重载铁路接触网关键技术方案研究与应用

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重载铁路接触网关键技术方案研究与应用

罗 健

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

摘 要：重载铁路具备牵引质量大、功率高、接触网载流量大等特点，对接触网的系统需求不同于普通铁路，有必要对接触网关键技术方案进行深入研究。通过计算机模拟仿真分析和多方案比选论证，确定接触网导线规格、张力配置、主要零部件选型及电分相形式等关键技术方案。研究成果已经成功应用于山西中南部铁路、张唐铁路等重载线路。针对目前重载铁路接触网零部件规格型式不一，不便于运营维护的现状，建议加强对重载铁路接触网主要装备的统一化、标准化研究，保障运输安全、降低工程投资。

关键词：重载铁路；接触网；张力配置；电分相；零部件

伴随我国社会经济的发展，煤炭、矿石等大宗货物运输的需求量也与日俱增，重载铁路在日常运输生产和未来铁路发展规划中，都在扮演越来越重要的角色。随着电气化铁路接触网技术的不断更新与进步，有必要对重载铁路接触网不同于普通铁路的关键技术方案进行深入研究，以更好地满足重载货物运输的要求。针对30 t轴重重载铁路接触网系统关键技术和装备方案进行了研究，研究成果已经在山西中南部铁路、张唐铁路等项目中获得成功应用。

1 重载铁路对接触网的功能需求

2015年国际重载运输协会对重载铁路的定义为：重载列车牵引质量不少于8 000 t；列中车辆轴重达到或超过27 t；在至少150 km线路区段上年计费货运量不低于40 Mt，3项条件满足其中2项称为重载铁路[1]。从技术指标分析，重载铁路较之普通铁路，对牵引质量、轴重和年运量有着更高的要求，对接触网系统也有直接的影响。

(1)牵引质量大、牵引功率提高、接触网载流量大，相应的供电方式、导线截面等均应有所提升；

(2)轴重大、线下基础设施振动强烈，对于接触网结构和零部件的可靠性、耐久性、易维护性提出了新的要求[2]；

(3)重载铁路运输以煤炭等货物为主，沿线粉尘较大，环境较为恶劣，对接触网防污、防腐性能提出了新的要求[3]。

2 接触悬挂导线规格和张力配置

2.1 导线截面

重载铁路牵引质量大，牵引时所需要的机车牵引功率大、牵引电流大，需要加大接触导线的载流截面。根据单车功率和供电范围，结合牵引计算，导线截面通常配置宜为截面150 mm2承力索和150 mm2接触线，导线材质为铜合金。

2.2 悬挂类型

重载铁路最高设计速度一般为120 km/h[4]，针对截面为150 mm2的承力索和接触线，接触网悬挂类型可采用简单链型悬挂或弹性链型悬挂[5]。弹性链型悬挂较简单链型悬挂，弹性更为均匀，硬点更少，但是对于最高速度120 km/h的线路两种悬挂类型的机械性能差异很小。弹性链型悬挂较简单链型悬挂造价高、施工安装和运行维护复杂，不宜采用。简单链型悬挂易于安装和调整，造价较低，满足重载铁路的需要，故推荐采用简单链型悬挂方式。

2.3 张力配置

接触悬挂采用150 mm2承力索和150 mm2接触线配置不同于普速铁路和高速铁路，借助弓网动态模拟仿真软件分别对承力索和接触线15 kN+10 kN、15 kN+15 kN、15 kN+20 kN张力组合进行弓网关系动态分析。动态接触力曲线见图1～图3。

图1 15 kN+10 kN弓网接触力

图2 15 kN+15 kN弓网接触力

图3 15 kN+20 kN弓网接触力

根据仿真结果，对弓网动态接触压力各项数值进行统计，见表1。

表1 弓网动态压力统计 N

张力/kN平均值偏差值最小值最大值15+1089.3713.8455.79125.1415+1588.5510.6663.15116.4815+2088.429.2262.81110.43

通过仿真结果可以看出：

(1)各组张力配置下弓网接触力平均值较接近，各组弓网接触力分布均较为集中，均满足接触网动态特征要求；

(2)导线张力越大，接触力的分布越集中，弓网受流质量越好。接触线张力由10 kN增加到15 kN对于动态接触力的改善，比由15 kN增加到20 kN的情况更为明显。

通过动态仿真分析，建议重载铁路选用导线截面为150 mm2承力索和接触线时，推荐张力配置为15 kN+15 kN。

3 主要零部件选型

重载铁路接触网系统应适应载流量大、线下基础设施振动强烈、粉尘污染严重等特点，寒温寒冷地区还要考虑抗低温冲击性能。接触网零部件作为保障系统安全可靠运行的重要组成部分，腕臂系统、下锚底座等钢结构件主要选用优质碳素结构钢和低合金结构钢，材质主要包括Q235A、Q345B、20#45#；接触网零件配套的紧固件主要选用不锈钢，材质主要包括06Cr19Ni10、12Cr18Ni9；电连接、中心锚结、终端锚固线夹、定位线夹等零件采用铜及铜合金，材质主要包括T2、QAl9-4、CuNi2Si；定位装置、下锚装置中部分配件采用铝合金，材质主要包括6082、ZL114A。

在接触网零部件制造工艺设计过程中，如果锻造工艺与铸造工艺均可同时满足制造要求，应优先选择锻造工艺。锻造工艺具有生产流程简单，综合成本低、质量易于控制、生产效率高、适用于大批量生产等优点。

3.1 腕臂底座

腕臂底座从工艺上分为铸造和锻造两种，铸造型主要材质为ZG270-500，锻造型主要材质为Q235A，低温时可选用Q345B。为提高产品性能稳定性，同时提高生产效率及降低成本，推荐采用模锻结构[6]。

3.2 终端锚固线夹

终端锚固线夹从结构形式分为双耳楔形及锥套型两种。双耳楔形线夹为楔块楔紧原理，线材锚固时需弯曲或回头，线夹本体采用铸造工艺，材质为钢；锥套型终端锚固线夹采用锥压抱紧原理，线材不需要弯曲，线夹本体采用锻造及机加工工艺制造，材质为铜合金或不锈钢。

双耳楔形线夹的优点为加工工艺简单、造价低，缺点是体积大，大直径线索安装时弯曲困难，铸造件容易产生缺陷；锥套型线夹的优点是美观、可靠，便于大直径线材锚固，缺点是加工工艺复杂、造价较高。重载铁路采用大直径线材，为了便于施工，增加可靠性，推荐采用锥套型终端锚固线夹[7。

3.3 补偿装置

重载铁路一般地处山区，对断线制动无太多要求，补偿装置推荐采用成熟可靠的滑轮补偿装置，考虑重载铁路运输以煤炭等货物为主，沿线粉尘较大，采用双面轴承密封结构的无油免维护滑轮组，可提高产品稳定性，防止出现偏磨现象[8]。

3.4 定位线夹

定位线夹从结构形型有插销、无插销、T形头3种形式，T形头为铸造工艺，相对于锻造工艺的夹板式线夹可靠性稍差。有插销定位线夹U形卡销存在长期振动情况下发生断裂，造成定位器从定位线夹处脱出的情况。推荐采用无插销结构定位线夹，避免插销磨损，提高了产品稳定性，防止定位线夹出现脱落现象[9]。

3.5 电连接线夹

电连接线夹分为全压接型和螺栓型两种。全压接型电连接线夹的优点是安全可靠、连接电阻小、质量轻；缺点是需要专用压接工具安装，对压接工艺要求高。螺栓型电连接线夹的优点是安装简单，缺点是质量大、连接电阻较大。重载铁路电流大，推荐采用全压接型电连接线夹[10]。

4 电分相

4.1 电分相的形式4.1.1 器件式电分相

重载铁路分布于山区的比例较高，线路往往出现长大坡道、小半径曲线、连续桥隧区段等情况。电分相的设置应避免上述区段。重载铁路运营速度往往不超过120 km/h，器件式电分相可以满足线路运行的机械、电气需要，且安装简单，可以广泛适用于各种车型和升弓方式。但器件式电分相最主要问题是受电弓在通过分相绝缘器时存在一定的机械冲击，影响弓网平稳授流[11]。

4.1.2 关节式电分相

(1) 两断口关节式电分相

当线路条件比较理想时，应考虑采用锚段关节式电分相以减轻对受电弓的冲击。两断口式接触网电分相装置与设置原则如下。

当列车编组采用双弓运行时，若双弓间有高压母线联接，则双弓之间的距离必须小于电分相无电区的长度；若双弓间无高压母线联接，则双弓之间的距离应小于无电区的长度或大于中性段的长度[12]。

若采用两个断口的分相无电区长度大于双弓间距的长分相方案，由于重载铁路机车分布形式多样，双弓间距有可能超过1 km，长分相将导致机车长时间失电给行车安全带来负面影响，故不推荐采用。

对于重载铁路，当采用两断口电分相时，推荐采用双弓间距小于无电区长度的短分相方案，分相形式为2个4跨绝缘关节重叠1跨组成7跨电分相关节。

(2)三断口关节式电分相

三断口式电分相实际上是由3个连续的绝缘锚段关节构成，3个绝缘关节共形成了3个断口和2个中性段。

对于无高压母线联接的双受电弓，无论双弓间距如何，两受电弓的滑板都不可能将3个断口同时短接起来，不可能引起异相短路，这是三断口式电分相相对于两断口式电分相的显著优势。三断口电分相较两断口电分相对于重载铁路适用性更好。但是分相本身中性段较长，特别是在桥梁区段采用11跨三断口电分相时，中性段长度超过350 m，设置往往受限，行车检算困难。

4.2 电分相的选择

重载铁路在线路条件较好时，优先采用关节式电分相；对线路上运行机车受电弓配置明确的情况下，优先采用两断口电分相，反之，可采用三断口电分相；线路条件较差不适合采用关节式电分相时，可采用器件式电分相。

5 应用实例

5.1 山西中南部铁路

山西中南部铁路通道为重载铁路长大干线，设计速度为120 km/h；最小曲线半径：一般1 200 m，困难800 m，个别地段600 m；牵引质量5 000 t，部分10 000 t；到发线有效长1 050 m，部分1 700 m[13]。

接触网采用全补偿简单链型悬挂；正线承力索采用铜合金绞线JTM150，张力15 kN；正线接触线采用银铜合金CTA150，张力15 kN；主要零部件均按上述推荐意见选型；电分相路基区段采用8跨三断口关节式，桥上采用11跨三断口关节式，困难区段采用器件式[14]。

5.2 张唐铁路

张唐铁路张家口至李家营段设计速度为120 km/h，李家营至唐海段设计速度为160 km/h；设计速

度120 km/h地段最小曲线半径800 m，160 km/h地段最小曲线半径1 600 m；牵引质量5 000 t，部分10 000 t；到发线有效长度1 700 m。

接触网导线配置、主要零部件选型与上述研究结论一致；电分相路基区段采用7跨两断口关节式，桥上采用8跨两断口关节式，困难区段采用器件式[15]。

6 结论与建议

(1)本文系统研究了重载铁路接触网导线张力配置、零部件选型、电分相设置等与普通铁路区别较大的关键技术问题，研究结论成功应用于山西中南部铁路、张唐铁路等项目，开通运营情况良好，研究成果具有较高的推广应用价值。

(2)针对目前重载铁路接触网零部件规格型式不一，不便于运营维护的现状，建议加强对重载铁路接触网主要装备的统一化、标准化研究，结合重载铁路实际特点，进一步优化主要装备选型，细化产品标准，在满足运输安全的前提下尽可能节省工程投资。

参考文献：

[1] 钱立新.世界铁路重载运输技术的最新进展[J].机车电传动，2010(1)：3-5.

[2] 肖世伟 雷长顺.重载铁路路基荷载特征和路基动力响应分析[J].铁道工程学报，2014(4):51-56.

[3] 肖尊群，周春梅.既有重载铁路路基压实指标与承载力的关联度分析研究[J].铁道标准设计，2016，60(1):34-38.

[4] 赵斗.我国重载铁路速度目标值探讨[J].铁道标准设计，2016，60(4)：1-4.

[5] 中华人民共和国铁道部.TB10001—2005铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[6] 中华人民共和国铁道部.TB/T2075.2—2010电气化铁路接触网零部件[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[7] 中华人民共和国铁道部.TB/T2075.5—2010电气化铁路接触网零部件[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[8] 中华人民共和国铁道部.TB/T2075.12—2010电气化铁路接触网零部件[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[9] 中华人民共和国铁道部.TB/T2075.3—2010电气化铁路接触网零部件[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[10]中华人民共和国铁道部.TB/T2075.11—2010电气化铁路接触网零部件[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[11]范海江，张曼华，侯震宇.高速铁路接触网电分相设计[J].铁道标准设计，2011(9)：99-101.

[12]周凡.大西客运专线接触网电分相的选择与应用[J].铁道工程学报，2010(6):79-82.

[13]张东风.山西中南部铁路30 t轴重75 kg/m钢轨重载道岔设计研究[J].铁道标准设计，2014，58(6):17-22.

[14]铁道第三勘察设计院集团有限公司.新建山西中南部铁路通道工程施工图·电气化[Z].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2013.

[15]铁道第三勘察设计院集团有限公司.新建铁路张家口至唐山线施工图·电气化[Z].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2013.

Study and Application of Key Technical Solutions for Overhead Contact System on Heavy Haul Railways

LUO Jian

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251， China)

Abstract：With the characteristics of heavy haul railway， such as the heavy traction quality， high power consumption， high current carrying capacity of overhead contact system (OCS)， the requirement of overhead contact system is different from that of the conversional railways. Therefore， it is necessary to study the key technical solutions of the overhead contact system. According to the computer analogue simulation and comparison of different solutions， the key technical solutions are specifically recommended with respect to wire specifications， tension configurations， OCS fittings， phase isolation and etc. The results are successfully applied to Shanxi-Henan-Shandong heavy haul railway and Zhangjiakou-Tangshan heavy haul railway. In view of the inconsistent types of OCS fittings on heavy haul railways， which may result in problems during operation and maintenance， the consistency and standardization of main OCS facilities should be addressed to ensure safe transportation and less project investment.

Key words：Heavy haul railway; Overhead contact system; Tension configurations; Phase isolation; Tittings

收稿日期：2016-04-08；

修回日期：2016-04-13

基金项目：铁道第三勘察设计院集团有限公司科技开发项目(721326)

作者简介：罗 健(1980—)， 高级工程师，2003年毕业于西南交通大学机械工程及自动化专业，工学学士，主要从事铁路电气化设计工作，E-mail:[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2016)11-0122-03

中图分类号：U225

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.027