李增勤，閆軍芳，龔建剛，王小琴

0 引言

定位裝置作為高鐵接觸網(wǎng)關鍵核心部分之一，是支持結構中的主要組成部分，由定位環(huán)、定位管、定位支座、定位器及定位線夾等連接零部件組成[1]，其作用是將接觸線固定在受電弓取流所必要的空間位置，以確保受電弓能始終與接觸線接觸滑行，從而獲得高質量的電能，供給列車高速運行。定位裝置的振動特性和穩(wěn)定性對弓網(wǎng)運營安全和受流質量有決定性影響[2]，其結構應簡潔、穩(wěn)定，實現(xiàn)受電弓在運行過程中與接觸線的良好接觸和高質量取流。

隨著我國高速鐵路建設的快速、多元化發(fā)展，形成了大部分接觸網(wǎng)線路采用德國模式，東南沿海、西部大風環(huán)境中部分線路采用日本模式，個別線路采用法國模式的格局。但在工程建設實踐和運營維護中，逐漸暴露出一些問題，尤其是接觸網(wǎng)定位裝置存在參數(shù)不統(tǒng)一、安裝形式多樣、零件規(guī)格種類繁多、個別零部件服役性能不高等問題。因此，有必要對高鐵接觸網(wǎng)定位裝置進行研究改進，提升性能，實現(xiàn)標準化、統(tǒng)一化。本文從接觸網(wǎng)零件設計、產品制造的角度對定位裝置的技術發(fā)展進行研究探討，以期為行業(yè)發(fā)展提供參考。

1 定位裝置與受電弓處的主要技術要求及工作條件

1.1 弓網(wǎng)動態(tài)性能指標

依據(jù)《鐵路電力牽引供電設計規(guī)范》（TB 10009—2016），接觸網(wǎng)-受電弓相互作用的動態(tài)性能指標應符合表1的要求。

表1 接觸網(wǎng)-受電弓間相互作用的動態(tài)性能指標

1.2 受電弓動態(tài)包絡線

受電弓動態(tài)包絡線應符合表2的要求。

表2 受電弓動態(tài)包絡線擺動量及抬升量

所有定位裝置的結構模式首先需要滿足基本的弓網(wǎng)關系。接觸網(wǎng)的設計標準規(guī)定：當無抬升限制時，定位器應允許有相應于2倍預期抬升值的運行空間；有抬升限制時，應允許有預期抬升值的1.5倍允許空間；在接觸線最大允許磨耗和受電弓最大允許偏差情況下，接觸線的抬升不應導致受電弓與定位裝置的任何部件發(fā)生機械碰撞[3]。受電弓通過定位點時引起定位器狀態(tài)改變，如圖1所示。

圖1（a）所示為典型的Re330系統(tǒng)直型限位定位器，受電弓抬升按1.5×150 mm模擬，根據(jù)計算，安裝坡度極限值為4°時，受電弓和定位器出現(xiàn)交叉部分，定位器本體侵入受電弓動態(tài)包絡線，安全校驗不通過。圖1（b）所示為JIS限位定位器，在抬升180 mm時限位，無法繼續(xù)抬升，此時定位器始終在受電弓動態(tài)包絡線外。圖1（c）所示為TGV非限位定位器，最大抬升為300 mm時，定位器始終在受電弓動態(tài)包絡線外。

圖1 定位器與受電弓匹配關系（單位：mm）

2 國外原型結構組成及特點

隨著我國高鐵、客運專線大規(guī)模建設，開通線路越來越多，接觸網(wǎng)腕臂結構和定位裝置存在多種型式，國內應用較廣泛的定位裝置結構主要在引進德國Re330、日本JIS、法國TGV系列的基礎上進行國產化改進。300～350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)主要采用鋁合金定位裝置；200～250 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)主要采用鋼定位環(huán)和鋁合金定位裝置；在特殊氣象區(qū)域（如大風區(qū)）則采用整體鋼腕臂結構和鋁合金彈性定位裝置；廣深鐵路及石太客專采用了原裝進口法國定位立柱連接無限位功能弓形鉸接定位器。為了方便定位裝置結構選型，獲得較高的安全可靠性，有必要了解各種結構的技術特點和使用條件。不同結構定位裝置從結構、材質、工藝、應用等方面對比分析見表3。

3 我國高鐵定位裝置演變及改進

自2008年首條高鐵京津城際開通至今，我國已相繼建成了數(shù)十條、近4萬公里的高速鐵路。從第一條高鐵接觸網(wǎng)關鍵零部件100%進口，到武廣高鐵20%應用國產化產品，到京滬、哈大全部實現(xiàn)國產化，完成了引進、消化、吸收再創(chuàng)新過程，制造工藝達到世界先進水平。由表3可知，我國高鐵接觸網(wǎng)以德國模式為主，在東南沿海、西部大風環(huán)境中采用日本模式，少量線路采用了法國模式[7]。高鐵運營十余年期間，接觸網(wǎng)定位裝置結合工程應用，一直在不斷優(yōu)化改進。

表3 不同結構定位裝置對比

3.1 Re系列鋁合金定位裝置演變及改進

3.1.1 定位支座

定位支座的改進：一是原型定位支座的限位塊為圓柱形，當定位器發(fā)生較大偏轉時無法限位，將圓柱形限位塊改進為扇形限位塊；二是缺口處厚度較小、承載力較低，易斷裂，將缺口處的最低厚度由4 mm提高到6 mm。定位支座改進結構示意見圖2。

圖2 Re定位支座的改進

為了解決受電弓大抬升量要求、防止小限界時定位器安裝空間不足，開發(fā)了折彎型定位支座。相對于直型定位支座，折彎型定位支座結構高度增加了95 mm，使定位器懸掛點與定位管之間的距離達到277 mm；定位支座向后彎折，使定位懸掛點相對直型定位器向后平移了112 mm；采用弓形限位板，滿足左右偏轉60°時可靠限位。結構示意如圖3所示。

圖3 Re折彎型定位支座

在定位器實際應用中曾出現(xiàn)中心柱定位鉤和定位支座耳環(huán)由于水平拉力小甚至為零而導致接觸不緊密的情況，在定位器上下左右活動時，產生局部磨耗現(xiàn)象[4]。解決方案主要是要求定位器必須受一定的水平拉力。

3.1.2 折彎型定位器

Re系列定位器在特殊位置如曲線上需使用折彎型。原型折彎限位定位器為兩根矩形管通過中間接頭鉚接而成，存在重量較大易產生硬點，中間接頭受力不佳耐疲勞性能較差，工藝復雜導致成本較高等不足。針對上述不足，借鑒圓管定位器直接冷彎的技術，在提高矩形管材料性能的基礎上，研究了專用矩形管彎曲工藝，從而降低重量，減少應力集中，提高了彈性和疲勞強度，結構示意圖見圖4。新型折彎定位器可滿足受電弓較大抬升量以及曲線處大超高時受電弓傾斜的使用要求，適用于高速線路的各種工況，安裝、調試和維修更方便。該產品已經過京滬高鐵486.1 km/h試驗驗證，性能優(yōu)良。

圖4 Re折彎限位定位器的改進

3.2 JIS彈性限位定位裝置演變及改進

3.2.1 材料選用

由于中外材料牌號不完全一致，為實現(xiàn)國產化，首先需要確定材料。通過對比分析JIS零部件材料標準，結合國內原材料市場和產品使用技術要求、環(huán)境條件，確定材料選用如表4所示。

表4 JIS定位裝置國產化材料選用

3.2.2 定位支座

JIS定位支座原型如圖5（a）所示，限位塊與底座焊接為一體，無法調節(jié)高度，通過調節(jié)限位定位器、定位支座的相對安裝位置對限位高度進行微調，導致施工調節(jié)困難、限位高度不精準等問題。將定位支座限位檔塊由焊接改為調整螺栓，限位檔塊的高度通過旋轉螺栓實現(xiàn)無級調整，調整到位后采用鎖緊螺母鎖緊實現(xiàn)防松，簡單方便快捷，滿足了施工技術要求。改進后限位結構見圖5（b）。

圖5 JIS限位定位支座的改進

3.2.3 彈性定位器

優(yōu)化定位器管截面選型。通過對比計算，選取綜合性能更高的型材截面和壓接結構保證產品成型后的機械性能要求。由于截面的抗彎和抗扭強度與相應的截面系數(shù)成正比，φ34×5圓管的強度及抗彎、抗扭性能更優(yōu)，故選用φ34×5的定位器管。截面對比見表5，性能對比見表6。確定定位器管原材料后，對壓接工藝進行優(yōu)化；對彈性限位定位器中的彈簧進行性能計算、結構優(yōu)化設計，新的彈簧彈性曲線更精準、結構更科學，補償效果優(yōu)良。綜合優(yōu)化后的產品應用于蘭新二線，服役效果良好。

表5 鋁合金管材截面性能對比

表6 鋁合金6082、A5052TD性能對比

3.3 TGV非限位定位裝置演變及改進

3.3.1 定位支座

TGV定位支座包括定位立柱與定位底座兩部分，零件本體采用ZCuAl10Fe2鑄造銅合金工藝。在國產化過程中及工程應用中，發(fā)現(xiàn)的不足主要有：定位底座采用U螺栓鉸接式結構，由于U螺栓的受力為線接觸，滑移性能不夠穩(wěn)定且難以提高；采用鑄造銅合金工藝，無法避免縮松、夾渣、夾雜、氣孔等鑄造缺陷，成品率低，且需要逐件探傷檢測，職業(yè)傷害風險高、成本高。

國產化時首次改進是將鑄造銅合金改為鍛造銅合金，結構未作調整。在驗證時發(fā)現(xiàn)，改進后未徹底解決滑移性能不穩(wěn)定問題，另外銅合金與鋁合金管之間存在電化學腐蝕風險。第二次改進則在結構上借鑒抱箍式結構，將材料改為鋁合金；鍛造工藝穩(wěn)定性高，生產效率大幅度提高。改進型產品抗滑移性能優(yōu)異，鉸接式抱箍結構螺紋副數(shù)量減少，產品的防松、耐磨和可靠性高，同時避免了異種金屬間的電化學腐蝕。定位支座改進結構見圖6。

圖6 TGV定位支座的改進

3.3.2 定位器

TGV原型定位器管采用弓型結構，兩端連接件與定位器管連接均采用壓接工藝，連接件材質為45#、Q235B鋼材質，壓接工藝為徑向大變形縮頸壓接。在國產化時發(fā)現(xiàn)存在以下問題：（1）兩端連接件為鋼材質，重量大易產生硬點，鋼材質與鋁合金管會引起異種金屬間的電化學腐蝕；（2）大變形縮徑壓接變形量達3～5 mm，易造成管材內部應力集中，形成微裂紋等缺陷，嚴重影響抗疲勞性能；（3）定位器管的圓弧半徑較小，成型時存在管外側變形應力過大產生微裂紋風險。

結合Re定位器經驗，將兩端連接頭材質改為6082鋁合金、鍛造工藝，統(tǒng)一了材質，減輕了整體重量，避免異種金屬間的電化學腐蝕；采用縮徑僅為1.3～1.7 mm的微壓工藝，定位管變形量小，有效避免管徑產生微裂紋的隱患；經過計算、仿真模擬，重新設計了定位器管的圓弧結構，圓弧更大，與受電弓包絡線匹配性更好，定位器受力更合理。改進后產品的整體重量更輕，抗破壞強度提高了50%以上，經在京滬、京沈等線路試用，證明了其服役性能更加優(yōu)良。產品結構見圖7。

圖7 TGV非限位定位器的改進

3.4 綜合優(yōu)化的新型定位裝置

3.4.1 新型定位裝置的研制

通過多年技術引進、消化、吸收、研究改進，基本上實現(xiàn)了對德國Re、日本JIS、法國TGV系統(tǒng)接觸網(wǎng)技術的全面理解掌握，具備了博采眾長、優(yōu)化創(chuàng)新、打造中國標準接觸網(wǎng)定位裝置的基礎。通過結構、材料、工藝設計等方面的綜合優(yōu)化改進，創(chuàng)新性地提出結構簡約、連接可靠、非限位弓形結構的定位裝置方案，詳細對比分析見表7，新型腕臂定位裝置如圖8所示。

圖8 新型定位裝置

表7 新型定位裝置綜合優(yōu)化對比分析

3.4.2 新型定位裝置弓網(wǎng)受流性能試驗

對綜合優(yōu)化的新型定位裝置與Re330定位裝置的弓網(wǎng)受流性能進行對比測試，測試以接觸網(wǎng)的跨距作為基本統(tǒng)計單位，在每一跨內分析統(tǒng)計出弓網(wǎng)接觸力的最大值、平均值和最小值[5]；硬點參數(shù)（受電弓垂向加速度）的最大值；接觸線的最大動態(tài)高度、最小動態(tài)高度和動態(tài)高差；同一速度級單程下弓網(wǎng)燃弧次數(shù)、最大燃弧時間以及燃弧率[6]。數(shù)據(jù)及對比結果見表8。

表8 弓網(wǎng)受流性能對比測試數(shù)據(jù)及對比結果（v = 350 km/h）

由表8可知，在350 km/h高速運行工況下，關鍵的9項弓網(wǎng)受流性能中，新型定位裝置產品有6項更優(yōu)秀，2項持平，1項略低，綜合性能大幅度提升。

4 結語

通過對我國高速鐵路工程應用的各類接觸網(wǎng)定位裝置的結構、工藝、材料、性能等分析研究及優(yōu)化改進情況進行總結優(yōu)化改進，形成了新型接觸網(wǎng)定位裝置。新型接觸網(wǎng)定位裝置吸收了世界先進產品的優(yōu)點，改進了缺點和不足，具有結構重量輕、無集中載荷、材料選用更優(yōu)、工藝性好、抗疲勞性高、環(huán)境適應性廣等特點[7]。通過弓網(wǎng)靜態(tài)性能、動態(tài)性能、定位點動態(tài)抬升以及零部件服役狀態(tài)、抽樣考核等試驗，表明新型接觸網(wǎng)定位裝置動態(tài)接觸力、燃弧等弓網(wǎng)受流性能指標優(yōu)良，檢測數(shù)據(jù)優(yōu)于傳統(tǒng)定位裝置，服役性良好，滿足相關標準要求[8]；驗證數(shù)據(jù)證明新型接觸網(wǎng)定位裝置的穩(wěn)定性、可靠性及安全性較好。為統(tǒng)一接觸網(wǎng)安裝型式、材質標準，適應各種復雜工況，提高產品的服役性能，打造具有完全自主知識產權的中國高鐵接觸網(wǎng)產品標準奠定了基礎，為中國高鐵“走出去”提供了裝備支撐，具有廣闊的應用前景。