中国自主化接触网研发关键技术及在雅万高铁应用

Research and Development of Key Technologies for China’s Autonomous Catenary System and Its Application in the Jakarta-Bandung High-Speed Railway

摘要

为解决我国接触网系统自主化核心技术缺失和复杂严苛运营场景下服役性能不高等难题，提出 “速度-参数-性能”匹配的自主化接触网主要技术参数，研制环境适应性强、可靠性高、使用寿命长的腕臂定位装置等关键装备，搭建高质量、高精度、高效率的智能预配平台，形成体系完整、结构合理、具有完全自主知识产权的接触网技术与装备标准体系，并通过了线路试验验证。结合雅万高铁，开展了自主化接触网针对性设计，并获得成功应用。结果表明：中国自主化接触网关键技术与装备可有力保障电气化铁路的安全、高效、经济运行，成为中国高铁首次全系统、全要素、全产业链在海外落地的典范，为持续巩固我国铁路世界领先地位、助力国家“交通强国”和“一带一路”等重大战略实施和铁路安全运行提供了技术支撑。

Abstract

To address the problems of the lack of core autonomous technology for the catenary system in China and the low service performance under the complex and demanding operational scenarios, the main technical parameters for China’s autonomous catenary system with “Speed-Parameter-Performance” matching are proposed. The key equipment, such as cantilever structures and positioning devices with strong environmental adaptability, high reliability and long service life, are developed; an intelligent pre-configuration platform with high quality, high accuracy and high efficiency is built; and a comprehensive, well-structured catenary technology and equipment standard system with full independent intellectual property rights having passed the line test verification, is established. Applying to the Jakarta-Bandung High-Speed Railway, the targeted design of China’s autonomous catenary system has been successfully implemented. The results show that the key technologies and equipment of China’s autonomous catenary system can effectively ensure the safe, efficient and economic operation of electrified railways, and serve as the pioneering example of high-speed railway technology, fully realized in terms of system, factors, and industrial chain overseas. It provides technical support for continuously consolidating the leading position of China Railway in global railway technology, facilitating the implementation of major national strategies such as “Building a Country with Strong Transportation Network” and the “Belt and Road Initiative”, and ensuring the safe operation of the railways.

Graphical abstract

关键词

自主化 / 接触网 / 技术标准体系 / 智能建造 / 雅万高铁

Key words

Autonomy / Catenary system / Technical standard system / Intelligent construction / Jakarta-Bandung High-Speed Railway

0 引言

接触网长期经受寒冷、高温、高原、大风、腐蚀等外部复杂恶劣环境的考验，并且在高速动车组通过时受到高速受电弓的激励而产生持续的周期性振动和大电流冲击，造成接触网零部件“松、脱、卡、落、断”故障时有发生。由于历史原因，我国铁路接触网早期学习和借鉴了前苏联的相关技术，高铁建设之初因系统引进国外技术装备，造成基础理论研究不足、接触网制式及装备种类繁杂，面临核心技术受制于人的难题。随着我国铁路建设、运营规模的快速扩大，国内的复杂的运营条件对接触网发展提出了更高的需求，地域辽阔、环境差异大、运行速度高等众多因素，亟须接触网向自主化、标准化、系列化发展。^［1-4］。

采用德标、日标、法标等材质的接触网零部件，不能很好地适应我国高铁的运营需求，造成了运维检测对象及维修标准繁多、备品备件种类数量繁杂，建设和运维成本居高不下，并存在核心材料受制于人以及成本较高的问题^［5-9］。自主化核心技术的缺失和复杂严苛的运营需求，导致我国铁路接触网安全运营的难度远高于其它国家，并对铁路“走出去”形成制约。因此，亟须研发自主化接触网关键技术与装备，提升我国铁路科技创新水平，巩固我国铁路世界领先地位，为国家“交通强国”和“一带一路”等重大战略实施和铁路安全运行提供技术支撑^［10-12］。

1 技术路线

以建立中国自主化接触网系统为目标，依托国铁集团重大、重点课题，本文从技术标准体系建立、关键装备研发等方面入手开展相关研究工作，采用理论研究与调研分析相结合、仿真分析与现场数据分析相结合、理论分析与工程实际相结合的研究方法，坚持需求引领、问题导向。研究的总体技术路线如图1所示。

2 技术成果

2.1　主要技术参数

复杂的弓网耦合关系已经成为制约列车进一步提速和影响列车安全稳定高效绿色运行的重要因素^［13-16］。在弓网耦合系统中，对接触网接触悬挂参数进行精确计算是确保高速列车安全稳定受流的核心技术难题。接触网性能传统设计方法在静动态特性计算过程中存在较大程度的简化与假设^［17-20］，不能很好地支撑高速铁路接触网系统参数的选取，制约了接触悬挂性能的进一步提升^［21-23］。传统接触网因未能解决上述弓网问题，难以自主建立技术标准，导致张力配置、结构高度、弹性吊索配置等系统的技术参数无法实现统一和最优。

为此，通过研究构建量化接触悬挂特性和线路要素的多变量弹性矩阵，量化反映了接触线、承力索和弹性吊索的张力、线密度、跨距、吊弦布置、定位器重量和线路条件等对接触悬挂特性的影响，解决了接触悬挂弹性和反射因数对主要设计参数不敏感、计算精度不高的难题，以此实现了对接触悬挂静动态性能精确计算和评价^［24-25］。

在此基础上，基于对弓网模拟分析与大西、京沈高铁等综合试验数据结果的进一步综合分析，提出了“速度-参数-性能”匹配机制，建立了系列化的中国自主化接触网技术标准，见表1。其中，CRC是中国铁路标准接触网（China Railway Catenary）的英文简称。

2.2　关键装备技术特点

接触网在高速受电弓激发的持续周期性振动和大电流冲击等作用下，腕臂定位装置、整体吊弦等关键装备安全运行面临严峻挑战^［26-36］。基于应力分析的传统损伤模型未能揭示其复杂损伤机理，无法提出有效的装备优化解决措施。

为此，微动摩擦学理论被运用于接触网零部件失效形态的研究和试验模拟中，进而可从动力学特性、微动区域特性、磨损机制、失效准则、大电流和摩擦化学作用等方面入手，利用微观形貌观察（SEM）、电子能谱分析（EDX）等手段对接触网故障装备进行深入分析，如图2和图3所示。整体吊弦失效机理表现为弯曲微动疲劳与拉压微动疲劳的复合作用导致断裂失效，而定位钩环连接结构失效机理显示为微/滑动磨损与冲击疲劳的复合作用导致层状剥落和块状剥落。

通过提出失效分析、结构优化、表面处理和试验模拟等构成的接触网零部件抗微动损伤分析与处理方法，研制了高精度吊弦微动疲劳和冲滑复合磨损模拟试验装置，为突破长期制约接触网装备使用寿命的瓶颈提供了理论与试验支撑。

针对动态连接结构，采用销轴铰接连接替代钩环连接，大幅提高了动态连接结构的抗冲滑复合摩擦磨损能力。并通过对高铁接触网试验与运行数据的进一步结合，研发了“结构简约、零件集成、工艺先进”的腕臂支撑及定位装置，实现了以中国材质标准为基础的全部零部件精密锻造。其中，以弓形非限位定位器取代直形限位定位器，以定位管刚性固定结构取代柔性悬挂或刚柔并存固定方式；对腕臂结构中的承力索座、定位环等多个零件进行集成创新，研制出组合承力索座和组合定位环，大幅集约了腕臂定位装置；采用铰链抱箍替代直螺栓或U型螺栓连接方式、销轴铰接替代钩环连接结构，如图4所示。通过攻克腕臂结构复杂、连接方式可靠性低等系统性、结构性难题，实现零件数量和紧固件种类减少30%以上，提升了结构瞬态动力学性能、弓网运行安全裕度、弓网受流性能。

针对柔性绞线结构，并结合试验结果，对钳压管和心形环结构进行优化，针对性地提出了采用无损压接工艺及配套模具、提升吊弦线耐疲劳性能等改进措施，并且通过对滑动荷载标准的优化，避免了整体吊弦预配造成的损伤。上述举措降低了运行期间吊弦疲劳断裂风险，使得整体使用寿命提高了200%。针对锚固线夹等关键受力件，研制了新型终端锚固线夹和接触线中心锚结线夹，并通过对工艺的创新和对材质的优化，增加了滑动荷载和安全冗余，避免了以往铸造工艺容易发生缩孔缩松等缺陷问题。

通过上述研发，攻克了原有关键装备可靠性低、安全冗余小、使用寿命短等系统性难题，研制出高环境适应性、高可靠性、长使用寿命的自主化接触网关键技术及装备，并为400 km · h^-1及更高速接触网提供了技术储备。

2.3　智能建造

如图5所示，高速铁路接触网作为多维长大空间悬索结构，其模型包含由400多个悬链线方程组成的超越方程组，对其快速精确求解是高速铁路接触网设计、建设的核心难题。在我国高速铁路发展之初，接触网预配精确计算软件一直被国外企业垄断，引进授权使用费高昂。通过技术攻关，我们研究创建了经验解数据库和超线性收敛的离散迭代求解法。接触网精确模型求解流程如下：首先，从经验解数据库中匹配到最合适的初始解；其次，以初始解为基础，构造初始状态参数向量和整体特征函数；然后，判别整体特征函数是否满足误差要求，如不满足，则需要通过差商函数调整状态参数向量，并再次对整体特征函数的误差进行判别，而如满足则停止迭代并输出结果，如图6所示。

在此基础上，研发了拥有自主知识产权的高速铁路接触网精确计算系统，并成功打破了国外企业的垄断，经国内外高铁项目验证，计算精度、效率均优于国外同类软件。

高速运行对接触网施工安装精度提出了毫米级的要求，传统施工方法的安装质量和精度低、适应性差，亟须提升施工装配智能化水平。基于人工智能遗传算法和强化学习技术，零部件智能装配、导线自动导向穿线、结构数据仿真验证等关键技术难题得到了研究和解决。基于智能物料选取、多轴机器人、视觉引导装配、高精度在线量测等技术，接触网智能预配平台得以搭建，如图7所示，实现了自主化接触网高质量、高精度、高效率的智能建造。

2.4　运营维护

自主化接触网具有零部件数量及紧固件种类少、结构简约等优势，便于铁路供电安全检测监测系统6C系统^［37］进行日常检测。结合装备高环境适应性、高可靠性、长使用寿命的特点，针对性地研发了自主化接触网运行状态图像检测技术，颁布了《自主化铁路供电安全检测监测系统（6C）运用维修管理实施细则》等多项标准，为自主化接触网安全运行提供了有力保障。

2.5　技术标准体系

技术标准体系是自主化的核心关键，《电气化铁路接触网零部件》《高速铁路简统化接触网工程施工及质量验收标准》《高速铁路简统化接触网运行维修管理办法》《高速铁路简统化接触网故障抢修实施细则》的先后颁布，《时速350公里高速铁路简统化接触网安装图》通用图以及相关标准定额的编制完成，建立了覆盖设计、施工、制造、运维等各环节的技术标准体系，为自主化接触网的全面推广应用奠定了坚实的基础。

3 成果验证

依托实际运行线路，研发成果得到了有效验证。为保证验证结果的客观公正性，选取了同一实际线路的相邻区段分别安装了自主化接触网和采用引进技术的既有接触网，开展了弓网受流性能试验。既有接触网以德国原型技术为主，代表了国外同类技术的先进水平。

经现场运行试验，研发的自主化接触网在弓网接触力、硬点、燃弧等检测数据均显著优于采用引进技术的既有接触网，如图8所示，在系统性能、装备性能、运营性能、安全性能方面均具有较大优势，具体见表2。通过对比分析可以看出，自主化接触网指标均低于引进的既有接触网指标，说明系统性能更优，对更高速度适应性更强。

根据相关项目开通后的运行检测数据，自主化接触网在年每百公里缺陷数量和接触网动态性能指标（CDI）均值均优于同速度等级线路值，且优势明显，详见表3^［38］。其中，CDI是依据接触网动态检测参数对接触网的运行质量进行的评价，CDI值越低，表明动态性能越优良。

通过相关试验验证和运行检测数据，进一步验证了技术成果的有效性和先进性。

4 在雅万高铁上的应用

印度尼西亚雅加达—万隆高速铁路（简称“雅万高铁”）项目是我国高铁全要素走出去的第1个项目，面临国外对手的激烈竞争，其中包括国内现有接触网原型技术来源国家。如果采用国外原型技术存在侵权风险并导致竞标失败，因此研发并采用自主化接触网成为中国高铁走出去的必由之路。在项目应用过程中，通过结合雅万高铁热带雨林气候、小曲线较多等线路情况和国外项目特点^［39-40］，对自主化接触网设计、生产、施工安装等方面进一步优化完善，形成了中国自主化接触网海外应用的成套方案。经运行测试验证，该方案表现出色，动态几何参数检测无一级缺陷，硬点、燃弧次数、燃弧率等弓网受流性能指标均高于标准要求。这些都充分证明了中国自主化接触网技术装备的先进性，并为后续项目进一步推广应用提供了宝贵的经验^［11］。自主化接触网支撑了雅万高铁的成功建设，成为中国高铁全系统、全要素、全产业链在海外落地的典范。

4.1　针对性设计

4.1.1　系统方案

结合速度等级和运行环境需求，雅万高铁接触网系统方案采用CRC350方案，装备采用中国自主化接触网铝合金系列。接触网采用弹性链型悬挂，正线接触线标称截面为150 mm²，额定张力为30 kN，正线承力索标称截面为120 mm²，额定张力为21 kN。结构高度1600 mm，弹性吊索标称截面35 mm²，额定张力3.5 kN，如图9所示。

4.1.2　安装方案

国内高铁线路一般以直线和大曲线半径工况居多，雅万高铁由于受征地和高速并行等客观因素影响，存在较多小曲线半径情况，正线最小曲线半径达到了550 m。针对特殊小曲线半径的线路条件，提出斜定位立柱加特型定位器的方案，解决了小曲线大外轨超高下转换柱曲内正定位安装空间不足的问题，如图10所示。

针对小曲线情况下弹性吊索与斜腕臂、定位支撑易互磨的问题，通过将组合式承力索座拆分为单承力索座、腕臂连接器和支撑连接器方案，加大了弹性吊索与斜腕臂、定位支撑的间距，避免弹性吊索因长期磨损造成断裂^{［27， 41-42］}，如图11所示。

4.1.3　防腐方案

雅万高铁空气湿度大于70%，对金属构件防腐提出了更高要求。本项目自主化接触网装备铜合金零部件采用新型钝化技术进行防腐，该工艺处理后，表面颜色鲜亮，防腐性能极大增强；不锈钢紧固件进一步提高了材质标准，采用了316L型奥氏体不锈钢，具有含碳量低、含钼量高的特点^［43］，防腐性能优越。

4.2　生产供应

4.2.1　生产

雅万高铁接触网装备均为国内供货，一旦出现生产制造缺陷或现场预配错误等问题，更换处理周期较长，会对建设工期造成较大影响。

通过自主化的全流程智能化接触网零部件生产，解决了上述难题。该自主化生产平台满足了工艺优化、批量定制、质量追溯的智能化要求，具体的实施策略、关键技术、重点创新和突出优势如图12所示。

4.2.2　供应

考虑到针对雅万高铁供货运输途中的气候、船只和搬运等具体条件，需量身设计制定与自主化接触网装备的尺寸和外形特点相匹配的产品包装方案和实施细则。零部件的包装考虑防潮和防水措施，为了使后续安装方便快捷实施，需装配成套供应结构类产品，并按照图纸紧固力矩要求进行紧固，坚持同产品同型号的装箱原则，最大程度降低产品在运输环节的损坏和影响，更好地满足了按时、保质、保量的供货要求。

5 结　语

中国自主化接触网技术及装备通过多年协同攻关，打造了体系完整、结构合理、具有完全自主知识产权的技术与装备标准体系，成为中国铁路自主创新的典范并得到广泛应用。成果应用范围涵盖了寒冷、沙漠、中原、沿海等多种复杂环境条件，经历了祖国广袤大地各种地理环境的考验。“一带一路”项目印尼雅万高铁的成功应用，实现了我国高铁自主化接触网技术首次走出国门，进一步提升了我国高速铁路的核心竞争力，支撑了铁路接触网的安全运行。

展望未来，接触网技术将朝着数字化、智能化方向发展，后续将以自主化接触网为基础，进一步研究建立智能接触网技术及装备体系，为持续巩固我国铁路技术的国际领先地位提供支撑。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划重点课题(N2022G046)