高速接觸網(wǎng)懸掛類型的技術(shù)經(jīng)濟比較

高速接觸網(wǎng)懸掛類型的技術(shù)經(jīng)濟比較

1彈性鏈型懸掛系統(tǒng)國外的高速接觸網(wǎng)懸掛類型基本上可分為三種類型：以日本為代表的復(fù)合鏈懸掛、以法國為代表的簡單鏈懸掛和以德國為代表的彈性鏈懸掛。日本于1964年10月1日開通了世界上第一條高速鐵路-東京～新大阪的東海道新于線,接觸網(wǎng)采用合成復(fù)鏈型懸掛方式,接觸線(Cu110)張力為10kN,最高運營速度為220km/h。隨著理論研究的不斷深入和運營速度的不斷提高,復(fù)鏈型懸掛接觸網(wǎng)各線索材質(zhì)和張力也發(fā)生了一系列變化。到目前為止,日本的高速接觸網(wǎng)除1997年10月開通的北陸新干線(高崎～長野段)采用4t系CS110簡單鏈型懸掛以外,其余新干線全部采用的是復(fù)鏈型懸掛。日本的新干線目前最高運營速度為300km/h,并正在計劃新建一條最高運營速度為360km/h的高速鐵路,接觸網(wǎng)擬采用6t系的重型復(fù)鏈型懸掛(接觸線張力為25kN)。日本的高速鐵路雖然沒有采用過彈性鏈型懸掛,但是其對彈性鏈型懸掛也做過較為深入的研究。日本專家認(rèn)為:彈鏈對高速的適應(yīng)性確實較簡鏈好,但除此之外,其經(jīng)濟性、維修性及發(fā)生事故的可能性等方面都不如簡鏈優(yōu)越,因而從綜合比較結(jié)果來看沒有理由采用彈性鏈型懸掛。法國于1983年9月建成了全長為426km的巴黎～里昂(東南線)第一條高速鐵路,采用的是彈性鏈型懸掛,接觸線(CdCu120mm2)張力為14kN,運營速度為270km/h。但在正式開業(yè)運營后的三個月內(nèi),發(fā)生了兩次重大事故,造成導(dǎo)線拉斷,接觸網(wǎng)損壞。90年代初,法國在吸取東南線教訓(xùn)及大量的理論與試驗研究的基礎(chǔ)上認(rèn)為;彈性吊索對于時速超過250km/h的高速來說意義不是很大,反而成為影響行車安全的因素之一。于是,在其新建的巴黎～勒芒/圖爾的大西洋線上,取消了彈性吊索,采用接觸線帶預(yù)留弛度的簡單鏈型懸掛,接觸線(Cu150mm2)張力為20kN,最高運營速度為300km/h。1993年開通的作為歐洲高速鐵路網(wǎng)一部分的北線(北歐線,最高運營速度為300km/h)采用的仍是簡單鏈型懸掛,只是接觸線材質(zhì)改為SnCu150。2001年6月,法國的地中海線開通,最高運營速度為350km/h,是世界上目前運營速度最高的線路,接觸網(wǎng)采用BZ116+CuSn150/CuMg150全補償簡單鏈型懸掛,接觸線張力為25kN。德國于70年代中期在總結(jié)Re75、Re100、Re160、Re200四種標(biāo)準(zhǔn)懸掛的基礎(chǔ)上,研制出了Re250標(biāo)準(zhǔn)接觸懸掛,并分別于1991年6月和1992年6月開通了曼海姆～斯圖加特和漢諾威一維爾茨堡的高速鐵路,最高運營速度均為250km/h,采用的是彈性鏈型懸掛,接觸線(Ris120mm2)張力為15kN。90年代初期,德國又開發(fā)出了Re330標(biāo)準(zhǔn)接觸懸掛,最高運營速度可達330km/h,仍然采用彈性鏈型懸掛,接觸線(Rim120mm2)張力為27kN。2002年8月,由西門子公司設(shè)計的科隆～萊茵/美茵高速鐵路開通并投入試運行,接觸網(wǎng)采用SICAT-H1.0型(類似于Re330,但結(jié)構(gòu)高度為1600mm)彈性鏈型懸掛。德國高速鐵路始終走的是彈性鏈型懸掛道路,但從Re160到Re330的演變過程可以看出德國高速接觸網(wǎng)的發(fā)展趨勢:接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)趨于簡化,懸掛點附近的彈性吊弦布置趨于標(biāo)準(zhǔn)化;接觸線的張力在逐步提高,以適應(yīng)更高的速度;支柱間的最大跨距由80m降低到65m,以降低接觸網(wǎng)的平均彈性,提高接觸網(wǎng)的安全性與可靠性。從國外高速接觸網(wǎng)的發(fā)展情況來看,總的趨勢是:(1)盡可能地簡化接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu),以提高接觸網(wǎng)的可靠性。(2)在材質(zhì)一定的條件下,盡可能地提高接觸線的張力,以提高接觸線的波動速度提高運營速度。(3)積極研制和開發(fā)與接觸網(wǎng)參數(shù)及運營速度相匹配高速受電弓。2彈性吊索在中國法上的取消日本、法國、德國以及歐洲鐵路聯(lián)盟對弓網(wǎng)受流質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)不盡相同,見表1。對比分析日、法、德及歐鐵聯(lián)盟的受流質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)可知:(1)提高接觸線的波動傳播速度,是提高列車運營速度的最有效途徑。對于這一點,各國的認(rèn)識是一致的。(2)日、法、德三國對離線率及離線電弧的控制均較嚴(yán)格,如離線率一般不超過5%,一次離線的最大時間不超過200ms。(3)德國對靜態(tài)彈性的不均勻度要求較高,因此認(rèn)為彈性吊索是不可或缺的。雖然如此,德國在修建法蘭克?！坡?Re330)高速鐵路時,隧道內(nèi)接觸網(wǎng)已不再設(shè)置彈性吊索了。據(jù)ADtranZ公司Bernd-wolfgangZweig博士介紹,隧道內(nèi)取消彈性吊索,主要有下列兩個原因:(a)隧道內(nèi)受凈空所限,接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度僅能達到1100mm,不利于彈性吊索的設(shè)置。(b)隧道內(nèi)跨距僅為50m,在(21kN+27kN)的接觸網(wǎng)張力下跨中彈性已經(jīng)較小,接觸網(wǎng)彈性不均勻度也相對變小(雖然如此,其值仍遠超過8%的標(biāo)準(zhǔn)),因此彈性吊索的意義已經(jīng)不是很大。(4)法國對靜態(tài)彈性的不均勻度未作特殊要求,且對接觸力的標(biāo)準(zhǔn)偏差控制也不是很嚴(yán)格(可達33%)。但自東南線發(fā)生事故以后,對定位器結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性非常注重,在大西洋線、北方線上采用的定位器允許抬高量達400mm,安全系數(shù)在2倍以上。(5)歐洲鐵路聯(lián)盟對平均接觸力和接觸力最大標(biāo)準(zhǔn)偏差作了規(guī)定,同時對定位裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計作了規(guī)定,以保證行車的安全。2高速受流能力分析雖然復(fù)鏈、簡鏈和彈鏈三種接觸網(wǎng)懸掛型式有各自的不同特點,但對于時速300km/h以上的速度來說,均能滿足高速受流要求,在國外都有成功的運營實踐。其技術(shù)經(jīng)濟比較如表2。2.1簡單鏈型懸掛靜態(tài)彈性不均勻度(1)復(fù)鏈型懸掛靜態(tài)彈性不均勻度最小,受電弓的運行軌跡最平緩。但投資較高,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,施工調(diào)整及事故搶修難度大。(2)簡單鏈型懸掛靜態(tài)彈性不均勻度較大,導(dǎo)致受電弓運行軌跡的平緩度稍差,但當(dāng)接觸線設(shè)置適當(dāng)?shù)念A(yù)留弛度時可得到明顯改善。簡單鏈型懸掛的結(jié)構(gòu)最為簡單,投資最省,施工調(diào)整、運營維護及事故搶修較容易。(3)彈性鏈型懸掛靜態(tài)彈性不均勻度較小,受電弓的運行軌跡也較平緩。但接觸網(wǎng)的平均抬升量大,穩(wěn)定性較差,需專門的安裝測試工具,施工調(diào)整及事故搶修難度大。2.2接觸網(wǎng)彈性的均勻度(1)關(guān)于靜態(tài)彈性不均勻度在高速狀態(tài)下,僅僅依靠靜態(tài)指標(biāo)來評價弓網(wǎng)受流質(zhì)量是不完善同時也是不科學(xué)的。靜態(tài)彈性不均勻度不是影響高速受流質(zhì)量好壞的決定條件,動態(tài)接觸力及其標(biāo)準(zhǔn)偏差才是弓網(wǎng)受流質(zhì)量好壞的最終評價指標(biāo)。靜態(tài)彈性即使100%的均勻,但如果其值較大(或者說接觸線波動傳播速度較小),同樣不能實現(xiàn)高速受流。另外,靜態(tài)彈性無論如何均勻,弓網(wǎng)間的動態(tài)接觸力也是不均勻的,而是在一定范圍內(nèi)變動,具有較大的分散性。國外實際運營經(jīng)驗表明:當(dāng)車速超過250km/h時,受流質(zhì)量與接觸網(wǎng)的彈性均勻與否關(guān)系不大,而更大程度上取決于接觸線的振動情況。這是因為在高速狀態(tài)下,弓網(wǎng)間動態(tài)接觸力的大小主要取決于動態(tài)分量,即空氣動力和受電弓對接觸線的慣性力。空氣動力與列車速度和受電弓的外形尺寸有關(guān),而與接觸網(wǎng)的性能無關(guān);受電弓對接觸線的慣性力與列車速度、接觸網(wǎng)的彈性大小及受電弓的參數(shù)有關(guān),而與彈性的均勻度并無直接關(guān)系。(2)關(guān)于接觸線的使用壽命接觸線的使用壽命取決于接觸線的允許磨耗。磨耗(包括電磨耗和機械磨耗)主要與下列因素有關(guān):·最大、最小動態(tài)接觸壓力·接觸線的材質(zhì)·接觸網(wǎng)的振幅·列車運營速度·機車功率大小·受電弓的數(shù)量、間隔·受電弓滑板材質(zhì)·受電弓的追隨性能等接觸網(wǎng)和受電弓共同組成電能傳輸系統(tǒng),只有在接觸網(wǎng)和受電弓的共同作用下才能評價其性能的優(yōu)劣。因此,要想取得滿意的行駛效果,性能優(yōu)越的高速接觸網(wǎng)如果無合適的受電弓與之匹配,不會獲得滿意的效果,反之亦然。當(dāng)接觸網(wǎng)的有關(guān)參數(shù)確定之后,接觸線的使用壽命很大程度上取決于受電弓的性能。當(dāng)接觸網(wǎng)的平均彈性較小時,接觸線的使用壽命與彈性的不均勻性關(guān)系不大。以法國巴黎·里昂的TGV東南線為例,雖然接觸網(wǎng)采用的是彈性不均勻度較小的彈性鏈型懸掛,但因其受電弓使用很重的鋼滑板,因而需很大的抬升力,在高速氣流作用和接觸網(wǎng)振動作用下,接觸力動態(tài)分量隨速度以指數(shù)級數(shù)上升,運行中產(chǎn)生強烈的電弧。由于動態(tài)分量增加過大,使抬升量超過允許的240mm范圍,曾發(fā)生了幾次大的刮弓事故。4受流效果分析鑒于復(fù)鏈型懸掛結(jié)構(gòu)太復(fù)雜,投資太高,國內(nèi)尚無成熟的設(shè)計、施工和運營經(jīng)驗,故不宜在京滬高速中推薦采用。從懸掛方式對速度適應(yīng)性的發(fā)展歷程來看,四十年前東海道新干線210km/h采用復(fù)鏈型懸掛,當(dāng)時人們認(rèn)為200km/h速度應(yīng)采用彈性均勻的復(fù)鏈型懸掛?，F(xiàn)在,我國廣深、秦沈200～250km/h運行速度采用簡鏈就已經(jīng)達到了令人滿意的受流效果。再從法國的經(jīng)驗來看,300km/h的簡鏈接觸網(wǎng)已經(jīng)使用了十幾年,350km/h的簡鏈接觸網(wǎng)也已投入運行,這說明簡鏈不僅在200～250km/h速度段的受流性能得到了確認(rèn),在300～350km/h速度段同樣能滿足運營要求。從德國的經(jīng)驗來看,從160～330km/h速度,彈鏈的使用已經(jīng)有了成熟的經(jīng)驗