强风地区高速铁路接触线预坡度探讨

李会杰

0 引言

目前，国内正在进行大规模铁路建设，到2012年全国铁路营业里程将达到11 万公里，电化率达到50%以上。这些铁路建设项目许多位于大风区或者强风区。特别是新疆地区南疆线、兰新线嘉乌段等，分布有前百里风区、百里风区、三十里风区等，风区长度超过了500 km。在这些风区内，大风频繁、风力强劲而且变化剧烈，个别地区如百里风区最大瞬时风速超过了60 m/s。大风破坏铁路设施、吹翻列车等事故时有发生，对铁路运输造成了重大损失。接触网作为向机车供电的设施，因其无备用性，故障停电将中断行车，牵扯面广，因此是整个供电系统最薄弱环节。目前，国内在强风对接触网影响方面研究已经开始。笔者认为，弓网受流作为接触网3 项主要研究内容之一，应成为强风对接触网影响研究的主要组成部分。本文分析了侧向强风引起接触线高度变化后对弓网受流的影响，提出了接触线设置预坡度建议，以期为强风地区接触网设计提供相关参考。

1 强风对接触线高度的影响

1.1 接触网正反定位简述

为避免与接触线滑动摩擦的受电弓滑板不均匀磨耗，并保证在曲线及风力作用下，接触线与受电弓连续接触，接触线沿着线路向两侧偏移，如图1 所示。由此形成线路同一侧立柱时，接触网腕臂柱出现正定位及反定位2 种方式，其示意图略。

正常情况下，为满足弓网受流要求，正定位和反定位的悬挂点处接触线高度相同。

图1 接触网相对线路位置图

1.2 强风假设条件

本文在描述强风特征时，作如下简化定义：

（1）风向垂直线路，正定位处具有向上抬升定位线夹趋势，且正、反定位处风向相同。

（2）风速稳定，不考虑脉动风影响，上吹角为θ。

1.3 正反定位装置无风影响分析

无论正定位装置还是反定位装置，在无侧向风吹情况下，均处于静止状态。此时受力如图2 所示，定位器受向下的重力G、接触线施加的抬升力T1及水平力T2作用。在3 个力作用下，定位器以定位支座为轴保持力矩平衡，如式（1）：

图2 定位器受力示意图

1.4 正定位装置受侧向风影响分析

当侧向风吹时，正定位装置受力状态见图3。

式（2）中，G、L、T2、h、l1为定值，而v、T1为变量。

若T1= 0，式（2）变化为

此时风速

图3 侧向风吹正定位装置受力示意图

若风速v＞v1时，则定位器开始以定位支座为轴逆时针旋转抬升，直至另一个平衡点。此时T1竖直向下，接触线对其施加的抬升力改为向下拉力。设定位线夹处抬升量为Δl11，则可得式（5）。

1.5 反定位装置受侧向风影响分析

当侧向风吹时，反定位装置受力状态见图4。与正定位装置不同，即使存在较小的侧向风，反定位装置的力矩平衡状态也会被打破，产生以定位支座为轴，向下的旋转，直至达到新的平衡装置。设定位线夹向下移动量为 Δl12，此时平衡状态方程见式（6）。

图4 侧向风吹反定位装置受力示意图

1.6 受侧向风后接触线状态

由图5 可知，在侧向风作用下，正、反定位装置呈相向运动状态。设接触网跨距为K，接触线工作张力为T，则可得式（7）。

图5 侧向风吹接触线整体状态示意图

当v≤v1时，Δl11= 0，由式（2）、式（6）、式（7）联立可得Δl12；当v＞v1时，由式（5）、式（6）、式（7）联立可得Δl11、Δl12。进而可得接触线坡度：

本文以此模型，利用Samcef Field V6.1 计算了接触网组合JTMH120 + CTS150、工作张力23.5 kN+ 25 kN、结构高度1 400 mm、跨距50 m 时不同风速情况下的正、反定位装置抬升量。结果见表1。

表1 不同风速情况下正反定位装置抬升量表

2 接触线预坡度

EN50119 规定了不同速度的接触线允许坡度，其中时速160 km 为3.3‰、时速200 km 为2‰、时速250 km 为1‰、时速大于250 km 为0。可见，减少坡度能提高受电弓沿接触线滑行速度，改善弓网受流质量。因此，设计中应尽可能降低接触线坡度。

综上可知，在侧向风吹情况下，接触线会产生一定坡度，恶化了弓网受流质量。笔者针对该情况，提出了接触线“预坡度”概念（见图6），具体方法为正定位接触线夹设在位置，反定位设在位置，此时接触线坡度由式（8）得

由此可知预坡度为原侧向风吹坡度1/2，但方向相反。

在设预坡度且侧向风吹时，正、反定位处接触线开始相向运动，大约分别在位置达到静止状态，此时接触线坡度由式（7）得

图6 接触线预坡度示意图

由此产生的坡度接触线因侧向强风而产生的坡度减少了1/2。无风状态下，分别设置在距接触线静止高度为侧向风吹时抬升（下降）量1/2 位置，但方向与侧向风吹时运行方向相反。由此产生了接触线在无风静止状态下的坡度，即预坡度，见图6接触线预坡度静止位置。当侧向风吹时，正、反定位装置处接触线开始相向运动，大约距侧向风吹接触线抬升（下降）量1/2 位置达到平衡状态，见图6 接触线预坡度风偏位置。

3 弓网仿真验证

为验证设置预坡度后的弓网受流质量，本文进行了相应的弓网仿真验证。

3.1 边界条件

接触网悬挂类型：全补偿简单链形悬挂；

承力索、接触线规格及工作张力：JTMH120 +CTS150（23.5 kN + 25 kN）；

结构高度：1 400 mm；

跨距：50 m；

接触线高度：

a.设置预坡度前，正定位5 300 mm + 107 mm，反定位5 300 mm - 3 mm，接触线坡度2.2‰；

b.设置预坡度后，正定位5 300 mm - 53.5 mm，反定位5 300 mm + 1.5 mm，接触线坡度1.1‰；

受电弓：采用DSA350 受电弓，双弓弓间距200 m；

仿真速度：350 km/h。

3.2 仿真结果

由表2 可知，设置预坡度后，无论前弓还是后弓，接触压力标准偏差、最大接触压力及抬升量明显降低。显然，设置预坡度对改善弓网受流质量有明显作用。

表2 接触线设置预坡度前后弓网受流汇总表

4 建议

（1）时速较低时，由于接触线坡度对弓网受流影响非常低，可不考虑设置接触线预坡度。时速较高如250 km 及以上时，接触线坡度对弓网受流影响较大，建议设置预坡度以降低侧向风对弓网受流影响。

（2）设置预坡度仅能将因侧向风引起的接触线坡度降低1/2，并不能最终消除该坡度。根据EN50119 规定，时速350 km 时接触线坡度要求为0。显然设置预坡度后仍无法满足弓网受流要求（表2 数据可证明），但可以改善弓网受流质量。针对我国设计时速350 km 多条铁路穿越大风区情况，建议根据实际情况确定大风区接触网设计标准及弓网受流标准，比如将接触线允许坡度确定为1‰，适当提高允许离线率等。

（3）除设置预坡度外，由式（2）、式（6）、式（7）、式（8）可知，采取增大接触线工作张力、设置挡风墙而减小风速、容量及风偏满足要求时尽可能增大跨距等方案，可减小因侧向风引起的接触线坡度。