蔣先國(guó)，羅健，劉永紅，范海江

（1.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 電化電信工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308；3.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 工程管理中心，北京 100844）

0 引言

我國(guó)鐵路傳統(tǒng)接觸網(wǎng)安裝形式多樣、結(jié)構(gòu)種類龐雜、零件規(guī)格繁多，各相同速度等級(jí)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在差異。其中腕臂結(jié)構(gòu)存在鋁合金平腕臂結(jié)構(gòu)、水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)、整體鋼腕臂結(jié)構(gòu)等多種形式；定位裝置存在限位定位器、非限位定位器、帶彈性定位器等多種結(jié)構(gòu)［1］。在我國(guó)鐵路發(fā)展初期，需要多樣化方式來實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)工程技術(shù)的繁榮發(fā)展，但隨著時(shí)間的推移，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、安裝圖紙、裝備制造的多樣化導(dǎo)致接觸網(wǎng)裝備種類、形式繁多，甚至出現(xiàn)了10余種接觸網(wǎng)裝備都能滿足同一功能需求的情況。同時(shí)，其種類和形式的不同，增加了設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)制造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等多方面的難度［2-5］，因此迫切需要從源頭上進(jìn)行統(tǒng)一、簡(jiǎn)化。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)及裝備系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)統(tǒng)化一直是我國(guó)鐵路持續(xù)發(fā)展的必由之路。以有利于設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)維各個(gè)環(huán)節(jié)，有利于裝備源頭質(zhì)量控制，有利于降低系統(tǒng)全生命周期成本，有利于提高系統(tǒng)安全性、可靠性［6-7］為目標(biāo)，研究形成我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的簡(jiǎn)統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備技術(shù)具有創(chuàng)新意義。

1 國(guó)外接觸網(wǎng)發(fā)展概況

國(guó)外鐵路接觸網(wǎng)技術(shù)和裝備發(fā)展較為成熟的國(guó)家有德國(guó)、法國(guó)、日本等，其技術(shù)和裝備各有特點(diǎn)、自成體系［8-10］。

德國(guó)鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)按照速度分為Re160、Re200、Re250、Re330等系列形式，不同系列接觸網(wǎng)既有技術(shù)上的統(tǒng)一性和關(guān)聯(lián)性，又有適應(yīng)不同速度所需的差異性，合理地分布了關(guān)鍵技術(shù)資源，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的合理統(tǒng)一。統(tǒng)籌考慮各種因素，德國(guó)鐵路從眾多標(biāo)準(zhǔn)化和市場(chǎng)流通的原材料中選用鑄造鋁合金材料，腕臂管及定位器管均采用變形鋁合金AlMgSi1F31（EN AW 6082）；連接零部件采用AlMg7Si0.3或AlMg7Si0.6鋁合金。模鍛件采用AlMgSi1F31（EN AW 6082）鋁合金，這種合金可以時(shí)效強(qiáng)化，其強(qiáng)度滿足實(shí)際負(fù)載的要求。

日本高速鐵路已有50多年歷史，高速鐵路接觸網(wǎng)采用的支撐結(jié)構(gòu)為三角形平腕臂整體結(jié)構(gòu)，腕臂為鋼材質(zhì)，腕臂及定位裝置中的連接件采用鋼制板材沖壓并焊接工藝加工，連接件為鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。定位管與腕臂管連接相對(duì)固定，采用熱浸鍍鋅工藝防腐。定位器采用彈性限位定位器，減小定位點(diǎn)處的弓網(wǎng)接觸硬點(diǎn)，并防止在受電弓抬升力過大時(shí)碰撞定位管。一般地區(qū)采用鋁合金定位器，定位器管材采用5系鋁合金，在污染嚴(yán)重地區(qū)和隧道中采用鋁青銅定位器?？紤]到隧道區(qū)段的防火問題，連接部件采用銅合金件。區(qū)間線路和車站正線采用變比鼓輪補(bǔ)償裝置，下錨墜砣為鑄鐵或鋼筋混凝土墜砣，目前大量墜砣式重力補(bǔ)償裝置已更換為彈簧補(bǔ)償裝置。為了防腐蝕，螺栓采用不銹鋼制造，在海底隧道中還特別采用了加鉬的SUS316型不銹鋼螺栓。

法國(guó)高鐵一般采用拉桿腕臂，腕臂及定位裝置中的連接件采用鑄銅工藝加工。接觸懸掛線夾采用鋁青銅合金線夾，鋁青銅合金中含鋁量為8%～12%，且加有少量鐵、錳和鎳，含量不少于3%。采用弓形定位器，增大定位器與受電弓間、定位器與定位管間的安全空間。

通過對(duì)德國(guó)、日本、法國(guó)鐵路接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)、定位裝置原型及演變進(jìn)行梳理分析，可以看出不同國(guó)家接觸網(wǎng)腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)均與各自系統(tǒng)相匹配。從更廣的方面看，還與各國(guó)的環(huán)境條件、工業(yè)基礎(chǔ)、經(jīng)濟(jì)模式相關(guān)。在腕臂結(jié)構(gòu)形式方面，各國(guó)均采用較為穩(wěn)定的三角形作為基本結(jié)構(gòu)，這是由系統(tǒng)功能需求和結(jié)構(gòu)自身特性所決定的。不同的是結(jié)構(gòu)桿件連接方式、桿件材質(zhì)、連接件形式等方面，各具特點(diǎn)。在我國(guó)簡(jiǎn)統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備研究中，要緊扣系統(tǒng)功能需求，采用更加合理的基本結(jié)構(gòu)。在連接方式、部件材質(zhì)、外形尺寸等方面要結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際特點(diǎn)，博采眾長(zhǎng)、優(yōu)化創(chuàng)新，以提高系統(tǒng)的綜合性能。

2 我國(guó)接觸網(wǎng)系統(tǒng)系列化研究

2.1 系列劃分原則

（1）應(yīng)結(jié)合線路速度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮弓網(wǎng)受流性能、接觸懸掛穩(wěn)定性等因素進(jìn)行接觸網(wǎng)系列劃分。

（2）接觸網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)接觸網(wǎng)技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性均有重要影響，因此在接觸網(wǎng)系列劃分時(shí)應(yīng)體現(xiàn)接觸網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)合理的差異性。

（3）接觸網(wǎng)系列劃分應(yīng)考慮減少安裝結(jié)構(gòu)和零部件種類規(guī)格，方便運(yùn)營(yíng)維護(hù)并兼顧經(jīng)濟(jì)性，裝備宜通用化。

2.2 系列劃分方案

在現(xiàn)狀分析中發(fā)現(xiàn)，《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中將我國(guó)高鐵分為時(shí)速350、300、250 km三檔，其余線路則大致分為時(shí)速200、160、120 km三檔，其中重載鐵路分為時(shí)速100、80 km。

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》接觸網(wǎng)章節(jié)，根據(jù)高速鐵路、普速鐵路以120、160、200、300、350 km/h為分界點(diǎn)，將系列劃分為5檔；《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》中進(jìn)一步細(xì)化，以120、160、200、250、300、350 km/h為分界點(diǎn)，將接觸網(wǎng)系列劃分為6檔。

研究目前國(guó)內(nèi)外已通車線路情況，速度級(jí)別大致包括時(shí)速350、250、200、160、120 km及以下5檔，綜合考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)特性、裝備特點(diǎn)及線路運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，并考慮高速鐵路速度提升等因素，可將接觸網(wǎng)系列初步劃分為5檔（見表1）。

表1 接觸網(wǎng)系列劃分初步方案

綜合弓網(wǎng)模擬分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，分別探討各系列接觸網(wǎng)主要技術(shù)參數(shù)。研究表明CRC160、CRC200的主要技術(shù)參數(shù)均一致，從簡(jiǎn)化系列劃分角度出發(fā)，這2個(gè)系列合并為CRC200系列，形成4個(gè)系列，各系列接觸網(wǎng)主要技術(shù)參數(shù)配置見表2。

表2 各系列接觸網(wǎng)主要技術(shù)參數(shù)配置

3 裝備方案研究

3.1 研究原則

（1）開展關(guān)鍵技術(shù)和裝備的自主創(chuàng)新與技術(shù)攻關(guān)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)際領(lǐng)先水平的簡(jiǎn)統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備。

（2）簡(jiǎn)統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備應(yīng)滿足對(duì)應(yīng)速度等級(jí)鐵路的安全性、可靠性、可維護(hù)性、可用性需要。

（3）接觸網(wǎng)裝備應(yīng)重點(diǎn)考慮提升服役性能，減少種類規(guī)格，方便運(yùn)營(yíng)維護(hù)并兼顧經(jīng)濟(jì)性，宜通用化。

（4）滿足線路氣象條件和運(yùn)行環(huán)境條件等需求。

3.2 裝備方案

簡(jiǎn)統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備以“參數(shù)統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、零件集成”的簡(jiǎn)統(tǒng)化技術(shù)為核心，引入微動(dòng)摩擦學(xué)理論，通過宏觀與微觀分析、數(shù)值模擬、靜態(tài)試驗(yàn)、微動(dòng)疲勞試驗(yàn)等相結(jié)合的形式對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)中失效較多、影響較嚴(yán)重的零部件進(jìn)行研究，研發(fā)簡(jiǎn)統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備。

3.2.1 腕臂和定位裝置

腕臂和定位裝置的研發(fā)以功能需求為根本。腕臂結(jié)構(gòu)功能需求一般包括：支撐接觸懸掛；能夠安裝定位裝置；具備順線路方向旋轉(zhuǎn)的能力；具備足夠的強(qiáng)度和剛度。定位裝置功能需求主要包括：夾持式定位接觸導(dǎo)線應(yīng)符合受電弓最大擺動(dòng)量和抬升重量的規(guī)定；連接應(yīng)安全可靠，運(yùn)行靈活；具有適當(dāng)?shù)目估瓘?qiáng)度和剛性。根據(jù)功能需求，提出以下設(shè)計(jì)原則：

（1）腕臂構(gòu)件應(yīng)安全穩(wěn)固可靠，局部結(jié)構(gòu)與整體形狀均符合規(guī)范要求；

（2）腕臂構(gòu)造應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化，視覺效果更好，集成零件的構(gòu)造與功用，降低零件數(shù)量；

（3）腕臂構(gòu)件應(yīng)有利于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工裝配，滿足安裝、調(diào)整相關(guān)要求；

（4）定位裝置在輕量化的前提下保證結(jié)構(gòu)平衡，有較好的靜態(tài)和耐疲勞特性；

（5）定位器外形與動(dòng)態(tài)包絡(luò)線要具備較好的配合性能，并具有很大的提升空間，以保持空間安全距離；

（6）定位裝置各零部件之間要連接牢固，盡量增加連接的接觸覆蓋面，以減小互相損壞，并改善電氣連接特性；

（7）腕臂與定位裝置的自然本體宜選擇通用型材料，連接件則優(yōu)先選擇型材原材料加工制造，并選擇較穩(wěn)定安全的模鍛、沖壓制造等工藝技術(shù)；

（8）腕臂與定位裝置都要具備較好的環(huán)境適應(yīng)性，以增強(qiáng)防腐蝕特性，連接件也要具備較好的抗松特性，以降低運(yùn)營(yíng)維修工作量。

依據(jù)上述原則，研究提出新型腕臂和定位裝置技術(shù)方案。采用三角形旋轉(zhuǎn)平腕臂結(jié)構(gòu)，具有組合承力索座、組合定位環(huán)和銷軸連接方式的弓形定位器見圖1?；谛滦屯蟊酆投ㄎ谎b置的結(jié)構(gòu)形式，通過運(yùn)用微動(dòng)損傷分析，結(jié)合新材料、新工藝的應(yīng)用，從簡(jiǎn)化零部件數(shù)量、集成功能和提高可靠性等方面入手，研制鍛造式組合承力索座、鍛造式支撐雙耳、實(shí)腹式支撐、鍛造式組合定位環(huán)及新型定位線夾等多種新型零部件。針對(duì)有砟軌道等不同工況，可采用分體式安裝，即承力索座和腕臂連接器分開、定位環(huán)和支撐管連接器分開的方案。

圖1 腕臂和定位裝置正定位示意圖

3.2.2 終端錨固線夾和接觸線中心錨結(jié)線夾具

研制了新型終端錨固線夾，用鍛銅合金終端錨固線夾代替鑄銅終端錨固線夾，可避免鑄銅的鑄造缺陷；楔子采用高強(qiáng)度、韌性好、高性能銅合金材料機(jī)加工制造；提出接觸線中心錨結(jié)線夾的材質(zhì)由QAl10-4-4替代CuNi2Si，增加了滑動(dòng)荷載和安全冗余。作為承受導(dǎo)線張力的關(guān)鍵零部件，改進(jìn)后不僅提升了安全可靠性，也為應(yīng)用于更大張力的接觸網(wǎng)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

3.2.3 整體吊弦

分別從改進(jìn)鉗壓管、心形環(huán)結(jié)構(gòu)、壓接方式及工藝模具、提高吊弦線抗疲勞性能等方面開展深入研究，并提出相關(guān)改進(jìn)措施。合理降低了滑動(dòng)荷載考核指標(biāo)，由3.9 kN降到2.0 kN，有效減少了對(duì)吊弦線壓接損傷，提高了吊弦整體性能和壽命。該項(xiàng)修改已被納入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2075.7—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件：整體吊弦及吊弦線夾》。

4 研究成果

通過對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、關(guān)鍵裝備技術(shù)方案研究，簡(jiǎn)統(tǒng)化接觸網(wǎng)在接觸網(wǎng)的系統(tǒng)理論、損傷機(jī)理、裝備制造、智能裝配等方面取得重大突破，研發(fā)了以簡(jiǎn)統(tǒng)化、系列化和高服役性能為特征的接觸網(wǎng)技術(shù)與裝備。研究成果創(chuàng)新了接觸網(wǎng)性能評(píng)估理論、攻克了接觸網(wǎng)長(zhǎng)期存在的系統(tǒng)性與結(jié)構(gòu)性難題、提高了接觸網(wǎng)裝備的使用壽命，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，主要?jiǎng)?chuàng)新成果為：

（1）創(chuàng)新接觸懸掛性能評(píng)估理論，構(gòu)建了覆蓋高速普速、經(jīng)濟(jì)合理的系列化接觸網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為打造中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)提供了理論支撐。

（2）率先在接觸網(wǎng)系統(tǒng)領(lǐng)域引進(jìn)微動(dòng)摩擦學(xué)理論，首先發(fā)現(xiàn)了接觸網(wǎng)系統(tǒng)微動(dòng)破壞機(jī)制，并建立了接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)抗微動(dòng)破壞的分析方法和處理方案，為建立簡(jiǎn)統(tǒng)化技術(shù)體系和沖破長(zhǎng)期以來約束接觸網(wǎng)系統(tǒng)裝置壽命的瓶頸，奠定了重要理論基礎(chǔ)。

（3）首創(chuàng)以“結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、零件集成”為核心特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)統(tǒng)化技術(shù)，研發(fā)了適應(yīng)不同速度等級(jí)的簡(jiǎn)統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備。

（4）提出懸鏈線路形態(tài)迭代預(yù)測(cè)法，大大提升了接觸網(wǎng)系統(tǒng)預(yù)裝配中復(fù)雜算法的效能與準(zhǔn)確度，并首創(chuàng)了接觸網(wǎng)線路的智能預(yù)裝配置平臺(tái)，突破了制約接觸網(wǎng)系統(tǒng)高精度、高效率、優(yōu)質(zhì)智能施工的重要難點(diǎn)。

5 結(jié)束語

簡(jiǎn)統(tǒng)化接觸網(wǎng)技術(shù)研究將接觸網(wǎng)劃分為CRC120、CRC200、CRC250、CRC350四個(gè)系列，并明確了各系列主要技術(shù)參數(shù)，研發(fā)了與之配套的技術(shù)裝備，為構(gòu)建體系完整、結(jié)構(gòu)合理、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，進(jìn)一步提升了我國(guó)鐵路的核心競(jìng)爭(zhēng)力。后續(xù)將進(jìn)一步完善相關(guān)通用圖、標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)支撐，深入研究相關(guān)配套檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)，為進(jìn)一步構(gòu)建中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)智能接觸網(wǎng)系統(tǒng)提供技術(shù)支持。