吳樹偉

(中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,天津 300250)

武廣客運(yùn)專線是國家“十一五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目,設(shè)計(jì)最高時(shí)速350 km。目前該線已投入運(yùn)營,顯示了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益,并驗(yàn)證了我國高速鐵路技術(shù)的可靠性。其中可靠供電是客運(yùn)專線安全、平穩(wěn)、高速運(yùn)行的重要保證,而供電質(zhì)量的好壞取決于高速運(yùn)行狀態(tài)下接觸網(wǎng)與受電弓的相互作用,所以,高速弓網(wǎng)關(guān)系是客運(yùn)專線關(guān)鍵技術(shù)之一,在武廣客運(yùn)專線聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段,弓網(wǎng)關(guān)系即是重要檢測內(nèi)容之一。在此,本文將就高速運(yùn)行狀態(tài)下弓網(wǎng)關(guān)系并結(jié)合武廣客運(yùn)專線聯(lián)調(diào)聯(lián)試中弓網(wǎng)受流情況進(jìn)行一些淺析。

1 接觸網(wǎng)受流分析

弓網(wǎng)關(guān)系的實(shí)質(zhì)就是要保證機(jī)車在高速運(yùn)行中通過受電弓獲取持續(xù)穩(wěn)定的電流。供電可靠性、供電質(zhì)量及弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行壽命主要依賴于受電弓和接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案和大量參數(shù)的選取。

1.1 接觸線的波動(dòng)速度

接觸線的波動(dòng)速度是控制運(yùn)行速度的重要條件。

接觸線的波動(dòng)傳播速度為

式中Cp——波動(dòng)傳播速度，km/h；

Tj——接觸線的水平張力，N；

gj——接觸線的質(zhì)量常數(shù)，kg/m。

在研究接觸線的波動(dòng)傳播速度的時(shí)候,一般還引入另外一個(gè)概念：無量綱速度β

式中v——實(shí)際運(yùn)行最高速度，km/h；

Cp——波動(dòng)傳播速度，km/h。

各國的理論研究及實(shí)踐均證明,實(shí)際最高運(yùn)行速度不應(yīng)超過波動(dòng)傳播速度的70%,即vmax≤0.7Cp,當(dāng)運(yùn)行速度大于波動(dòng)傳播速度的0.7倍,甚至達(dá)到或接近波動(dòng)速度(β≈1)時(shí),受流質(zhì)量就會(huì)嚴(yán)重惡化。

武廣客運(yùn)專線接觸線張力選用為30 kN,接觸線的線密度為1.35 kg/m,代入上述公式可知,接觸線的波動(dòng)速度為540 km/h,本線最高速度為350 km/h,即無量綱速度β為0.64,由此可見,本線接觸網(wǎng)系統(tǒng)滿足接觸線波動(dòng)速度的要求。

1.2 接觸懸掛的彈性

接觸網(wǎng)的彈性是評價(jià)鏈型接觸懸掛靜態(tài)特性的重要指標(biāo)參數(shù),它是借助彈性e和彈性不均勻度u來衡量評價(jià)的。彈性e是接觸線在受電弓抬升力作用下所具有的抬高性能(單位為mm/N),在每個(gè)跨距中,總會(huì)有一個(gè)彈性最大值和一個(gè)彈性最小值,所以彈性不均勻度就由下式來表示

根據(jù)時(shí)速大于300 km安裝彈性吊弦的接觸網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn),本線對接觸網(wǎng)彈性和不均勻度要求為

彈性最大值：emax<0.39 mm/N；

不平衡度最大值：u<10%。

1.3 受電弓特性

要想取得滿意的弓網(wǎng)受流質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)營的目標(biāo),不但要求接觸網(wǎng)應(yīng)具有優(yōu)越的性能,而且還應(yīng)要求與之匹配的受電弓也應(yīng)具有優(yōu)越的性能。

武廣客運(yùn)專線目前測試用受電弓有2種,一種是DSA380D型受電弓,此受電弓類型可運(yùn)行于380 km/h的速度,在德國的ICE3動(dòng)車組以及運(yùn)行速度350 km/h的西班牙EMU Talgo350上正在使用；另一種受電弓為SSS400+型,此受電弓類型可運(yùn)行于400 km/h的速度,在運(yùn)行速度350 km/h的西班牙Velaro動(dòng)車組上正在使用。

另外,在聯(lián)調(diào)聯(lián)試的最后階段還采用了Cx有源受電弓。該型受電弓為單臂結(jié)構(gòu),可通過電子卡調(diào)整受電弓壓力。

1.4 弓網(wǎng)受流評判標(biāo)準(zhǔn)

日本、德國、法國等國家高速鐵路根據(jù)本國國情,均制定了相應(yīng)的弓網(wǎng)受流評判標(biāo)準(zhǔn),3國的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(包括評價(jià)項(xiàng)目、指標(biāo)等)各不相同,具體內(nèi)容見表1。

由于歐洲鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)不是拘于某一個(gè)國家制定而是歐洲各國在總結(jié)高速接觸網(wǎng)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上達(dá)成的共識(shí),因此可以認(rèn)為采用歐洲鐵路聯(lián)盟關(guān)于弓網(wǎng)受流質(zhì)量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更具有權(quán)威性和公正性。

表1 高速鐵路各國弓網(wǎng)受流評標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

武廣客運(yùn)專線弓網(wǎng)受流標(biāo)準(zhǔn)即是依據(jù)歐洲鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)EN50317《受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互測量系統(tǒng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、EN50318《歐洲受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用仿真評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、EN50367《歐洲鐵路弓網(wǎng)受流技術(shù)規(guī)范》等文件制定。

2 武廣客運(yùn)專線弓網(wǎng)關(guān)系分析

2.1 接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)

武廣客運(yùn)專線接觸網(wǎng)采用彈性鏈型懸掛,它是基于西班牙馬德里—巴塞羅那高速鐵路EAC-350系統(tǒng),并根據(jù)我國國情進(jìn)行了適當(dāng)修改。

接觸線采用截面為150 mm2的銅鎂合金接觸線(CTMH-150),張力為30 kN；承力索采用截面為120 mm2的銅鎂合金承力索(JTMH120),張力為21 kN。

接觸線懸掛點(diǎn)距軌面的高度一般為5 300 mm,最低點(diǎn)高度不小于5 150 mm。為保證良好的弓網(wǎng)受流質(zhì)量,高速正線接觸線工作部分不允許有坡度。

本線接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度一般為1 600 mm。當(dāng)受跨線建筑物凈空限制時(shí),結(jié)構(gòu)高度可酌情降低,但宜保證最短吊弦長度不宜小于500 mm。

拉出值是±300 mm。在橫向風(fēng)吹情況下的導(dǎo)線最大允許風(fēng)偏小于500 mm。

正線路基區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)跨距一般為50 m,橋上跨距一般為48 m。相鄰跨距之差不大于10 m。

腕臂系統(tǒng)采用鋁合金結(jié)構(gòu),定位器采用鋁合金限位定位器,最大限位抬升量為225 mm。

2.2 受電弓基本參數(shù)

受電弓尺寸：弓頭總寬度為1 950 mm,弓頭工作區(qū)為450 mm,弓頭輪廓符合UIC-608VE附件4a規(guī)定。

受電弓靜抬升力為60～100 N；

正線受電弓動(dòng)態(tài)工作范圍：直線區(qū)段水平晃動(dòng)250 mm；曲線區(qū)段水平晃動(dòng)350 mm,最大動(dòng)態(tài)抬升量150 mm。

2.3 接觸網(wǎng)施工允許誤差

施工誤差是影響弓網(wǎng)受流關(guān)系的重要因素,施工誤差包括支柱的垂直度、腕臂的裝配、吊弦的安裝、接觸線的平直度等,武廣客運(yùn)專線對接觸網(wǎng)安裝的要求如表2所示。

表2 接觸網(wǎng)施工允許誤差

表2數(shù)值為施工最終控制誤差范圍,整個(gè)施工過程中造成誤差原因很多,主要有人、機(jī)、料、法、環(huán)等五大要素,在每一要素中均應(yīng)提出控制施工誤差的減小和疊加的措施,以此來保證誤差范圍滿足要求,滿足高速運(yùn)行狀態(tài)下的弓網(wǎng)受流質(zhì)量。

2.4 弓網(wǎng)受流評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

武廣客運(yùn)專線接觸網(wǎng)系統(tǒng)由德國BB公司技術(shù)總負(fù)責(zé),其中聯(lián)調(diào)聯(lián)試中對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的測試和評估也由BB公司負(fù)責(zé)完成。弓網(wǎng)受流標(biāo)準(zhǔn)采用即是依據(jù)歐洲鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)EN50317《受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互測量系統(tǒng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》,EN50318《歐洲受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用仿真評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》,EN50367《歐洲鐵路弓網(wǎng)受流技術(shù)規(guī)范》以及《對歐洲鐵路供電子系統(tǒng)兼容的技術(shù)解釋性文件》(簡稱“供電TSI”)等文件制定。

2.4.1 接觸網(wǎng)靜態(tài)幾何尺寸

對接觸線導(dǎo)高、拉出值、定位器靜態(tài)、支柱側(cè)面限界等進(jìn)行檢測,以確認(rèn)接觸網(wǎng)靜態(tài)尺寸是否符合設(shè)計(jì)文件要求。

2.4.2 接觸網(wǎng)靜態(tài)彈性

彈性最大值:emax<0.39 mm/N；

不平衡度最大值:u<10%。

2.4.3 定位器抬升量

定位器在懸掛點(diǎn)的抬升量應(yīng)符合德鐵DS997.9113的規(guī)定。根據(jù)基本設(shè)計(jì)文件中弓網(wǎng)模擬報(bào)告,定位器在懸掛點(diǎn)的最大抬升量的仿真模擬值為110 mm,懸掛點(diǎn)處自由抬升量的設(shè)計(jì)范圍至少是仿真模擬量的2倍，但最大抬升量不得小于150 mm。

2.4.4 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力

根據(jù)“供電TSI”及EN50317的規(guī)定,弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力一般采用平均接觸力(FM)、最大接觸力(Fmax)、最小接觸力(Fmin)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)等參數(shù)來表示。各參數(shù)具體評判標(biāo)準(zhǔn)如下

Fm=0.000 97×v2+70(N) (v—運(yùn)行速度，km/h)

Fmax=FM+3δ(N)

Fmin=FM-3δ(N)

δ≤0.3FM

3 武廣客運(yùn)專線弓網(wǎng)關(guān)系檢測

2009年7月5日至7月20日,以及2009年8月7日至8月15日期間,武廣客運(yùn)專線接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了測試行駛,測試的主要目的是檢測接觸網(wǎng)的幾何數(shù)據(jù)位置、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力及標(biāo)準(zhǔn)偏差,測試速度最快達(dá)到353 km/h。

3.1 檢測方式

接觸網(wǎng)系統(tǒng)的檢測采用鐵科測試車CRH2-061(圖1),該車受電弓為SSS400+(受電弓-6號(hào)),還配備了接觸力測量系統(tǒng)和無接觸光學(xué)測量系統(tǒng)。此外,該受電弓上還安裝了用于動(dòng)態(tài)測試的錄像設(shè)備。

圖1 檢測列車運(yùn)行方向示意

在對幾何數(shù)據(jù)位置進(jìn)行測量時(shí),要求降下6號(hào)受電弓,升起4號(hào)受電弓,檢測列車的行駛方向如箭頭所示,這樣4號(hào)受電弓處導(dǎo)線的抬升不會(huì)對6號(hào)受電弓處光學(xué)測試結(jié)果有影響；在測量動(dòng)態(tài)量(接觸力等)時(shí),要求降下4號(hào)受電弓,升起6號(hào)受電弓,此時(shí),列車前后兩個(gè)方向均能行駛測量。

3.2 檢測內(nèi)容

接觸網(wǎng)檢測分為靜態(tài)檢測、動(dòng)態(tài)檢測、聯(lián)調(diào)聯(lián)試3個(gè)階段,在每個(gè)階段,均有相應(yīng)的檢測內(nèi)容與之相對應(yīng)。

靜態(tài)檢測主要是對接觸網(wǎng)幾何安裝尺寸進(jìn)行的檢測,一個(gè)是安裝階段,采用激光檢測儀,水平尺,梯車等工具,另一個(gè)是完工之后檢測車低速檢測,采用無接觸光學(xué)測量系統(tǒng)。主要內(nèi)容包括導(dǎo)高、拉出值、定位器坡度、限界、動(dòng)態(tài)包絡(luò)線等。

動(dòng)態(tài)檢測是在完成靜態(tài)檢測及相應(yīng)接觸網(wǎng)缺陷整改的基礎(chǔ)上進(jìn)行。采用接觸力測量系統(tǒng),主要檢測內(nèi)容為弓網(wǎng)間動(dòng)態(tài)接觸力、接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差及定位器的抬升值等。

靜態(tài)檢測設(shè)備主要采用無接觸光學(xué)測量系統(tǒng),動(dòng)態(tài)檢測設(shè)備采用接觸力測量系統(tǒng),這兩套設(shè)備均由德鐵提供。

3.3 檢測步驟

接觸網(wǎng)檢測必須按照一定的步驟進(jìn)行,以便不斷的發(fā)現(xiàn)缺陷,進(jìn)行整改,再進(jìn)行下一步的檢測。一般要求的檢測步驟如下。

(1)不升測量受電弓(即,降6號(hào)受電弓,升4號(hào)受電弓),使用光學(xué)測量設(shè)備,以時(shí)速60 km進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)內(nèi)容為接觸網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)。

(2)對檢測結(jié)果進(jìn)行評估,存在缺陷提交施工部門進(jìn)行整改。

(3)缺陷整改之后,重復(fù)步驟一,以便對已經(jīng)發(fā)生變化了的靜態(tài)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行檢驗(yàn)。

(4)再次對更新后的測試結(jié)果進(jìn)行評估,存在缺陷再次提交施工部門整改。

(5)只有在完成了第4步驟之后,才會(huì)對弓網(wǎng)接觸力和接觸線動(dòng)態(tài)抬升量進(jìn)行檢驗(yàn)。這需要在測試車上利用接觸力測試系統(tǒng)和光學(xué)測量系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行測量。

測試時(shí),應(yīng)按照漸進(jìn)原則,逐步提高至最高350 km/h速度進(jìn)行。

(6)在完成了以上的各個(gè)步驟之后,可對整個(gè)檢測地段弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行總體測評。

4 弓網(wǎng)關(guān)系測試結(jié)果

4.1 靜態(tài)幾何參數(shù)

2009年7月14日以時(shí)速60 km,對武漢—廣州下行線的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量。測試結(jié)果以圖表形式表示,圖2所示為里程約K1410處接觸網(wǎng)拉出值及導(dǎo)高數(shù)據(jù)圖表。

圖2 接觸網(wǎng)拉出值及導(dǎo)高檢測數(shù)據(jù)

曲線1：帶邊界值的拉出值(+/-300 mm)

曲線2：帶邊界值的導(dǎo)高(5 330 mm/5 270 mm)

通過對帶邊界值的圖表解讀,可以清晰的判讀存在超出誤差范圍的位置及存在的問題,之后將缺陷報(bào)告提交給施工部門進(jìn)行整改,進(jìn)行整改之后,根據(jù)流程,再次測試,再次測設(shè)結(jié)果可以與前一次測量結(jié)果相對照。

經(jīng)過反復(fù)測試、調(diào)整,接觸網(wǎng)的靜態(tài)幾何數(shù)據(jù)得到了很大的改善,靜態(tài)數(shù)據(jù)均符合高速測試要求。

4.2 接觸網(wǎng)彈性

為了測量接觸網(wǎng)的彈性,在郴州—耒陽區(qū)間任意選定的兩跨內(nèi)(支柱46,48,50),使用定義為200 N的力對接觸網(wǎng)的抬升進(jìn)行測量,測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 接觸網(wǎng)彈性數(shù)據(jù)

從上圖中可以得出結(jié)論。

支柱上的彈性：emin=0.26 mm/N；

跨中的彈性：emax=0.31～0.32 mm/N；

不同類型接觸網(wǎng)的不平衡度：u=(emax-emin)/(emax+emin)×100%。即u=8.8%～10%

由上述數(shù)值可知,滿足高速接觸網(wǎng)彈性要求。

4.3 定位器抬升值

定位器的抬升值可以通過兩種方式來評估,一種是通過測量儀器生成的圖表來判讀定位器動(dòng)態(tài)抬升,另一種是通過時(shí)速350 km的視頻圖片預(yù)測近似值,這兩種方式可以互相印證。

測試結(jié)果表明,在時(shí)速350 km的時(shí)候,定位器最大動(dòng)態(tài)抬升為100 mm,滿足基本設(shè)計(jì)文件中抬升量要求。

4.4 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力

在測試中,靜態(tài)接觸壓力設(shè)定為100 N,所允許的接觸力邊界值也相應(yīng)的進(jìn)行了調(diào)整,根據(jù)2.4.4弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),接觸力邊界值如下：

Fm=218.8 N；

Fmax=FM+3δ=415.8 N；

Fmin=FM-3δ=21.9 N。

圖4表示速度為350 km/h時(shí)的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差σ,從圖中可以判定出其范圍為50 N。

圖4 接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)

圖5為對動(dòng)態(tài)接觸力的統(tǒng)計(jì)值以及同TSI標(biāo)準(zhǔn)的邊界需求進(jìn)行的對比。

圖5 接觸力波動(dòng)范圍邊界

從圖中可知,動(dòng)態(tài)接觸力的最大值及最小值分別為Fmax=415.8 N、Fmin=21.9 N,均在接觸網(wǎng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

最小值均大于零,與很少出現(xiàn)電火花現(xiàn)象較為吻合。

動(dòng)態(tài)接觸力范圍波動(dòng)相對較大,是因?yàn)樵跍y試過程中,受電弓的空氣動(dòng)力明顯不夠協(xié)調(diào),導(dǎo)致受電弓兩個(gè)碳滑板接觸力的比值過大所致。

5 結(jié)論

經(jīng)過接觸網(wǎng)靜動(dòng)態(tài)檢測、消缺、調(diào)整、接觸網(wǎng)再檢測一系列工作等,武廣客運(yùn)專線弓網(wǎng)關(guān)系達(dá)到了良好的狀態(tài),保障了動(dòng)車組達(dá)到350 km/h的運(yùn)行速度。通過武廣客運(yùn)專線弓網(wǎng)關(guān)系檢測可以得出以下的結(jié)論。

(1)在弓網(wǎng)關(guān)系評價(jià)中，采用以靜態(tài)幾何參數(shù)及弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力、標(biāo)準(zhǔn)偏差為主要評判標(biāo)準(zhǔn)的接觸網(wǎng)弓網(wǎng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系是合適的,我國的弓網(wǎng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可在上述標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。

(2)受電弓參數(shù)及空氣動(dòng)力性能對弓網(wǎng)關(guān)系影響很大。應(yīng)通過調(diào)整受電弓導(dǎo)流翼片等方式優(yōu)化空氣動(dòng)力性能,使受電弓兩個(gè)碳滑板上接觸力比值范圍處于0.8～1.2；或更換更高性能受電弓,如法國Cx受電弓,其可自動(dòng)調(diào)整受電弓壓力。

(3)施工誤差也是影響弓網(wǎng)受流關(guān)系的重要因素,施工誤差包括支柱的垂直度、腕臂的裝配、吊弦的安裝、接觸線的平直度等,其中吊弦的安裝及接觸線的平直度對弓網(wǎng)受流影響最大,因此對于吊弦安裝精度以及接觸線的放線工藝是施工控制的關(guān)鍵要點(diǎn)。

(4)應(yīng)以武廣客運(yùn)專線建設(shè)為契機(jī),盡快建立于我國客運(yùn)專線接觸網(wǎng)/受電弓系統(tǒng)相適應(yīng)的仿真、設(shè)計(jì)、施工、檢測、運(yùn)營等一系列標(biāo)準(zhǔn),為我國客運(yùn)專線的建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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