馬啟明，劉繼冬，吳積欽

0 引言

文獻(xiàn)[3]指出受電弓兩端磨出的凹槽使錨段中部接觸線產(chǎn)生偏磨現(xiàn)象。文獻(xiàn)[4]指出彈性簡(jiǎn)單懸掛組成的菱形交叉線岔由于懸掛本身彈性太大且不均勻，加之集中荷載（分段絕緣器）的影響，容易造成受電弓通過(guò)時(shí)側(cè)磨接觸線。文獻(xiàn)[5]指出接觸網(wǎng)偏磨問(wèn)題影響設(shè)備的運(yùn)行安全和質(zhì)量。以上文獻(xiàn)雖然對(duì)接觸線偏磨現(xiàn)象進(jìn)行了分析，但未對(duì)接觸線偏磨進(jìn)行原理性分析。本文從曲線區(qū)段接觸線偏磨原因分析出發(fā)，經(jīng)過(guò)計(jì)算與理論推導(dǎo)，對(duì)接觸線偏磨影響因素進(jìn)行詳細(xì)論述并提出調(diào)整方式。

接觸網(wǎng)是經(jīng)由集電器向電力牽引單元提供電能的導(dǎo)體系統(tǒng)[1]。電力機(jī)車(chē)通過(guò)車(chē)頂?shù)氖茈姽鍙慕佑|網(wǎng)中獲取所需電流以供正常運(yùn)行。當(dāng)機(jī)車(chē)行駛至曲線區(qū)段時(shí)由于存在離心力，外軌承受較大壓力，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓛A覆事故，因此需要通過(guò)設(shè)置外軌超高，利用車(chē)體重力產(chǎn)生的向心力來(lái)平衡離心力[2]。但外軌超高會(huì)引起車(chē)身及受電弓傾斜，造成接觸線偏磨，偏磨程度較大時(shí)，定位線夾與滑板可能發(fā)生機(jī)械沖突。

1 接觸線偏磨

曲線區(qū)段受電弓與接觸線接觸形式如圖1 所示。圖中，L為軌距，h為外軌超高，α為外軌超高引起的軌面與水平面夾角。計(jì)算可知

圖1 曲線區(qū)段受電弓與接觸線接觸形式

由于外軌超高造成軌面與水平面形成α夾角，電力機(jī)車(chē)得以借助自身重力的分力提供向心力。但由此造成受電弓滑板與接觸線下表面的切線形成α夾角，滑板與接觸線的接觸位置由接觸線下表面轉(zhuǎn)移到接觸線左右兩側(cè)，致使接觸線發(fā)生偏磨。

2 偏磨量計(jì)算

假設(shè)曲線區(qū)段與直線區(qū)段的定位器坡度角一致，均使接觸線下表面與水平面相切。隨著運(yùn)行年限的延長(zhǎng)，接觸線磨耗量增加，受電弓滑板面與定位線夾夾板齒形間的距離不斷縮小。圖2 為曲線區(qū)段受電弓與接觸線接觸示意圖，圖中，y為定位線夾至滑板面橫向距離，x為接觸線偏磨深度極值，R為接觸線半徑，j為定位線夾夾板齒形寬。

圖2 受電弓與接觸線偏磨示意圖

由三角形相似關(guān)系可知

進(jìn)一步求解圖2 中的陰影部分面積（磨損面積）Sx為

下文以某普速鐵路為例分析計(jì)算不同外軌超高情況下接觸線的偏磨量。該普速鐵路曲線區(qū)段使用CTAH150 型接觸線，計(jì)算截面積為151 mm2，半徑為7.2 mm，軌距為1 435 mm，定位線夾夾板齒形寬為4 mm。實(shí)際線路中外軌超高不超過(guò)150 mm，取外軌超高范圍為90～150 m，以10 mm 為一個(gè)間隔計(jì)算對(duì)應(yīng)的定位線夾與滑板間最小距離及陰影部分面積，并求解磨耗占比（磨耗面積/接觸線總面積×100%），如表1 所示。

表1 外軌超高條件下接觸線偏磨量

該普速鐵路最大行車(chē)速度為90 km/h，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)。根據(jù)表1 中的計(jì)算結(jié)果可知，若外軌超高為150 mm，則當(dāng)接觸線磨損面積達(dá)到64.74 mm2，磨耗占比為42.87%時(shí)，受電弓滑板與定位線夾會(huì)發(fā)生撞擊?！镀账勹F路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》中規(guī)定接觸線磨損面積的警示值為15%，限界值為20%[6]。當(dāng)外軌超高為150 mm 且磨損面積為20%時(shí)，接觸線磨耗高度為3.46 mm，此時(shí)定位線夾夾板齒形與受電弓滑板面的距離為2.58 mm，不會(huì)發(fā)生撞擊事故。

2010 年5 月，武廣高鐵發(fā)生了一起定位器打弓故障，造成多架受電弓被打壞，并影響了武廣高鐵的正常運(yùn)營(yíng)[7]。通過(guò)對(duì)武廣高鐵全線的所有定位器進(jìn)行逐一排查發(fā)現(xiàn)：定位器的坡度各不相同，多數(shù)定位器坡度角在4°～5°范圍，但少數(shù)定位器坡度角為0°，有的甚至為負(fù)。在曲線區(qū)段上，定位器坡度角有可能為0°，也有可能為負(fù)，這就會(huì)造成定位點(diǎn)處的接觸線下表面向上旋轉(zhuǎn)，造成定位線夾與滑板之間的距離進(jìn)一步縮小。設(shè)β為由于定位器坡度角過(guò)小造成的弓網(wǎng)接觸點(diǎn)與接觸線中心連線同接觸線下表面與接觸線中心連線的夾角增量，此時(shí)的接觸狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 定位器坡度角過(guò)小時(shí)受電弓與接觸線偏磨示意圖

經(jīng)計(jì)算可知

當(dāng)定位器坡度角為0°，甚至為負(fù)數(shù)時(shí)，則必有x≤3.57 m，接觸線偏磨深度極值x會(huì)迅速減小，易發(fā)生滑板與定位線夾、定位器撞擊。對(duì)于某些線路采用CTAH120 型接觸線，導(dǎo)線半徑僅為6.45 mm而非7.2 mm，則更需注意接觸線偏磨導(dǎo)致的受電弓與定位線夾、定位器撞擊隱患。

3 影響因素分析

接觸網(wǎng)施工誤差[8]、隨機(jī)風(fēng)荷載[9]以及列車(chē)振動(dòng)[10]均會(huì)影響弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)性，為確保曲線區(qū)段弓網(wǎng)的安全運(yùn)行，進(jìn)一步分析與接觸線偏磨相關(guān)的影響因素。

無(wú)論是否存在外軌超高，受電弓滑板面均與軌面平行，而接觸線下表面切線與軌面之間的角度取決于定位器坡度。若接觸線下表面的切線與軌面平行，則不會(huì)發(fā)生接觸線偏磨。

圖4 為定位點(diǎn)曲線分力示意圖。圖中R曲為曲線區(qū)段的曲線半徑，m；L1為定位點(diǎn)前一跨跨距，m；L2為定位點(diǎn)后一跨跨距，m，L1＞L2；Tj為接觸線張力，N；PR為定位點(diǎn)處曲線分力，N；a、b、c為拉出值，m。定位點(diǎn)曲線分力為

圖4 定位點(diǎn)曲線分力示意圖

式中：g1、g2分別為定位器、定位線夾質(zhì)量，kg；e1、e2為定位器左右第一根吊弦至定位點(diǎn)的距離，m；gJ為接觸線單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m。

曲線區(qū)段定位點(diǎn)受力狀態(tài)如圖5 所示，F(xiàn)為沿定位器向上的拉力。靜止?fàn)顟B(tài)下PR、F、FG三力平衡，定位器相對(duì)于水平面的角度為θ。

圖5 所示狀態(tài)中，接觸線下表面切線與軌面平行。而曲線區(qū)段外軌超高使受電弓滑板與水平面形成夾角，即滑板與接觸線下表面切線存在夾角，引發(fā)接觸線偏磨。需要緩解接觸線偏磨就需要調(diào)整定位器坡度，使接觸線下表面切線與軌面平行，消除受電弓滑板面與接觸線下表面切線的夾角。

圖5 曲線區(qū)段定位點(diǎn)受力狀態(tài)

定位器坡度由PR、F、FG三力共同決定，通過(guò)調(diào)整定位點(diǎn)前后第一吊弦的位置（調(diào)整FG）、拉出值大小（調(diào)整PR）、跨距大小（調(diào)整PR）適當(dāng)改變定位器坡度緩解或消除接觸線偏磨。圖6 為調(diào)整后曲線區(qū)段受電弓滑板與接觸線的接觸示意圖。

圖6 調(diào)整后滑板與接觸線的接觸示意圖

為緩解偏磨需將定位器相對(duì)于水平面角度增至θ+α。若保持拉出值及跨距不變，僅通過(guò)調(diào)整定位點(diǎn)前后第一吊弦的位置來(lái)增加定位器角度，其變化量Δl為

若保持定位點(diǎn)前后第一吊弦的位置及跨距不變，僅通過(guò)改變當(dāng)前支柱拉出值（b、c）的方式增大定位器角度，拉出值減量Δa為

若保持拉出值與定位點(diǎn)前后第一吊弦的位置不變，僅通過(guò)改變跨距大小增加定位器角度，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，保持L2不變，則L1的減小量ΔL的計(jì)算式如下（調(diào)整L2同理）：

由于跨距的乘積遠(yuǎn)大于拉出值的差值，所以對(duì)上式求解可得

在實(shí)際調(diào)整中可將上述3 種方法結(jié)合使用。以該普速鐵路曲線區(qū)段為例，其定位器質(zhì)量為2.56 kg，定位線夾質(zhì)量為0.28 kg，CTAH150 接觸線的單位長(zhǎng)度質(zhì)量為1.35 kg/m。曲線區(qū)段定位器左右第一根吊弦至定位點(diǎn)的距離均為5 m，曲線區(qū)段半徑為800 m，外軌超高為90 mm，拉出值均為0.15 m，跨距為32.5、33 m，接觸線張力為14 700 N。各參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 各參數(shù)計(jì)算結(jié)果

為使定位器相對(duì)于水平面的角度由7.71°增至11.3°，需要對(duì)定位點(diǎn)處重力與曲線分力進(jìn)行調(diào)整?？蓪⒍ㄎ稽c(diǎn)前后第一吊弦的位置增加2 m，定位點(diǎn)處重力的增量為26.48 N，此時(shí)定位點(diǎn)處重力為108 N。保持拉出值不變，將定位點(diǎn)處曲線分力調(diào)整為540.5 N，即定位點(diǎn)處曲線分力減少61.28 N，代入式（9）可計(jì)算出跨距需減少6.67 m，可將前一跨跨距調(diào)整為29 m，后一跨跨距調(diào)整為29.83 m。經(jīng)過(guò)上述調(diào)整即可緩解接觸線偏磨。

4 高速鐵路接觸線偏磨的借鑒意義

自2008 年8 月1 日京津城際鐵路開(kāi)通以來(lái)，我國(guó)經(jīng)歷了高速鐵路發(fā)展的黃金十年。2017 年12月28 日，石濟(jì)高速鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，至此，“四橫四縱”高鐵網(wǎng)全部建成。迄今為止，中國(guó)已在長(zhǎng)三角、珠三角、環(huán)渤海等地區(qū)城市群建成高密度高鐵路網(wǎng)，東部、中部、西部和東北四大板塊區(qū)域之間完成高鐵互聯(lián)互通。近年來(lái)，隨著客運(yùn)量的逐漸增大，給既有線路的運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。與普速鐵路相比，高速鐵路列車(chē)的速度更快，在曲線區(qū)段仍以較高的速度通過(guò)，隨著長(zhǎng)年累月的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，高速鐵路曲線區(qū)段接觸線偏磨問(wèn)題更加不可忽視。一旦接觸線偏磨量超過(guò)限值且未及時(shí)更換，就可能造成受電弓滑板高速撞擊定位線夾事故，甚至造成受電弓損壞，影響線路的正常運(yùn)營(yíng)。在后續(xù)高鐵新線的建設(shè)中，可將服役年限內(nèi)的曲線區(qū)段接觸線偏磨量作為一個(gè)新的設(shè)計(jì)參考項(xiàng)。

為減少接觸線偏磨，可在設(shè)計(jì)之初就將運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的曲線區(qū)段接觸線偏磨予以考慮，調(diào)整為圖6所示狀態(tài)。同時(shí)，還需兼顧定位器坡度是否過(guò)大，定位點(diǎn)前后第一吊弦位置過(guò)大會(huì)不會(huì)造成硬點(diǎn)或影響彈性，跨距的縮小是否會(huì)帶來(lái)線路成本較大的增加。針對(duì)上述問(wèn)題應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，根據(jù)線路實(shí)際情況進(jìn)行具體分析，最終尋求接觸線偏磨、定位器坡度、吊弦位置及跨距大小的最佳契合點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

曲線區(qū)段接觸線偏磨是由于外軌超高造成受電弓滑板面與接觸線下表面切線存在夾角引起。為確保弓網(wǎng)安全運(yùn)行，進(jìn)一步分析了與接觸線偏磨相關(guān)的影響因素，增大定位點(diǎn)前后第一吊弦的位置、減小拉出值、適當(dāng)減小跨距可以調(diào)整滑板與接觸線的接觸角度，緩解接觸線偏磨，即在曲線區(qū)段定位器坡度角應(yīng)略大于直線區(qū)段的定位器坡度角，其增量與實(shí)際線路的外軌超高與水平面形成的夾角一致，具體線路需進(jìn)行具體分析。

高速鐵路發(fā)展至今，在運(yùn)營(yíng)與維護(hù)方面面臨更多挑戰(zhàn)，其曲線區(qū)段接觸線偏磨逐漸引起關(guān)注。在設(shè)計(jì)之初就考慮接觸線偏磨問(wèn)題，對(duì)降低后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)的難度具有一定現(xiàn)實(shí)意義。后期還需要對(duì)高鐵曲線區(qū)段接觸線偏磨做進(jìn)一步的實(shí)地調(diào)查，獲取更多信息，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性研究及應(yīng)對(duì)。