張 令

0 引言

近年來，隨著一大批時速350 km 客運專線相繼投入運營，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“引進來”到“走出去”的歷史性轉(zhuǎn)折點。作為中國在東歐地區(qū)承建的第一個鐵路項目——白俄羅斯奧希波維奇—日洛賓鐵路電氣化建設(shè)項目（下文簡稱白俄項目）正是在這樣的背景下啟動的。

白俄項目為既有線電氣化改造工程，線路為I級雙線鐵路，設(shè)計速度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)計由白鐵聯(lián)盟設(shè)計院負(fù)責(zé)，中方負(fù)責(zé)詳細設(shè)計及部分接觸網(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的線路均采用全補償彈性鏈形懸掛，同時白俄羅斯方技術(shù)人員從主觀上也認(rèn)為簡單鏈形懸掛無法適應(yīng)項目的運營速度。因此，在初步設(shè)計階段，白俄羅斯方原型接觸網(wǎng)系統(tǒng)正線采用全補償彈性鏈形懸掛，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；站線采用全補償簡單鏈形懸掛，具體導(dǎo)線組合為ПБСМ70+МФ85（10 kN+8.25 kN）。事實上，根據(jù)國內(nèi)接觸網(wǎng)的設(shè)計與運營經(jīng)驗，時速250 km/h 及以下線路接觸網(wǎng)采用全補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度較大，原型系統(tǒng)中承力索的額定工作張力相對較大（18 kN），而中國類似速度等級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。而根據(jù)白俄羅斯方標(biāo)準(zhǔn)重新研制非標(biāo)的產(chǎn)品費時費力，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)），并通過對接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方案進行優(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

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，因兩者線性膨脹系數(shù)一致，在提高施工精度的同時也降低了運營維護工作量，對改善弓網(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、抗拉強度高等優(yōu)點，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)電率相對較低，但抗拉強度相對較高（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

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

式中，C 為接觸線波動傳播速度，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，提高接觸線波動速度可通過提高接觸線張力或降低接觸線的線密度來實現(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)驗以及銅錫合金接觸線的抗拉強度，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 種工作張力下波動速度：

CTS110 型：C= 412 km/h

МФ100 型：C= 390 km/h

同時，根據(jù)EN50119 規(guī)定，接觸線的設(shè)計使用應(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。

計算求得：σw= 136 N/mm2。

由此可求得CTS110 型接觸線最大設(shè)計使用張力可達17.98 kN，當(dāng)接觸線額定工作張力采用 13 kN 時，其強度安全系數(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度低于前者，降低承力索工作張力能有效提高承力索的強度安全系數(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因數(shù)γ 對改善受流質(zhì)量是有利的。增強因數(shù)計算公式：

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)波動速度，v 為列車運行速度。

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，從而達到減小增強因數(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)相對簡單，節(jié)省投資，施工調(diào)整和運營維護相對方便，事故搶修難度較彈性鏈形懸掛小等優(yōu)點；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。結(jié)合項目線路條件的實際情況，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提高受流質(zhì)量效果并不明顯，同時，項目工期緊張，彈性鏈形懸掛不利于工期控制。綜合考慮，接觸網(wǎng)懸掛類型采用全補償簡單鏈形懸掛。

3 理論驗證

根據(jù)提出的優(yōu)化設(shè)計方案，對比系統(tǒng)原型設(shè)計方案進行弓網(wǎng)受流質(zhì)量模擬計算，以驗證系統(tǒng)方案的可行性。

3.1 接觸網(wǎng)參數(shù)

接觸網(wǎng)模擬計算參數(shù)見表1。

表1 接觸網(wǎng)模擬計算參數(shù)表

3.2 評判標(biāo)準(zhǔn)

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

（1）最大動態(tài)接觸壓力Fmax＜300 N。

（2）最小動態(tài)接觸壓力Fmin＞0 N。

（3）標(biāo)準(zhǔn)偏差SDF≤0.3 Fm（平均動態(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)采用全補償簡單鏈形懸掛，弓網(wǎng)動態(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)計方案在理論上完全能滿足時速 160 km 的弓網(wǎng)受流質(zhì)量要求，與原型彈性鏈形懸掛設(shè)計方案性能相當(dāng)（表2）。

表2 2 種懸掛方式的模擬結(jié)果對比表

4 結(jié)語

白俄項目第一標(biāo)段接觸網(wǎng)系統(tǒng)已于2013年3月順利開通，弓網(wǎng)運行狀況良好，實踐進一步證明優(yōu)化后的接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方案是切實可行的。

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)貙嶋H情況對接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方案大膽地進行優(yōu)化處理，使中國現(xiàn)有產(chǎn)品發(fā)揮最大優(yōu)勢，從整體性能上去滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求，才能實現(xiàn)中國接觸網(wǎng)系統(tǒng)與境外鐵路系統(tǒng)的無縫對接，同時達到有效控制經(jīng)濟和技術(shù)風(fēng)險的目標(biāo)。隨著中國承建的海外項目不斷增多，上述設(shè)計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.