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摘要：本文詳細探討了接觸線磨耗與波傳播速度、接觸線張力、安全系數(shù)之間的關(guān)系，提出了350km/h運營線路接觸線張力選擇的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：高速鐵路張力磨耗方案

一350km/h運營速度接觸線張力要求

國外300km/h及以上接觸網(wǎng)懸掛動態(tài)參數(shù)表表1

懸掛組合

運行速度（km/h）

接觸線張力(KN)

承力索張力(KN)

波動傳播速度(km/h)

反射系數(shù)

多普勒因子

放大因數(shù)

彈性非均勻度(%)

法國TGV大西洋線：THJ-70+Cu-150(簡鏈)

300

20

14

440

0.357

0.187

1.909

36

德國Re330(彈鏈)：THJ-120+CuMg-120

350

27

21

572

0.468

0.241

1.938

8

西班牙EAC(彈鏈)：Cu-95+CuMg-150

350

31.5

15.75

553

0.36

0.225

1.600

6．25

接觸導(dǎo)線的張力對高速接觸網(wǎng)特性有決定性的影響，波的傳播速度是個基本參數(shù)，國外350km/h運行速度接觸網(wǎng)波的傳播速度達到了550km/h以上，多普勒因素為0.22～0.24之間，截面120、150接觸線的必要張力分別為27kN及30kN以上，考慮必要的安全系數(shù)，導(dǎo)線的抗拉強度應(yīng)達到500N/mm²。目前國內(nèi)外達到如此強度的接觸線只有合金含量為0.5的鎂銅導(dǎo)線。

二國內(nèi)安全系數(shù)對接觸線張力選擇的影響

接觸線最大允許張力及安全系數(shù)的選用直接關(guān)系到懸掛系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和安全性。

目前國內(nèi)對安全系數(shù)的選用表2

接觸線磨耗

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定

TB10009-98

秦沈客運專線暫規(guī)

鐵技[2000]25號

京滬高速鐵路設(shè)計暫規(guī)

鐵建設(shè)[2003]13號

磨耗≤15%

≥2.5

≥2.1

15%＜磨耗≤25%

≥2.2

25%

≥2.0

選用秦沈客運專線暫規(guī)及京滬高速鐵路設(shè)計暫規(guī)的安全系數(shù)進行比較。

銅合金接觸線的最大使用張力、波動傳播速度、β值表3

接觸線類型

拉斷力(KN)

京滬：磨耗25%、安全系數(shù)2.0

秦沈：磨耗15%、安全系數(shù)2.1

最大使用張力（KN）

波速度(km/h)

β值

最大使用張力（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：表中接觸線張力增量按5%考慮，列車運行速度350km/h。

由此可以看出，由于國內(nèi)安全系數(shù)的影響，鎂銅接觸線的最大使用張力只能達到21.375KN及25.65KN，其最大波傳播速度被限制在510km/h左右，接觸網(wǎng)的動態(tài)特性不能進一步得到提高。

三磨耗與速度的關(guān)系

1磨耗與接觸線波傳播速度的關(guān)系

接觸線波傳播速度的計算公式為：C=3.6*√Fj/mj

其中：C—波傳播速度（km/h）；

Fj—接觸線張力(KN)；

mj—接觸線的單位質(zhì)量（kg/m）；

接觸網(wǎng)波傳播速度與接觸線的張力及單位質(zhì)量有關(guān)，隨著接觸線張力的增加，波傳播速度增大，接觸線單位質(zhì)量的減少，波傳播速度也會增大。在接觸網(wǎng)運營過程中，受電弓與接觸線是一種動態(tài)接觸，受電弓與接觸線之間存在機械磨耗及電氣磨耗，隨著磨耗增加，接觸線單位質(zhì)量降低，同時也伴隨著接觸線最小拉斷力的降低，其關(guān)系如圖一、圖二所示。

由于接觸線單位質(zhì)量的減少，在固定接觸線張力條件下，其波傳播速度隨著磨耗的增加逐漸增大，如圖3所示：MgCu120、MgCu150接觸線張力分別為27KN及30KN。

2.磨耗與安全系數(shù)的關(guān)系

接觸線磨耗達到25%時，接觸線波傳播速度較起始值增加了15%左右，也既是說，隨著接觸網(wǎng)運營時間的推移，由于接觸線磨耗的增加，接觸網(wǎng)的動態(tài)特性得到了改善。但是這種改善是以犧牲接觸懸掛的安全性為代價的，圖4顯示了磨耗與安全系數(shù)的關(guān)系：（接觸線張力分別為30KN及27KN。）

接觸線磨耗達到15%~18%時，其安全系數(shù)均已降到了2.0以下，不能滿足京滬暫規(guī)：磨耗25%、安全系數(shù)2.0要求；按照秦沈暫規(guī)安全系數(shù)2.1要求，磨耗也只能達到11%~14%。目前的解決方案是降低接觸線的張力，犧牲接觸網(wǎng)的動態(tài)特性，以確保接觸網(wǎng)的安全性。

四.優(yōu)化方案

由于受到安全系數(shù)的限制，目前接觸導(dǎo)線的張力不可能進一步提高，但是波傳播速度與張力及導(dǎo)線單位質(zhì)量有密切的關(guān)系，假設(shè)波傳播速度固定不變，隨著磨耗增加，接觸線張力變化如圖5所示

即在固定波傳播速度下，隨著磨耗的增加，對接觸線張力要求呈下降的趨勢。利用該項特性，我們可以在接觸網(wǎng)運營過程中，隨著接觸導(dǎo)線磨耗的變化，通過卸載的方式來保證任何磨耗情況下，接觸網(wǎng)的安全系數(shù)均保持在2.1以上，如圖6所示。

以CuMg150為例，磨耗小于10%，接觸線張力保持在30kN，磨耗在10%到16%之間時，接觸線張力卸載為27kN，磨耗大于16%，接觸線張力卸載為25kN。接觸線張力需然經(jīng)過三次卸載，其波傳播速度始終保持在540km/h左右，安全系數(shù)均大于2.1。同時接觸網(wǎng)各項參數(shù)也進一步得到優(yōu)化，多普勒因子：0.221，放大因數(shù)：2.012，β值：0.638，彈性懸掛時跨中彈性為：0.343mm/N。

五方案對運營維護的影響

由于方案在接觸網(wǎng)運營過程中，存在多次卸載，其是否可行性，必須解決兩方面的問題：第一是卸載點，即卸載時機的確定；其次是每次卸載對接觸網(wǎng)的影響有多大，這涉及到運營維護單位的工作量問題。

在高速鐵路的日常運營維護中，普遍采用了高科技的接觸網(wǎng)檢測手段，定期對接觸網(wǎng)的各項參數(shù)進行檢測，以及時發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)安全隱患。接觸網(wǎng)檢測過程中，接觸線磨耗是其重要的檢測參數(shù)之一，因此通過接觸網(wǎng)的日常檢測，收集接觸線的磨耗資料，可以非常容易地確定接觸線的張力卸載時機。

接觸線卸載后對接觸網(wǎng)參數(shù)的影響，主要是卸載過程中，接觸線的位移引起的，導(dǎo)致這種位移的主要因素是張力的減小，引起接觸線彈性伸長的減小。以MgCu150為例，初始張力30KN，在卸載點卸載為27KN時，隨著錨段長度的不同，接觸線彈性伸長量減少了128~183mm，如圖7所示（圖中“L”為半錨長度）。接觸線的縮短會引起接觸網(wǎng)兩方面的變化，第一是接觸線弛度變化，另一方面會引起吊弦的偏斜。

以700m半錨長度來研究該變化對最短吊弦及定位角度的影響（最短吊弦長度取800mm，定位器長度取1200mm），如圖8所示。

由圖中所示可以看出，假設(shè)接觸線縮短對接觸網(wǎng)的影響全部作用在吊弦上時，最短吊弦傾角在10°以內(nèi)，定位器偏轉(zhuǎn)角度在7°以內(nèi)，當跨距為50m時，每跨中接觸線的縮短均為9.2mm。綜合考慮接觸線弛度的變化，卸載后必須對部分接觸網(wǎng)進行調(diào)整。

由于接觸網(wǎng)高速性能得到提高，弓網(wǎng)關(guān)系得到優(yōu)化，接觸線單位弓架次磨耗有所降低，其壽命進一步提高，雖然增加了部分運營維護的工作量，筆者認為該方案是可行的。