高鐵接觸網(wǎng)定位裝置的發(fā)展探討

李增勤，閆軍芳，龔建剛，王小琴

0 引言

定位裝置作為高鐵接觸網(wǎng)關(guān)鍵核心部分之一，是支持結(jié)構(gòu)中的主要組成部分，由定位環(huán)、定位管、定位支座、定位器及定位線夾等連接零部件組成[1]，其作用是將接觸線固定在受電弓取流所必要的空間位置，以確保受電弓能始終與接觸線接觸滑行，從而獲得高質(zhì)量的電能，供給列車高速運(yùn)行。定位裝置的振動特性和穩(wěn)定性對弓網(wǎng)運(yùn)營安全和受流質(zhì)量有決定性影響[2]，其結(jié)構(gòu)應(yīng)簡潔、穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)受電弓在運(yùn)行過程中與接觸線的良好接觸和高質(zhì)量取流。

隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速、多元化發(fā)展，形成了大部分接觸網(wǎng)線路采用德國模式，東南沿海、西部大風(fēng)環(huán)境中部分線路采用日本模式，個(gè)別線路采用法國模式的格局。但在工程建設(shè)實(shí)踐和運(yùn)營維護(hù)中，逐漸暴露出一些問題，尤其是接觸網(wǎng)定位裝置存在參數(shù)不統(tǒng)一、安裝形式多樣、零件規(guī)格種類繁多、個(gè)別零部件服役性能不高等問題。因此，有必要對高鐵接觸網(wǎng)定位裝置進(jìn)行研究改進(jìn)，提升性能，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化。本文從接觸網(wǎng)零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造的角度對定位裝置的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行研究探討，以期為行業(yè)發(fā)展提供參考。

1 定位裝置與受電弓處的主要技術(shù)要求及工作條件

1.1 弓網(wǎng)動態(tài)性能指標(biāo)

依據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10009—2016），接觸網(wǎng)-受電弓相互作用的動態(tài)性能指標(biāo)應(yīng)符合表1的要求。

表1 接觸網(wǎng)-受電弓間相互作用的動態(tài)性能指標(biāo)

1.2 受電弓動態(tài)包絡(luò)線

受電弓動態(tài)包絡(luò)線應(yīng)符合表2的要求。

表2 受電弓動態(tài)包絡(luò)線擺動量及抬升量

所有定位裝置的結(jié)構(gòu)模式首先需要滿足基本的弓網(wǎng)關(guān)系。接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)無抬升限制時(shí)，定位器應(yīng)允許有相應(yīng)于2倍預(yù)期抬升值的運(yùn)行空間；有抬升限制時(shí)，應(yīng)允許有預(yù)期抬升值的1.5倍允許空間；在接觸線最大允許磨耗和受電弓最大允許偏差情況下，接觸線的抬升不應(yīng)導(dǎo)致受電弓與定位裝置的任何部件發(fā)生機(jī)械碰撞[3]。受電弓通過定位點(diǎn)時(shí)引起定位器狀態(tài)改變，如圖1所示。

圖1（a）所示為典型的Re330系統(tǒng)直型限位定位器，受電弓抬升按1.5×150 mm模擬，根據(jù)計(jì)算，安裝坡度極限值為4°時(shí)，受電弓和定位器出現(xiàn)交叉部分，定位器本體侵入受電弓動態(tài)包絡(luò)線，安全校驗(yàn)不通過。圖1（b）所示為JIS限位定位器，在抬升180 mm時(shí)限位，無法繼續(xù)抬升，此時(shí)定位器始終在受電弓動態(tài)包絡(luò)線外。圖1（c）所示為TGV非限位定位器，最大抬升為300 mm時(shí)，定位器始終在受電弓動態(tài)包絡(luò)線外。

圖1 定位器與受電弓匹配關(guān)系（單位：mm）

2 國外原型結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

隨著我國高鐵、客運(yùn)專線大規(guī)模建設(shè)，開通線路越來越多，接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)和定位裝置存在多種型式，國內(nèi)應(yīng)用較廣泛的定位裝置結(jié)構(gòu)主要在引進(jìn)德國Re330、日本JIS、法國TGV系列的基礎(chǔ)上進(jìn)行國產(chǎn)化改進(jìn)。300～350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)主要采用鋁合金定位裝置；200～250 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)主要采用鋼定位環(huán)和鋁合金定位裝置；在特殊氣象區(qū)域（如大風(fēng)區(qū)）則采用整體鋼腕臂結(jié)構(gòu)和鋁合金彈性定位裝置；廣深鐵路及石太客專采用了原裝進(jìn)口法國定位立柱連接無限位功能弓形鉸接定位器。為了方便定位裝置結(jié)構(gòu)選型，獲得較高的安全可靠性，有必要了解各種結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)和使用條件。不同結(jié)構(gòu)定位裝置從結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、工藝、應(yīng)用等方面對比分析見表3。

3 我國高鐵定位裝置演變及改進(jìn)

自2008年首條高鐵京津城際開通至今，我國已相繼建成了數(shù)十條、近4萬公里的高速鐵路。從第一條高鐵接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件100%進(jìn)口，到武廣高鐵20%應(yīng)用國產(chǎn)化產(chǎn)品，到京滬、哈大全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，完成了引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新過程，制造工藝達(dá)到世界先進(jìn)水平。由表3可知，我國高鐵接觸網(wǎng)以德國模式為主，在東南沿海、西部大風(fēng)環(huán)境中采用日本模式，少量線路采用了法國模式[7]。高鐵運(yùn)營十余年期間，接觸網(wǎng)定位裝置結(jié)合工程應(yīng)用，一直在不斷優(yōu)化改進(jìn)。

表3 不同結(jié)構(gòu)定位裝置對比

3.1 Re系列鋁合金定位裝置演變及改進(jìn)

3.1.1 定位支座

定位支座的改進(jìn)：一是原型定位支座的限位塊為圓柱形，當(dāng)定位器發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)時(shí)無法限位，將圓柱形限位塊改進(jìn)為扇形限位塊；二是缺口處厚度較小、承載力較低，易斷裂，將缺口處的最低厚度由4 mm提高到6 mm。定位支座改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 Re定位支座的改進(jìn)

為了解決受電弓大抬升量要求、防止小限界時(shí)定位器安裝空間不足，開發(fā)了折彎型定位支座。相對于直型定位支座，折彎型定位支座結(jié)構(gòu)高度增加了95 mm，使定位器懸掛點(diǎn)與定位管之間的距離達(dá)到277 mm；定位支座向后彎折，使定位懸掛點(diǎn)相對直型定位器向后平移了112 mm；采用弓形限位板，滿足左右偏轉(zhuǎn)60°時(shí)可靠限位。結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 Re折彎型定位支座

在定位器實(shí)際應(yīng)用中曾出現(xiàn)中心柱定位鉤和定位支座耳環(huán)由于水平拉力小甚至為零而導(dǎo)致接觸不緊密的情況，在定位器上下左右活動時(shí)，產(chǎn)生局部磨耗現(xiàn)象[4]。解決方案主要是要求定位器必須受一定的水平拉力。

3.1.2 折彎型定位器

Re系列定位器在特殊位置如曲線上需使用折彎型。原型折彎限位定位器為兩根矩形管通過中間接頭鉚接而成，存在重量較大易產(chǎn)生硬點(diǎn)，中間接頭受力不佳耐疲勞性能較差，工藝復(fù)雜導(dǎo)致成本較高等不足。針對上述不足，借鑒圓管定位器直接冷彎的技術(shù)，在提高矩形管材料性能的基礎(chǔ)上，研究了專用矩形管彎曲工藝，從而降低重量，減少應(yīng)力集中，提高了彈性和疲勞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。新型折彎定位器可滿足受電弓較大抬升量以及曲線處大超高時(shí)受電弓傾斜的使用要求，適用于高速線路的各種工況，安裝、調(diào)試和維修更方便。該產(chǎn)品已經(jīng)過京滬高鐵486.1 km/h試驗(yàn)驗(yàn)證，性能優(yōu)良。

圖4 Re折彎限位定位器的改進(jìn)

3.2 JIS彈性限位定位裝置演變及改進(jìn)

3.2.1 材料選用

由于中外材料牌號不完全一致，為實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，首先需要確定材料。通過對比分析JIS零部件材料標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國內(nèi)原材料市場和產(chǎn)品使用技術(shù)要求、環(huán)境條件，確定材料選用如表4所示。

表4 JIS定位裝置國產(chǎn)化材料選用

3.2.2 定位支座

JIS定位支座原型如圖5（a）所示，限位塊與底座焊接為一體，無法調(diào)節(jié)高度，通過調(diào)節(jié)限位定位器、定位支座的相對安裝位置對限位高度進(jìn)行微調(diào)，導(dǎo)致施工調(diào)節(jié)困難、限位高度不精準(zhǔn)等問題。將定位支座限位檔塊由焊接改為調(diào)整螺栓，限位檔塊的高度通過旋轉(zhuǎn)螺栓實(shí)現(xiàn)無級調(diào)整，調(diào)整到位后采用鎖緊螺母鎖緊實(shí)現(xiàn)防松，簡單方便快捷，滿足了施工技術(shù)要求。改進(jìn)后限位結(jié)構(gòu)見圖5（b）。

圖5 JIS限位定位支座的改進(jìn)

3.2.3 彈性定位器

優(yōu)化定位器管截面選型。通過對比計(jì)算，選取綜合性能更高的型材截面和壓接結(jié)構(gòu)保證產(chǎn)品成型后的機(jī)械性能要求。由于截面的抗彎和抗扭強(qiáng)度與相應(yīng)的截面系數(shù)成正比，φ34×5圓管的強(qiáng)度及抗彎、抗扭性能更優(yōu)，故選用φ34×5的定位器管。截面對比見表5，性能對比見表6。確定定位器管原材料后，對壓接工藝進(jìn)行優(yōu)化；對彈性限位定位器中的彈簧進(jìn)行性能計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，新的彈簧彈性曲線更精準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)更科學(xué)，補(bǔ)償效果優(yōu)良。綜合優(yōu)化后的產(chǎn)品應(yīng)用于蘭新二線，服役效果良好。

表5 鋁合金管材截面性能對比

表6 鋁合金6082、A5052TD性能對比

3.3 TGV非限位定位裝置演變及改進(jìn)

3.3.1 定位支座

TGV定位支座包括定位立柱與定位底座兩部分，零件本體采用ZCuAl10Fe2鑄造銅合金工藝。在國產(chǎn)化過程中及工程應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)的不足主要有：定位底座采用U螺栓鉸接式結(jié)構(gòu)，由于U螺栓的受力為線接觸，滑移性能不夠穩(wěn)定且難以提高；采用鑄造銅合金工藝，無法避免縮松、夾渣、夾雜、氣孔等鑄造缺陷，成品率低，且需要逐件探傷檢測，職業(yè)傷害風(fēng)險(xiǎn)高、成本高。

國產(chǎn)化時(shí)首次改進(jìn)是將鑄造銅合金改為鍛造銅合金，結(jié)構(gòu)未作調(diào)整。在驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后未徹底解決滑移性能不穩(wěn)定問題，另外銅合金與鋁合金管之間存在電化學(xué)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。第二次改進(jìn)則在結(jié)構(gòu)上借鑒抱箍式結(jié)構(gòu)，將材料改為鋁合金；鍛造工藝穩(wěn)定性高，生產(chǎn)效率大幅度提高。改進(jìn)型產(chǎn)品抗滑移性能優(yōu)異，鉸接式抱箍結(jié)構(gòu)螺紋副數(shù)量減少，產(chǎn)品的防松、耐磨和可靠性高，同時(shí)避免了異種金屬間的電化學(xué)腐蝕。定位支座改進(jìn)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 TGV定位支座的改進(jìn)

3.3.2 定位器

TGV原型定位器管采用弓型結(jié)構(gòu)，兩端連接件與定位器管連接均采用壓接工藝，連接件材質(zhì)為45#、Q235B鋼材質(zhì)，壓接工藝為徑向大變形縮頸壓接。在國產(chǎn)化時(shí)發(fā)現(xiàn)存在以下問題：（1）兩端連接件為鋼材質(zhì)，重量大易產(chǎn)生硬點(diǎn)，鋼材質(zhì)與鋁合金管會引起異種金屬間的電化學(xué)腐蝕；（2）大變形縮徑壓接變形量達(dá)3～5 mm，易造成管材內(nèi)部應(yīng)力集中，形成微裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響抗疲勞性能；（3）定位器管的圓弧半徑較小，成型時(shí)存在管外側(cè)變形應(yīng)力過大產(chǎn)生微裂紋風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合Re定位器經(jīng)驗(yàn)，將兩端連接頭材質(zhì)改為6082鋁合金、鍛造工藝，統(tǒng)一了材質(zhì)，減輕了整體重量，避免異種金屬間的電化學(xué)腐蝕；采用縮徑僅為1.3～1.7 mm的微壓工藝，定位管變形量小，有效避免管徑產(chǎn)生微裂紋的隱患；經(jīng)過計(jì)算、仿真模擬，重新設(shè)計(jì)了定位器管的圓弧結(jié)構(gòu)，圓弧更大，與受電弓包絡(luò)線匹配性更好，定位器受力更合理。改進(jìn)后產(chǎn)品的整體重量更輕，抗破壞強(qiáng)度提高了50%以上，經(jīng)在京滬、京沈等線路試用，證明了其服役性能更加優(yōu)良。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 TGV非限位定位器的改進(jìn)

3.4 綜合優(yōu)化的新型定位裝置

3.4.1 新型定位裝置的研制

通過多年技術(shù)引進(jìn)、消化、吸收、研究改進(jìn)，基本上實(shí)現(xiàn)了對德國Re、日本JIS、法國TGV系統(tǒng)接觸網(wǎng)技術(shù)的全面理解掌握，具備了博采眾長、優(yōu)化創(chuàng)新、打造中國標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)定位裝置的基礎(chǔ)。通過結(jié)構(gòu)、材料、工藝設(shè)計(jì)等方面的綜合優(yōu)化改進(jìn)，創(chuàng)新性地提出結(jié)構(gòu)簡約、連接可靠、非限位弓形結(jié)構(gòu)的定位裝置方案，詳細(xì)對比分析見表7，新型腕臂定位裝置如圖8所示。

圖8 新型定位裝置

表7 新型定位裝置綜合優(yōu)化對比分析

3.4.2 新型定位裝置弓網(wǎng)受流性能試驗(yàn)

對綜合優(yōu)化的新型定位裝置與Re330定位裝置的弓網(wǎng)受流性能進(jìn)行對比測試，測試以接觸網(wǎng)的跨距作為基本統(tǒng)計(jì)單位，在每一跨內(nèi)分析統(tǒng)計(jì)出弓網(wǎng)接觸力的最大值、平均值和最小值[5]；硬點(diǎn)參數(shù)（受電弓垂向加速度）的最大值；接觸線的最大動態(tài)高度、最小動態(tài)高度和動態(tài)高差；同一速度級單程下弓網(wǎng)燃弧次數(shù)、最大燃弧時(shí)間以及燃弧率[6]。數(shù)據(jù)及對比結(jié)果見表8。

表8 弓網(wǎng)受流性能對比測試數(shù)據(jù)及對比結(jié)果（v = 350 km/h）

由表8可知，在350 km/h高速運(yùn)行工況下，關(guān)鍵的9項(xiàng)弓網(wǎng)受流性能中，新型定位裝置產(chǎn)品有6項(xiàng)更優(yōu)秀，2項(xiàng)持平，1項(xiàng)略低，綜合性能大幅度提升。

4 結(jié)語

通過對我國高速鐵路工程應(yīng)用的各類接觸網(wǎng)定位裝置的結(jié)構(gòu)、工藝、材料、性能等分析研究及優(yōu)化改進(jìn)情況進(jìn)行總結(jié)優(yōu)化改進(jìn)，形成了新型接觸網(wǎng)定位裝置。新型接觸網(wǎng)定位裝置吸收了世界先進(jìn)產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)了缺點(diǎn)和不足，具有結(jié)構(gòu)重量輕、無集中載荷、材料選用更優(yōu)、工藝性好、抗疲勞性高、環(huán)境適應(yīng)性廣等特點(diǎn)[7]。通過弓網(wǎng)靜態(tài)性能、動態(tài)性能、定位點(diǎn)動態(tài)抬升以及零部件服役狀態(tài)、抽樣考核等試驗(yàn)，表明新型接觸網(wǎng)定位裝置動態(tài)接觸力、燃弧等弓網(wǎng)受流性能指標(biāo)優(yōu)良，檢測數(shù)據(jù)優(yōu)于傳統(tǒng)定位裝置，服役性良好，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[8]；驗(yàn)證數(shù)據(jù)證明新型接觸網(wǎng)定位裝置的穩(wěn)定性、可靠性及安全性較好。為統(tǒng)一接觸網(wǎng)安裝型式、材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)各種復(fù)雜工況，提高產(chǎn)品的服役性能，打造具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中國高鐵接觸網(wǎng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)，為中國高鐵“走出去”提供了裝備支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景。