楊 佳 林宗良 鄧云川 魯小兵

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

為貫徹習近平總書記對鐵路工作的重要指示批示精神和黨中央、國務(wù)院決策部署，服務(wù)國家重大戰(zhàn)略發(fā)展，中國國家鐵路集團有限公司已啟動CR450科技創(chuàng)新工程，開展更高速度鐵路輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系、空氣動力學以及多物理場耦合等基礎(chǔ)理論的深化研究，驗證更高速度運行條件下固定設(shè)施、移動裝備的安全性、匹配性和適用性，探索輪軌系統(tǒng)更高試驗速度和運營速度限值，研發(fā)更加安全、更加環(huán)保、更加節(jié)能、更加智能的復興號新產(chǎn)品，構(gòu)建我國CR450高速鐵路技術(shù)和標準體系，全力推進我國高速鐵路技術(shù)的深入發(fā)展和技術(shù)引領(lǐng)。

弓網(wǎng)關(guān)系作為高速鐵路三大關(guān)鍵技術(shù)之一，在保障系統(tǒng)安全可靠運行上具有舉足輕重的地位。400 km/h接觸網(wǎng)將面臨更高速度運行的安全性、適應性、可靠性、匹配性、耐久性以及可維護性等問題，目前，更高速度下的弓網(wǎng)動態(tài)耦合機理尚不明確，弓網(wǎng)動力學仿真平臺尚不成熟，對軌、車以及氣動力等外部激擾影響下的弓網(wǎng)動態(tài)特性研究尚不全面，且國內(nèi)外尚無可以借鑒的400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)標準及工程案例。因此，亟待在全面總結(jié)現(xiàn)有高速鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計、制造、施工和運維經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，深入開展更高速度下弓網(wǎng)關(guān)系的理論研究和試驗論證，提出并分析400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，形成400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)及標準體系，支撐CR450科技創(chuàng)新工程實施，確保弓網(wǎng)系統(tǒng)及裝備在400 km/h條件下長期、持續(xù)、安全、穩(wěn)定運行。

1 400 km/h接觸網(wǎng)服役條件

接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜，沿線裸露架設(shè)，長期承受冰、雪、風、氣溫、雷電以及地震等外部環(huán)境作用[1]，還與路基、橋梁、隧道以及車輛、供電、信號等專業(yè)接口緊密。對于運行速度更高的400 km/h接觸網(wǎng)，其服役環(huán)境及接口條件的微小變化，都將影響到弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流質(zhì)量和列車的安全穩(wěn)定運行。400 km/h接觸網(wǎng)服役環(huán)境及接口條件的影響分析如表1、表2所示。

表1 400 km/h接觸網(wǎng)外部環(huán)境影響分析表

表2 400 km/h接觸網(wǎng)接口條件影響分析表

2 400 km/h接觸網(wǎng)性能提升

基于現(xiàn)有技術(shù)方案及參數(shù)下的接觸網(wǎng)系統(tǒng)在400 km/h速度條件下運行時，弓網(wǎng)間振動加劇，接觸力波動及動態(tài)抬升大幅增加，弓網(wǎng)動態(tài)受流性能將急劇惡化。400 km/h接觸網(wǎng)必須具備更高、更優(yōu)性能以滿足更高速度下弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全性、可靠性及耐久性等要求。400 km/h接觸網(wǎng)性能提升措施如表3所示。

表3 400 km/h接觸網(wǎng)性能提升措施表

3 400 km/h接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 速度匹配

接觸網(wǎng)必須根據(jù)速度目標值開展設(shè)計，其系統(tǒng)應與速度等級相適應、匹配，設(shè)計速度影響并決定了技術(shù)標準體系的不同。對于400 km/h接觸網(wǎng)，其性能狀態(tài)與行車速度、設(shè)計速度、驗收速度等速度間的科學合理匹配尤為關(guān)鍵，否則將影響工程投資甚至系統(tǒng)方案的可行性。

(1)波動傳播速度

一般應按設(shè)計速度與接觸網(wǎng)波動傳播速度之比不大于0.7考慮，充分考慮承力索對波動傳播速度的作用，同時結(jié)合導線產(chǎn)品性能及工程應用情況，綜合選取系統(tǒng)的線材規(guī)格型號和匹配張力。

(2)設(shè)計速度

設(shè)計速度應按線路的最高設(shè)計速度選取。400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)應按設(shè)計速度400 km/h進行設(shè)計，其接觸線平順性和弓網(wǎng)受流性能等應按設(shè)計速度400 km/h進行性能評價，同時還應考慮開行單弓或雙弓運行時每個受電弓的受流質(zhì)量。

(3)驗收速度

驗收速度應按線路的最高設(shè)計速度110%選取[4]。400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)應校核驗收速度440 km/h時的狀態(tài)及安全性，評估單弓運行時應能滿足弓網(wǎng)間的基本受流，不得出現(xiàn)鉆弓、侵限等安全問題。

3.2 弓網(wǎng)關(guān)系

弓網(wǎng)系統(tǒng)是高速列車獲取持續(xù)動力的唯一途徑，其動態(tài)受流性能直接決定列車能否高速穩(wěn)定運行。400 km/h高速鐵路弓網(wǎng)關(guān)系面臨的重難點技術(shù)如表4所示。

表4 400 km/h接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系關(guān)鍵技術(shù)及應對措施表

3.3 系統(tǒng)參數(shù)

400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)應至少包含接觸網(wǎng)和受電弓兩部分，兩者既相互獨立又緊密相關(guān)。系統(tǒng)方案及懸掛參數(shù)的建立必須基于接觸網(wǎng)服役環(huán)境和運行目標的要求，根據(jù)弓網(wǎng)動態(tài)耦合仿真分析，從系統(tǒng)性、匹配性、可靠性出發(fā)，反復優(yōu)選接觸網(wǎng)-受電弓以及相互間的技術(shù)參數(shù)，才能達到400 km/h高速運行時弓網(wǎng)間的“完美”耦合。400 km/h接觸網(wǎng)受電弓參數(shù)和懸掛參數(shù)分別如表5、表6所示。

表5 400 km/h接觸網(wǎng)受電弓參數(shù)表

表6 400 km/h接觸網(wǎng)懸掛參數(shù)表

3.4 關(guān)鍵設(shè)施

接觸網(wǎng)設(shè)施主要包括錨段關(guān)節(jié)、電分相和道岔區(qū)布置，這些設(shè)施兼具電氣和機械性能要求，存在多錨段線索間相互交叉、位置重疊的現(xiàn)象，空間關(guān)系復雜，對400 km/h接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流性能及高速運行時的安全性能影響較大，屬于系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)和重難點技術(shù)。

3.5 關(guān)鍵裝備

400 km/h接觸網(wǎng)安裝設(shè)計及裝備選型應滿足更大張力荷載、更高速度運行狀態(tài)下的安全性、可靠性、耐久性等要求，同時還應充分考慮電氣、機械及結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)等對400 km/h弓網(wǎng)耦合性能和高速安全運行的影響。400 km/h接觸網(wǎng)裝備需考慮的關(guān)鍵技術(shù)及應對措施如表8所示。

表7 400 km/h接觸網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)施表

表8 400 km/h接觸網(wǎng)裝備關(guān)鍵技術(shù)及應對措施表

3.6 支柱及基礎(chǔ)

接觸網(wǎng)支(吊)柱及基礎(chǔ)應結(jié)合400 km/h路基、橋梁及隧道等土建工程的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計參數(shù)進行設(shè)計，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)應采用安全、可靠且耐受動荷載的預埋基礎(chǔ)。接觸網(wǎng)支(吊)柱的結(jié)構(gòu)強度除應充分考慮列車按最高設(shè)計速度運行時引起的氣動力作用外，還應盡量減少支柱撓度，以降低其對400 km/h接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動態(tài)耦合性能的影響。

3.7 施工及運營維護

建造安全、穩(wěn)定、可靠的400 km/h接觸網(wǎng)工程，需要更加精準、更加精細化的施工，主要包括以下幾個方面：

(1)充分研究施工誤差及精度對400 km/h接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流性能的影響，制定合理、可行的施工質(zhì)量要求及控制標準。

(2)對400 km/h接觸網(wǎng)錨段逐點、逐跨的腕臂、吊弦及彈性吊索等進行精準測量、計算和工廠化預配，提升安裝后接觸網(wǎng)的導線平順性及弓網(wǎng)受流性能。

(3)結(jié)合更大張力、更高平順性的要求，提升恒張力放線、吊弦及彈性吊索安裝的工法工藝，精細化調(diào)整接觸導線的平順性、吊弦高差、定位器及補償裝置狀態(tài)等，建造符合各項標準的400 km/h接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)。

在400 km/h接觸網(wǎng)運營維護方面，應：(1)加快研究更高速度下的檢測方法及手段，積極采用更先進、更精準的檢測設(shè)備，全面提升檢測及評估技術(shù)；(2)結(jié)合400 km/h接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動態(tài)受流性能及安全運行的要求，制定科學合理的運行檢修規(guī)則；(3)配置6C、PHM及監(jiān)測預警系統(tǒng)等接觸網(wǎng)智能運維系統(tǒng)，提高運營維護能力。

4 400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)體系

結(jié)合CR450科技創(chuàng)新工程部署，400 km/h接觸網(wǎng)應從基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)設(shè)計、裝備技術(shù)、施工建造、運營維護以及規(guī)范標準等方面著手，逐步構(gòu)建400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)體系，系統(tǒng)架構(gòu)圖建議如圖1所示。

圖1 400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)圖

5 結(jié)束語

400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)服役條件更加復雜、系統(tǒng)性能需求更高，本文基于現(xiàn)有鐵路建設(shè)運營情況，深入分析了更高速度下弓網(wǎng)系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，探討了具體的應對措施和思路，并提出了400 km/h接觸網(wǎng)技術(shù)標準體系初步構(gòu)想。400 km/h接觸網(wǎng)較之350 km/h存在較大差異，且國內(nèi)外尚無可供借鑒的技術(shù)標準及工程案例，后續(xù)還須進一步深化總結(jié)，深入開展科學試驗、工程試驗、產(chǎn)品試驗，論證400 km/h接觸網(wǎng)設(shè)計標準和相關(guān)參數(shù)的系統(tǒng)性、適應性、匹配性，驗證弓網(wǎng)系統(tǒng)在400 km/h速度下長期、持續(xù)、高速運行時的安全性、可靠性、耐久性和可維護性。