高速鐵路簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)曲線區(qū)段拉出值優(yōu)化

鄭 軍，劉 浩，李國勝，白裔峰

0 引言

近年來，我國高速鐵路快速發(fā)展，截至2021年底，高速鐵路運營里程已突破4 萬公里。在已開通項目中，接觸網(wǎng)曲線段拉出值設(shè)計標準不一，在實施過程中，小曲線區(qū)段受拉出值影響，腕臂定位裝置調(diào)整次數(shù)亦相對較多。通過多年運營經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，施工中存在調(diào)整作業(yè)的處所也是運營安全隱患最多的處所。高速鐵路由于運行速度高，接觸網(wǎng)線材張力大，一旦后期檢查不到位就有可能引發(fā)重大事故，因此對曲線區(qū)段拉出值的研究尤為重要。

簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)通過統(tǒng)一參數(shù)、統(tǒng)一結(jié)構(gòu)型式、統(tǒng)一材質(zhì)，已逐步得到推廣應(yīng)用。曲線段拉出值的設(shè)置是接觸網(wǎng)參數(shù)研究的重要部分，通過對小曲線區(qū)段拉出值進行研究，為實現(xiàn)高速鐵路簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)建設(shè)期間接觸網(wǎng)一次成型、一次成優(yōu)的目標提供技術(shù)支撐，避免后期給運營帶來隱患。

1 拉出值設(shè)置機理

拉出值的設(shè)置與定位器的狀態(tài)有直接關(guān)系，并間接影響著弓網(wǎng)運行安全，設(shè)計、施工、運營人員對此進行了大量的研究。拉出值宜正反設(shè)置，且在滿足風(fēng)偏、受電弓擺動量等技術(shù)要求的前提下盡量取大，可使接觸線盡量多地利用受電弓滑板有效工作面，可更好地使受電弓碳滑板磨耗均勻，進而延長碳滑板的壽命，節(jié)約運營成本。

在進行實際工程設(shè)計時，根據(jù)跨距和張力確定合理的拉出值后須同時校驗定位器坡度、第一吊弦點位置等是否滿足要求。因定位器最終會達到力矩平衡，水平方向的分力與接觸線的“之”字力平衡，垂直分力與定位器重力以及兩側(cè)相鄰吊弦間的接觸線重力平衡。水平分力與垂直分力均為定位器在不同方向上的分力，二者為正相關(guān)關(guān)系。定位器受力如圖1 所示。

圖1 定位器受力示意

為保障運行安全，要求定位器坡度處于一定范圍。從定位器受力分析上可以得出，拉出值變大時，水平分力變大，定位器坡度為變小的趨勢，需要加大第一吊弦間的距離；反之，拉出值變小時，水平分力變小，定位器坡度為變大的趨勢，需要減小第一吊弦間的距離。文獻[1]詳細闡述了高速鐵路直線區(qū)段接觸網(wǎng)拉出值和定位器坡度之間的關(guān)系，通過研究第一吊弦點位置、拉出值、跨距、定位器坡度四者之間的相互關(guān)系，得出結(jié)論：在曲線半徑不小于7 000 m 時，拉出值均應(yīng)正反設(shè)置，并在文中給出了推薦的拉出值。曲線區(qū)段的拉出值設(shè)置機理與直線區(qū)段基本相同，實際工程中拉出值的設(shè)置同時與曲線半徑、外軌超高等因素有關(guān)，需要重點考慮線路外軌超高對定位器坡度的影響。此外，文獻[2]分析了運行速度對拉出值檢測誤差的影響，線路設(shè)計時速越高，低速通過曲線區(qū)段時引起的拉出值偏差就會變大。文獻[3]分析了在運營中曲線區(qū)段拉出值超標的原因，提出了針對不同的機車參數(shù)、線路參數(shù)，受電弓中心偏移量對拉出值影響的計算式。文獻[4]提出尤其在小曲線區(qū)段施工時，拉出值需要進行反復(fù)調(diào)整，并給出在曲線區(qū)段拉出值適當(dāng)減小的建議。

簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)較傳統(tǒng)接觸網(wǎng)在曲線區(qū)段理論體系一致。因簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配零件較少，結(jié)構(gòu)型式統(tǒng)一，受外軌超高、非限位定位器受電弓抬升影響，校驗值加大，有必要對曲線區(qū)段簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)進行腕臂預(yù)配校驗。

2 曲線區(qū)段拉出值設(shè)置方案

對于高速鐵路線路，其設(shè)計時速為350 km 時，曲線半徑一般不小于7 000 m；設(shè)計時速為250 km時，曲線半徑一般不小于3 200 m。根據(jù)理論計算及工程經(jīng)驗，在曲線半徑超過5 000 m 時，可以將曲線近似地作為直線處理，通過調(diào)整第一吊弦的位置，能夠使拉出值及定位器坡度均滿足要求。高速鐵路在引入車站等線路條件受限時，曲線半徑多采用3 000 m。本文對曲線半徑為3 000 m 情況下接觸網(wǎng)拉出值設(shè)置方案進行詳細研究，其他曲線半徑可參考。

根據(jù)橋梁構(gòu)造情況，支柱跨距一般約為49 m，因此本文標準跨距選取為50 m，同時研究跨距為40、45、55、60 m 的情況。接觸網(wǎng)線材為JTMH120+CTMM150，張力采用20 kN + 25 kN 組合；第一吊弦距離腕臂5 m，外軌超高175 mm；最大運營風(fēng)速30 m/s，最大風(fēng)偏校驗值取450 mm。

通過理論分析并結(jié)合已開通線路拉出值設(shè)置情況，下文分別從拉出值對稱性最優(yōu)、風(fēng)偏最優(yōu)、二者兼顧設(shè)置3 個方案討論。方案一采用雙側(cè)拉出值±200 mm；方案二采用雙側(cè)拉出值曲內(nèi)-100 mm 曲外+300 mm；方案三參照普速線路采用單側(cè)拉出值150 mm。分別在不同跨距下進行3 個方案定位器受力、定位器坡度、最大風(fēng)偏計算，同時按標準跨距進行腕臂預(yù)配模擬。

2.1 雙側(cè)拉出值±200 mm

本方案采用與高速鐵路正線一致的拉出值，雙側(cè)拉出值±200 mm，定位器坡度、定位器受力、最大風(fēng)偏計算情況如表1 所示。

表1 雙側(cè)拉出值±200 mm 計算結(jié)果

通過計算可以看出，該拉出值布置方式對稱性最好，受電弓碳滑板磨耗最均勻，但跨距較大時曲內(nèi)正定位或曲外反定位時定位器坡度無法滿足要求，定位器受力較小或已經(jīng)受壓，調(diào)整第一吊弦點亦無法滿足要求，因此該設(shè)置方案不合理。

拉出值按±200 mm 腕臂預(yù)配情況如圖2 所示。

圖2 腕臂預(yù)配情況（單位：mm）

從腕臂預(yù)配模擬情況可以看出：曲內(nèi)反定位時，腕臂預(yù)配結(jié)構(gòu)正常，定位器坡度合理；曲內(nèi)正定位時，腕臂結(jié)構(gòu)臃腫，定位器已無法安裝，需調(diào)整腕臂結(jié)構(gòu)或拉出值設(shè)置方案。

2.2 雙側(cè)拉出值曲內(nèi)-100 mm 曲外+300 mm

該方案仍采用正反拉出值方案，選取拉出值時使曲外側(cè)拉出值大于曲內(nèi)側(cè)拉出值，定位器坡度、定位器受力、最大風(fēng)偏計算情況見表2。

表2 雙側(cè)拉出值曲內(nèi)-100 mm 曲外+300 mm 計算結(jié)果

通過計算可以看出，按雙側(cè)不對稱設(shè)置拉出值，受電弓碳滑板磨耗均勻方面較方案一稍遜，在最大風(fēng)偏值方面優(yōu)于方案一。腕臂預(yù)配方面，從理論分析及計算結(jié)果來看，雙側(cè)拉出值曲內(nèi)-100 mm 曲外+300 mm 與雙側(cè)±200 mm 拉出值定位器受力一致，同樣存在跨距較大時曲內(nèi)正定位或曲外反定位時定位器坡度無法滿足要求，定位器受力較小或已經(jīng)受壓的情況，該拉出值設(shè)置方案不合理。腕臂預(yù)配情況與雙側(cè)±200 mm 拉出值情況基本一致。

2.3 曲外單側(cè)拉出值150 mm

當(dāng)采用單側(cè)拉出值方案，為使跨中接觸線盡量靠近線路中心位置，拉出值選定150 mm，定位器坡度、定位器受力、最大風(fēng)偏計算情況見表3。

表3 曲外單側(cè)拉出值150 mm 計算結(jié)果

通過計算可以看出，單側(cè)拉出值150 mm 時，定位器受力及定位器坡度理想。因單側(cè)拉出值方案定位器受力均指向曲線內(nèi)側(cè)，定位器受力及坡度與拉出值具體數(shù)值無關(guān)，主要受跨距和第一吊弦位置影響。該方案安裝合理，第一吊弦位置調(diào)整范圍較大，能適應(yīng)不同跨距，同時還具有通過調(diào)整第一吊弦位置來改善定位器坡度的空間。

曲外單側(cè)拉出值150 mm 腕臂預(yù)配結(jié)果如圖3所示。

圖3 曲外單側(cè)拉出值150 mm 腕臂預(yù)配結(jié)果（單位：mm）

從腕臂預(yù)配模擬情況可以看出，無論支柱位于曲線內(nèi)側(cè)還是曲線外側(cè)，腕臂結(jié)構(gòu)均合理，定位器坡度合適。

該方案在跨距60 m 時跨中接觸線與線路中心相切，其余跨距均在線路中心線一側(cè)，表面看受電弓滑板處于偏磨狀態(tài)，但考慮實際運營情況，同一條線路既會向左彎曲也會向右彎曲，同時考慮動車組均為往復(fù)運行，上行接觸線位于線路的一側(cè)，則下行接觸線正好位于線路的另一側(cè)，受電弓滑板在一個往返中磨耗仍然是均勻的。

3 動態(tài)檢測

某在建時速350 km 高速鐵路引入車站時，線路曲線半徑3 000 m，接觸網(wǎng)采用20 kN + 25 kN 張力組合，按照本文研究結(jié)果，拉出值采用單側(cè)150 mm 方案，聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間動檢車實際動態(tài)檢測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 動態(tài)檢測結(jié)果

可以看出，單側(cè)150 mm 拉出值布置時，跨中接觸線基本相切于線路中心，接觸壓力、硬點、導(dǎo)高、燃弧情況都非常理想。

4 結(jié)論及建議

本文對小曲線半徑（3 000 m）情況下簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)拉出值的布置方案進行探討，當(dāng)線路曲線半徑較小時，應(yīng)根據(jù)線路的跨距合理選取拉出值，建議為單側(cè)拉，拉出值宜為100～150 mm。