流狀態(tài)，將原先DSA250受電弓導(dǎo)風(fēng)板更換為DSA380受電弓導(dǎo)風(fēng)板，新導(dǎo)風(fēng)板傾斜角度由20°改為10°，原直面型改為弧面型。仿真計(jì)算中，開(kāi)口接觸力從-15.5 N變?yōu)?3.0 N。2次弓網(wǎng)受流性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 CR300AF弓網(wǎng)受流性能試驗(yàn)結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)可見(jiàn)，CR300AF原始工況單列運(yùn)行時(shí)，開(kāi)口平均力偏小，部分區(qū)段燃弧較多；閉口平均力偏大，燃弧數(shù)據(jù)合格，過(guò)隧道時(shí)最大接觸力偏大。更換DSA380導(dǎo)風(fēng)板后，列車(chē)開(kāi)口平均接觸力增大30 N左右，燃弧各參數(shù)明顯降低；閉口接觸力變化不明顯。

通過(guò)調(diào)整導(dǎo)風(fēng)板等調(diào)節(jié)氣動(dòng)力方式，增加高網(wǎng)狀態(tài)下接觸力，雖然無(wú)法改善接觸網(wǎng)不平順的實(shí)際問(wèn)題，但能較好地改善受流燃弧狀態(tài)，而且車(chē)輛改裝成本較低、時(shí)間短，更容易實(shí)現(xiàn)。

4 分析總結(jié)

本次聯(lián)調(diào)聯(lián)試中弓網(wǎng)受流的燃弧超限情況，實(shí)質(zhì)上是弓網(wǎng)不匹配造成的弓網(wǎng)耦合性能下降問(wèn)題，關(guān)鍵參數(shù)接觸力與燃弧之間有深刻聯(lián)系。

4.1 接觸力參數(shù)

接觸力參數(shù)代表了弓網(wǎng)匹配的基礎(chǔ)要求，在行車(chē)中弓網(wǎng)接觸力需要保持在一定值以上才能保證受流的完整性。在聯(lián)調(diào)聯(lián)試、型式試驗(yàn)等過(guò)程中，發(fā)生過(guò)弓網(wǎng)接觸力過(guò)低導(dǎo)致車(chē)輛報(bào)失壓故障，進(jìn)而導(dǎo)致自動(dòng)降弓事故。而決定受電弓動(dòng)態(tài)力的因素主要有2個(gè)：一是受電弓的靜態(tài)力，其主要受受電弓氣囊壓力控制，目前動(dòng)車(chē)所一級(jí)修中靜態(tài)力基本調(diào)整為70～90 N，因此其對(duì)動(dòng)態(tài)力的影響較少；二是受電弓的氣動(dòng)特性，目前部分受電弓工作在385 km/h高速狀態(tài)下，平均接觸力最高能達(dá)到250 N左右，相比80 N的靜態(tài)力，其氣動(dòng)力占比達(dá)到了接觸力的70%。可見(jiàn)在高速情況下，受電弓的氣動(dòng)力是動(dòng)態(tài)接觸力的主要影響因素。此外，部分主動(dòng)控制受電弓能依據(jù)車(chē)輛運(yùn)行速度，調(diào)整受電弓氣囊壓力從而改善動(dòng)態(tài)接觸力，也是影響受電弓動(dòng)態(tài)力的因素。總結(jié)多年試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)氣動(dòng)力的大小主要由以下因素決定：接觸網(wǎng)高度、受電弓開(kāi)/閉口方向、導(dǎo)流板鳳翼等部件車(chē)頂基本結(jié)構(gòu)，以及車(chē)頂高壓設(shè)備［7］。

多年運(yùn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要將弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力保持在某一門(mén)檻壓力以上穩(wěn)定的范圍內(nèi)，就可以具備良好的耦合性能；而不同的弓網(wǎng)匹配下，其門(mén)檻壓力差異較大。

4.2 燃弧參數(shù)

燃弧各項(xiàng)指標(biāo)最常用于反映及判斷弓網(wǎng)耦合是否良好。弓網(wǎng)燃弧產(chǎn)生的2個(gè)原因?yàn)椋阂皇鞘茈姽\(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的燃??；二是過(guò)分相或者升降弓時(shí)產(chǎn)生的燃弧。其中，主要關(guān)注運(yùn)行過(guò)程中離線產(chǎn)生的燃弧。由于受電弓滑板與接觸網(wǎng)屬于滑動(dòng)摩擦，且屬于點(diǎn)接觸而不是面接觸。當(dāng)耦合情況較差時(shí)，常常發(fā)生點(diǎn)接觸的斷離，產(chǎn)生電流燃弧，故稱(chēng)其為離線火花，此處常有誤區(qū)，當(dāng)發(fā)生離線火花時(shí)，一般被認(rèn)為是滑板與接觸線完全分離，從而產(chǎn)生的拉弧。實(shí)際上，檢測(cè)到的弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)并不為0，從高清視頻上觀測(cè)，燃弧發(fā)生時(shí)弓網(wǎng)仍保持著接觸關(guān)系［8］。

4.3 相互影響

由往年聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)的初步分析可知，弓網(wǎng)燃弧率與接觸力有直接關(guān)系。當(dāng)接觸力平均值小于一定程度后，無(wú)論線路條件如何，燃弧率都將明顯上升。之前在接觸力方面分析了影響動(dòng)態(tài)接觸力的主要原因，由于接觸力與燃弧率的內(nèi)在聯(lián)系，上述部分因素也是影響燃弧率的主要方面。在分析弓網(wǎng)耦合中燃弧參數(shù)時(shí)，也需要與接觸力進(jìn)行聯(lián)合分析。廈深鐵路的燃弧超標(biāo)問(wèn)題很具有代表性，因其6 400 mm的接觸網(wǎng)高度，導(dǎo)致幾種主流車(chē)型受電弓工作于極限高度狀態(tài)，從而引起無(wú)法控制受電弓接觸力，使其完全受氣動(dòng)力影響的問(wèn)題，導(dǎo)致接觸力偏低時(shí)燃弧率大量超限，有些甚至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的8倍。而當(dāng)接觸力達(dá)標(biāo)時(shí)，受弓網(wǎng)耦合狀態(tài)影響也會(huì)出現(xiàn)燃弧率、燃弧次數(shù)等數(shù)值偏大問(wèn)題。另外，施工質(zhì)量也是部分影響因素，施工方面造成的接觸線不平順等，會(huì)引起以跨或錨段為單元的局部燃弧增大。

5 結(jié)束語(yǔ)

深入研究如何改善弓網(wǎng)匹配的適應(yīng)性，通過(guò)調(diào)整接觸網(wǎng)或者受電弓相應(yīng)參數(shù)，提高弓網(wǎng)耦合性能，從而改進(jìn)弓網(wǎng)受流參數(shù)、降低接觸網(wǎng)事故、減少網(wǎng)與滑板的損耗等，仍具有較大提升空間。針對(duì)廈深鐵路提速試驗(yàn)中的燃弧問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)力來(lái)提高高接觸網(wǎng)狀態(tài)下的弓網(wǎng)耦合情況，雖然減少了燃弧率，但沒(méi)有解決接觸網(wǎng)不平順的問(wèn)題。如何從源頭上改善接觸網(wǎng)不平順情況，值得進(jìn)一步研究。同時(shí)，隨著車(chē)載檢測(cè)技術(shù)的提升，在服役動(dòng)車(chē)上加裝檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也能提高后續(xù)運(yùn)營(yíng)的安全性［9］。