高速鐵路接觸網(wǎng)無(wú)交叉線岔分析

錢(qián)慶玲，姚永明，丁宇鳴，周謙

（1.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

0 引言

電氣化鐵路經(jīng)常有站線、側(cè)線、渡線、到發(fā)線等需要并入正線，為了保證受電弓安全平滑地從一條接觸線過(guò)渡至另一條接觸線，通常通過(guò)設(shè)置線岔來(lái)完成。道岔上方的2支接觸懸掛交叉布置時(shí)，稱為交叉式線岔；無(wú)交叉布置時(shí)，稱為無(wú)交叉式線岔。無(wú)論交叉式線岔還是無(wú)交叉式線岔，均應(yīng)確保動(dòng)車組沿直向通過(guò)道岔或直向與側(cè)向道岔轉(zhuǎn)換時(shí)，受電弓能可靠橫越線岔［1］。目前，我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)大量采用無(wú)交叉布置方式，當(dāng)動(dòng)車組通過(guò)無(wú)交叉線岔，從正線進(jìn)入側(cè)線、側(cè)線進(jìn)入正線時(shí)，存在動(dòng)態(tài)接觸線拉出值缺陷問(wèn)題。根據(jù)高速鐵路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)缺陷診斷標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)交叉線岔動(dòng)態(tài)拉出值按設(shè)計(jì)值校核，但應(yīng)≤600 mm［2］，以充分保證受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，提高動(dòng)車組受流質(zhì)量，滿足動(dòng)車組高速安全運(yùn)行的需要。

由于不同受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線存在差異，各設(shè)計(jì)院在進(jìn)行高速接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)參照的線路參數(shù)及運(yùn)行車輛采用的受電弓型號(hào)不同，其設(shè)計(jì)的18號(hào)道岔接觸網(wǎng)參數(shù)也不盡相同［3］。合理設(shè)置道岔柱定位點(diǎn)處的接觸網(wǎng)參數(shù)，優(yōu)化側(cè)線下錨方向，充分考慮始觸區(qū)內(nèi)的弓網(wǎng)安全關(guān)系，有利于降低動(dòng)車組高速通過(guò)時(shí)發(fā)生弓網(wǎng)事故的概率。

通過(guò)對(duì)通化（2016）1302-Ⅸ（18號(hào)道岔）［4］正線道岔定位示意圖、動(dòng)態(tài)檢測(cè)波形圖和視頻綜合分析，剖析接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)和受電弓運(yùn)行軌跡等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并對(duì)接觸網(wǎng)參數(shù)調(diào)整提出建議。

1 18號(hào)道岔基本參數(shù)

18號(hào)道岔正線允許通過(guò)最大速度為350 km/h，側(cè)線允許通過(guò)最大速度為80 km/h。道岔全長(zhǎng)L=69.00 m，前端長(zhǎng)度a=31.729 m，后端長(zhǎng)度b=37.271 m，導(dǎo)曲線半徑R＝1 100 m，岔心角θ=3°10′47.39″。道岔側(cè)股平面線形選用圓曲線與直線相切的連接方式。18號(hào)道岔線形及主要尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 18號(hào)道岔線形及主要尺寸

2 軌道中心線距離計(jì)算

根據(jù)TG/GD 124—2015《高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》對(duì)線岔始觸區(qū)的規(guī)定：線岔兩工作支中，任一工作支的垂直投影距另一股道線路中心600～1 050 mm不得安裝除吊弦（必需時(shí)）外的其他線夾［5］。確定始觸區(qū)即確定始觸點(diǎn)的軌道線距離和始觸點(diǎn)接觸線拉出值，確定接觸線與受電弓相對(duì)位置曲線方程［6］。

根據(jù)圖1的幾何關(guān)系，可得任意直、側(cè)股線間距L與距圓曲線理論起點(diǎn)PS的距離X的方程：

式中：R為道岔導(dǎo)曲線半徑。

3 左右擺動(dòng)量

道岔處接觸網(wǎng)的平面布置取決于道岔類型、受電弓工作寬度、受電弓的動(dòng)態(tài)運(yùn)行軌跡（最大擺動(dòng)量和最大抬升量）。半工作寬度和最大擺動(dòng)量決定始觸區(qū)和無(wú)線夾區(qū)，最大抬升量決定線岔處2支接觸線的抬高量。

根據(jù)鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范，受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線范圍：設(shè)計(jì)速度120～200 km/h時(shí)，上下抬升量為120 mm，左右擺動(dòng)量為直線250 mm、曲線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)量為直線250 mm、曲線300 mm［5］。

根據(jù)TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］，受電弓弓頭外形輪廓和尺寸見(jiàn)圖2。由圖可知，受電弓半寬工作范圍為：1 450 mm/2=725 mm?？紤]受電弓最大抬升量為150 mm、左右最大擺動(dòng)量為250 mm時(shí)，得受電弓半寬工作范圍為：（725+（150-50）/tan（40°）+250）mm=（725+119+250）mm=1 094 mm。

圖2 受電弓弓頭外形輪廓和尺寸

4 無(wú)交叉線岔

2支無(wú)交叉接觸網(wǎng)布置方式要求在受電弓由正線通過(guò)時(shí)，受電弓滑板不能接觸側(cè)線接觸線，從而保證正線高速行車的絕對(duì)安全性，并且在道岔處不存在相對(duì)硬點(diǎn)；當(dāng)動(dòng)車組從正線進(jìn)入側(cè)線或從側(cè)線進(jìn)入正線時(shí)，能夠完成受電弓在2支接觸線間平穩(wěn)過(guò)渡，不發(fā)生打弓和鉆弓事故。以通化（2016）1302-Ⅸ（18號(hào)道岔定位）正線道岔為例，對(duì)接觸網(wǎng)無(wú)交叉線岔進(jìn)行分析，接觸網(wǎng)線岔布置見(jiàn)圖3。

圖3 接觸網(wǎng)線岔布置

（1）道岔開(kāi)口方向上，道岔定位后的第1個(gè)懸掛點(diǎn)，設(shè)于軌道中心線距離≥受電弓半寬+橫向擺動(dòng)量處，并保證2支接觸懸掛的任意1支接觸線分別與相鄰線路中心線距離≥受電弓半寬+橫向擺動(dòng)量。否則，另一條線路的接觸線定位線夾會(huì)侵入該線的受電弓限界，存在打弓危險(xiǎn)。

（2）道岔定位柱一般設(shè)于軌道中心線距離150～200 mm處（距理論岔心10～15 m），理論岔心后支柱一般設(shè)于線間距1 320～1 500 mm處（距理論岔心25～27 m），岔前與岔后支柱間距約40 m。

當(dāng)受電弓由側(cè)線進(jìn)入正線時(shí)，理論岔心后支柱（A1柱）位于岔心≥25 m處，即道岔開(kāi)口（正線和側(cè)線線間距）≥1 320 mm處，施工時(shí)定位于1 400 mm處，側(cè)股接觸線與直股軌道中心線距離＞受電弓水平方向最大擺動(dòng)范圍，A1柱接觸線拉出值應(yīng)與支柱定位處的軌道中心線距離相匹配。在任何情況下，受電弓正（側(cè)）通過(guò)時(shí)，僅與正（側(cè)）線1支接觸線接觸。由圖3（b）可知，在A1柱，正線導(dǎo)高為H、側(cè)線導(dǎo)高為H+20；在B1柱，側(cè)線導(dǎo)高比正線導(dǎo)高抬高120 mm，即正線導(dǎo)高為H，側(cè)線導(dǎo)高為H+120。A1、B1柱間跨距為40 m，側(cè)線接觸線導(dǎo)高由岔后道岔柱A1向岔前道岔柱B1依次抬高，交叉吊弦處側(cè)線接觸線高于正線接觸線約35 mm。

受電弓從側(cè)線進(jìn)入正線約10 m后，正線接觸線開(kāi)始與受電弓接觸；繼續(xù)往前約11 m，正線接觸線完全進(jìn)入受電弓工作區(qū)域，2支接觸線同時(shí)與受電弓接觸，側(cè)向接觸線開(kāi)始抬升，進(jìn)而逐漸脫離受電弓；繼續(xù)往前約10 m，受電弓僅與正線接觸線接觸，此后保持從正線接觸線取流。

當(dāng)側(cè)向運(yùn)行受電弓接觸正線接觸線時(shí)，正線和側(cè)線接觸線距離約1 280 mm；側(cè)線接觸線開(kāi)始抬升時(shí)，正線和側(cè)線接觸線距離約為1 050 mm；側(cè)線接觸線離開(kāi)受電弓時(shí)，正線和側(cè)線接觸線距離約為950 mm。因此，受電弓在側(cè)線到正線運(yùn)行過(guò)程中，2支接觸線間距離保持在950～1 280 mm時(shí)為合理值。

5 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析

結(jié)合高速鐵路正線18號(hào)道岔，道岔直股以350 km/h速度通行時(shí)，接觸線變化坡度為0；側(cè)股以80 km/h速度通行時(shí)，其坡度變化應(yīng)考慮受電弓在正線和側(cè)線轉(zhuǎn)換運(yùn)行時(shí)，任何方向都應(yīng)滿足始觸區(qū)范圍內(nèi)無(wú)線夾（將正線或側(cè)線線路中心線兩側(cè)600～1 050 mm的區(qū)域內(nèi)設(shè)置為無(wú)線夾區(qū)），以保證在受電弓限界范圍內(nèi)無(wú)接觸網(wǎng)零部件。

5.1 正線通過(guò)

當(dāng)動(dòng)車組以350 km/h速度正線通過(guò)時(shí)，為確保側(cè)線接觸線任何位置都不能侵入正線運(yùn)行中的受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，則側(cè)線接觸線到直股軌道中心線距離≥1 094 mm（受電弓半寬+橫向擺動(dòng)量），才能保證側(cè)線接觸線不侵入受電弓包絡(luò)線（見(jiàn)圖4）。

圖4 受電弓正線通過(guò)線岔示意圖

由圖（3）可知，B1支柱：對(duì)正線接觸線拉出值400 mm，導(dǎo)高H；對(duì)側(cè)線接觸線拉出值1 100 mm，導(dǎo)高H+120。A1支柱：對(duì)正線拉出值-150 mm，導(dǎo)高H；對(duì)側(cè)線拉出值-150 mm，導(dǎo)高H+20。因此，B1柱側(cè)線接觸線距正線軌道中心線距離=B1柱側(cè)線接觸線拉出值（對(duì)側(cè)線）+正、側(cè)線軌道線間距。同理，A1柱側(cè)線接觸線距正線軌道中心線距離=A1柱側(cè)線接觸線拉出值（對(duì)側(cè)線）-正、側(cè)線軌道線間距。

道岔定位柱一般設(shè)在距理論岔心10～15 m，理論岔心后支柱一般設(shè)置于距理論岔心＞25 m，岔前與岔后支柱間距約為（10+25）m～（15+25）m=35～40 m。

當(dāng)B1柱里理論岔心的距離為15 m（岔前），則：

當(dāng)B1柱里理論岔心的距離為10 m（岔前），則：

式中：XB1為岔前B1柱距PS的距離。

當(dāng)A1柱里理論岔心的距離為25 m（岔后），則

式中：XA1為岔后A1柱距PS的距離。

將XB1、XA1帶入式（1），得岔前、岔后定位柱處的軌道線間距如下：

考慮軌道尖軌尖端構(gòu)造，則可修正岔前B1柱距PS的距離為150 mm（岔前15 m），200 mm（岔前10 m）；岔后A1柱距PS的距離1 400 mm（岔后25 m）。

B1柱側(cè)線接觸線距正線軌道中心線距離=（1 100+150）mm=1 250 mm（岔前15 m）；

B1柱側(cè)線接觸線距正線軌道中心線距離=（1 100+200）mm=1 300 mm（岔前10 m）；

A1柱側(cè)線接觸線距正線軌道中心線距離=（1 400-150）mm=1 250 mm（岔后25 m）。

由此可得，B1、A1間側(cè)線接觸線到正線軌道中心線距離≥1 250 mm＞1 109 mm，C1處接觸線定位點(diǎn)到正線軌道中心距離1 400 mm≥1 109 mm。其安全裕量≥141 mm，對(duì)比我國(guó)目前設(shè)計(jì)規(guī)范與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》［8］中受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，可知左右最大擺動(dòng)具有裕量寬度，根據(jù)近年來(lái)中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司在我國(guó)部分新開(kāi)通線路動(dòng)態(tài)驗(yàn)收中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)定位點(diǎn)抬升量檢測(cè)數(shù)據(jù)，以及在京滬高鐵、京津城際鐵路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，我國(guó)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≤100 mm，且該數(shù)據(jù)已有一定余量［9］。

綜上所述，C1、B1、A1間側(cè)線接觸線滿足動(dòng)車組正線高速通過(guò)、側(cè)線接觸線不侵入受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線的要求。

5.2 正線進(jìn)入側(cè)線、側(cè)線進(jìn)入正線

當(dāng)動(dòng)車組列車由正線駛?cè)雮?cè)線時(shí)，在X點(diǎn)以前受電弓均從正線接觸線取流（見(jiàn)圖5），當(dāng)受電弓到CAO、CBO段的中部附近位置時(shí)，受電弓滑板將脫離正線接觸線，在其靜壓力作用下與抬高的側(cè)線接觸線相接觸（此處側(cè)線接觸線抬高值宜控制在20～40 mm），進(jìn)而轉(zhuǎn)入從側(cè)線接觸線取流。

圖5 受電弓正線進(jìn)入側(cè)線、側(cè)線進(jìn)入正線示意圖

受電弓通過(guò)無(wú)交叉線岔的變化過(guò)程見(jiàn)圖6。當(dāng)動(dòng)車組從正線進(jìn)入側(cè)線到達(dá)B1柱，此時(shí)受電弓接觸的是正線接觸線，以支柱位于側(cè)線側(cè)為例，說(shuō)明受電弓與接觸線相對(duì)位置關(guān)系：正線接觸線拉出值為正向最大（接觸線拉出值拉向支柱側(cè)為正）→正線接觸線遠(yuǎn)離支柱側(cè)→正線接觸線拉出值變?yōu)?→正線接觸線拉出值變?yōu)樨?fù)（接觸線拉出值遠(yuǎn)離側(cè)線支柱）→正線、側(cè)線接觸線間過(guò)渡轉(zhuǎn)換（始觸區(qū)）→側(cè)線接觸線拉出值變?yōu)檎鷤?cè)線接觸線拉出值變?yōu)?→側(cè)線接觸線拉出值變?yōu)樨?fù)→A1柱（側(cè)線接觸線為負(fù)）。

圖6 接觸線由正線進(jìn)入側(cè)線示意圖

以圓曲線理論起點(diǎn)PS原點(diǎn)，平行正線中心線為X軸，垂直于正線中心線為Y軸（見(jiàn)圖7）。

圖7 18號(hào)道岔與正、側(cè)線接觸線示意圖

計(jì)算B1（岔前15 m）、A1（岔后25 m）時(shí)，側(cè)線接觸線坐標(biāo)：B1（15.316，1.250），A1（55.316，1.250）；正線接觸線坐標(biāo)：B1（15.316，0.400），A1（55.316，-0.150）。

側(cè)線接觸線直線方程：

正線接觸線直線方程：

側(cè)線線路中心線方程：

當(dāng)動(dòng)車組從正線進(jìn)入側(cè)線、側(cè)線進(jìn)入正線，正線接觸線、側(cè)線接觸線到受電弓中心線的距離，即：側(cè)線接觸線到受電弓中心線距離D1=Y1-Y3，正線接觸線到受電弓中心線距離D2=Y3-Y2。

當(dāng)動(dòng)車組從正線進(jìn)入側(cè)線，正線接觸線到受電弓中心線距離為0.6 m，即D2為0.6，可計(jì)算出X=30.25，可得側(cè)線到接觸線離受電弓中心線距離D1=0.833 984＞0.6；當(dāng)動(dòng)車組從側(cè)線進(jìn)入正線，側(cè)線接觸線到受電弓中心線距離為0.6 m，即D1為0.6，可計(jì)算出X=37.815 34，可得正線接觸線到受電弓中心線距離D2=0.559 366＜0.6。

同理可計(jì)算B1（岔前10 m）、A1（岔后25 m）時(shí)，側(cè)線接觸線坐標(biāo)：B1（20.316，1.300），A1（55.316，1.250）；正線接觸線坐標(biāo)：B1（20.316，0.400），A1（55.316，-0.150）。

側(cè)線接觸線直線方程：

正線接觸線直線方程：

側(cè)線線路中心線方程：

計(jì)算得到側(cè)線接觸線到受電弓中心線距離D1=Y1-Y3，正線接觸線到受電弓中心線距離D2=Y3-Y2。

當(dāng)動(dòng)車組從正線進(jìn)入側(cè)線，正線接觸線到受電弓中心線距離為0.6 m時(shí)，即：

D2為0.6，計(jì)算X=34.571 46，可得側(cè)線接觸線到受電弓中心線距離D1=0.997 324＞0.6；當(dāng)動(dòng)車組從側(cè)線進(jìn)入正線，側(cè)線接觸線到受電弓中心線距離為0.6 m時(shí)，即D1為0.6，計(jì)算X=38.501 54，可得正線接觸線到受電弓中心線距離D2=0.559 784＜0.6。

由上述計(jì)算結(jié)果可知：道岔柱B1距理論岔心10～15 m（岔前）、道岔柱A1距理論岔心25 m（岔后）范圍內(nèi)，當(dāng)動(dòng)車組從正線進(jìn)入側(cè)線，正線、側(cè)線接觸線間過(guò)渡轉(zhuǎn)換時(shí)，正線、側(cè)線接觸線不存在到受電弓中心線距離同時(shí)不超過(guò)600 mm的區(qū)域；當(dāng)動(dòng)車組從側(cè)線進(jìn)入正線，正線、側(cè)線接觸線存在到受電弓中心線距離同時(shí)不超過(guò)600 mm的區(qū)域；但該區(qū)域正線、側(cè)線接觸線距受電弓中心線距離接近600 mm。

6 結(jié)論與建議

綜上所述，動(dòng)車組從正線進(jìn)入側(cè)線，正線、側(cè)線接觸線間過(guò)渡轉(zhuǎn)換時(shí)，正線、側(cè)線接觸線至少存在1支到受電弓中心線距離＞600 mm；動(dòng)車組從側(cè)線進(jìn)入正線，不考慮受電弓擺動(dòng)量，理論上正線、側(cè)線接觸線存在到受電弓中心線距離同時(shí)≤600 mm的區(qū)域；但該區(qū)域正線、側(cè)線接觸線到受電弓中心線的距離接近600 mm。考慮受電弓擺動(dòng)量和道岔柱定位、施工安裝偏差等因素影響，動(dòng)車組從側(cè)線進(jìn)入正線，正線、側(cè)線接觸線到受電弓中心線動(dòng)態(tài)拉出值往往＞600 mm。建議適當(dāng)將道岔柱定位點(diǎn)處拉出值減小，從而達(dá)到減小過(guò)渡區(qū)正線、側(cè)線接觸線到側(cè)線軌道中心線距離，減少動(dòng)態(tài)缺陷，提高弓網(wǎng)安全裕度；同時(shí)結(jié)合動(dòng)態(tài)檢測(cè)，增加正線進(jìn)人側(cè)線、側(cè)線進(jìn)入正線無(wú)交叉線岔檢測(cè)項(xiàng)目，驗(yàn)證無(wú)交叉線岔接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)，為設(shè)計(jì)與施工參數(shù)調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。