高速鐵路接觸網(wǎng)定位器坡度問題的深化研究

寇明旭

（中國鐵建電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030000）

在建設(shè)與研究高速鐵路工程的過程中，接觸網(wǎng)是該工程的主要組成部分，在高速鐵路運(yùn)營中，對(duì)應(yīng)接觸網(wǎng)與受電弓間的關(guān)系，可對(duì)鐵路運(yùn)營安全性和可靠性造成直接影響。為避免高速鐵路在運(yùn)行中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象或發(fā)生安全事故，接觸網(wǎng)與受電弓間需要相互適配，只有二者高度適配，才能保證弓網(wǎng)受流質(zhì)量的穩(wěn)定性[1]。在進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，定位器與接觸線二者間相互作用會(huì)產(chǎn)生接觸網(wǎng)，保障弓網(wǎng)安全的關(guān)鍵是三者在空間中的位置關(guān)系、相互影響和動(dòng)靜態(tài)作用。如果在運(yùn)行過程中，接觸網(wǎng)整體穩(wěn)定性較差，不僅會(huì)對(duì)高速鐵路運(yùn)行中的供電造成影響，嚴(yán)重情況下，還會(huì)導(dǎo)致高速鐵路安全事故[2]。為解決該問題，技術(shù)人員與行業(yè)相關(guān)工作者應(yīng)該重視接觸網(wǎng)中的定位器坡度設(shè)計(jì)工作，并根據(jù)相關(guān)工作的具體需求，采取合理的受力與技術(shù)措施對(duì)這方面工作進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)與優(yōu)化，以此確保我國高速鐵路行業(yè)健康發(fā)展[3]。為落實(shí)該項(xiàng)工作，該文將進(jìn)行研究，希望在完成設(shè)計(jì)后，可以為國家高鐵事業(yè)的持續(xù)化建設(shè)予以技術(shù)層面的支持與指導(dǎo)。

1 定位器坡度要求與受力分析

1.1 坡度要求

在研究過程中，應(yīng)明確高速鐵路工程中的定位器屬于固定裝置，安裝固定裝置后，應(yīng)保證接觸網(wǎng)懸架系統(tǒng)具有某種機(jī)械的平衡性，使接觸網(wǎng)的接觸線保持平直狀態(tài)。此時(shí)，定位器和受電面間形成的角就是安裝斜率（安裝坡度）[4]。但影響安裝斜率的因素很多，包括弓形尺寸、馬匹的最大搖擺幅度等。在設(shè)計(jì)過程中，需要將安裝斜率與接觸網(wǎng)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)相結(jié)合，通過該方式，確保定位器安裝后，整體結(jié)構(gòu)處于相對(duì)平衡的狀態(tài)。

參照相關(guān)技術(shù)規(guī)定與規(guī)范制度，如果高速鐵路的速度為300km/h，那么電弓的橫向擺動(dòng)會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)定位器造成一定影響[5]。因此，可以根據(jù)直線斷面尺寸250mm設(shè)計(jì)高速鐵路。當(dāng)安裝極限定位裝置時(shí)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)力提升不能小于極限定位裝置的1.5倍。

此外，具體的接觸網(wǎng)系數(shù)對(duì)定位器安裝坡度有較大的影響，安裝定位器后，要注意整體結(jié)構(gòu)的平衡性，當(dāng)整體結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)時(shí)，不可以隨便調(diào)試，否則定位點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)或高、或低的問題，該現(xiàn)象會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致硬點(diǎn)出現(xiàn)[6]。當(dāng)檢測(cè)弓網(wǎng)時(shí)，為保證弓網(wǎng)順暢運(yùn)行，弓網(wǎng)與定位系統(tǒng)不會(huì)碰撞，需要將定位器維持在合理的安裝坡度。如果坡度較小，極有可能發(fā)生定位裝置與受電弓兩者相互撞擊的情況。如果坡度較大，就需要降低拉出值[7]。當(dāng)拉出值過低時(shí)，會(huì)增加弓網(wǎng)中的受電弓損失。因此，在設(shè)計(jì)定位器坡度要求與定位器安裝過程中，要掌握好定位器的安裝坡度，并結(jié)合弓網(wǎng)安裝所須的空間以及具體的安裝部位等條件合理安裝。在過程中需要注意，任何條件下，安裝傾斜度必須＞8°。

1.2 受力分析

安裝接觸線后，接觸線在對(duì)應(yīng)的位置需要達(dá)到力學(xué)平衡狀態(tài)，垂直方向的受力如圖1所示。

圖1 接觸線垂直方向的受力分析

對(duì)不等高懸掛支座的反力進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）和公式（2）所示。

式中：VB1為AB段對(duì)應(yīng)的接觸線懸掛右側(cè)支座反力計(jì)算結(jié)果；VB2為BC段對(duì)應(yīng)的接觸線懸掛右側(cè)支座反力計(jì)算結(jié)果；T為接觸線張力值；F為A點(diǎn)與C點(diǎn)間的馳度；l為AB段、BC段距離；h為高度。

根據(jù)公式（1）和公式（2），可以計(jì)算定位器在垂直方向的受力，如公式（3）所示。

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)明確接觸線對(duì)應(yīng)水平方向的拉力為定位水平方向受力，受力示意如圖2所示。

圖2 接觸線對(duì)應(yīng)水平方向的拉力（定位水平方向受力）

根據(jù)上述內(nèi)容，計(jì)算定位器在水平方向的受力，計(jì)算如公式（4）所示。

式中：Fx為接觸線對(duì)應(yīng)水平方向的拉力（定位水平方向受力）；L為跨距；a為拉出值。按照上述方式，完成定位器安裝的受力分析[8]。

2 定位管角度計(jì)算

為給受電弓提供操作所需要的動(dòng)力提升空間，需要保證定位器管角的最小值滿足要求。

定位器安裝模型如圖3所示。

圖3 定位器安裝模型

當(dāng)處于正定位時(shí)，受電弓抬升前與抬升后的定位器、定位管和受電弓的相對(duì)位置如圖4所示。

圖4 受電弓抬升前與抬升后的定位器、定位管和受電弓的相對(duì)位置

定位器的端部輪廓尺寸在不同條件下各結(jié)構(gòu)關(guān)系不同，根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。第一種情況：如果線路是一條直線，那么彎曲臂的形狀是正定位，定位器是一個(gè)矩形，關(guān)系如公式（5）所示。

第二種情況：如果線路是一條曲線，那么彎曲臂的形狀是曲外正定位，定位器是一個(gè)矩形，關(guān)系如公式（6）所示。

第三種情況：如果線路是彎曲的，則采用區(qū)域內(nèi)正定位的方式，定位器是矩形，關(guān)系如公式（7）所示。

因?yàn)樵谡ㄎ缓头炊ㄎ恢?，每個(gè)結(jié)構(gòu)間的相對(duì)位置都對(duì)稱，所以反定位是各種情況下的定位管角度，可以按照正定位計(jì)算公式，得到對(duì)應(yīng)的定位管角度。

3 定位器坡度深化

3.1 直線區(qū)段

該項(xiàng)目以300km/h及以上高鐵接觸網(wǎng)為對(duì)象，對(duì)其在直、彎2種情況下的拉出值和第一懸弦點(diǎn)位置進(jìn)行深入研究。在深化過程中，將接觸線的張力設(shè)置為30kN，將承力索張力設(shè)置為20kN，將支柱標(biāo)準(zhǔn)跨距設(shè)置為55m，導(dǎo)高設(shè)置為5200mm，結(jié)構(gòu)高度設(shè)置為1600mm。在上述條件下，進(jìn)一步設(shè)計(jì)平直斷面的定位器斜率。為保證列車高速運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)和接觸線間的摩擦力均勻，以“Z”字形拉伸弓網(wǎng)和接觸線間的接觸線。結(jié)合該文提出的公式，根據(jù)拉力值以及第一懸弦與定位點(diǎn)間距離，可以計(jì)算定位器的斜率，見表1。

表1 不同拉出值與不同第一吊點(diǎn)位置條件下的定位器坡度計(jì)算結(jié)果記錄表

在導(dǎo)線和受電弓片的配合過程中，應(yīng)對(duì)導(dǎo)線的風(fēng)偏進(jìn)行全面分析，以保證導(dǎo)線的風(fēng)偏不能超出允許范圍。同時(shí)，當(dāng)按照“Z”形布置接觸網(wǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能保證受電弓磨耗均勻。在高速鐵路設(shè)計(jì)過程中，接觸網(wǎng)拉的拉出值一般在±250mm～±300mm，綜合分析，在時(shí)速300km/h以上的高速鐵路分段，接觸網(wǎng)拉出值設(shè)置為±200mm，第一吊弦距離定位點(diǎn)為5m時(shí)最合理。

3.2 曲線區(qū)段

直線區(qū)段的定位器坡度深化設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)曲線區(qū)段的定位器坡度進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。高速鐵路線路曲線半徑較大，根據(jù)論述，通常將接觸網(wǎng)設(shè)置為“Z”形結(jié)構(gòu)。結(jié)合直線區(qū)段得到的計(jì)算結(jié)果，將第一懸弦與定位點(diǎn)的距離設(shè)為5m，計(jì)算在不同曲線半徑和拉出值情況下的定位器斜率，見表2。

表2 不同曲線半徑、不同拉出值條件下定位器坡度計(jì)算結(jié)果記錄表

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)曲線段拉拔長度為“Z”形時(shí)，定位器設(shè)置在曲線內(nèi)側(cè)和曲線外側(cè)，其斜率差異很大。因?yàn)槭褂梅菍?duì)稱排列無法解決內(nèi)、外兩種定位裝置斜率差異過大的問題。所以，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)?shù)睦鲋?，以保證斜率適當(dāng)。當(dāng)拉拔量過小時(shí)，曲軸定位器的斜率會(huì)變大，從而加劇弓軸的非均勻磨損程度。綜合分析，當(dāng)拉出量為±200mm時(shí)，曲外區(qū)、曲內(nèi)區(qū)的測(cè)斜率比較合理。

4 結(jié)語

在研究強(qiáng)化高鐵接觸網(wǎng)定位器斜率問題的過程中，需要綜合考慮弓網(wǎng)接觸力、接觸網(wǎng)摩擦和地基網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)等各種因素，并引入先進(jìn)技術(shù)，提高定位器斜率問題的研究精度，從而保證高鐵列車平穩(wěn)運(yùn)行。為落實(shí)該項(xiàng)工作，該文進(jìn)行了研究，從上述分析看出，影響高速鐵路運(yùn)營的主要原因是受電弓與接觸網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)特性。若高鐵接觸網(wǎng)不夠穩(wěn)定，將對(duì)高鐵的供電能力產(chǎn)生一定的影響，為做好該項(xiàng)工作，必須做好定位器受力分析，并精確計(jì)算定位管角，對(duì)定位器的安裝坡度進(jìn)行深入研究。在未來的工作中，有關(guān)人員應(yīng)更努力制定和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將研究高鐵接觸網(wǎng)定位器斜率推向新高度。