高接触网性能的措施研究论文

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摘要:本文简单介绍了接触网及其重要性,并从接触悬挂、定位装置、支柱基础三方面存在的问题着手,提出了相关措施,对接触网的性能进行改良。

关键词:接触网;支柱基础;悬挂;弹性定位装置

根据国家积极扩大内需、加快铁路基本建设的战略部署,到2010年,我国铁路营业里程将达到11万km,电气化率达到50%以上。铁路电气化是中国铁路发展的最终目标。而作为电气化铁路牵引供电系统的主体接触网,其性能的优劣直接决定着电力机车受电弓的受流质量,最终影响列车的运行速度与安全。而且接触网的特殊性主要表现在露天设置,对气候变化敏感;无备用性(决定它的脆弱性和重要性);机电复合性;负荷的不确定性和移动性。由于这些特殊性,接触网故障复杂而频发。因此对电气化铁路接触网的探讨任重而道远。

接触网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。因此接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力。接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。为了解决接触网的一些常见故障和提高接触网的性能,本文从接触悬挂、定位装置和支柱三个方面提出了自己的建议。

接触悬挂

接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂通过支持装置架设在支柱上,其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。接触悬挂的弹性是其质量优劣的主要标志。接触悬挂的弹性是指悬挂中某一点在受电弓的压力下,每单位垂直力使接触线升高的程度。

接触悬挂弹性的衡量标准有二:一是弹性的大小,取决于接触线的张力;二是弹性的均匀程度,它取决于接触悬挂的结构。为了使接触悬挂具有良好的弹性,以使受电弓高质量地取流,从而提高电力机车的运行速度,就必须对与悬挂弹性有关的设备结构进行研究和改革。

改善接触悬挂弹性及取流的条件有二:其一,尽量使受电弓对接触线的压力不随受电弓的起伏波动而变化,这就需要从受电弓结构方面研究改进;其二是使受电弓沿接触线滑行时接触点的轨迹,尽可能地近于水平直线。如果要达到上述后一种条件的要求,就要尽量地减小接触线的驰度,改善接触悬挂的弹性、性能。改善接触悬挂的弹性性能,重点应在于提高定位点、分段分相、绝缘器、线岔等处的弹性,同时尽量使全线接触悬挂的弹性均匀一致。有条件的话可以采用双链形接触悬挂和其它复合链形悬挂(即具有弹性装置吊线的多链形悬挂)。改善张力自动补偿装置,研制新型补偿器结构以保证悬挂中线索的恒定张力;减轻接触悬挂(特别是接触线上)的集中重量,采用轻型零件;研制新型高强度的接触线以提高接触线和辅助绳索的张力等都是改善接触悬挂弹性的重要措施和手段。

改善接触网弹性的措施很多,但由于这些办法改造难度大,投资高,不适合我国的国情,基于我国的接触悬挂的现状,对于提高接触悬挂的弹性,本文介绍以下两个措施:

(1)采用带弹性吊弦的接触悬挂

我国电气化铁道大多采用简单链形悬挂,这种悬挂型式在定位点处易产生硬点,受电弓在跨距中间和定位点处的导线抬高量相差较大,整个跨距内的接触网弹性不均匀,高速行车时受电弓离线、拉弧现象比较明显。根据资料显示简单链形悬挂弹性的非均匀度,在静态情况下为25%,动态情况下为28%,而这些远大于10%的非均匀度是不适合高速行车要求的(国外高速铁路接触网的弹性非均匀度标准为不大于10%)。根据国外比较成熟的经验,电气化水平较高的国家均采用带弹性吊弦的接触悬挂,这种悬挂型式在支柱处的弹性可达到跨中的90%,从而可以使非均匀度小于10%。低于10%的非均匀度是高速铁路接触网所追求的目标。所以必须从改善弹性的非均匀度人手,将现有的简单链形悬挂改为带弹性吊弦的链形悬挂,从而使整个跨距内弹性趋于均匀,采用此种措施后,列车速度可达到160km。

(2)增加接触线的张力

考虑到线索的安全系数及接触线磨耗后能够承受的张力减小,我们可以适当地增加接触线和承力索的设计张力,如将接触线的张力增加到15kN,承力索的张力增加到20kN,即接触线的张力增大50%,根据有关数据显示,接触网的弹性可以减小33%。由此可见增大张力可有效地减小接触悬挂的弹性。而减小弹性正是我们提速所追求的目标。

定位装置包括定位管和定位器,其功用是固定接触线的位置,使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内,保证接触线与受电弓不脱离,并将接触线的水平负荷传给支柱。

因腕臂定位环断裂后定位器(管)脱落低于接触线以及定位环断裂后接触线失去定位使拉出值发生变化造成的弓网事故屡见不鲜。这类事故一般发生在定位偏移量大、偏转活动频繁的锚段关节处以及曲线内侧反定位和靠近锚段关节反定位的腕臂定位环处。接触网运行时间越长,这类事故的发生就越频繁。为防止以上事故的发生,本文采取的措施是:用灵活偏转且各零部件之间的连接没有开口的新零件取代反定位处的腕臂定位环。

开口的新零件取代反定位处的腕臂定位环。

腕臂定位环断裂的现象96%均发生在锚段关节处的非支反定位、曲线内侧支柱反定位和靠近锚段关节反定位处。造成以上部位定位钩环经常断裂及环钩脱离的原因除部分属材质问题外,95%以上的是定位处的定位钩与定位环之间一直处于非正常的受压状态造成的。在反定位支柱上,腕臂与反定位管间的定位环承受着压力,钩与环间产生2个接触点:定位钩顶部外缘与定位环根部内缘的点和定位环顶部侧缘与定位钩根部内缘的点。当定位管受力偏转时,由于压力作用使定位环根部将对定位钩顶部产生一个摩擦阻力,此时定位环顶部的点将同时受到定位环根部侧缘给它的推力的作用,其大小与相等且与定位环所受压力成正比。推力将使定位环顶部产生一个以定位环根部为轴心的转动扭矩。该扭矩将使定位环以定位环根部内缘的点为支点发生一定程度弯曲,其弯曲程度与定位环所受压力大小及定位管偏转角度有关。同时,当定位管偏转角度较大时,定位环很容易从定位钩的开口处挤出而使定位钩失去固定。

经过计算,对于全补偿接触悬挂的一般锚段,在靠近锚段关节附近,定位器(管)的最大偏量亦有145mm(昼夜温差取20℃),由于温差变化,定位器(管)每昼夜要偏转2次,即定位环顶部的点将每夜受到2次方向相反的扭矩的作用而产生弯曲(尽管弯曲程度很小),在长期运行中,定位环根部的点处终因长时间往复弯曲而发生疲劳断裂。而且距锚段关节越近和反定位管所受力和曲线力越大的定位处,定位环的断裂越频繁,定位钩从开口处脱出的几率也就越高。

由上述分析得知,定位钩环的连接方式不适应在受压力状态下的反定位处工作。因此,只有研制一种在受压状态下能灵活偏转且各零部件之间的连接没有开口的新零件,以取代反定位处(下转286页)(上接284页)的腕臂定位环,才能从根本上增强定位装置的性能,防止因腕臂定位环断裂或定位环自定位钩的开口处挤出而造成的弓网事故。

支柱基础

支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷,并将接触悬挂

固定在规定的位置和高度上。

随着电气化铁道的运营,接触网支柱基础长期遭受环境和列车载荷的反复作用,并由于线路路基修建以及电气化改造时受技术条件、经济条件、施工质量与工艺标准的限制和影响,接触网支柱基础存在着一些影响安全供电的潜在隐患,如:支柱基础下沉、基坑土质沉陷流失、支柱基础边坡滑塌等,接触网支柱基础病害的存在,直接影响了接触网检修质量的稳定性,加重了接触网养护维修工作质量,也缩短了支柱所挂接触网维护周期。随着铁路运输向高速、重载方向的发展,线路路基的荷载条件会发生变化,接触网支柱基础情况也将随之发生变化,支柱基础病害的产生、发展和整治,应当引起与安全供电有关管理和技术人员的高度重视,并作为一项影响安全供电的潜在重要隐患予以充分重视并加以研究。本文提出以下五个建议:

(1)改造支柱基础底部。在既有营运线上施工改造,这项措施工程量大,在支柱基础下沉量大的情况下才可采用,否则尽量不动支柱基坑基础。采用这种整治办法,主要用于以下几种情况:1)分层夯实基坑底部土质,提高基坑下基床密实度;2)更换土质,可采用生石灰磨粉、425号水泥、中粗河沙、水配合比为8:8:65:19(重量比)的改性材料,作为基坑底部填充材料,这种材料可以吸收土中水分,并与软弱土体产生离子交换以及凝硬反应,形成具有一定强度、整体性好、水稳定性好的复合支柱基础基底;3)采用浆砌一定厚度片石,甚至浇筑一定强度的钢筋混凝土法,加固支柱基础基底。

(2)加固支柱基础周围空洞及边坡等病害。可采用:1)回填改良土的方法,在支柱基础周围更换按比例石灰:河沙:膨胀土:水=10:25:50:22配置的改性土,并分层夯实(每层300mm),增强土质稳定性;2)在支柱基础表面铺砌干砌片石,或用三七灰土封闭支柱基础周围;3)用浆砌300mm厚片石的方法进行边坡表面加固;4)在支柱基础表面周围设置排水设施,及时、便捷地排走支柱基础周围积水,对于未影响支柱基础稳固的空洞、浮土,可采用通过钻孔、花管方式,用压力注入水泥或化学浆液方式压实、充填、改良支柱基础周围土体。

(3)整治电化改造所遗留支柱基础工程质量问题以及因支柱上部接触网纵向受力不均引起的支柱基础偏斜,按不同情况,可采用检调接触网支柱附加悬挂、支持定位装置等方式改善支柱纵向受力、横向受力情况,或采用装设临时钢支柱架空接触网外三线、去除混凝土支柱受力方式,再进行支柱基础的扶正、加固措施。

(4)对于早期出现的支柱基础沉陷,在不影响接触网安全供电的情况下,可采用做好加固措施后,在基础周围换填三合土以及在支柱基础上装设现浇钢筋混凝土横卧板,即:在基面以下一定深度处安装钢支架(类似安装承锚角钢)、并焊接上一定厚度钢筋网格(厚度据支柱基础周围土质情况决定),用混凝土浇筑成砼横卧板的方法进行综合整治,现浇钢筋混凝土横卧板面积大小、厚度、数量可根据支柱周围土体条件以及基础外载荷情况决定,达到增强支柱基础稳定性,以防支柱基础的继续沉陷。

(5)为增强受力支柱抗倾覆能力,还可对支柱基础进行棱柱形基础具体设计、整体浇筑杯基形基础具体设计等设计方法,以达到支柱受力状态的平衡和基础的稳定。

总结

接触网是一种特殊的供电线路,本文通过对接触网各部分的认识以及对现存问题的建议,希望可以提高接触网的运行品质和安全可靠性,为正在进行的大规模铁路建设,尤其是电气化铁路建设提供有利的帮助,促进铁路事业更加飞速的发展。

参考文献

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【2】高速电气化铁路接触网于万聚2003年5月西南交通大学出版社

【3】接触网工技术问答850题张万里1998年中国铁道出版社

【4】浅谈弹性悬挂接触网技术杨振华2006年1月维普资讯