剛性接觸網的研究綜述及展望

關金發(fā) 吳積欽 方 巖

(西南交通大學電氣工程學院 四川 成都 610031)

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剛性接觸網的研究綜述及展望

關金發(fā) 吳積欽 方 巖

(西南交通大學電氣工程學院 四川 成都 610031)

剛性接觸網以其接觸線無張力、零部件少、凈空要求低、維修量小等特點，被廣泛應用于地鐵隧道內。通過調研國內外剛性接觸網的結構形式，發(fā)現(xiàn)國內使用的剛性接觸網結構較為單一，剛性接觸網的系統(tǒng)性和完備性的標準體系有待進一步建立。剛性接觸網在使用過程中出現(xiàn)多為與時間相關的故障，其動力仿真和測試得到的弓網動力性能數據尚需進一步確認其有效性。從結構、故障、標準、仿真和測試5個方面歸納和總結剛性接觸網的研究現(xiàn)狀，對剛性接觸網的未來發(fā)展給出一些建議。 關鍵詞 城市軌道交通；剛性接觸網；結構；維修；標準；仿真；測試

剛性接觸網在隧道內相對柔性接觸網具有一定優(yōu)勢，其接觸線無張力，不用設置下錨裝置，不會發(fā)生斷線事故，具有零部件少，載流量大，安全可靠，維修工作量小等特點，被廣泛地應用于地鐵隧道內[1]。自2002年廣州地鐵2號線剛性接觸網試掛成功后，剛性接觸網逐步替代柔性接觸網，成為城市軌道交通隧道內架空接觸網的主要形式。上海地鐵6、8、9、10、11號線，廣州地鐵2、3號線，南京地鐵1號線，成都地鐵1、2號線，北京地鐵14號線等工程均采用剛性接觸網[2]。在干線鐵路中，石懷線電氣化擴能工程、新建蘭武二線烏鞘嶺隧道等剛性接觸網均得到良好的應用[3]。

目前，剛性接觸網的最高試驗速度是在奧地利的維也納至林茨鐵城際鐵路，其隧道內使用Furrer+Frey公司生產的AC 15 kV剛性接觸網，2014年11月17日在DB公司的ICE-S測試列車上進行弓網接觸力測試，試驗過程的最高速度為302 km/h[4]。

隨著城市軌道交通的發(fā)展，電氣化列車的運行速度的提高，隨之產生的問題是速度更快的受電弓是否適應當前的剛性接觸網結構。國內使用剛性接觸網的最高運行速度為120 km/h，還有較大的提速空間，為研制160 km/h及以上的受電弓與剛性接觸網系統(tǒng)，有必要對剛性接觸網的研究現(xiàn)狀進行歸納與總結，做好前期準備。筆者從結構、故障、標準、仿真和測試5個方面歸納和總結剛性接觸網的研究現(xiàn)狀，在此基礎上，對剛性接觸網的未來發(fā)展給出一些建議。

1 結構類型

雖然剛性接觸網零部件類型比柔性接觸網少，但結構類型比柔性接觸網豐富，主要包括剛性匯流排結構、懸掛結構、定位結構、錨段關節(jié)結構、剛柔過渡結構、道岔上方接觸網結構、中心錨結結構等。錨段關節(jié)存在兩種形式，剛柔過渡也存在兩種形式。剛性接觸網的縱向結構包括錨段、錨段關節(jié)、剛柔過渡，見圖1。錨段關節(jié)、剛柔過渡均是剛性接觸網不可缺少的結構，如何選擇與優(yōu)化這兩種結構是剛性接觸網研究的重點之一。

圖1 剛性接觸網縱向結構示意

1.1 匯流排結構

國內均使用π型匯流排，匯流排長度一般為8～12 m，匯流排之間利用中間接頭相接，若是斷口式錨段關節(jié)有匯流排終端。

國外剛性接觸網的結構形式較多，日本多使用T型匯流排，歐洲多使用π型匯流排，西班牙近年來使用Y型匯流排。

Mandai等[5]提出一種T型匯流排及其參數，見圖2。James[6]提出一種利用側面夾板與T型匯流排夾持接觸線的剛性接觸網結構，見圖3。

圖2 日本夾片式T型匯流排

圖3 單夾板式T型匯流排

圖4 單軌夾持式T型匯流排

高鳴[7]的研究表明原有夾片式T型匯流排存在缺陷(見圖2)，具體為：夾板與接觸線、T型匯流排之間存在間隙，隨時間氧化腐蝕，接觸電阻逐步增大，載流功能逐步降低，提出一種新型夾持式T型匯流排替代原有夾片式T型匯流排，見圖4。

Gunter[8]、Furrer[9]設計了π型匯流排結構，并給出了相關參數，見圖5、6。Oya等[10]為研究速度更高的剛性接觸網，提出了一種π型匯流排替代原有T型匯流排，見圖7。TB/T3252[11]是中國有關匯流排的標準，其中對π型匯流排及其參數有詳細要求。

圖5 西門子匯流排

圖6 FF公司匯流排

曼紐爾.梅莉斯.梅納[12]，設計了一種運行速度超110 km/h的新型匯流排，Y型截面，該匯流排的垂向截面慣性矩是π型匯流排的近兩倍，其余參數與π型匯流排相當，其安裝方式見圖8，該型號匯流排未來將在西班牙地鐵中應用。

現(xiàn)有π型匯流排是否能適應更高的運行速度，T型、Y型匯流排與π型匯流排相比，是否有替代的可能性值得進一步探討。

圖7 日本π型匯流排

圖8 Y型匯流排

1.2 懸掛結構

匯流排的跨距一般為6～10 m，每跨使用2個懸掛結構將匯流排垂向固定。城市軌道交通剛性接觸網使用的懸掛結構多為門式結構，剛柔過渡區(qū)段也有使用腕臂式結構的，干線鐵路則多為腕臂式結構。

Furrer+Frey[13]設計的剛性接觸網能適用于直流、交流供電，隧道內、外運行，且經電氣、機械測試，實際的運行經驗論證了剛性接觸網在速度達250 km/h以下都能可靠運行，文獻中介紹了剛性接觸網的零部件組成及安裝工藝，其剛性接觸網懸掛結構，一般采用腕臂式，見圖9。盧光霖[14]給出了中國使用較多的接觸網懸掛結構，由定位線夾、絕緣子、懸吊槽鋼、T型頭螺栓、懸吊安裝底座等組成，外形類似于門形，見圖10。

圖 9 FF公司的腕臂式懸掛結構

圖10 門式懸掛結構

比較兩種懸掛結構后得出，門式結構簡單，安裝便捷，凈空要求可以較低，但其彈性不如腕臂式，對于設計更高速度等級的剛性接觸網，需充分比較兩種懸掛結構的強度與動力性能。

1.3 定位結構

定位結構是連接匯流排與懸掛結構的零部件，其結構形式有多種。

Fernandez[15]給出了一種剛性接觸網的腕臂式的定位線夾(見圖11)，通過三塊夾板將匯流排鎖著，定位線夾為匯流排提供垂向固定，匯流排仍具有順線路伸縮的自由度。Siemens[16]在剛性定位線夾內部增加彈簧片從而增加定位線夾彈性(見圖12)，但匯流排僅有垂直向上的彈性力，垂直向下被夾板擋住。Ohura[17]提出了一種垂向上下拉壓的彈簧式定位線夾(見圖13)。陳吉剛[18]在定位線夾處增加彈簧(見圖14)，定位結構中彈簧提供垂直向下的彈簧力，而垂直向上被絕緣子擋住。

圖11 剛性定位結構

圖12 彈簧片式定位結構

圖13 垂向彈簧定位結構

圖14 單向彈簧定位結構

帶彈簧的定位結構為剛性接觸網提供一定的垂向緩沖余量，增加剛性接觸網的柔性，對于設計更高速度等級的剛性接觸網，定位結構的剛度值選取尤為重要。

1.4 錨段關節(jié)結構

錨段關節(jié)是兩個錨段過渡的特殊區(qū)域，其結構對剛性接觸網的動力性能影響較大。

Chover Alvarez-Monteserín[19]對不同剛性接觸網結構進行了動力響應仿真，其中包括錨段關節(jié)，剛柔過渡，錨段關節(jié)結構見圖15。宋曄宏[20]提出了一種接觸線過渡的膨脹接頭元件，見圖16。

圖15 斷口式錨段關節(jié)結構

圖16 貫通式錨段關節(jié)結構

斷口式錨段關節(jié)的兩個錨段機械上是獨立分開的，通過匯流排終端過渡。貫通式錨段關節(jié)的兩個錨段在機械上是相連的，通過膨脹結構元件過渡。

黃德亮等[21]詳細介紹了中國架空剛性接觸網的發(fā)展歷程及在應用過程中的一些技術問題，文獻中提及時速120 km的架空剛性接觸網，討論了貫通式和斷口式錨段關節(jié)的技術特點。

1.5 剛柔過渡結構

剛柔過渡是連接柔性接觸網和剛性接觸網的特殊區(qū)域，一般通過剛柔過渡的運行速度均較低。

剛柔過渡結構存在兩種方式。Furrer提出了一種貫通式剛柔過渡結構，柔性接觸網的接觸線直接通過切槽式匯流排嵌入到剛性接觸網匯流排當中，見圖17。白向峰[22]研究了關節(jié)式剛柔過渡的施工技術，給出了如圖18的工程實施圖。其中，柔性接觸網結構不變，剛性接觸網利用切槽式匯流排與剛性接觸網匯流排相連，兩支接觸懸掛通過錨段關節(jié)過渡。

圖17 貫通式剛柔過渡結構

圖18 關節(jié)式剛柔過渡結構

T.Kobayashi[23]通過研究原有錨段關節(jié)式剛柔過渡，發(fā)現(xiàn)存在兩種結構形式，柔性接觸網接觸線在隧道內下錨、柔性接觸網在隧道外下錨(見圖19)，兩種方式均不能滿足更高速度的弓網動力性能，需設計一種新型錨段關節(jié)式結構，在柔性接觸網處增加剛性匯流排或采用貫通式剛柔過渡方案(見圖20)，通過跑車試驗，論證了新結構的運行性能可達130 km/h。

圖19 錨段關節(jié)式剛柔過渡結構

圖20 改造后剛柔過渡結構

為保證受電弓能順利通過柔性接觸網與剛性接觸網而不降低運行速度，需設計滿足更高速度等級的剛柔過渡結構，比較既有兩種過渡方式，合理調整結構參數。

剛性接觸網的結構種類較多，尚未見有關不同結構之間的系統(tǒng)性動力性能對比，對于如何確定剛性接觸網的結構缺少有力的論證。

2 故障與維修

剛性懸掛在運營中出現(xiàn)了若干問題，包括：匯流排中間接頭連接板螺紋滑牙、接觸線脫槽、弓網燃弧、絕緣子松動、中間接頭螺紋滑牙、接觸線磨耗嚴重、T頭螺栓偏轉、受電弓集中磨耗[24-26]等。

國內外學者研究減小接觸線、滑板磨耗的文獻較多。王浩[27]通過調整平面布置，將一個正弦波的錨段布置變成半個正弦波，可減少弓網磨耗。楊嘯勇[28]針對剛性接觸網部分區(qū)段弓網磨耗的嚴重問題，提出了利用彈性絕緣子改進弓網動力性能的措施，但論文并未就彈性剛度的取值作深入討論。Mandai論證了剛性接觸網接觸線不均勻磨耗對弓網動力性能影響較大，且波浪形磨耗會加快磨耗速度，為減少接觸線磨耗，提出一種接觸線打磨裝置，可以使得接觸線的磨耗基本均勻，使弓網接觸面平順。龐波[29]結合列車運行速度，提出在低速區(qū)減小最大拉出值，增大錨段正弦波布置周期，在高速區(qū)采用增大拉出值、減小錨段正弦波布置周期的方式解決了受電弓碳滑板磨耗不均勻的問題。

剛性接觸網接觸線磨耗是運維過程集中反映的問題，其中在車間出站加速區(qū)域尤為明顯，表現(xiàn)為如圖21的波浪形狀。

圖21 剛性接觸網接觸線波浪形磨耗

剛性接觸網的故障特點與柔性接觸網有所區(qū)別，大多數故障表現(xiàn)為與時間相關，零部件的壽命下降，接觸線的磨耗較嚴重，更換周期為3～5年。

3 標準規(guī)范

現(xiàn)有標準針對剛性接觸網的條款較少，國內外標準中指標存在一定差別，以下對受電弓與剛性接觸網及其相互作用的標準進行一些歸納與比較。

歐洲鐵路技術規(guī)范中有關城軌弓網系統(tǒng)主要體現(xiàn)在DC1.5 kV的接觸網規(guī)定中，如：EN50206-2[30]是有關城軌受電弓的技術要求；EN50367[31]和TSI2011/274/EU中對不同電壓制式進行分類，并指出弓網系統(tǒng)動力性能指標應遵循的標準范圍。但EN50119[32]及其他相關歐標并未針對城市軌道交通架空接觸網進行單獨說明。UIC794[33]、UIC799[34]就直流弓網系統(tǒng)設計參數進行規(guī)定，前者的速度范圍從0～250 km/h分4級，后者為160～250 km/h分3級。IEEE1629[35]是有關城軌直流架空接觸網的性能要求標準，比較全面地規(guī)定了受電弓、接觸網的技術要求以及規(guī)定了受電弓的各項試驗，包括：型式試驗、常規(guī)試驗、故障試驗、現(xiàn)場試驗、單項試驗。

中國有關城市軌道交通剛性接觸網標準主要依據GB/T 21561.2、GB 50157[36]、GB/T 7928[37]、GB/T 10411[38]、GB 50490[39]，GB/T 21561.2與EN50206-2的內容一致。地鐵車輛通用技術條件中對于弓網系統(tǒng)的要求僅有“受流器或受電弓應受流狀態(tài)良好，受流時對受流器或供電設備均無損傷或異常磨耗，受電弓的接觸壓力為100～140 N”一條。地鐵設計規(guī)范中指出“本規(guī)定是為了保證列車運行時，具有良好的弓網關系，以減少弓網的不均勻磨耗和燒蝕，避免接觸導線斷線”，說明弓網關系必須要引起重視。

比較以上標準發(fā)現(xiàn)：IEEE與歐標的動態(tài)接觸力范圍一致，當運行速度小于200 km/h時均為0～300 N，但UIC799為0～350 N。國內外有關靜態(tài)接觸力范圍不一致，見表1。中國標準中的靜態(tài)接觸力并未給出標稱值，歐標中給出90 N，但停車時變?yōu)?40 N，國際電工委員會針對不同的滑板寬度，靜態(tài)接觸力有所不同；中國城軌接觸網的設計坡度比國外的接觸網小，見表2。

表1 標準中要求的受電弓靜態(tài)抬升力 N

表2 標準中要求的接觸網設計坡度

既有剛性接觸網設計規(guī)范尚未統(tǒng)一，標準體系尚未成熟，仍需進一步加大剛性接觸網的標準化研究。可參考歐洲高速鐵路弓網標準體系，形成系統(tǒng)性和完備性的受電弓與剛性接觸網技術系列標準規(guī)范，為剛性接觸網的設計、施工和運維提供有力支撐。

4 動力學仿真

對受電弓與剛性接觸網動力學性能的研究主要集中在弓網建模、對既有弓網結構的動力響應分析、最大運行速度分析等方面，針對弓網結構優(yōu)化較少。

Mak[40]從剛性接觸網的可維修性、可靠性和可用性，以及投資成本等方面說明剛性接觸網的優(yōu)勢。通過仿真論證了受電弓與剛性接觸網的運行速度能達130 km/h。Takemura[41]首先分析了T型剛性接觸網的特性，包括剛性接觸網的結構、導高、固有頻率、不平順，然后分析不同速度級別下受電弓通過不同跨距的剛性接觸網弓網離線率，結果表明：選擇跨距為5 m、速度為90 km/h時弓網出現(xiàn)離線現(xiàn)象，建議使用7 m跨距，速度在80～160 km/h內無離線現(xiàn)象。江洪澤[42]建立了剛性接觸網不離線受流約束模型，但該模型應用的前提是弓網離線率低，運行速度在80 km/h以下。原華等[43]分析了中間接頭及錨段關節(jié)的弓網動力響應。王世軒[44]利用模態(tài)疊加法建立了剛性接觸網的動力模型，研究錨段關節(jié)、剛柔過渡對弓網動力性能影響，得出受電弓速度在120 km/h以下時，使用2質點系模型就能滿足計算需求。梅桂明[45]利用假設模態(tài)法建立剛性接觸網梁等效模型，受電弓采用質點系模型，研究了弓網系統(tǒng)單因素變化的弓網動力響應，得出了剛柔過渡結構需要進一步優(yōu)化，設計速度應低于160 km/h，坡度不宜超過0.2%，不平順波長不宜小于3 m等結論。較多學者建立了弓網有限元模型，研究懸掛結構質量、運行速度、跨距、匯流排坡度、弓網接觸剛度、受電弓弓頭質量等單因素變化的弓網動力響應。Vera等[46]建立了受電弓與剛性接觸網動態(tài)仿真模型，受電弓利用SIMPACK建立剛體模型，剛性接觸網利用有限元軟件建立柔性體模型，通過改變仿真參數，優(yōu)化弓網動力性能，設計出Y型截面剛性懸掛，并最終通過現(xiàn)場試驗確認仿真模型，該新型懸掛的線路速度超過140 km/h。關金發(fā)等[47]建立了如圖22的受電弓與剛性接觸網動力學模型。

圖22 受電弓與剛性接觸網耦合動力學模型

受電弓與剛性接觸網的動力學仿真確認是仿真應用的前提條件，有必要進一步通過歐標EN50318的確認方法，確認仿真結果是可信賴的。

5 線路測試

現(xiàn)場線路測試是掌握剛性接觸網狀態(tài)的重要途徑。孫睿[48]針對廣州地鐵3號線速度為120 km/h的區(qū)間進行了受電弓與剛性接觸網的動力性能測試，測試項目包括弓網接觸力、弓頭框架的振動、滑板的溫升等情況，測試結果見圖23。錢世勇等[49]針對成都地鐵1號線速度為90 km/h的區(qū)間進行了受電弓與剛性接觸網的動力性能測試，測試的項目有滑板的高度、弓網接觸力、弓頭加速度、弓網燃弧，得出：弓頭劇烈振動導致弓網接觸力動態(tài)范圍變大，引起受電弓部件及支持絕緣子疲勞，加劇剛性接觸網的波形磨耗，導致接觸線壽命縮短。李夢和[50]提出剛性接觸網動態(tài)檢測的參數及參數的測量原理，但并未給出測試結果。Huang[51]提出一套測試受電弓與剛性接觸網動力性能的裝置，主要指標是弓網離線率，可以適用于速度達130 km/h的弓網系統(tǒng)。

圖23 廣州地鐵3號線某區(qū)段接觸力測試結果

剛性接觸網動力性能試驗結果同樣也是需要經過確認的，應符合EN50317的規(guī)范要求。

6 結論

剛性接觸網在結構應用、運維經驗、標準建設、動力仿真和動力測試等方面已有一定的研究，但尚未形成系統(tǒng)的理論和體系，各方面都有待進一步完善，因此，未來剛性接觸網研究課重點解決以下問題。

1) 既有剛性接觸網使用的結構較為單一，為滿足不同線路條件和運行速度的要求，剛性接觸網應具有不同的結構。針對速度等級更高的剛性接觸網，宜充分論證既有結構的適用性，重點關注錨段關節(jié)和剛柔過渡區(qū)域，若不滿足弓網動力性能要求，需調整既有結構或研制新型結構。

2) 結合弓網動力仿真和測量手段，調整剛性接觸網的結構，解決剛性接觸網的磨耗嚴重等問題，提高零部件的使用壽命。建立故障預測與健康管理系統(tǒng)，將設計、施工、驗收資料歸檔到維修系統(tǒng)當中,根據歸檔資料及日常維修過程，評估弓網設備狀態(tài)，為弓網維修提供決策支持。

3) 剛性接觸網標準化體系的建立。參照國鐵、歐洲、國際電工委員會的相關標準,對于城軌接觸網設計、施工、驗收、維修全壽命周期各階段提出相應的標準規(guī)范。重點研究受電弓與接觸網的接口要求，從電氣和機械兩方面規(guī)范弓網接口，電氣性能要求分為載流量與絕緣性能,機械性能要求分為靜態(tài)幾何和動態(tài)相互作用。

4) 完善受電弓與剛性接觸網的動力仿真與測試系統(tǒng)，結合EN50317和EN50318進一步確認仿真結果與測試結果的可信性，為剛性接觸網的設計與維修提供有力工具。

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(編輯：郝京紅)

Review and Prospect of Research on Overhead Conductor Rail

Guan Jinfa Wu Jiqin Fang Yan

(Department of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)

Overhead conductor rail is widely used in subway tunnel with its lots of advantages such as tension-free contact wire, fewer parts, low headroom requirements and less maintenance work, etc. The authors studied the structure of conductor rail at home and abroad.It is found that the domestic use of conductor rail is lack of diversity, and that the systematic and complete standard system needs to be established. There are many time-related failures during the operation. The data obtained from simulation and test between pantograph and overhead conductor rail need further confirmation on their validity. From 5 aspects including the structure, failure, standard, simulation and test, the research status of rigid contact network is summarized. Some suggestions for the future development of the rigid contact network are given.

unbar rail transit; overhead conductor rail; structure; maintenance; standard; simulation; test

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.008

2016-06-24

2016-08-17

關金發(fā)，男，工學博士研究生，主要研究領域為鐵路弓網動力行為,kwanjinfa@163.com

中央高校科技創(chuàng)新項目(2682013CX018)

U225

A

1672-6073(2016)06-0037-07