電氣化鐵路弓網(wǎng)受流質(zhì)量評估及改善措施

電氣化鐵路弓網(wǎng)受流質(zhì)量評估及改善措施

1弓網(wǎng)受流質(zhì)量弓網(wǎng)關(guān)系是高速能源鐵路的一項非常突出的關(guān)鍵技術(shù)。世界上電氣化鐵路比較發(fā)達(dá)的國家都對此投入了巨大的精力和財力進(jìn)行大量的試驗研究,取得了比較滿意的受流質(zhì)量。我國自60年代第1條電氣化鐵路開通以來,也設(shè)計了接觸網(wǎng)半補(bǔ)償和全補(bǔ)償鏈型懸掛、簡單鏈型懸掛、彈性鏈型懸掛、3t系重鏈型懸掛、彈性簡單懸掛等,研制了TSG1、TSG2、TSG2A、TSG2G、TSG3等5種型式受電弓。但因車速低,對接觸網(wǎng)和受電弓的要求僅限于造價低、弓網(wǎng)故障少,而對受流質(zhì)量未制定任何標(biāo)準(zhǔn)。1988年在環(huán)行線對我國自行研制的電動車組進(jìn)行了140km/h的試驗,接觸網(wǎng)采用一般鏈型懸掛,離線率較大,受流質(zhì)量不盡人意。1991年根據(jù)廣深線準(zhǔn)高速的要求,將環(huán)行線接觸網(wǎng)由2.5t系的鏈型懸掛改成了3t系重鏈型懸掛。1992年7月,對SS5型電力機(jī)車進(jìn)行140km/h受流試驗,離線率仍高達(dá)29%。1995年新的環(huán)行線接觸網(wǎng)安裝調(diào)試后,對國產(chǎn)TSGC型受電弓進(jìn)行受流試驗,最高速度達(dá)到了160km/h,為我國高速接觸網(wǎng)的設(shè)計和施工以及選擇受電弓參數(shù)取得了寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)和可借鑒的經(jīng)驗。近年來,隨著繁忙干線電氣化鐵路速度的提高和廣深線200km/h電氣化鐵路投入運營,我國鐵路戰(zhàn)略目標(biāo)轉(zhuǎn)向了高速。因此,為了保證現(xiàn)有電氣化鐵路弓網(wǎng)受流質(zhì)量良好,實現(xiàn)快速、安全、可靠運營,同時提高我國電氣化鐵道技術(shù)水平,有必要對160km/h～250km/h的弓網(wǎng)受流標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究,并制定出合理的受流質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)使我國在這一領(lǐng)域的技術(shù)向世界水平靠近。本文以廣深線的運營實踐為基礎(chǔ),對高速狀態(tài)下弓網(wǎng)受流質(zhì)量評估及改善措施進(jìn)行探討。2弓網(wǎng)系統(tǒng)受流質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)電力機(jī)車受電弓通過接觸網(wǎng)時,接觸網(wǎng)形成復(fù)雜的振動。受電弓是振動的激勵源,但它的振動幅度和頻率又受到接觸線高度、彈性等的制約,振動波的傳播又多次受到接觸網(wǎng)本身結(jié)構(gòu)的反射,加之外界風(fēng)的影響,使振動更加復(fù)雜。在受流過程中,兩者由于機(jī)械和電氣上的密切關(guān)系和相互影響構(gòu)成了一個完整的振動系統(tǒng),某一方面出現(xiàn)問題都會破壞正常的受流特性,因此有必要規(guī)范弓網(wǎng)系統(tǒng)受流質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)和動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)包括靜態(tài)彈性及其不均勻系數(shù)、靜態(tài)抬升量及抬升力、安全系統(tǒng);動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)包括波動傳播速度、離線率、動態(tài)接觸壓力、動態(tài)抬升量、受電弓的追隨性能等。以廣深線為例,其設(shè)計速度為160km/h～250km/h,弓網(wǎng)受流系統(tǒng)應(yīng)為高速的動態(tài)系統(tǒng)。這樣的一個受流系統(tǒng)是我們現(xiàn)有的規(guī)程和規(guī)范中沒有明確的,也無定量的指標(biāo)。根據(jù)我國的國情和國外高速鐵路的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),我們在確定高速電氣化受流標(biāo)準(zhǔn)時,應(yīng)考慮以下諸因素。2.1弓網(wǎng)受流特性弓網(wǎng)間的接觸壓力與接觸線的高度變化、懸掛特性、線路狀態(tài)、運行速度等多種因素有關(guān)。資料表明,在高速運行時,動態(tài)接觸壓力與氣流影響的附加動力、機(jī)車運行速度、線路振動的角頻率k存在以下關(guān)系:式中:FC1——受電弓上升時的接觸壓力;FC2——受電弓下降時的接觸壓力;FS——受電弓靜態(tài)接觸壓力;KV2——作用在受電弓的空氣動態(tài)分力;Mtk2e——接觸線彈性不均勻造成的干擾力;Mt——受電弓歸算質(zhì)量;e——接觸線的波動幅值。這是弓網(wǎng)接觸壓力的一般公式,但由于一個跨距內(nèi)各點的接觸壓力不同,常常以接觸壓力的平均值來評定:式中:i——采樣點;Fi——i處的接觸壓力。該值以接近靜態(tài)力為最好,太大會使弓網(wǎng)間磨耗加劇;太小會發(fā)生離線,灼熱的電弧將燒傷接觸導(dǎo)線和受電弓滑板。為了考慮各點接觸壓力不同對受流特性的影響常用接觸壓力的不均勻系數(shù)來衡量:式中:i——壓力一個變化周期的選擇點;Fimax——壓力一個變化周期中的上拐點值;Fimin——壓力一個變化周期中的下拐點值。顯然,對于一個跨距而言,FCP的值越接近于1,表示受流特性越好。從上述公式可知,接觸線與受電弓間的動態(tài)接觸壓力及其變化情況是弓網(wǎng)系統(tǒng)受流特性的最終評價標(biāo)準(zhǔn)。實踐表明,接觸線張力越大,動態(tài)接觸壓力變小,更易接近靜態(tài)力,弓網(wǎng)受流質(zhì)量就好。以廣深線為例,其設(shè)計最小動態(tài)接觸壓力不小于40N,最大值不大于200N,受流質(zhì)量完全滿足運營要求。2.2時間和速度受流檢驗受電弓與接觸線脫離(離線)時會形成電弧。電弧可以維持電流的連續(xù)性,使電力機(jī)車供電不中斷,但電弧也會造成滑板和導(dǎo)線磨耗加大。滑板磨耗量和離線電弧能量(電流平方×離線率×走行時間)成正比。當(dāng)離線過大或電流太小,使弓網(wǎng)間的電弧不能維持時,還會造成供電中斷,使機(jī)車喪失牽引力或制動力,甚至使之顛覆?！半x線”用下述兩個數(shù)值評價受流質(zhì)量。(1)離線率在一個區(qū)段內(nèi)(以一個錨段計),離線時間與運行時間之比為離線率,即離線時間Kot=運行時間廣深線采用的國際上通用的標(biāo)準(zhǔn),離線率控制在10%以下,受流情況良好。(2)一次離線的持續(xù)時間受電弓在受流過程中脫離接觸線的時間,0.1s以上稱為大離線,0.01s～0.1s間的稱為中離線,0.01s以下的稱為小離線。小離線是由于滑板的微振動或?qū)Ь€的波狀磨耗引起的,中離線和大離線是因受電弓框架跟不上接觸線的高度變化或因硬點沖擊造成的。在單弓受流時,以離線率不超過5%,一次離線的持續(xù)時間小于0.05s作為控制標(biāo)準(zhǔn)為宜。2.3受電弓運行軌跡既有電氣化鐵路接觸網(wǎng)多為無預(yù)留弛度的懸掛方式。在正常情況下,接觸線應(yīng)為水平狀態(tài);實際運行過程中,接觸線在受電弓接觸壓力P作用下,因彈性的差異,在沿跨距范圍內(nèi)出現(xiàn)不同的升高,如圖1所示。在懸掛點處因定位器的重量及其彈性的關(guān)系,升高值Δh偏小。在這種情況下,雖然接觸線是無弛度的,但因彈性不均勻,受電弓滑板的運行軌跡是一個波浪式的曲線,如圖1()所示。運行實踐表明,在大跨距時,跨中摩擦阻力大,接觸線磨耗加大。在小跨距時,因懸掛點增多使全線摩擦阻力加大,磨耗增加;當(dāng)運行速度提高到160km/h以上時,這種磨耗顯得更為明顯,使受流質(zhì)量更趨惡化。如果抬高量過大,會使振動加劇,導(dǎo)線的應(yīng)力增加,造成懸掛不穩(wěn)定,受電弓動態(tài)接觸壓力包絡(luò)范圍擴(kuò)大,甚至影響受電弓對其他非絕緣物體的絕緣距離。為了改善接觸線的受電弓相互作用的條件,提高受流質(zhì)量,有必要在安裝接觸線時,給以弛度f,使受電弓的運行軌跡趨于水平狀態(tài)。廣深線按照國內(nèi)外運行經(jīng)驗,在高速狀態(tài)下接觸線的預(yù)留弛度為跨距值的0.5‰。在施工過程中,弛度f一般是通過承力索的附加張力和整體吊弦的長度控制來實現(xiàn)的。通過廣深線8個多月的運營觀察,我們認(rèn)為在160km/h～200km/h的情況下,這種預(yù)留弛度是比較理想的;而在更高速度的情況下,預(yù)留弛度應(yīng)與該狀態(tài)下的接觸線振動綜合考慮來確定合理的數(shù)值。2.4受電弓滑動的最大高度受電弓滑板的振動幅度指受電弓滑板在一個跨距內(nèi)振動的幅度,即上下振動的范圍。一般用振幅的2倍來表示:式中:Hmax——一個跨距內(nèi)受電弓滑板的最大高度;Hmin——一個跨距內(nèi)受電弓滑板的最小高度。由上式可知,2越小,受電弓運動軌跡越平滑,受流質(zhì)量越好。這個振動幅度除與受電弓本身設(shè)計有關(guān)外,還與接觸網(wǎng)有關(guān)。接觸網(wǎng)定位點與跨中的彈性差異對它有直接影響。彈性差異的減小,直接減小了接觸壓力的波動,同時又減小了接觸線抬高值的波動。2.5動態(tài)彈性系數(shù)zmin表示接觸網(wǎng)彈性有靜態(tài)彈性系數(shù)、動態(tài)彈性系數(shù)平均值和彈性系數(shù)分布不均勻系數(shù)。靜態(tài)彈性系數(shù)是在接觸網(wǎng)下無受電弓運行(即靜止?fàn)顟B(tài))時單位抬舉力引起的接觸線抬高值,單位是mm/N。在接觸網(wǎng)下有受電弓運行(即動態(tài))時,接觸網(wǎng)實際的接觸線抬高值與靜態(tài)值不一樣。動態(tài)時,由于作用在受電弓上的空氣動力的影響,接觸壓力的增加,動態(tài)抬高值也要增加。該值越大,也即受電弓滑板的振動幅度越大,對受流越不利。說明接觸網(wǎng)動態(tài)抬高值對受流質(zhì)量的影響,有實際意義的是動態(tài)彈性系數(shù);但該系數(shù)在跨距內(nèi)各點是不一樣的。因此常用動態(tài)彈性系數(shù)平均值Z和彈性系數(shù)分布不均勻系數(shù)KO來表示:式中:i——采樣點;hi——在跨距內(nèi)i點處接觸線的動態(tài)抬高量;Fi——在跨距內(nèi)i點處弓網(wǎng)間的接觸壓力。式中:Zmax——跨中的彈性系數(shù);Zmin——懸掛點的彈性系數(shù)。良好的弓網(wǎng)受流要求接觸網(wǎng)的彈性均勻且彈性較小,安全系數(shù)滿足設(shè)計施工的規(guī)程、規(guī)范要求。彈性越均勻,越有利于改善弓網(wǎng)關(guān)系。降低彈性有利于提高接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性;從減少接觸線疲勞損傷,限制接觸線抬升量的角度來看,也必須降低彈性;降低彈性也可以降低抬升量,減少刮弓的可能性,保證行車的安全。提高彈性可以降低彈性不均勻系數(shù);預(yù)留接觸線的弛度也可以降低跨中接觸線相對定位點的上升高度,減小接觸線抬高值的波動幅值,從而彌補(bǔ)彈性不均勻的不足。目前我國對高速接觸網(wǎng)的彈性不均勻系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)較少,也缺乏標(biāo)準(zhǔn)。廣深線50m跨距的接觸網(wǎng)在200km/h速度下的彈性不均勻系數(shù)規(guī)定小于14%。從運營情況來看,這個規(guī)定是合理的。2.6受流速度通過速度自動識別,減少了受流質(zhì)量波動傳播速度和無量綱速度是接觸網(wǎng)較為重要的動態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn),兩者是密切相關(guān)的量。波動傳播速度是由于機(jī)車速度的提高在靜態(tài)抬升量上增加了動態(tài)分量,受電弓抬升力引起的接觸網(wǎng)振動的傳播速度。它是與接觸線張力和密度有關(guān)的量:式中:T——接觸線的張力,kN;mF——接觸線單位長度的質(zhì)量,kg/m。由此可知,提高接觸線張力和降低接觸線密度可以提高波動傳播速度。而提高波動傳播速度對改善弓網(wǎng)受流質(zhì)量有著決定性的作用。如果運營速度接近波動傳播速度,接觸線的抬升量急劇加大,受流質(zhì)量變壞,甚至造成離線;弓線之間的電弧使受電弓滑板和導(dǎo)線之間產(chǎn)生電磨耗;同時也會使電力機(jī)車主回路產(chǎn)生突變電壓,加速電器的絕緣老化和損傷;接觸線振動變形增大后,接觸線的機(jī)械疲勞加劇,嚴(yán)重時會造成斷線。無量綱速度是列車速度與波動傳播速度之比值。該值與受電弓參數(shù)、個數(shù)、間距及接觸網(wǎng)懸掛類型、接觸線張力有關(guān),表示兩種速度之差的程度,衡量弓網(wǎng)關(guān)系匹配水平。此值越小,兩種速度之差越大,弓網(wǎng)關(guān)系越好,適應(yīng)受電弓的能力越強(qiáng)。目前我國廣深正線使用承力索為TJ-127,接觸線采用法國的120mm2銀銅接觸線,中速區(qū)段額定張力(17+13)kN,高速區(qū)段額定張力(20+15)kN,網(wǎng)的無量綱速度小于0.60,磨耗率0.275mm/10萬弓架次,熱軟化值340℃,最小截面的最小抗拉強(qiáng)度43.8kN。實踐證明這種配置提高了接觸網(wǎng)的波動傳播速度,降低了無量綱速度,改善了弓網(wǎng)受流質(zhì)量。廣深線接觸網(wǎng)的波動傳播速度設(shè)計為423km/h,其試驗段行車速度為250km/h。1998年8月開通至今,均速200km/h的運營結(jié)果表明,弓網(wǎng)受流質(zhì)量良好。因此我們認(rèn)為,當(dāng)運行速度小于0.6倍的設(shè)計波動傳播速度時,弓網(wǎng)之間的動態(tài)接觸良好,受流質(zhì)量也較好。320廣深線的運行維護(hù)及其他性能變化受電弓和接觸網(wǎng)是一對不可分割的整體系統(tǒng)。在設(shè)計、施工和運行中都要求它們隨時協(xié)調(diào)一致,有良好的匹配關(guān)系。廣深線的設(shè)計、施工直到良好運行已達(dá)8個月時間,未出現(xiàn)任何弓網(wǎng)故障,這對我國高速電氣化的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步有著深遠(yuǎn)的意義。在此,我們根據(jù)廣深線的實踐數(shù)據(jù)和高速弓網(wǎng)系統(tǒng)受流質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出200km/h以上速度接觸網(wǎng)和受電弓設(shè)計參數(shù)的建議值供大家參考。3.1連接網(wǎng)絡(luò)3.1.1全補(bǔ)償彈性鏈型懸掛200km/h～250km/h高速應(yīng)首選3.5t系全補(bǔ)償簡單鏈型懸掛(帶一定預(yù)留弛度,建議0.5‰)。250km/h以上速度應(yīng)根據(jù)弓網(wǎng)關(guān)系的計算機(jī)仿真模擬結(jié)果,看能否采用全補(bǔ)償簡單鏈型懸掛,否則采用全補(bǔ)償彈性鏈型懸掛。建議接觸懸掛中接觸線至軌面高度結(jié)構(gòu)高度3.1.2高強(qiáng)度接觸線的選擇為了盡量提高接觸網(wǎng)的波動傳播速度,在接觸網(wǎng)的設(shè)計中,在線材容許的范圍內(nèi),加大接觸線的補(bǔ)償張力,選用高強(qiáng)度輕質(zhì)量的接觸線都可以取得較好的效果。建議采用抗高溫軟化性能好、質(zhì)量輕、導(dǎo)電率高、綜合拉斷力大的合金導(dǎo)線,磨耗率大于0.275mm/10萬弓架次,熱軟化值340℃,最小截面的最小抗拉強(qiáng)度43.8kN,如法國的120(Ris)銀銅導(dǎo)線,導(dǎo)線張力一般取13kN～15kN。3.1.3橫向附加力的變化為了滿足高速狀態(tài)下的弓網(wǎng)受流,應(yīng)盡量減小刮風(fēng)產(chǎn)生的橫向附加力。建議采用直斜腕臂加防風(fēng)管,腕壁結(jié)構(gòu)采用較為穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu),以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。3.1.4定位裝置為了降低接觸網(wǎng)彈性的不均勻性,應(yīng)盡量采用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的定位裝置。建議200km/h以下速度采用不帶限位裝置的輕型合金定位器;200km/h以上速度采用帶限位裝置的輕型合金定位器或允許抬升量大于250mm的大彎刀型合金定位器。3.1.5電不分相非緣錨段關(guān)節(jié)的跨式結(jié)構(gòu)為了克服絕緣棒式分相運行中拉弧、打弓以及檢修復(fù)雜等問題,建議電不分相非絕緣錨段關(guān)節(jié)采用4跨方式;電分相采用由2個絕緣4跨錨段關(guān)節(jié)和1段中性段組成的7跨式結(jié)構(gòu)。從廣深線運行情況來看,效果較好。3.1.6吊弦、銅、銅合金整體式吊弦為了保證接觸線的坡度,使受電弓在高速運行時更為平滑,建議采用具有一定載流能力、使用壽命長、安裝調(diào)整能一次到位的銅或銅合金整體式吊弦。3.1.7線岔之間的不平滑問題為了克服交叉線岔在兩線過渡時接觸網(wǎng)工作支與非工作支之間存在不平滑的缺點,必須采用無交叉線岔,使電力機(jī)車通過無交叉線岔時可以實現(xiàn)高速行車,不受站線接觸懸掛的影響:正線駛?cè)胝揪€以及站線駛?cè)胝€均可以實現(xiàn)平滑過渡。3.1.8過渡相時自動切斷機(jī)液壓通過采用7跨式絕緣錨段關(guān)節(jié)型電分相裝置與車載自動切換的過分相裝置相配合,機(jī)車過分相時自動切斷機(jī)車主斷路器,可以克服過去絕緣棒式分相在運