淺析武廣客專彈性鏈形懸掛中負弛度問題

吳樹偉

0 引言

武廣客運專線是國家“十一五”重點建設項目，設計最高時速350 km，是我國一次性投資建設線路里程最長，技術標準最高的一條客運專線。武廣客運專線接觸網(wǎng)采用彈性鏈形懸掛方式，其特點為彈性較為均勻，弓網(wǎng)受流效果較好。但是對于彈性鏈形懸掛方式，尤其在時速350 km情況下，其施工安裝精度要求非常高，誤差控制范圍嚴格。在國外督導的幫助下，施工人員基本掌握了彈性鏈形懸掛的安裝技術，不過在初始階段，由于對該懸掛方式認識不深，施工安裝過程中出現(xiàn)了一些問題，其中接觸線負弛度問題的處理較為棘手。

1 負弛度的定義及危害

1.1 負弛度的定義

在接觸網(wǎng)上，當跨距中間接觸線高度大于兩側懸掛點的高度，且超出施工允許的誤差范圍時即發(fā)生負弛度，如圖1所示。

圖1 接觸懸掛負弛度示意圖

1.2 負弛度的危害

負弛度對高速弓網(wǎng)關系影響非常惡劣。由于負弛度的存在，經(jīng)常在該部位造成火花或拉弧，受電弓受到高速運行的沖擊，致使弓網(wǎng)之間不能正常取流，而在負弛度的邊緣，則發(fā)生受電弓滑板的異常磨耗和撞擊性損害，從而損傷接觸線和受電弓。弓網(wǎng)間的拉弧也會影響牽引電機的正常取流，在拉弧的暫態(tài)過程中對牽引電機造成嚴重的傷害，從而影響機車的牽引性能。

2 接觸網(wǎng)的基本數(shù)據(jù)及控制要求

2.1 武廣線彈性鏈形懸掛的基本數(shù)據(jù)

武廣客專正線承力索采用截面為 120 mm2的銅鎂合金絞線，張力為21 kN；接觸線采用截面為150 mm2的銅鎂合金接觸線，張力為30 kN，標準跨距一般為50 m；接觸線高度為5 300 mm，結構高度1.6 m；彈性吊索長度14 m，彈性吊索吊弦距懸掛點4 m。具體結構如圖2所示。

圖2 彈性鏈形懸掛示意圖

2.2 施工偏差要求

施工偏差的控制是高速接觸網(wǎng)施工的關鍵技術之一。高速接觸懸掛對接觸線高度要求十分嚴格，接觸線高度精度越高、施工偏差越小，受電弓的受流質量則越好，受電弓和接觸網(wǎng)的壽命越長，該線運營時速高達350 km，為保證高速運行狀態(tài)下良好的弓網(wǎng)關系，對接觸線高度（以下簡稱導高）偏差要求見表1。

表1 接觸線導高安裝偏差表

3 負弛度產(chǎn)生原因分析

武廣客運專線接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)安裝采用CANDROP計算軟件，腕臂裝置及整體吊弦均為一次預配成形。在測量、輸入、計算數(shù)據(jù)均完整正確的情況下，即吊弦數(shù)據(jù)均完整無誤的情況下，對接觸線弛度的影響因素主要有以下幾方面。

3.1 負弛度基理分析

彈性鏈形懸掛最大的特點就是增加了彈性吊索（見圖 2），彈性吊索通過彈性吊索線夾在兩端與承力索相連，可將之看做接觸網(wǎng)的“簡單懸掛”，彈性吊索的張力和弛度都會隨溫度變化，因此可以設定一個簡單懸掛的狀態(tài)方程。

設彈性吊索負載為q，張力為T，安裝初始溫度為t，有下標“1”為起始條件，下標“x”為待求條件，所以狀態(tài)方程為

式中，lD為當量跨距，lD= 14 m；a為彈性吊索的線脹系數(shù)（K-1），a= 17×10-6；E為彈性吊索的彈性系數(shù)（MPa），E= 120 000；S為彈性吊索的計算橫截面積（mm2），S= 34.36 mm2。

式（1）中，當已知q1，T1及t1時，可以求得任意溫度tx時的張力值Tx。

承力索任意一點的弛度：

式中，y為承力索任意一點弛度，m；x為所求吊弦處距離懸掛點距離，m；li為跨距，m；Zx為承力索在tx時對應的換算張力，kN；Wx為承力索在tx時對應的負載，kN/m。

將求得的溫度tx時的張力Tx代入式（2），可得出張力變化后承力索的弛度變化，從而得出吊弦的變化量。

根據(jù)上述計算可以得出，對3.5 kN彈性吊索張力，每增加或減少100 N后，對相鄰懸掛點吊弦L1、L2、L3的影響是 1、4、和 3 mm（圖 3）。

由計算可知，當外界環(huán)境溫度升高時，彈性吊索C、D點向下移動，對A、B點增加了力的作用，這樣使承力索的高度抬高，相應帶動吊弦向上，在跨距中形成了負的弛度，反之，當溫度降低時，就會形成正的弛度。

圖3 吊弦受力及位置變化示意圖

3.2 彈性吊索安裝誤差的影響

彈性吊索安裝是接觸網(wǎng)全補償彈性鏈形懸掛施工的關鍵技術，根據(jù)國外彈性吊索安裝經(jīng)驗：彈性吊索的張力正確與否對于支持點附近彈性吊索范圍內的接觸線高度和彈性有明顯影響，越小于（或大于）設計額定張力時，支持點處彈性越小（大），支持點附近的接觸線高度在檢測曲線圖上將顯示出越大的正（負）弛度。即，彈性吊索張力不正確會導致支持點附近的接觸線高度超標，從而導致弓網(wǎng)關系惡化。

3.3 導線質量誤差的影響

導線質量誤差對弛度有一定影響?？缰谐诙萬max按下式計算：

式中，G′為含接觸線、承力索、吊弦和線夾在內的接觸網(wǎng)重量，kg；l為跨距，m；H為承力索水平受力，N。

例如：在50 m的跨距中，如接觸線質量減少2%，經(jīng)計算，承力索的弛度就會減少3.88 mm。

不過從計算結果可以看出，接觸線質量的誤差對承力索弛度的影響并不是很大。

3.4 補償裝置的影響

對急劇的氣溫變化反應過慢可能導致負弛度。溫度變化引起整個接觸網(wǎng)包括腕臂的運動。在該過程中，腕臂的摩擦力導致機械慣性并臨時降低了補償裝置的靈敏度。它意味著補償裝置需要一定的時間來充分反映溫度變化以便達到有關的接觸線的最終高度，如在該期間測量導高，很可能得出不正確的結果。

4 弛度的調整

由以上分析可以看出，彈性吊索的張力對接觸線的高度起著很大的作用，可以通過改變彈性吊索張力來逐漸調整接觸線高度。具體步驟如下：

（1）在半個錨段范圍內將原安裝的彈性吊索卸載，重新安裝時從中心錨結開始。

（2）安裝其中一個彈性吊索線夾（線夾朝向中錨方向），在另一端安裝彈性吊索緊線器（永遠朝向下錨方向）。以2.5 kN張力拉緊彈性吊索（比額定張力低1 kN）。

（3）按照吊弦安裝工藝安裝彈性吊索用吊弦；測量接觸線高度并根據(jù)誤差重新調整吊弦長度。

（4）按正常張力3.5 kN固定彈性吊索。

（5）安裝第二個彈性吊索線夾。拆除彈性吊索緊線器。

圖4 改變彈性吊索張力調整弛度示意圖

（6）安裝彈性吊索用吊弦。

（7）安裝完所有彈性吊索之后，對承力索及接觸線的補償裝置進行檢查。

以上工藝步驟應嚴格遵循，需要注意的是，調整時不得抬高接觸線，以免使吊弦卸載，同時半個錨段內只允許一組人員進行施工安裝。

由現(xiàn)場初步調整結果得知：通過調整彈性吊索的張力可以改變吊弦及接觸線高度，進而明顯改善接觸網(wǎng)狀態(tài)。

5 結論

理論計算、國外試驗、現(xiàn)場調整均表明：若改變彈性吊索的張力，那么該彈性吊索范圍內的彈性、接觸線高度、彈性吊索吊弦與相鄰吊弦處的接觸線高度差、定位器坡度等均將隨之改變。在確定吊弦測量、計算、加工和安裝無誤時，若接觸網(wǎng)靜態(tài)檢測發(fā)現(xiàn)某彈性吊索范圍內的接觸線有問題，則往往可判定該彈性吊索的張力存在偏差，這是導致接觸線高度發(fā)生變化，即發(fā)生負弛度的主要因素。

因此，彈性吊索的張力控制最為關鍵和重要。對于彈性吊索的安裝，應在外方提供的作業(yè)指導書的基礎上，嚴格工藝流程，強化細節(jié)管理，不斷地總結經(jīng)驗，摸索規(guī)律，提高施工人員作業(yè)水平，同時也為其他高速客專的接觸網(wǎng)施工積累寶貴經(jīng)驗。

[1]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學出版社，1992.

[2]Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團譯.北京：中國電力出版社，2004.

[3]接觸網(wǎng)設施的設計、施工和維修.德國鐵路規(guī)范 DS 997.01.

[4]朱飛雄.《客運專線鐵路電力牽引供電工程施工質量驗收暫行標準》（接觸網(wǎng)部分）宣貫要點[J].鐵道標準設計，2006，（3）：88-92.