高速铁路接触线分析论文

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摘要：本文详细探讨了接触线磨耗与波传播速度、接触线张力、安全系数之间的关系，提出了350km/h运营线路接触线张力选择的优化方案。

关键词：高速铁路张力磨耗方案

一350km/h运营速度接触线张力要求

国外300km/h及以上接触网悬挂动态参数表表1

悬挂组合

运行速度（km/h）

接触线张力(KN)

承力索张力(KN)

波动传播速度(km/h)

反射系数

多普勒因子

放大因数

弹性非均匀度(%)

法国TGV大西洋线：THJ-70+Cu-150(简链)

300

20

14

440

0.357

0.187

1.909

36

德国Re330(弹链)：THJ-120+CuMg-120

350

27

21

572

0.468

0.241

1.938

8

西班牙EAC(弹链)：Cu-95+CuMg-150

350

31.5

15.75

553

0.36

0.225

1.600

6．25

接触导线的张力对高速接触网特性有决定性的影响，波的传播速度是个基本参数，国外350km/h运行速度接触网波的传播速度达到了550km/h以上，多普勒因素为0.22～0.24之间，截面120、150接触线的必要张力分别为27kN及30kN以上，考虑必要的安全系数，导线的抗拉强度应达到500N/mm²。目前国内外达到如此强度的接触线只有合金含量为0.5的镁铜导线。

二国内安全系数对接触线张力选择的影响

接触线最大允许张力及安全系数的选用直接关系到悬挂系统的运行稳定性和安全性。

目前国内对安全系数的选用表2

接触线磨耗

现行规范规定

TB10009-98

秦沈客运专线暂规

铁技[2000]25号

京沪高速铁路设计暂规

铁建设[2003]13号

磨耗≤15%

≥2.5

≥2.1

15%＜磨耗≤25%

≥2.2

25%

≥2.0

选用秦沈客运专线暂规及京沪高速铁路设计暂规的安全系数进行比较。

铜合金接触线的最大使用张力、波动传播速度、β值表3

接触线类型

拉断力(KN)

京沪：磨耗25%、安全系数2.0

秦沈：磨耗15%、安全系数2.1

最大使用张力（KN）

波速度(km/h)

β值

最大使用张力（KN）

波速度(km/h)

β值

CuMg-120(0.2)

50.10

17.848

472.75

0.740

19.265

491

0.713

CuMg-120(0.5)

60.00

21.375

517.35

0.677

23.071

537

0.651

CuMg-150(0.2)

62.20

22.301

472.79

0.740

24.071

491

0.713

CuMg-150(0.5)

72.00

25.650

507.05

0.690

27.686

527

0.664

注：表中接触线张力增量按5%考虑，列车运行速度350km/h。

由此可以看出，由于国内安全系数的影响，镁铜接触线的最大使用张力只能达到21.375KN及25.65KN，其最大波传播速度被限制在510km/h左右，接触网的动态特性不能进一步得到提高。

三磨耗与速度的关系

1磨耗与接触线波传播速度的关系

接触线波传播速度的计算公式为：C=3.6*√Fj/mj

其中：C—波传播速度（km/h）；

Fj—接触线张力(KN)；

mj—接触线的单位质量（kg/m）；

接触网波传播速度与接触线的张力及单位质量有关，随着接触线张力的增加，波传播速度增大，接触线单位质量的减少，波传播速度也会增大。在接触网运营过程中，受电弓与接触线是一种动态接触，受电弓与接触线之间存在机械磨耗及电气磨耗，随着磨耗增加，接触线单位质量降低，同时也伴随着接触线最小拉断力的降低，其关系如图一、图二所示。

由于接触线单位质量的减少，在固定接触线张力条件下，其波传播速度随着磨耗的增加逐渐增大，如图3所示：MgCu120、MgCu150接触线张力分别为27KN及30KN。

2.磨耗与安全系数的关系

接触线磨耗达到25%时，接触线波传播速度较起始值增加了15%左右，也既是说，随着接触网运营时间的推移，由于接触线磨耗的增加，接触网的动态特性得到了改善。但是这种改善是以牺牲接触悬挂的安全性为代价的，图4显示了磨耗与安全系数的关系：（接触线张力分别为30KN及27KN。）

接触线磨耗达到15%~18%时，其安全系数均已降到了2.0以下，不能满足京沪暂规：磨耗25%、安全系数2.0要求；按照秦沈暂规安全系数2.1要求，磨耗也只能达到11%~14%。目前的解决方案是降低接触线的张力，牺牲接触网的动态特性，以确保接触网的安全性。

四.优化方案

由于受到安全系数的限制，目前接触导线的张力不可能进一步提高，但是波传播速度与张力及导线单位质量有密切的关系，假设波传播速度固定不变，随着磨耗增加，接触线张力变化如图5所示

即在固定波传播速度下，随着磨耗的增加，对接触线张力要求呈下降的趋势。利用该项特性，我们可以在接触网运营过程中，随着接触导线磨耗的变化，通过卸载的方式来保证任何磨耗情况下，接触网的安全系数均保持在2.1以上，如图6所示。

以CuMg150为例，磨耗小于10%，接触线张力保持在30kN，磨耗在10%到16%之间时，接触线张力卸载为27kN，磨耗大于16%，接触线张力卸载为25kN。接触线张力需然经过三次卸载，其波传播速度始终保持在540km/h左右，安全系数均大于2.1。同时接触网各项参数也进一步得到优化，多普勒因子：0.221，放大因数：2.012，β值：0.638，弹性悬挂时跨中弹性为：0.343mm/N。

五方案对运营维护的影响

由于方案在接触网运营过程中，存在多次卸载，其是否可行性，必须解决两方面的问题：第一是卸载点，即卸载时机的确定；其次是每次卸载对接触网的影响有多大，这涉及到运营维护单位的工作量问题。

在高速铁路的日常运营维护中，普遍采用了高科技的接触网检测手段，定期对接触网的各项参数进行检测，以及时发现接触网安全隐患。接触网检测过程中，接触线磨耗是其重要的检测参数之一，因此通过接触网的日常检测，收集接触线的磨耗资料，可以非常容易地确定接触线的张力卸载时机。

接触线卸载后对接触网参数的影响，主要是卸载过程中，接触线的位移引起的，导致这种位移的主要因素是张力的减小，引起接触线弹性伸长的减小。以MgCu150为例，初始张力30KN，在卸载点卸载为27KN时，随着锚段长度的不同，接触线弹性伸长量减少了128~183mm，如图7所示（图中“L”为半锚长度）。接触线的缩短会引起接触网两方面的变化，第一是接触线弛度变化，另一方面会引起吊弦的偏斜。

以700m半锚长度来研究该变化对最短吊弦及定位角度的影响（最短吊弦长度取800mm，定位器长度取1200mm），如图8所示。

由图中所示可以看出，假设接触线缩短对接触网的影响全部作用在吊弦上时，最短吊弦倾角在10°以内，定位器偏转角度在7°以内，当跨距为50m时，每跨中接触线的缩短均为9.2mm。综合考虑接触线弛度的变化，卸载后必须对部分接触网进行调整。

由于接触网高速性能得到提高，弓网关系得到优化，接触线单位弓架次磨耗有所降低，其寿命进一步提高，虽然增加了部分运营维护的工作量，笔者认为该方案是可行的。