新型小曲線半徑區(qū)段定位裝置探索研究

李東偉，李曉軍，張旭峰，孫慶維，張鵬飛，朱珺娥

0 引言

截至2022年底，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)15.5萬公里，其中高鐵4.2萬公里，居世界第一。接觸網(wǎng)在電氣化鐵路中扮演著重要角色，接觸網(wǎng)零部件質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)列車保持高速運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。在普速鐵路及城市軌道交通隧外小曲線區(qū)段，都要用到軟定位方式[1]。

1 對(duì)接觸網(wǎng)軟定位的要求

接觸網(wǎng)小曲線處使用軟定位器，設(shè)置于中間柱或轉(zhuǎn)換柱的曲外側(cè)，起定位作用，主要用于站線及速度不大于160 km/h的正線小曲線段（R= 300～1 000 m）。該裝置特點(diǎn)是只能承受拉力，而不能承受壓力，由于每個(gè)安裝點(diǎn)的曲線半徑不等，而軟定位器為定型零件，長度為固定尺寸（980 mm），與斜腕臂之間的距離不統(tǒng)一，因此連接方式應(yīng)具備可調(diào)性。

隨著列車的運(yùn)行，受電弓抬升接觸線，軟定位器也隨之?dāng)[動(dòng)，要求其連接方式具備一定的強(qiáng)度和抗磨損性能，同時(shí)還需具備良好的導(dǎo)電性能，以免發(fā)生過熱變形、燒損進(jìn)而導(dǎo)致弓網(wǎng)事故，因此軟定位器的施工安裝應(yīng)力求簡單，并應(yīng)減少維修。

2 常用軟定位方式及其不足

目前線路通常采用以下3種軟定位方式：

（1）軟鈦不銹鋼絲連接。由軟定位器定位環(huán)連接雙股Φ3.5軟鈦不銹鋼絲，一端做拉線，碼于軟定位器Φ34定位環(huán)的鉸環(huán)內(nèi)，雙股纏繞3圈后截?cái)嗷仡^線，另一端根據(jù)拉出值調(diào)整長度后做“8”字環(huán)連接到腕臂Φ60定位環(huán)處。該方式需要高空操作，施工不便，安全穩(wěn)定性較差[2]。

（2）采用CC型調(diào)整螺栓連接。CC型調(diào)整螺栓一端的鋼鉤套于軟定位器Φ34定位環(huán)的鉸環(huán)內(nèi)，另一端的鋼鉤套于軟定位器Φ60定位環(huán)的鉸環(huán)內(nèi)，由于是鉤環(huán)連接，該結(jié)構(gòu)容易脫鉤。

（3）采用尾支線連接方式。目前線路上運(yùn)用的尾支線主要有以下兩種：一種一端帶鉤頭，另一端通過π型護(hù)線環(huán)繞繩后，通過并線線夾調(diào)節(jié)長度，該結(jié)構(gòu)存在盲孔壓接不到底、鉤環(huán)連接不牢靠等缺點(diǎn)，正在逐漸淘汰。另一種是一端為鋼絲繩穿過鉗壓管，繞心形護(hù)環(huán)后回穿鉗壓管后并線壓接，以固定鋼絲繩，另一端為鋼絲繩穿過并溝線夾的繩槽，繞過π型護(hù)線環(huán)后回穿鉗壓管后再卡入并溝線夾的繩槽，用螺栓固定，可調(diào)節(jié)長度。雖然目前線路運(yùn)用較多，但其畢竟為軟連接方式，只能承受拉力，不能承受壓力。

綜合分析：軟定位連接安全采用Φ3.5不銹鋼絲容易斷裂、施工隨意性大；連接CC型調(diào)整螺栓由于振動(dòng)過大容易造成鉤環(huán)連接發(fā)生脫鉤；尾支線相對(duì)較安全，安裝方便，但是由于Φ3.5不銹鋼絲、CC型調(diào)整螺栓、尾支線受流面積小，因而這3種軟連接的導(dǎo)電性能不佳。

如果將軟定位器和接觸線視為一個(gè)整體連接，當(dāng)受到高速列車受電弓的瞬間抬升力，以及在大風(fēng)天氣下，這種軟連接會(huì)在空中出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象。蘇聯(lián)專家對(duì)接觸網(wǎng)擺動(dòng)現(xiàn)象作了較為深入的研究，給出了接觸網(wǎng)擺動(dòng)計(jì)算式[3]：

式中：A為振幅，m；v為風(fēng)速，m/s；l為跨距，m；αmax決定于導(dǎo)線截面的空氣動(dòng)力學(xué)特性的最大沖角；M為接觸線、承力索每延米質(zhì)量，kg/m；Z為接觸線、承力索總張力，kN。

由式（1）得出，風(fēng)速加大，振幅加大，即擺動(dòng)加劇。在正定位時(shí)，由于軟定位器的長度為定值980 mm，斜腕臂上連接的Φ48定位環(huán)位置靠近絕緣子，當(dāng)定位距離較遠(yuǎn)時(shí)，需要的尾支線鋼絲繩較長，甚至達(dá)到1 m及以上，此時(shí)長時(shí)間的振動(dòng)及垂直線路、順線路方向舞動(dòng)勢必會(huì)造成鋼絲繩散股[4]。

由于小曲線段外軌超高，導(dǎo)致受電弓傾斜，接觸線會(huì)受到垂直于傾斜受電弓的推力，進(jìn)而軟定位器的坡度會(huì)變大，容易造成定位線夾傾斜，出現(xiàn)打弓事故[5]。

此外，由于外軌超高、臨時(shí)提速等原因，會(huì)造成接觸線過高抬升，因此定位裝置應(yīng)具備限位功能。

3 新型小曲線定位裝置

3.1 定位器

通過上述情況的分析，需要選擇一種具有定位彎曲狀態(tài)的定位器，同時(shí)具備限位功能，只有鋁合金折角定位器滿足該要求，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 折角定位器結(jié)構(gòu)示意圖

為了證明折角定位器能夠代替軟定位器，在以下幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行比較。

（1）自身傾斜角度比較。在曲線段上，由于線路外軌超高，機(jī)車受電弓隨之向曲線內(nèi)側(cè)傾斜，為避免定位器碰撞受電弓，要求定位器具有一定的傾斜度，其傾斜度規(guī)定在1∶5～1∶10范圍。折角定位器的傾斜度為14°，軟定位器（圖2）的傾斜度為7.8°，14°＞7.8°，故折角定位器完全滿足在小曲線（半徑300～1 000 m）區(qū)段使用。

圖2 軟定位器結(jié)構(gòu)示意圖

（2）是否具有限位功能。如圖3所示，折角定位器可在抬升角大于10°的情況下被限位，可以防止定位器抬升過大，從而避免事故發(fā)生。軟定位器則沒有限位功能。

圖3 折角定位器抬升示意圖

（3）折角定位器與軟定位器工作性能比較如表1所示。

表1 折角定位器、軟定位器性能比較 kN

通過上述幾方面的比較，折角定位器帶限位支座，可以滿足定位、抬高和限位3個(gè)功能，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，折角定位器性能明顯優(yōu)于軟定位器性能。

3.2 新型小曲線定位裝置

如圖4（a）所示，小曲線半徑正定位裝置由定位支座、折角定位器、電氣連接線、定位線夾組成，其用于曲線半徑300～1 000 m的接觸網(wǎng)線路中間柱或轉(zhuǎn)換柱處，安裝在Φ60斜腕臂上連接折角定位器用于接觸線抬升限位。

圖4 小曲線半徑定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4（b）所示，小曲線半徑反定位裝置由定位支座、折角定位器、電氣連接線、定位線夾組成，其用于接觸網(wǎng)線路曲線半徑300～800 m的中間柱或轉(zhuǎn)換柱處，安裝在Φ48水平定位管上連接折角定位器用于接觸線抬升限位。

由于裝置中折角定位器自帶一定角度，與定位立柱上的定位環(huán)通過軟銅絞電連接線導(dǎo)流。無論是在曲線區(qū)段的曲內(nèi)或是在曲外安裝，均比直定位器能更好地控制與受電弓的關(guān)系，列車經(jīng)過時(shí)可以更好的防止振動(dòng)產(chǎn)生的疲勞磨損。根據(jù)歐姆定律，由于受流面積變大，電阻變小，在電壓不變的情況下電流增大，加之安裝電氣連接方便，因此電氣連接方面相比軟定位器導(dǎo)電性能更優(yōu)。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，小曲線半徑定位裝置性能滿足要求，如表2所示。

表2 小曲線半徑定位裝置性能 kN

本裝置已經(jīng)在時(shí)速160 km的線路上安裝試運(yùn)行，定位、抬升時(shí)能夠很好地滿足曲線半徑300～1 000 m接觸網(wǎng)線路中間柱、轉(zhuǎn)換柱處接觸線固定，并且具有限位功能，其定位支座上下高度調(diào)節(jié)也使折角定位器的規(guī)格更加簡單、標(biāo)準(zhǔn)化?，F(xiàn)場安裝效果如圖5所示。

圖5 小曲線半徑定位裝置

4 結(jié)語

通過分析目前常用的3種軟定位方式在提速工況下存在的問題，設(shè)計(jì)新型小曲線可調(diào)限位定位支座與折角定位器組合定位裝置，滿足小曲線區(qū)段的坡度要求和受拉要求，并且可調(diào)、安裝方便，具有穩(wěn)定的機(jī)械性能和限位功能，適應(yīng)鐵路提速后小曲線半徑區(qū)段定位處安裝規(guī)范化要求，使定位裝置運(yùn)行更加安全穩(wěn)定。