马启明，刘继冬，吴积钦

0 引言

文献[3]指出受电弓两端磨出的凹槽使锚段中部接触线产生偏磨现象。文献[4]指出弹性简单悬挂组成的菱形交叉线岔由于悬挂本身弹性太大且不均匀，加之集中荷载（分段绝缘器）的影响，容易造成受电弓通过时侧磨接触线。文献[5]指出接触网偏磨问题影响设备的运行安全和质量。以上文献虽然对接触线偏磨现象进行了分析，但未对接触线偏磨进行原理性分析。本文从曲线区段接触线偏磨原因分析出发，经过计算与理论推导，对接触线偏磨影响因素进行详细论述并提出调整方式。

接触网是经由集电器向电力牵引单元提供电能的导体系统[1]。电力机车通过车顶的受电弓滑板从接触网中获取所需电流以供正常运行。当机车行驶至曲线区段时由于存在离心力，外轨承受较大压力，严重时甚至会造成倾覆事故，因此需要通过设置外轨超高，利用车体重力产生的向心力来平衡离心力[2]。但外轨超高会引起车身及受电弓倾斜，造成接触线偏磨，偏磨程度较大时，定位线夹与滑板可能发生机械冲突。

1 接触线偏磨

曲线区段受电弓与接触线接触形式如图1 所示。图中，L为轨距，h为外轨超高，α为外轨超高引起的轨面与水平面夹角。计算可知

图1 曲线区段受电弓与接触线接触形式

由于外轨超高造成轨面与水平面形成α夹角，电力机车得以借助自身重力的分力提供向心力。但由此造成受电弓滑板与接触线下表面的切线形成α夹角，滑板与接触线的接触位置由接触线下表面转移到接触线左右两侧，致使接触线发生偏磨。

2 偏磨量计算

假设曲线区段与直线区段的定位器坡度角一致，均使接触线下表面与水平面相切。随着运行年限的延长，接触线磨耗量增加，受电弓滑板面与定位线夹夹板齿形间的距离不断缩小。图2 为曲线区段受电弓与接触线接触示意图，图中，y为定位线夹至滑板面横向距离，x为接触线偏磨深度极值，R为接触线半径，j为定位线夹夹板齿形宽。

图2 受电弓与接触线偏磨示意图

由三角形相似关系可知

进一步求解图2 中的阴影部分面积（磨损面积）Sx为

下文以某普速铁路为例分析计算不同外轨超高情况下接触线的偏磨量。该普速铁路曲线区段使用CTAH150 型接触线，计算截面积为151 mm2，半径为7.2 mm，轨距为1 435 mm，定位线夹夹板齿形宽为4 mm。实际线路中外轨超高不超过150 mm，取外轨超高范围为90～150 m，以10 mm 为一个间隔计算对应的定位线夹与滑板间最小距离及阴影部分面积，并求解磨耗占比（磨耗面积/接触线总面积×100%），如表1 所示。

表1 外轨超高条件下接触线偏磨量

该普速铁路最大行车速度为90 km/h，弓网动态运行平稳。根据表1 中的计算结果可知，若外轨超高为150 mm，则当接触线磨损面积达到64.74 mm2，磨耗占比为42.87%时，受电弓滑板与定位线夹会发生撞击。《普速铁路接触网运行维修规则》中规定接触线磨损面积的警示值为15%，限界值为20%[6]。当外轨超高为150 mm 且磨损面积为20%时，接触线磨耗高度为3.46 mm，此时定位线夹夹板齿形与受电弓滑板面的距离为2.58 mm，不会发生撞击事故。

2010 年5 月，武广高铁发生了一起定位器打弓故障，造成多架受电弓被打坏，并影响了武广高铁的正常运营[7]。通过对武广高铁全线的所有定位器进行逐一排查发现：定位器的坡度各不相同，多数定位器坡度角在4°～5°范围，但少数定位器坡度角为0°，有的甚至为负。在曲线区段上，定位器坡度角有可能为0°，也有可能为负，这就会造成定位点处的接触线下表面向上旋转，造成定位线夹与滑板之间的距离进一步缩小。设β为由于定位器坡度角过小造成的弓网接触点与接触线中心连线同接触线下表面与接触线中心连线的夹角增量，此时的接触状态如图3 所示。

图3 定位器坡度角过小时受电弓与接触线偏磨示意图

经计算可知

当定位器坡度角为0°，甚至为负数时，则必有x≤3.57 m，接触线偏磨深度极值x会迅速减小，易发生滑板与定位线夹、定位器撞击。对于某些线路采用CTAH120 型接触线，导线半径仅为6.45 mm而非7.2 mm，则更需注意接触线偏磨导致的受电弓与定位线夹、定位器撞击隐患。

3 影响因素分析

接触网施工误差[8]、随机风荷载[9]以及列车振动[10]均会影响弓网动态运行平稳性，为确保曲线区段弓网的安全运行，进一步分析与接触线偏磨相关的影响因素。

无论是否存在外轨超高，受电弓滑板面均与轨面平行，而接触线下表面切线与轨面之间的角度取决于定位器坡度。若接触线下表面的切线与轨面平行，则不会发生接触线偏磨。

图4 为定位点曲线分力示意图。图中R曲为曲线区段的曲线半径，m；L1为定位点前一跨跨距，m；L2为定位点后一跨跨距，m，L1＞L2；Tj为接触线张力，N；PR为定位点处曲线分力，N；a、b、c为拉出值，m。定位点曲线分力为

图4 定位点曲线分力示意图

式中：g1、g2分别为定位器、定位线夹质量，kg；e1、e2为定位器左右第一根吊弦至定位点的距离，m；gJ为接触线单位长度质量，kg/m。

曲线区段定位点受力状态如图5 所示，F为沿定位器向上的拉力。静止状态下PR、F、FG三力平衡，定位器相对于水平面的角度为θ。

图5 所示状态中，接触线下表面切线与轨面平行。而曲线区段外轨超高使受电弓滑板与水平面形成夹角，即滑板与接触线下表面切线存在夹角，引发接触线偏磨。需要缓解接触线偏磨就需要调整定位器坡度，使接触线下表面切线与轨面平行，消除受电弓滑板面与接触线下表面切线的夹角。

图5 曲线区段定位点受力状态

定位器坡度由PR、F、FG三力共同决定，通过调整定位点前后第一吊弦的位置（调整FG）、拉出值大小（调整PR）、跨距大小（调整PR）适当改变定位器坡度缓解或消除接触线偏磨。图6 为调整后曲线区段受电弓滑板与接触线的接触示意图。

图6 调整后滑板与接触线的接触示意图

为缓解偏磨需将定位器相对于水平面角度增至θ+α。若保持拉出值及跨距不变，仅通过调整定位点前后第一吊弦的位置来增加定位器角度，其变化量Δl为

若保持定位点前后第一吊弦的位置及跨距不变，仅通过改变当前支柱拉出值（b、c）的方式增大定位器角度，拉出值减量Δa为

若保持拉出值与定位点前后第一吊弦的位置不变，仅通过改变跨距大小增加定位器角度，为了简化计算，保持L2不变，则L1的减小量ΔL的计算式如下（调整L2同理）：

由于跨距的乘积远大于拉出值的差值，所以对上式求解可得

在实际调整中可将上述3 种方法结合使用。以该普速铁路曲线区段为例，其定位器质量为2.56 kg，定位线夹质量为0.28 kg，CTAH150 接触线的单位长度质量为1.35 kg/m。曲线区段定位器左右第一根吊弦至定位点的距离均为5 m，曲线区段半径为800 m，外轨超高为90 mm，拉出值均为0.15 m，跨距为32.5、33 m，接触线张力为14 700 N。各参数计算结果如表2 所示。

表2 各参数计算结果

为使定位器相对于水平面的角度由7.71°增至11.3°，需要对定位点处重力与曲线分力进行调整。可将定位点前后第一吊弦的位置增加2 m，定位点处重力的增量为26.48 N，此时定位点处重力为108 N。保持拉出值不变，将定位点处曲线分力调整为540.5 N，即定位点处曲线分力减少61.28 N，代入式（9）可计算出跨距需减少6.67 m，可将前一跨跨距调整为29 m，后一跨跨距调整为29.83 m。经过上述调整即可缓解接触线偏磨。

4 高速铁路接触线偏磨的借鉴意义

自2008 年8 月1 日京津城际铁路开通以来，我国经历了高速铁路发展的黄金十年。2017 年12月28 日，石济高速铁路开通运营，至此，“四横四纵”高铁网全部建成。迄今为止，中国已在长三角、珠三角、环渤海等地区城市群建成高密度高铁路网，东部、中部、西部和东北四大板块区域之间完成高铁互联互通。近年来，随着客运量的逐渐增大，给既有线路的运营维护带来了一定的挑战。与普速铁路相比，高速铁路列车的速度更快，在曲线区段仍以较高的速度通过，随着长年累月的高负荷运转，高速铁路曲线区段接触线偏磨问题更加不可忽视。一旦接触线偏磨量超过限值且未及时更换，就可能造成受电弓滑板高速撞击定位线夹事故，甚至造成受电弓损坏，影响线路的正常运营。在后续高铁新线的建设中，可将服役年限内的曲线区段接触线偏磨量作为一个新的设计参考项。

为减少接触线偏磨，可在设计之初就将运营过程中的曲线区段接触线偏磨予以考虑，调整为图6所示状态。同时，还需兼顾定位器坡度是否过大，定位点前后第一吊弦位置过大会不会造成硬点或影响弹性，跨距的缩小是否会带来线路成本较大的增加。针对上述问题应进行系统研究，根据线路实际情况进行具体分析，最终寻求接触线偏磨、定位器坡度、吊弦位置及跨距大小的最佳契合点。

5 结语

曲线区段接触线偏磨是由于外轨超高造成受电弓滑板面与接触线下表面切线存在夹角引起。为确保弓网安全运行，进一步分析了与接触线偏磨相关的影响因素，增大定位点前后第一吊弦的位置、减小拉出值、适当减小跨距可以调整滑板与接触线的接触角度，缓解接触线偏磨，即在曲线区段定位器坡度角应略大于直线区段的定位器坡度角，其增量与实际线路的外轨超高与水平面形成的夹角一致，具体线路需进行具体分析。

高速铁路发展至今，在运营与维护方面面临更多挑战，其曲线区段接触线偏磨逐渐引起关注。在设计之初就考虑接触线偏磨问题，对降低后期运营维护的难度具有一定现实意义。后期还需要对高铁曲线区段接触线偏磨做进一步的实地调查，获取更多信息，并对其进行系统性研究及应对。