浅析武广客专弹性链形悬挂中负弛度问题

吴树伟

0 引言

武广客运专线是国家“十一五”重点建设项目，设计最高时速350 km，是我国一次性投资建设线路里程最长，技术标准最高的一条客运专线。武广客运专线接触网采用弹性链形悬挂方式，其特点为弹性较为均匀，弓网受流效果较好。但是对于弹性链形悬挂方式，尤其在时速350 km情况下，其施工安装精度要求非常高，误差控制范围严格。在国外督导的帮助下，施工人员基本掌握了弹性链形悬挂的安装技术，不过在初始阶段，由于对该悬挂方式认识不深，施工安装过程中出现了一些问题，其中接触线负弛度问题的处理较为棘手。

1 负弛度的定义及危害

1.1 负弛度的定义

在接触网上，当跨距中间接触线高度大于两侧悬挂点的高度，且超出施工允许的误差范围时即发生负弛度，如图1所示。

图1 接触悬挂负弛度示意图

1.2 负弛度的危害

负弛度对高速弓网关系影响非常恶劣。由于负弛度的存在，经常在该部位造成火花或拉弧，受电弓受到高速运行的冲击，致使弓网之间不能正常取流，而在负弛度的边缘，则发生受电弓滑板的异常磨耗和撞击性损害，从而损伤接触线和受电弓。弓网间的拉弧也会影响牵引电机的正常取流，在拉弧的暂态过程中对牵引电机造成严重的伤害，从而影响机车的牵引性能。

2 接触网的基本数据及控制要求

2.1 武广线弹性链形悬挂的基本数据

武广客专正线承力索采用截面为 120 mm2的铜镁合金绞线，张力为21 kN；接触线采用截面为150 mm2的铜镁合金接触线，张力为30 kN，标准跨距一般为50 m；接触线高度为5 300 mm，结构高度1.6 m；弹性吊索长度14 m，弹性吊索吊弦距悬挂点4 m。具体结构如图2所示。

图2 弹性链形悬挂示意图

2.2 施工偏差要求

施工偏差的控制是高速接触网施工的关键技术之一。高速接触悬挂对接触线高度要求十分严格，接触线高度精度越高、施工偏差越小，受电弓的受流质量则越好，受电弓和接触网的寿命越长，该线运营时速高达350 km，为保证高速运行状态下良好的弓网关系，对接触线高度（以下简称导高）偏差要求见表1。

表1 接触线导高安装偏差表

3 负弛度产生原因分析

武广客运专线接触网悬挂系统安装采用CANDROP计算软件，腕臂装置及整体吊弦均为一次预配成形。在测量、输入、计算数据均完整正确的情况下，即吊弦数据均完整无误的情况下，对接触线弛度的影响因素主要有以下几方面。

3.1 负弛度基理分析

弹性链形悬挂最大的特点就是增加了弹性吊索（见图 2），弹性吊索通过弹性吊索线夹在两端与承力索相连，可将之看做接触网的“简单悬挂”，弹性吊索的张力和弛度都会随温度变化，因此可以设定一个简单悬挂的状态方程。

设弹性吊索负载为q，张力为T，安装初始温度为t，有下标“1”为起始条件，下标“x”为待求条件，所以状态方程为

式中，lD为当量跨距，lD= 14 m；a为弹性吊索的线胀系数（K-1），a= 17×10-6；E为弹性吊索的弹性系数（MPa），E= 120 000；S为弹性吊索的计算横截面积（mm2），S= 34.36 mm2。

式（1）中，当已知q1，T1及t1时，可以求得任意温度tx时的张力值Tx。

承力索任意一点的弛度：

式中，y为承力索任意一点弛度，m；x为所求吊弦处距离悬挂点距离，m；li为跨距，m；Zx为承力索在tx时对应的换算张力，kN；Wx为承力索在tx时对应的负载，kN/m。

将求得的温度tx时的张力Tx代入式（2），可得出张力变化后承力索的弛度变化，从而得出吊弦的变化量。

根据上述计算可以得出，对3.5 kN弹性吊索张力，每增加或减少100 N后，对相邻悬挂点吊弦L1、L2、L3的影响是 1、4、和 3 mm（图 3）。

由计算可知，当外界环境温度升高时，弹性吊索C、D点向下移动，对A、B点增加了力的作用，这样使承力索的高度抬高，相应带动吊弦向上，在跨距中形成了负的弛度，反之，当温度降低时，就会形成正的弛度。

图3 吊弦受力及位置变化示意图

3.2 弹性吊索安装误差的影响

弹性吊索安装是接触网全补偿弹性链形悬挂施工的关键技术，根据国外弹性吊索安装经验：弹性吊索的张力正确与否对于支持点附近弹性吊索范围内的接触线高度和弹性有明显影响，越小于（或大于）设计额定张力时，支持点处弹性越小（大），支持点附近的接触线高度在检测曲线图上将显示出越大的正（负）弛度。即，弹性吊索张力不正确会导致支持点附近的接触线高度超标，从而导致弓网关系恶化。

3.3 导线质量误差的影响

导线质量误差对弛度有一定影响。跨中弛度fmax按下式计算：

式中，G′为含接触线、承力索、吊弦和线夹在内的接触网重量，kg；l为跨距，m；H为承力索水平受力，N。

例如：在50 m的跨距中，如接触线质量减少2%，经计算，承力索的弛度就会减少3.88 mm。

不过从计算结果可以看出，接触线质量的误差对承力索弛度的影响并不是很大。

3.4 补偿装置的影响

对急剧的气温变化反应过慢可能导致负弛度。温度变化引起整个接触网包括腕臂的运动。在该过程中，腕臂的摩擦力导致机械惯性并临时降低了补偿装置的灵敏度。它意味着补偿装置需要一定的时间来充分反映温度变化以便达到有关的接触线的最终高度，如在该期间测量导高，很可能得出不正确的结果。

4 弛度的调整

由以上分析可以看出，弹性吊索的张力对接触线的高度起着很大的作用，可以通过改变弹性吊索张力来逐渐调整接触线高度。具体步骤如下：

（1）在半个锚段范围内将原安装的弹性吊索卸载，重新安装时从中心锚结开始。

（2）安装其中一个弹性吊索线夹（线夹朝向中锚方向），在另一端安装弹性吊索紧线器（永远朝向下锚方向）。以2.5 kN张力拉紧弹性吊索（比额定张力低1 kN）。

（3）按照吊弦安装工艺安装弹性吊索用吊弦；测量接触线高度并根据误差重新调整吊弦长度。

（4）按正常张力3.5 kN固定弹性吊索。

（5）安装第二个弹性吊索线夹。拆除弹性吊索紧线器。

图4 改变弹性吊索张力调整弛度示意图

（6）安装弹性吊索用吊弦。

（7）安装完所有弹性吊索之后，对承力索及接触线的补偿装置进行检查。

以上工艺步骤应严格遵循，需要注意的是，调整时不得抬高接触线，以免使吊弦卸载，同时半个锚段内只允许一组人员进行施工安装。

由现场初步调整结果得知：通过调整弹性吊索的张力可以改变吊弦及接触线高度，进而明显改善接触网状态。

5 结论

理论计算、国外试验、现场调整均表明：若改变弹性吊索的张力，那么该弹性吊索范围内的弹性、接触线高度、弹性吊索吊弦与相邻吊弦处的接触线高度差、定位器坡度等均将随之改变。在确定吊弦测量、计算、加工和安装无误时，若接触网静态检测发现某弹性吊索范围内的接触线有问题，则往往可判定该弹性吊索的张力存在偏差，这是导致接触线高度发生变化，即发生负弛度的主要因素。

因此，弹性吊索的张力控制最为关键和重要。对于弹性吊索的安装，应在外方提供的作业指导书的基础上，严格工艺流程，强化细节管理，不断地总结经验，摸索规律，提高施工人员作业水平，同时也为其他高速客专的接触网施工积累宝贵经验。

[1]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，1992.

[2]Kießling, Puschmann, Schmieder.电气化铁道接触网[M].中铁电气化局集团译.北京：中国电力出版社，2004.

[3]接触网设施的设计、施工和维修.德国铁路规范 DS 997.01.

[4]朱飞雄.《客运专线铁路电力牵引供电工程施工质量验收暂行标准》（接触网部分）宣贯要点[J].铁道标准设计，2006，（3）：88-92.