張 令

0 引言

近年來，隨著一大批時(shí)速350 km 客運(yùn)專線相繼投入運(yùn)營，中國鐵路吸引了海外眾多目光，越來越多的國家在鐵路建設(shè)方面尋求與中國合作，中國鐵路逐漸發(fā)展到由“引進(jìn)來”到“走出去”的歷史性轉(zhuǎn)折點(diǎn)。作為中國在東歐地區(qū)承建的第一個(gè)鐵路項(xiàng)目——白俄羅斯奧希波維奇—日洛賓鐵路電氣化建設(shè)項(xiàng)目（下文簡稱白俄項(xiàng)目）正是在這樣的背景下啟動(dòng)的。

白俄項(xiàng)目為既有線電氣化改造工程，線路為I級(jí)雙線鐵路，設(shè)計(jì)速度160 km/h，軌距1 520 mm，最小曲線半徑485 m。接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由白鐵聯(lián)盟設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)，中方負(fù)責(zé)詳細(xì)設(shè)計(jì)及部分接觸網(wǎng)設(shè)備材料的供貨和施工。由于歷史原因，白俄羅斯現(xiàn)行接觸網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一直沿用前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，與中國現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在差異。雖然中國的接觸網(wǎng)產(chǎn)品電氣和機(jī)械性能總體要高于白俄羅斯方現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但因標(biāo)準(zhǔn)差異，中國產(chǎn)品的外形、材質(zhì)等參數(shù)無法與白俄羅斯方技術(shù)要求完全一致，給國產(chǎn)接觸網(wǎng)產(chǎn)品在白俄項(xiàng)目中的推廣和應(yīng)用帶來極大困難。

1 兩國接觸網(wǎng)系統(tǒng)差異及兼容問題

1.1 接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)理念的差異

根據(jù)白俄羅斯方接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求，160 km/h的線路均采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛，同時(shí)白俄羅斯方技術(shù)人員從主觀上也認(rèn)為簡單鏈形懸掛無法適應(yīng)項(xiàng)目的運(yùn)營速度。因此，在初步設(shè)計(jì)階段，白俄羅斯方原型接觸網(wǎng)系統(tǒng)正線采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛，具體導(dǎo)線組合為 ПБСМ95+МФ100（18 kN+10.5 kN），彈性吊索為35 mm2的銅合金絞線，張力3.5 kN；站線采用全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛，具體導(dǎo)線組合為ПБСМ70+МФ85（10 kN+8.25 kN）。事實(shí)上，根據(jù)國內(nèi)接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，時(shí)速250 km/h 及以下線路接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛是完全適宜的。

1.2 接觸網(wǎng)主要線材的差異

根據(jù)白俄羅斯方提供的技術(shù)文件顯示ПБСМ型承力索為銅包鋼絞線，МФ 型接觸線為銅接觸線，在符合中國現(xiàn)行鐵標(biāo)的承力索、接觸線產(chǎn)品中無法找到完全相同的類型，尤其是接觸線，其懸吊溝槽角度和寬度與現(xiàn)行TB/T2809-2005 中完全不同（圖1、圖2）。

1.3 不同標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的兼容問題

眾所周知，接觸網(wǎng)零部件接口尺寸取決于與其連接線材的外形尺寸，如定位線夾、接觸線中錨線夾、接觸線電連接線夾、吊弦線夾等零件的齒形角度與接觸線的懸吊溝槽角度完全一致，才能確保兩者更緊密的貼合。另一方面，銅包鋼承力索由于其自身抗拉強(qiáng)度較大，原型系統(tǒng)中承力索的額定工作張力相對(duì)較大（18 kN），而中國類似速度等級(jí)線路的承力索額定張力一般為15 kN，與其配套的承力索終端錨固線夾、中心錨結(jié)線夾的滑動(dòng)荷載、破壞荷載等力學(xué)指標(biāo)主要以工作張力15 kN 考核，若配合銅包鋼線使用且不降低工作張力，可能導(dǎo)致零件安全裕度降低。

圖2 中國鐵標(biāo)接觸線溝槽參數(shù)（27°+51°）示意圖

因此，線材和零部件必須在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上配合使用才能確保系統(tǒng)的可靠性，有效控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。而根據(jù)白俄羅斯方標(biāo)準(zhǔn)重新研制非標(biāo)的產(chǎn)品費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在工期緊張的情況下不具備可操作性，只能采用國內(nèi)主流接觸網(wǎng)產(chǎn)品（即線材和零部件均采用中國生產(chǎn)），并通過對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，確保優(yōu)化后的系統(tǒng)性能不低于原系統(tǒng)性能，才有可能說服業(yè)主接受中國產(chǎn)品。

2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 承力索及接觸線采用國內(nèi)主流產(chǎn)品

結(jié)合國內(nèi)外電氣化鐵路發(fā)展現(xiàn)狀，接觸線與承力索采用同類材質(zhì)早已是一大趨勢(shì)，因兩者線性膨脹系數(shù)一致，在提高施工精度的同時(shí)也降低了運(yùn)營維護(hù)工作量，對(duì)改善弓網(wǎng)受流性能效果明顯。國內(nèi)承力索普遍采用銅或銅合金絞線，銅合金絞線具備耐高溫性能好、抗拉強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，可有效降低承力索斷線幾率，提高接觸網(wǎng)的安全可靠性，因此，優(yōu)化后承力索采用JTМH 型銅合金絞線。

國內(nèi)類似線路，接觸線主要以銅銀合金和銅錫合金線為主，銅錫合金線的導(dǎo)電率相對(duì)較低，但抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高（430 МPa 以上）。在耐磨耗性能方面，銅錫合金線的耐磨性能優(yōu)于銅銀合金線，在制造工藝方面，兩者基本無差別，均能滿足白俄項(xiàng)目的接觸線載流要求。經(jīng)綜合考慮，優(yōu)化后接觸線采用銅錫合金接觸線。

鑒于現(xiàn)行鐵標(biāo)中已無標(biāo)稱截面為100 mm2的接觸線產(chǎn)品，因此正線接觸線優(yōu)化后采用與原型最為接近的CTS110 型接觸線。

2.2 正線張力體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

世界各國經(jīng)過多年的運(yùn)營實(shí)踐和理論研究逐漸形成了各自不同的弓網(wǎng)受流評(píng)判體系，但有一點(diǎn)是被大家一致認(rèn)同的，即提高接觸網(wǎng)的波動(dòng)傳播速度是提高列車運(yùn)行速度的基本方向。EN50119 中明確規(guī)定列車運(yùn)行速度在接觸線的波動(dòng)傳播速度的70%以下。接觸線波動(dòng)傳播速度理論公式為

式中，C 為接觸線波動(dòng)傳播速度，km/h；T 為接觸線張力，N；ρ 為接觸線線密度，kg/m。

由式（1）可知，提高接觸線波動(dòng)速度可通過提高接觸線張力或降低接觸線的線密度來實(shí)現(xiàn)。使用CTS110 型代替МФ100 型，增大了接觸線的線密度，必須適當(dāng)增加接觸線張力以提高接觸線波動(dòng)速度，從而保證弓網(wǎng)受流質(zhì)量不低于原型系統(tǒng)。結(jié)合國內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)以及銅錫合金接觸線的抗拉強(qiáng)度，優(yōu)化后接觸線張力采用13 kN。通過式（1）可分別求得2 種接觸線在2 種工作張力下波動(dòng)速度：

CTS110 型：C= 412 km/h

МФ100 型：C= 390 km/h

同時(shí)，根據(jù)EN50119 規(guī)定，接觸線的設(shè)計(jì)使用應(yīng)力不應(yīng)大于其最大許用應(yīng)力的65%。銅錫合金接觸線最大設(shè)計(jì)使用應(yīng)力：

式中，Ktemp為溫度系數(shù)，取0.9；Kwear為接觸線允許磨耗系數(shù)，取0.8；Kload為風(fēng)和冰荷載系數(shù)，取0.9；Keff為補(bǔ)償效率系數(shù)，取0.95；Kclamp為接觸線終端錨固線夾系數(shù)，取1；Kjoint為接觸線焊接接頭系數(shù)，取1。

計(jì)算求得：σw= 136 N/mm2。

由此可求得CTS110 型接觸線最大設(shè)計(jì)使用張力可達(dá)17.98 kN，當(dāng)接觸線額定工作張力采用 13 kN 時(shí)，其強(qiáng)度安全系數(shù)完全滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求。

合理選擇承力索張力對(duì)提高接觸網(wǎng)安全性、可靠性和弓網(wǎng)受流質(zhì)量同樣非常重要。原型接觸網(wǎng)系統(tǒng)中采用ПБСМ95 型銅包鋼絞線，額定張力為 18 kN，當(dāng)采用JTМH95 型承力索后，工作張力如仍維持18 kN 已不合適。首先，銅鎂合金承力索抗拉強(qiáng)度低于前者，降低承力索工作張力能有效提高承力索的強(qiáng)度安全系數(shù)，從而提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和可靠性；其次，TB/T 2075-2010 中規(guī)定95型承力索終端錨固線夾最大工作荷重為16.5 kN，當(dāng)工作張力超過該值后，零件的安全裕度有所降低；最后，有理論分析證明，通過降低承力索張力來減小增強(qiáng)因數(shù)γ 對(duì)改善受流質(zhì)量是有利的。增強(qiáng)因數(shù)計(jì)算公式：

式中，TC、ρC、TJ、ρJ分別為承力索工作張力、承力索線密度、接觸線工作張力、接觸線線密度，Cp為接觸網(wǎng)波動(dòng)速度，v 為列車運(yùn)行速度。

通過式（3）—式（5）可以看出，在其他條件不變的前提下，采用增大接觸線張力，減小承力索張力的方法可以減小反射因數(shù)r，從而達(dá)到減小增強(qiáng)因數(shù)γ 的目的。

因此，正線承力索工作張力優(yōu)化后由18 kN 降低至15 kN。正線接觸網(wǎng)張力體系推薦采用15 kN +13 kN（白俄羅斯方原設(shè)計(jì)為18 kN+10.5 kN）。

2.3 懸掛類型由彈性鏈形改簡單鏈形

目前各國廣泛采用的適應(yīng)于160 km/h 及以上速度的接觸網(wǎng)懸掛類型主要有全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛。

簡單鏈形懸掛具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，節(jié)省投資，施工調(diào)整和運(yùn)營維護(hù)相對(duì)方便，事故搶修難度較彈性鏈形懸掛小等優(yōu)點(diǎn)；后者具有彈性不均勻度小，接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差較小等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合項(xiàng)目線路條件的實(shí)際情況，區(qū)間小半徑曲線比較多，跨距較小，在該線路條件下采用彈性鏈形懸掛對(duì)提高受流質(zhì)量效果并不明顯，同時(shí)，項(xiàng)目工期緊張，彈性鏈形懸掛不利于工期控制。綜合考慮，接觸網(wǎng)懸掛類型采用全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛。

3 理論驗(yàn)證

根據(jù)提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)比系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行弓網(wǎng)受流質(zhì)量模擬計(jì)算，以驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性。

3.1 接觸網(wǎng)參數(shù)

接觸網(wǎng)模擬計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 接觸網(wǎng)模擬計(jì)算參數(shù)表

3.2 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

弓網(wǎng)關(guān)系的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)主要基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50119 及EN 50367，關(guān)鍵評(píng)判指標(biāo)如下：

（1）最大動(dòng)態(tài)接觸壓力Fmax＜300 N。

（2）最小動(dòng)態(tài)接觸壓力Fmin＞0 N。

（3）標(biāo)準(zhǔn)偏差SDF≤0.3 Fm（平均動(dòng)態(tài)接觸壓力）。

3.3 模擬結(jié)果

（1）速度160 km/h，接觸網(wǎng)采用彈性鏈形懸掛，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力及接觸線抬高量曲線如圖3、圖4所示。

圖3 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力曲線圖

圖4 接觸線抬高量曲線圖

（2）速度160 km/h，接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力、接觸線抬高量曲線如圖5、圖6所示。

圖5 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力曲線圖

圖6 接觸線抬高量曲線圖

3.4 模擬結(jié)果對(duì)比

通過以上模擬結(jié)果可以得出結(jié)論：優(yōu)化后的簡單鏈形懸掛設(shè)計(jì)方案在理論上完全能滿足時(shí)速 160 km 的弓網(wǎng)受流質(zhì)量要求，與原型彈性鏈形懸掛設(shè)計(jì)方案性能相當(dāng)（表2）。

表2 2 種懸掛方式的模擬結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié)語

白俄項(xiàng)目第一標(biāo)段接觸網(wǎng)系統(tǒng)已于2013年3月順利開通，弓網(wǎng)運(yùn)行狀況良好，實(shí)踐進(jìn)一步證明優(yōu)化后的接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的。

國情不同必然導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范存在較大差異，客觀上給中國的接觸網(wǎng)系統(tǒng)“走出去”造成了諸多困難。只有在確保接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和安全性的前提下結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案大膽地進(jìn)行優(yōu)化處理，使中國現(xiàn)有產(chǎn)品發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)，從整體性能上去滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，才能實(shí)現(xiàn)中國接觸網(wǎng)系統(tǒng)與境外鐵路系統(tǒng)的無縫對(duì)接，同時(shí)達(dá)到有效控制經(jīng)濟(jì)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。隨著中國承建的海外項(xiàng)目不斷增多，上述設(shè)計(jì)思路可為今后類似工程提供借鑒。

[1]于萬聚.高速鐵路電氣化接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2003.

[2]TB/T 2075-2010.電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3]TB/T 2809-2005.電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4]EN50119.Railway applications-Fixed installations-Electric traction overhead contact lines[S].Brussels:CENELEC,2001.

[5]EN50367.Railway applications-Current collection systems-Technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line(to achieve free access) [S].Brussels:CENELEC, 2006.