高速接触网悬挂方式研究

高速接触网悬挂方式研究摘要:本文以高速接触网基本技术原理为核心,结合国内外高速铁路接触网的研究成果和实践经验,具体深入地分析了高速接触网的悬挂方式,且对三种高速接触网悬挂类型进行详尽的比较,。同时结合中国高速铁路发展现状,分析得出简单弹链悬挂类型比较适合我国高速铁路发展。关键词:高速铁路接触网悬挂方式研究1引言随着我国铁路跨越式发展战略的逐步实施,我国铁路已逐步向高速客运专线的方向发展,电气化铁道接触网作为整个电力供电系统的重要组成部分,其牵引负荷的供电要求相比以前的常规铁路已发生较大变化,对接触网系统的供电质量要求也越来越高。牵引供电系统的供电质量好与坏？弓网是否有良好的受流质量？这与高速铁路接触网系统悬挂方式有着密不可分关系,因为悬挂方式的不同将直接影响接触网的弹性、弓网接触压力等参数,最终影响受流质量。因此,对高速铁路接触网系统悬挂方式研究是十分关键的。2高速铁路接触网悬挂方式接触网的分类主要以接触网悬挂类型来区分,在一条接触网线路上,无论是在区间还是在站场,为满足供电和机械性能方面要求,总是将接触网分成若干长度且相互独立的分段(即为接触网锚段),接触网悬挂分类是针对架空接触网中每个锚段而言。到目前为止,现实已经开通运营或正在建设的高速铁路接触网系统悬挂方式主要有三类:简链型、弹性链型、复链型。2.1简单链型悬挂简单链形悬挂是一条接触线通过吊弦悬挂在一条承力索上,承力索通过钩头鞍子或悬吊滑轮悬挂在支持装置上。此种悬挂方式稳定性的好坏主要取决于接触网系统的跨距、接触线和承力索的张力、吊弦长度、吊弦间距、支持装置及支柱稳定性等技术参数的好坏。2.2弹性链形悬挂弹性链型悬挂是在简单链型悬挂基础上在每处悬挂点增加Y形弹性吊索,长度一般为8～16m,仍为单链形悬挂。此悬挂方式稳定性好与坏,除受跨距、承力索和接触线的张力、吊弦、支持装置及支柱稳定性影响外,弹性吊索张力对其稳定性的影响也十分的大。德国、法国、日本等多国已经在行驶试验中证实该接触网结构形式适合于高速行驶。2.3复链形悬挂复链型悬挂是接触线经短吊弦悬挂在辅助吊索上,辅助吊索又通过吊弦悬挂在承力索上。增加的辅助吊索大大降低接触网系统的垂直摆动幅度,更加提高系统稳定性,跨中与悬挂点弹性几乎相当,所以此种悬挂方式接触网系统稳定性最好,西门子公司于1912年就曾提出这种设计方案。德国联邦铁路在开发高速接触网的过程中,再次对这种复链形悬挂形式进行试验,证实这种结构形式确实具有非常好的高速行驶特性。3国内外高速铁路接触网悬挂方式发展状况目前,世界各国为满足高速铁路接触网系统的高速受流的要求,都根据各自国家高速铁路状况及各自的施工条件而采用了不同的悬挂类型,历经50多年的发展,高速铁路悬挂技术研究逐渐形成以德、日、法三个技术原创国为代表,建成了各具特点的高速铁路接触网悬挂系统技术体系。3.1简单链型悬挂法国2001年6月开通的地中海线,是当时世界上运营速度最高的线路之一,法国根据此线路350km/h多年的运营实践中得出结论:1、简单链形悬挂缺点:(1)在稳定、弹性、受流等方面比弹性链形悬挂系统稍微差点;(2)运营时候,比弹性链型悬挂火花大一点;(3)接触线寿命缩短。2简单链形悬挂优点:(1)简单链形悬挂结构简单、工作量小;(2)一次性投资少,造价便宜。(3)运营费用低,且维修费用大大降低。法国高速铁路接触网深入研究了简单链型悬挂的优点,高速铁路接触网悬挂主要采用简单链型悬挂。3.2弹性链形悬挂德国的高速铁路是在常规电气化铁路基础上发展起来的,曾制定了Re75型、Re100型、Re160型等系列悬挂类型,随后又在三者基础上更加深入的研究制定了Re200型、Re250型、Re300型接触网悬挂类型。从Re100到Re250型全部采用弹性脸型悬挂。80年代初,德国最高速度为250km/h曼哈姆～斯图加特线、汉诺威～维尔茨堡线,均采用弹性链型悬挂。90年代初,克隆~莱茵高速铁路,接触网系统采用类似于Re330的弹性链型悬挂。接触线与承力索张均为kN。随后德国主要开发研究且制定了Re330标准接触悬挂,接触网悬挂为弹性链型悬挂,最高运营速度为330km/h,承力索接触线张力为27kN。可以看出德国高速接触网的发展趋势,走的是弹性链型悬挂道路,但从Re160到Re330发展过程中,悬挂系统的结构趋于简单化,施工工艺标准化,悬挂系统纵向、横向稳定性大大提高,线索张力控制趋于精确化,从一定程度上使接触网的安全性与可靠性有了进步保障。3.3复链形悬挂由于日本国国土地处岛国地理位置,地震、台风相对较为频发,所以日本电气化铁路对接触网系统稳定性要求标准相对较高,施工工艺较为复杂,受流效果相对难以控制。日本在东海岛新干线建设前,接触网悬挂曾对简单复链型悬挂、弹性复链悬挂、带空气阻尼吊弦复链形悬挂、多链形悬挂四种悬挂方式进行深入的实验研究。实验证明:(1)多链悬挂首先被淘汰,因其施工复杂、调整安装、运营维护太难;(2)带空气阻尼吊弦复链形悬挂由于采用多弓形式,前弓引起的振动继续对后弓产生影响,所以阻尼值和弹性值难以控制,空气吊弦的性能不能达到高速铁路运营要求效果而不被采用;弹性复链悬挂和简单复链悬挂二者跨距的弹性均匀度基本相同。其次,日本采用的是分散式动车组,多弓运行方式,前弓过后的多级振波对后弓的受流效果产生严重影响。所以权衡二者利弊,最后日本决定采用简单复链形悬挂。3.4我国高速铁路发展状况我国高速铁路发展起步比较晚,虽在20世纪60年代我国已经对高速铁路接触网弓网受流理论就有一定的研究,但实际从20世纪90年代才开始才进行线路试验。1994年,中国第一条准高速铁路广深铁路建设成运营,时速为200km/h,广深铁路在设计、施工、技术等方面比以前有了进步提高,为中国高铁科研、实验、运营等方面发展做好基础准本,称为中国高速铁路化的起点截止2007年,一批时速超过200km的旅客列车投入运营。2008年6月,最高时速超过到了350km的京津城际铁路通车,成了世界上运营速度最快的列车。实现了京津“同城化”。2010年12月建成开通的京沪高速铁路,在先导段联调联试和综合试验中,高速动车组最高运行时速达到486.1km,刷新了新中国铁路运营实验最高速,同时也再次刷新了世界铁路运营实验最高速度。4三种高速接触网悬挂类型的比较4.1简单链形悬挂与弹性链形悬挂的比较二者区别主要在结构组成上,弹性链形悬挂比简单链形悬挂在悬挂点增加了一根18m辅助弹性吊索。二者在运行速度上均能满足200～300km/h要求,但在弓网受流性能上有一定差别。弹性链形悬挂特点:由于增加了辅助吊索,从而提高了悬挂点处的弹性,跨内弹性更加趋于均匀,接触网系统更加稳定,受流效果更加良好。德国在汉诺威~乌尔茨堡线路(Re250型接触网系统)中曾深入做过高速动态实验研究,接触网悬挂安装中留有几跨未安装辅助吊索,通过对未安装Y型的辅助吊索和安装Y型的辅助吊索区段运营实验证明:安装辅助吊索区段,悬挂点处的弹性达到跨中弹性的80%左右;Re330型弹性不均匀度仅为8%,法国大西洋新干线弹性不均匀度约为41.4%。二者相比,弹性链型悬挂在双弓运行中,充分显示受流性能良好特特点。同时德国也进行了高速静态模拟实验,同高速动态实验结果一致:有弹性吊索悬挂时接触网具有较好的弹性,所以具有明显受流优越特性。反之,法国在大西洋段-TGV接触网悬挂中未安装辅助弹性吊索,悬挂点弹性与跨中弹性相差很大,仅为跨中的50%。从实验运营数据中可以看出,火花、起弧现象明显比安装弹性吊索线路明显增加很多。在一次性投资造价方面,简单链形悬挂与弹性链形两种基本差别不大,弹性链形比简单链形造价要高越1.5%左右,施工程序要比简单链形要稍复杂些。综上所述,简单链形与弹性链形相比,后者比前者在受流方面优越一点,但是在结构和施工程序方面后者比前者简单些。4.2弹性链形悬挂与复链形悬挂的比较从图1我们可以明显看出,复链形悬挂比弹性链形悬挂在结构上多一条或几条辅助成立索,其它二者在结构上基本一直,没有太大区别。在高速受流方面,复链形悬挂因为增加了一天辅助承力索,所以此种悬挂方式的接触网系统在纵向、横向稳定性、风稳定性方面,比无辅助承力索(弹性链形悬挂)形式的在接触网系统要优越多,从而导致高速列车在运营时高速取流效果明显优越于弹性链形悬挂。日本为了适应双弓及多弓高速受流的运行条件,日本曾在带辅助承力索的复链形悬挂进行高速动态实验。通过实验证明,在日分分散式动力系统供电方式下,复链形悬挂接触网系统弹性更加趋于均匀,悬挂点与跨中弹性差异系数大大降低,大大提高了受流性能。同时,由于这种悬挂接触线、辅助承力索、主承力索距离很小,使接触线在高阻尼状态下工作状态更加稳定,令接触网系统在高速受流、取流方面的发展都有了质的飞跃。综上所述,我们从施工工艺、受流质量、工程造价、系统弹力均匀度等方面对以上两种方式进行分析对比,在高速铁路大规模发展时候,不宜采用复链悬挂方式。我们可以选择简单链形悬挂方式,通过相应加大接触网系统线材张力来减小悬挂系统弹性,增加整个取流系统的弹性均匀度,提高接架空触网悬挂系统的稳定性,从而达到良好的受流效果。4.3复链形悬挂与简单链形悬挂的比较二者相比:复链形悬挂结构比简链悬挂要复杂多,施工技术难度要大得多;工程一次性投入也是不可相比;运营维护前者要后者花费大的多,技术方面困难多。但是受流质量、接触网系统弹性均匀性,系统运营稳定性,复链形悬挂是远远优于简单链形悬挂的。4.4几种悬挂类型的综合比较高速接触网目前所采用的简单链形悬挂、弹性链形悬挂及复链形悬挂在相同运行速度及线路条件下,综合比较有以下结论。(1)三种悬挂均能满足高速铁路运营要求。(2)从受流质量来看,简单链形悬挂最差,弹性链形悬挂较好,复链形悬挂最好。(3)从悬挂系统弹力不均匀度来看,简单链形悬挂最差,弹性链形悬挂较好,复链形悬挂最好。(4)从工程造价、结构、施工工艺要求、运营维护等方面相比,简单链形悬挂为最佳选择。简单链形悬挂虽然在高速受流、悬挂系统弹力度均匀性、接触网系统运营稳定性方面没有弹性链形和复链形悬挂性能优越,但是我们可以通过适当调节悬挂系统接触线、承力索张力来平衡简单链形悬挂的以上缺点,使悬挂点与跨中弹性度差异降低到最小,实现弓网受流质量达到最佳状态。5结语从我国的国情出发,建议我国高速铁路接触网发展采用简单链形悬挂。此悬挂方式在我国的很多条铁路干线上均已采用,且技术逐渐成熟、完善。如合武、京津城际、武广、郑西、沪杭、京沪等高速铁路中接触网悬挂均采用简单链形悬挂,且取得良好运营效果。我国将近九万公里铁路己经形成四通八达的铁路网,以简单悬挂为主的电气化铁路接触网初具规模。参考文献[1]FriedrichKieBling中铁电化局集团有限公司译.中铁电气化铁道接触网[M].电力出版社,2004.[2]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].西南交通大学出版社,2002:234～269.[3]电气化工程局电气化勘侧设计研究院.高速铁路牵引供电技术研究「M].中国铁道出版社,1995.[4]张建斌.接触网结构与计算[M].中国铁道出版社,1996:1～79.[5]景德炎.客运专线电气化技术标准探讨[J].电气化铁道,2006年增刊:323～329.[6]丁为民.高速客运专线接触网悬挂方式的选择[J].电气化铁道,2005刊:84～87.[7]刘永红.接触网一受电弓系统受流质量的评价分析[J].铁道标准设计,1999.[8]张俊杰,薛芳群.均匀接触网弹性及改善弓网取流质量的探讨.电气化铁道,2001.[9]孙立金.接触网参数设计对高速列车受流影响的探讨[J].电气化铁道,2000.