集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)研究綜述

李鯤鵬，黃德亮，關(guān)金發(fā)，陳偉杰，馮 超，陳吉剛

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集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)研究綜述

李鯤鵬1, 3, 4，黃德亮2，關(guān)金發(fā)1，陳偉杰2，馮 超3, 4，陳吉剛3, 4

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031；2. 廣州地鐵集團有限公司，廣州 510000；3. 廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣州 510000；4. 城市軌道交通系統(tǒng)安全與運維保障國家工程實驗室，廣州 510000）

闡述集電靴與接觸軌的結(jié)構(gòu)改進、運行現(xiàn)狀和標準建設(shè)，以及集電靴、接觸軌和靴軌接口的測試與仿真技術(shù)，并展望集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)的發(fā)展方向。現(xiàn)有集電靴種類較多，尚未形成通用的力學(xué)模型，需進一步構(gòu)建集電靴動態(tài)性能試驗臺獲取其關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。集電靴與接觸軌的動態(tài)測量裝置尚需進一步標定，以確保測試數(shù)據(jù)的準確性。集電靴與接觸軌的動態(tài)仿真尚需實際測量數(shù)據(jù)驗證其有效性。集電靴與接觸軌系統(tǒng)接口的標準尚需進一步完善。

軌道交通；集電靴；接觸軌；結(jié)構(gòu)；仿真；測試；標準

接觸軌，又稱第三軌，是安裝于軌道旁地面上的供電裝置。集電靴，又稱受流器，是安裝于電氣列車轉(zhuǎn)向架上的取流裝置。集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)，又稱靴軌系統(tǒng)，屬于最古老的電氣列車供電方式，是地鐵牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。

1879年的柏林工業(yè)博覽會上，SIEMENS & HALSKE公司聯(lián)合開發(fā)并展出了使用集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)的試驗列車[1]。1890年開通的倫敦地鐵是世界第一條使用接觸軌供電的地鐵。19世紀90年代開始，接觸軌的供電方式被廣泛采用，當時最高運行速度達174 km/h[2]。早期的靴軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：文獻[3]提出的上接觸式靴軌系統(tǒng)如圖1所示，文獻[4]提出的下接觸式接觸軌系統(tǒng)如圖2所示，形成了當代接觸軌系統(tǒng)的雛形。

圖1 上接觸式靴軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 下接觸式靴軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig. 2 Lower contact mode for the collector and rail system structure

1971年1月15日投入運營的北京地鐵1號線是國內(nèi)首條應(yīng)用集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)的線路。2004年7月28日投入運營的武漢地鐵1號線是國內(nèi)首條應(yīng)用鋼鋁復(fù)合接觸軌的線路。2005年12月25日投入運營的廣州地鐵4號線是國內(nèi)首條應(yīng)用DC1500V電壓等級接觸軌系統(tǒng)的線路。2013年12月29日投入運營的上海地鐵16號線是國內(nèi)首條設(shè)計運行速度達120 km/h的接觸軌線路。至今，第三軌系統(tǒng)在中國城市軌道交通的應(yīng)用相當廣泛。

文獻[5]回顧了中國接觸軌技術(shù)從1965年至2004年的發(fā)展歷程，但尚未涉及集電靴、靴軌接口方面的研究綜述，不夠完整，且從2004年至今，集電靴與接觸軌系統(tǒng)技術(shù)有了較大的發(fā)展。另外，隨著我國城軌建設(shè)規(guī)模越來越大，既有靴軌系統(tǒng)的使用一般速度限制在120 km/h以下，顯然已滿足不了長線路區(qū)間的要求，研制速度160 km/h及以上的靴軌系統(tǒng)勢在必行。從集電靴與接觸軌的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行現(xiàn)狀、計算機仿真技術(shù)、狀態(tài)參數(shù)測試技術(shù)、標準建設(shè)等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了梳理與歸納，對研究速度更高的靴軌系統(tǒng)提出了一些有益建議。

1 集電靴研究現(xiàn)狀

集電靴的結(jié)構(gòu)形式多樣，從靴軌接觸方向分類，有上接觸式、下接觸式、側(cè)部接觸式集電靴，其通用結(jié)構(gòu)為滑板及托架、擺臂、驅(qū)動彈簧、絕緣支架、取流電纜和熔斷器，其中絕緣支架的作用是使轉(zhuǎn)向架與第三軌電氣絕緣，其絕緣距離應(yīng)與第三軌的電壓等級一致。集電靴在使用中具有3種空間姿態(tài)，分別為脫靴位置、工作位置和止動位置。脫靴位置的集電靴處于不工作狀態(tài)。當集電靴處于工作狀態(tài)時，若與接觸軌接觸時為工作位置，若離開接觸軌處于斷軌區(qū)時為止動位置。集電靴的結(jié)構(gòu)雖然多種，但按照驅(qū)動方式分類，一般分為2種，文獻[6]提出的一種扭轉(zhuǎn)彈簧驅(qū)動的集電靴（見圖3）和文獻[7]提出的一種拉伸彈簧驅(qū)動的集電靴（見圖4），兩種驅(qū)動方式均為擺臂提供一定的扭矩，進而轉(zhuǎn)化為靴軌接觸點的接觸力。

圖3 扭轉(zhuǎn)彈簧驅(qū)動式集電靴

圖4 拉伸彈簧驅(qū)動式集電靴

集電靴的靜動力學(xué)性能對于靴軌系統(tǒng)相互作用十分重要，需通過測試或計算機仿真分析其力學(xué)模型。文獻[8]在實驗室內(nèi)測量了某型集電靴的力學(xué)性能參數(shù)，如：扭轉(zhuǎn)彈簧剛度和阻尼，為集電靴的設(shè)計與維修提供數(shù)據(jù)資料。文獻[9]從靜力學(xué)角度分析了廣州地鐵4號線用集電靴的運行軌跡與地鐵建筑設(shè)備限界的關(guān)系。文獻[10-11]研究了集電靴試驗臺，主要功能為測試集電靴輸出的接觸力與集電靴運行高度的關(guān)系，以及標定集電靴的3種空間姿態(tài)?？偟膩碚f，集電靴的靜動力學(xué)研究已有一定進展，但至今尚沒有一個集電靴的通用力學(xué)模型，或一系列能表征集電靴動力學(xué)性能的指標。

集電靴在運行過程中容易出現(xiàn)燒傷、拉弧和主電路熔斷器故障等問題[12-14]。為減小集電靴發(fā)生的故障，可利用集電靴的監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集集電靴的電流信息和熔斷器的電壓信息，判斷集電靴的運行狀態(tài)[15]。

2 接觸軌研究現(xiàn)狀

自接觸軌被應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)，其主要的發(fā)展在于零部件材料上。接觸軌的固定支架和底座由傳統(tǒng)的木材變?yōu)椴Ａт摬牧?。絕緣子由傳統(tǒng)的瓷瓶變?yōu)閺?fù)合材料。接觸軌由傳統(tǒng)的低碳鋼變?yōu)殇撲X復(fù)合材料。本章節(jié)對接觸軌系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)件的研究現(xiàn)狀進行梳理，并重點介紹了用于評估接觸軌系統(tǒng)狀態(tài)的一些測量技術(shù)。

2.1 接觸軌的結(jié)構(gòu)

接觸軌由導(dǎo)電軌本體、膨脹接頭、端部彎頭、普通接頭、絕緣支架、保護罩、絕緣子等結(jié)構(gòu)組成。

鋼鋁復(fù)合接觸軌以其重量較輕、電能損耗小、變電所數(shù)量減少等優(yōu)勢，在新建地鐵線路中被廣泛地應(yīng)用。文獻[16-18]中介紹了鋼鋁復(fù)合接觸軌的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用。

文獻[19]發(fā)明了一種鋼帶嵌入鋁軌的復(fù)合接觸軌，如圖5(a)所示。文獻[20]發(fā)明了一種鋼帶包圍鋁軌的復(fù)合接觸軌，如圖5(b)所示。兩種鋼鋁復(fù)合軌在地鐵建設(shè)中均有應(yīng)用，我國一般采用圖5(a)所示的接觸軌。

接觸軌有3種安裝方式，分別為上部接觸、下部接觸和側(cè)部接觸。上部接觸為較老式線路使用，現(xiàn)代一般設(shè)計為下部接觸，側(cè)部接觸則多用于單軌列車或磁懸浮列車的集電系統(tǒng)。

接觸軌供電方式與架空接觸網(wǎng)最大的區(qū)別是接觸軌有斷軌結(jié)構(gòu)。集電靴脫離接觸軌進入斷軌區(qū)域時集電靴帶電切斷負載，產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。集電靴從斷軌區(qū)域進入接觸軌時，集電靴通過帶有一定斜率的端部彎頭過渡到平直軌面，此時容易產(chǎn)生較大的水平和垂直沖擊力。文獻[21-22]闡述了DC1500V第三軌供電的設(shè)計原則、跨距布置、端部彎頭等幾項關(guān)鍵技術(shù)。文獻[23]介紹了上海16號線120 km/h接觸軌系統(tǒng)的設(shè)計與施工過程，重點討論了接觸軌斷軌處端部彎頭的受流效果。文獻[24]介紹了廣州地鐵接觸軌端部彎頭的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)組成和維護要點。文獻[25]提出了不同速度等級端部彎頭斜率的選取，如表1所示，可以看出速度越高，端部彎頭的斜率越小。文獻[26-27]討論了接觸軌的斷軌間距與接觸軌平面布置、車輛集電靴布置的關(guān)系。

圖5 鋼鋁復(fù)合軌截面

表1 端部彎頭的斜率選用

為補償接觸軌溫度變化帶來的伸縮，并使接觸軌連續(xù)過渡，需要使用一種連接結(jié)構(gòu)——膨脹接頭。膨脹接頭有2種類型，分別為有伸縮縫式和無伸縮縫式，如圖6、圖7所示。有伸縮縫式膨脹接頭中間留有伸縮縫，膨脹接頭通過側(cè)部或內(nèi)部的連接板將兩端工作的接觸軌連接，連接板中間可安裝滑動板，也可無滑動板?；瑒影逶黾恿擞猩炜s縫式膨脹接頭的補償范圍。現(xiàn)有工程使用的膨脹接頭一般為有伸縮縫式的膨脹接頭。有伸縮縫式膨脹接頭有多種形式，文獻[28-30]分別給出了3種有伸縮縫式的膨脹接頭結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于滑動機構(gòu)和電連接方式。為消除縫隙帶來的軌道不連續(xù)，文獻[31]發(fā)明了一種無伸縮縫式的膨脹接頭，兩接觸軌擠壓接觸面滑塊可往外部移動，完成接觸軌的伸縮，并保持接觸面滑塊和接觸軌的連接緊密。無伸縮縫式膨脹接頭尚未投入工程應(yīng)用，其效果有待實踐檢驗。

圖6 接觸軌有伸縮縫式膨脹接頭

圖7 接觸軌無伸縮縫式膨脹接頭

相同靴軌結(jié)構(gòu)下，運行速度越高，靴軌動力響應(yīng)越明顯，尤其是集電靴高速進入接觸軌端部彎頭時，對靴軌的沖擊較大。為緩和靴軌的動力振動，有研究者在接觸軌懸掛結(jié)構(gòu)上安裝了彈性結(jié)構(gòu)，減小了接觸軌的懸掛剛度。文獻[32]通過加裝端部彎頭的彈性結(jié)構(gòu)，如圖8所示，緩沖集電靴“觸軌”時對端部彎頭的沖擊力，改善了列車通過斷口時集電靴與端部彎頭間的沖擊作用和拉弧放電現(xiàn)象。文獻[33]公開了一種接觸軌彈性整體絕緣支架，與接觸軌配合的支架滑軌設(shè)置于軌道座內(nèi)側(cè)，所述的軌道座內(nèi)側(cè)于支架滑軌的下方設(shè)置有彈性元件，如圖9所示。

圖8 接觸軌端部彎頭處的彈性元件

圖9 接觸軌支架滑軌處的彈性元件

接觸軌的靜動力學(xué)性能對于靴軌系統(tǒng)相互作用十分重要。文獻[34]建立了第三軌系統(tǒng)的有限元模型，分析了不同錨段長度的固有頻率與模態(tài)，指出三軌系統(tǒng)與橋梁不會發(fā)生共振。

目前，中國的接觸軌系統(tǒng)使用DC 1 500 V電壓制式、鋼鋁復(fù)合接觸軌、絕緣支座、膨脹接頭等結(jié)構(gòu)已趨于同質(zhì)化，接觸軌的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。有研究者通過減小懸掛剛度，改善運行速度提高帶來的振動，但懸掛剛度如何選取，優(yōu)化效果如何仍需進一步通過實踐確認。

2.2 接觸軌的幾何參數(shù)檢測技術(shù)

接觸軌幾何參數(shù)是評估接觸軌性能的重要參數(shù)，若接觸軌發(fā)生形變或表面出現(xiàn)凹凸不平，勢必影響靴軌的動態(tài)受流。文獻[35-36]提供了一種城市軌道交通接觸軌檢測系統(tǒng)及檢測方法，主要由主機系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、車體偏移補償系統(tǒng)和定位系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)能進行接觸軌的幾何參數(shù)動態(tài)檢測，包括：接觸軌中心到軌道中心的水平距離和接觸軌受流面到走行軌軌頂平面的垂直距離。文獻[37]提出了一種軌道交通接觸軌測量裝置及測量方法，包括測量基準車架、圖像采集及處理系統(tǒng)，該裝置由單人推動操作。文獻[38]中介紹了廣州地鐵與MerMec公司合作開發(fā)的綜合檢測車第三軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)。

綜上所述，針對接觸軌幾何參數(shù)的測量技術(shù)和裝備已日趨完善。

3 靴軌系統(tǒng)相互作用研究現(xiàn)狀

靴軌系統(tǒng)通過集電靴上的滑板與接觸軌上的鋼帶在機械、電氣和材料3個方面相互作用進行電能傳輸。靴軌系統(tǒng)的機械相互作用主要體現(xiàn)在兩者的動力行為，研究靴軌動力行為有兩種途徑，分別是靴軌動態(tài)仿真和靴軌動態(tài)測量。靴軌系統(tǒng)的電氣和材料這兩方面相互作用主要體現(xiàn)在兩者的載流摩擦磨損行為，同樣有兩種研究途徑，分別為靴軌摩擦試驗和研發(fā)新型集電材料。

3.1 靴軌動態(tài)仿真技術(shù)

集電靴與接觸軌系統(tǒng)作為一個振動系統(tǒng)，通過建立兩者的動力學(xué)模型研究二者動力學(xué)特性的學(xué)者很多。文獻[39]建立了城軌車輛接觸軌集電系統(tǒng)垂向動力學(xué)模型，得出在地鐵車輛運行速度的范圍內(nèi)，車輛隨機振動和軌道不平順是引起集電靴振動的主要原因，初步探索了集電靴與接觸軌接觸的振動規(guī)律。文獻[40]建立了集電靴與接觸軌的剛體動力模型，進行靴軌仿真，得出接觸力，研究集電靴模型的聲場噪聲變化規(guī)律。文獻[41]通過建立靴軌系統(tǒng)的運動模型，對集電靴和接觸軌的接觸特性進行分析，發(fā)現(xiàn)滑靴的接觸壓力與接觸軌表面的彎曲程度密切相關(guān)，要提高運行速度應(yīng)盡量減小集電靴的動態(tài)質(zhì)量。文獻[42]利用分形理論，研究集電靴表面粗糙程度與接觸剛度、接觸力之間的關(guān)系。文獻[43]以集電靴的擺臂為柔體，其他結(jié)構(gòu)為剛體，接觸軌為剛體，建立了集電靴與接觸軌的剛?cè)狁詈夏Ｐ停⑦M行了靴軌動態(tài)仿真。文獻[44]從動力學(xué)角度重點研究了列車運行速度、三軌安裝精度對靴軌關(guān)系的影響。文獻[45]建立了集電靴與接觸軌的仿真模型，研究表明：改變集電靴系統(tǒng)的相關(guān)剛度，增加一定的阻尼以及改變接觸軌端部彎頭的形狀與坡度，可以改善滑靴的跟隨性。

綜上所述，靴軌動態(tài)仿真已有較大的發(fā)展，靴軌動力模型有全剛體和剛?cè)狁詈蟽煞N，其主要問題是模型參數(shù)的獲取以及弓網(wǎng)動態(tài)仿真結(jié)果的有效性確認。

3.2 靴軌動態(tài)測量技術(shù)

靴軌動態(tài)測量是研究靴軌系統(tǒng)機械相互作用最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源，并為靴軌動態(tài)仿真提供驗證數(shù)據(jù)。

國外對靴軌動態(tài)測量的研究有：文獻[46]研究了受電靴與第三軌的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)接觸，通過環(huán)形接觸軌試驗臺和列車實驗裝置，如圖10所示，對接觸力、扭簧扭矩和受電靴的跳動位移等數(shù)據(jù)進行了分析，得出了受電靴振動的主要影響因素；文獻[47-48]設(shè)計了集電靴動態(tài)測量系統(tǒng)，測量了滑板動態(tài)位移、接觸力以及動態(tài)加速度等數(shù)據(jù)，評估英國接觸軌系統(tǒng)的動態(tài)性能。文獻[49]由Stemman公司對雅典的Attiko地鐵的靴軌系統(tǒng)進行動態(tài)測試，測試數(shù)據(jù)主要是滑板的水平和垂直加速度。

圖10 靴軌動態(tài)試驗平臺

中國對靴軌動態(tài)測量的研究有：文獻[50]提出了第三軌參數(shù)檢測及評價系統(tǒng)，其中重點對接觸力、沖擊加速度、幾何參數(shù)、環(huán)境溫度和運行速度等參數(shù)進行測試方案設(shè)計。文獻[51]對集電靴的擺臂進行應(yīng)變測試，發(fā)現(xiàn)集電靴在進入端部彎頭時擺臂出現(xiàn)較大的縱向載荷，集電靴脫離第三軌時擺臂出現(xiàn)較大的垂向載荷。

綜上所述，靴軌動態(tài)測量的測試項目主要集中在接觸力、滑板加速度和動態(tài)位移這幾個參數(shù)上，其主要問題是測量裝置獲取的弓網(wǎng)接觸力，是否與正常使用的集電靴結(jié)果一致，需進一步標定測量設(shè)備。

3.3 靴軌材料配合研究

集電靴與接觸軌是通過滑動摩擦維持電能傳輸，靴軌電氣與材料相互作用方面的研究成果有：文獻[52]在無電流通過摩擦的情況下，利用試驗機模擬不同材質(zhì)的集電靴滑板與接觸軌之間在固定接觸壓力下磨耗的情況，對試驗結(jié)果進行分析比較；文獻[53]考察了固定電流條件下2種不同材料制造的受電靴的滑動摩擦磨損性能；文獻[54]研制了一種鐵制的集電靴滑板，試驗證明低碳鋼三軌的摩擦磨損效果比銅制滑板好；文獻[55]提出一種鋁青銅合金材料制作的滑板比普通銅合金滑板耐磨且電阻率低；文獻[56]提出一種靴軌載流摩擦磨損試驗臺（見圖11），比較了不同接觸力和電流下的靴軌摩擦情況。

圖11 靴軌載流摩擦磨損試驗平臺

已有靴軌摩擦磨損試驗均是針對DC750 V靴軌系統(tǒng)，滑板的材料一般為銅合金，接觸軌為低碳鋼，進行滑板材料優(yōu)化。但實際上，我國目前廣泛使用的是DC 1500 V靴軌系統(tǒng)，滑板的材料一般為浸金屬碳，接觸軌為鋼鋁復(fù)合，因此有必要開發(fā)針對這一電壓等級系統(tǒng)的載流摩擦磨損試驗平臺，優(yōu)化靴軌材料配合。

4 靴軌標準

英國與美國是應(yīng)用集電靴與接觸軌作為牽引供電方式較早的國家，至今尚有大量的地鐵線路采用靴軌系統(tǒng)，其靴軌系統(tǒng)標準較完善。文獻[57]將集電靴維修檢查分為：外觀、機械、電氣、表面清潔和潤滑等5個方面，其中機械與電氣規(guī)定了接觸軌的接口要求。文獻[58]以集電靴的接口需求出發(fā)，從電氣和機械角度對接觸軌進行了要求。文獻[59]以接觸軌的接口需求出發(fā)，則從電氣、機械和絕緣3個方面對機車和集電靴進行要求。

隨著靴軌系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，中國也制定了一系列有關(guān)靴軌系統(tǒng)的相關(guān)標準。文獻[60]對接觸軌有一定的規(guī)定，如：接觸軌應(yīng)采用鋼鋁復(fù)合材料等低電阻率產(chǎn)品；接觸軌的安裝位置及其安裝誤差，應(yīng)根據(jù)車輛集電靴與接觸軌在相對運動中能可靠接觸來確定；接觸軌斷軌處應(yīng)設(shè)端部彎頭；接觸軌應(yīng)設(shè)防護罩，其電氣性能與物理性能應(yīng)滿足技術(shù)要求。文獻[25]是接觸軌的行業(yè)標準，從接觸軌供電系統(tǒng)設(shè)計、施工、質(zhì)量驗收和檢修維護等4個方面較全面地對120 km/h速度及以下的接觸軌單方面進行了規(guī)范。文獻[61]是集電靴的行業(yè)標準，其中規(guī)定了集電靴的工作條件和性能要求，以及提出了集電靴的相關(guān)試驗。

國外靴軌標準是針對靴軌接口制定的，其中包括系統(tǒng)各自的電氣、機械靜態(tài)幾何位置以及機械動態(tài)響應(yīng)范圍等條款。而國內(nèi)則單方面制定集電靴和接觸軌的標準，尚缺少接口標準，或尚欠缺從靴軌系統(tǒng)需求出發(fā)制定的相關(guān)標準。

5 結(jié)語

通過對集電靴和接觸軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行現(xiàn)狀和標準建設(shè)等方面分析，及其相互作用的狀態(tài)參數(shù)測量與仿真調(diào)研，得出若要研發(fā)更高速度等級的集電靴與接觸軌系統(tǒng)，需從以下幾個方面開展工作：

1）DC1500V接觸軌結(jié)構(gòu)已具有一定的范式，結(jié)構(gòu)調(diào)整主要是懸掛剛度、膨脹接頭結(jié)構(gòu)、端部彎頭斜率和跨距，其動力學(xué)模型建立相對簡單。集電靴有多種結(jié)構(gòu)，尚需建立一個通用的集電靴動力學(xué)模型，以及構(gòu)建一個用于測量其關(guān)鍵參數(shù)的集電靴動態(tài)性能測試平臺，以便開展集電靴結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及靴軌動態(tài)仿真計算。

2）構(gòu)建一個用于標定測量裝置的靴軌動態(tài)試驗平臺。利用標定后的靴軌動態(tài)測量裝置，獲取準確的靴軌動態(tài)數(shù)據(jù)，評估靴軌動態(tài)性能，且為靴軌動態(tài)仿真提供驗證數(shù)據(jù)。

3）建立集電靴與接觸軌的動態(tài)仿真模型，結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，確認集電靴與接觸軌的動態(tài)仿真系統(tǒng)。利用靴軌動態(tài)仿真，設(shè)計更高運行速度的集電靴與接觸軌結(jié)構(gòu)，并進一步工程化應(yīng)用，通過靴軌動態(tài)測量確認設(shè)計方案。

4）對比國內(nèi)外靴軌標準，發(fā)現(xiàn)中國已有集電靴和接觸軌單方面的標準，尚未有靴軌接口方面的標準，應(yīng)進一步增加靴軌接口的幾何、機械、電氣、材料方面的規(guī)范，補充靴軌動態(tài)測試和動態(tài)仿真的技術(shù)規(guī)范，完善集電靴與接觸軌的標準體系。

[1] WIKIPEDIA. Third rail [EB/OL].[2016-10-4]. https: //en. wikipedia.org/wiki/Third_rail.

[2] FREY Sheilah. Railway electrification systems & engi-neering[M]. Delhi: White word publications, 2012.

[3] WARREN A K. Collector for third-rail systeMS: US, US0761432[P]. 1903.

[4] WILGUS W J. Third rail: US, 908180[P]. 1908.

[5] 于松偉. 我國地鐵接觸軌技術(shù)發(fā)展綜述與研發(fā)建議[J]. 都市快軌交通, 2004, 17(2): 6-11. YU Songwei. Overview and suggestions on development of the contact rail technology for metro in China[J]. Urban rapid rail transit, 2004, 17(2): 6-11.

[6] 陳彥宏, 張隸新, 張曉軍, 等. 軌道車輛第三軌集電靴: 中國, CN 103010031 A[P]. 2012. CHEN Yanhong, ZHANG Lixin, ZHANG Xiaojun, et al. Track car third rail collector boots: China, CN 103010031 A[P]. 2012.

[7] 譚協(xié)民, 汪永明, 陳革, 等. 一種第三軌下部氣動集電靴: 中國, CN 104999916 A[P]. 2015. TAN Xiemin, WANG Yongming, CHEN Ge, et al. A third rail lower pneumatic collector boots: China, CN 104999916 A[P]. 2015.

[8] 尹洪權(quán), 薛海峰, 張煜超, 等. 城市軌道交通第三軌供電系統(tǒng)集電靴的力學(xué)性能試驗研究[J]. 城市軌道交通研究, 2016, 19(2): 101-103. YIN Hongquan, XUE Haifeng, ZHANG Yuchao, et al. Experimental study on the mechanical properties of colle-ctor shoe in third rail power supply system[J]. Urban mass transit, 2016, 19(2): 101-103.

[9] 任銘. 廣州地鐵三軌受流器運行限界分析[J]. 科技信息, 2011(18): 325. REN Ming. Nalysis on operational boundary of three track rail collectors in Guangzhou metro[J]. Technology infor-mation, 2011(18): 325.

[10] 馮鶴騰, 周海強. 廣州地鐵車輛集電靴試驗臺的研制[J]. 科技展望, 2015(9): 51-52. FENG Heteng, ZHOU Haiqiang. Development of Guang-zhou metro vehicle shock absorber test bed[J]. Science and technology, 2015(9): 51-52.

[11] 張彥華, 劉亞杰, 羅鐵剛. 城軌車輛用第三軌集電靴試驗臺的研制[J]. 電力機車與城軌車輛, 2012, 35(2): 59-61. ZHANG Yanhua, LIU Yajie, LUO Tiegang. Test-bed deve-lopment of third-rail current collection shoe on metro vehicles[J]. Electric locomotives & mass transit vehicles, 2012, 35(2): 59-61.

[12] 郭遠哲. 廣州地鐵6號線集電靴燒傷原因分析[J]. 城市軌道交通研究, 2014, 17(5): 156-161. GUO Yuanzhe. Analysis of collector shoes burnson Guang-zhou metro line 6[J]. Urban mass transit, 2014, 17(5): 156-161.

[13] 王丹, 韓振興, 方曉. 廣州地鐵4號線列車接觸軌受流主電路熔斷器故障原因分析[J]. 城市軌道交通研究, 2013, 16(10): 124-126. WANG Dan, HAN Zhenxing, FANG Xiao. Analysis of conductor rail fuse fault on Guanzhou metro line 4[J]. Urban mass transit, 2013, 16(10): 124-126.

[14] 單保強, 張會青, 張紅江, 等. 地鐵車輛受流器拉弧故障分析及對策[J]. 機車車輛工藝, 2013(2): 38-39. SHAN Baoqiang, ZHANG Huiqing, ZHANG Hongjiang, et al. Analysis and countermeasures of arc fault of metro vehicle power boot[J]. Locomotive & rolling stock tech-nology, 2013(2): 38-39.

[15] 鄧誼柏, 陳中杰, 張宇, 等. 一種集電靴監(jiān)測系統(tǒng)及方法: 中國, CN 102830302 A[P]. 2012. DENG Yibo, CHEN Zhongjie, ZHANG Yu, et al. A collection shoe monitoring system and method: China, CN 102830302 A[P]. 2012.

[16] 金鵬, 朱曉軍. 鋼鋁復(fù)合軌在北京地鐵5號線工程中的應(yīng)用研究[J]. 鐵道標準設(shè)計, 2007(10): 75-78. JIN Peng, ZHU Xiaojun. Application of steel and alu-minum composite track in Beijing metro line 5 Project[J]. Railway standard design, 2007(10): 75-78.

[17] 劉衛(wèi)強, 李相泉. 鋼鋁復(fù)合接觸軌系統(tǒng)概述[J]. 鐵道標準設(shè)計, 2007(10): 79-82. LIU Weiqiang, LI Xiangquan. Steel and aluminum com-posite rail system overview[J]. Railway standard design, 2007(10): 79-82.

[18] 龔文濤. 鋼鋁復(fù)合接觸軌在廣州地鐵4號線的應(yīng)用[J]. 都市快軌交通, 2007, 20(3): 82-85. GONG Wentao. Application of steel and aluminum com-posite track in Guangzhou metro line[J]. Urban rapid rail transit, 2007, 20(3): 82-85.

[19] 張明求. 銅鋁復(fù)合導(dǎo)電軌: 中國, CN 204526871 U[P]. 2015. ZHANG Mingqiu. Copper and aluminum composite con-ductive rails: China, CN 204526871 U[P]. 2015.

[20] 李琴. 一種新型鋼鋁復(fù)合接觸軌: 中國, CN 201089375 Y[P]. 2007. LI Qin. A new type of steel and aluminum composite contact rail: China, CN 201089375 Y[P]. 2007.

[21] 李業(yè)強. DC 1500 V接觸軌應(yīng)用的若干關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電氣化鐵道, 2010, 21(5): 46-48. LI Yeqiang. Some key technologies for DC 1500 V rail applications[J]. Electric railway, 2010, 21(5): 46-48.

[22] 李金華. DC1500V三軌工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 電氣化鐵道, 2006(3): 34-36. LI Jinhua. Discussion on the key technologies of DC1500V three track project[J].Electrc railway, 2006(3): 34-36.

[23] 張芳志. 適用于市域軌道交通的120 km/h接觸軌系統(tǒng)技術(shù)研究[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè), 2016(16): 98-99. ZHANG Fangzhi. Research on 120 km/h contact rail system applied in urban rail transit[J]. China high-tech enterprises, 2016(16): 98-99.

[24] 李峰. 直流1500V接觸軌端部彎頭的研究[J]. 城市軌道交通研究, 2011, 14(6): 83-85. LI Feng. Analysis of DC 1500V contact rail ends[J]. Urban mass transit, 2011, 14(6): 83-85.

[25] 城市軌道交通接觸軌供電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范: CJJ/T 198- 2013[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2013. Technical code for contact rail power supply system of urban rail transit: CJJ/T 198-2013[S]. Beijing: China Archi-tecture & Building Press. 2013.

[26] 駱海坤. 接觸軌斷口設(shè)置與車輛編組形式及車輛受流的關(guān)系分析與建議[J]. 鐵道勘測與設(shè)計, 2011(5): 63- 65. LUO Haikun. Analysis and suggestions on the relation-ship between the setting of the fracture of contact rail and the formation of vehicles and the traffic influenced by vehicles[J]. Railway survey and design, 2011(5): 63-65.

[27] 賴聲鋼. 接觸軌系統(tǒng)在道岔區(qū)可能存在列車失電問題的原因分析及解決方案[J]. 城市軌道交通研究, 2015, 18(5): 115-119. LAI Shenggang. Aanlysis of possible vehicle power loss in conductor rail turnout zone and the solutions[J]. Urban mass transit, 2015, 18(5): 115-119.

[28] 邢甲第, 胡安靜, 李金華, 等. 軌道交通接觸軌膨脹接頭裝置: 中國, CN 2736205 Y[P]. 2005. XING Jiadi, HU Anjing, LI Jinhua, et al. Rail transit rail expansion joints: China, CN 2736205 Y[P]. 2005.

[29] 何江海, 宋曄宏, 龐東陽, 等. 一種外滑式接觸軌膨脹接頭: 中國, CN 201633573 U[P]. 2010. HE Jianghai, SONG Yehong, PANG Dongyang, et al. An outer slide contact rail expansion joint: China, CN 201633573 U[P]. 2010.

[30] 陳曉春. 雙封膨脹接頭: 中國, CN 203410322 U[P]. 2014. CHEN Xiaochun. Double sealed expansion joint: China, CN 203410322 U[P]. 2014.

[31] 曾鑒. 一種無伸縮縫的接觸軌伸縮式連接器: 中國, CN 105742840 A[P]. 2016. ZENG Jian. A retractable contactless rail retractable connector: China, CN 105742840 A[P]. 2016.

[32] 劉娟, 趙勤, 崔瑩, 等. 軌道交通接觸軌彈性端部彎頭: 中國, CN 102837623 A[P]. 2012. LIU Juan, ZHAO Qin, CUI Ying, et al. Rail transit rail elastic end elbow: China, CN 102837623 A[P]. 2012.

[33] 崔瑩, 楊波, 劉娟, 等. 接觸軌彈性整體絕緣支架: 中國, CN 202053910 U [P]. 2011. CUI Ying, YANG Bo, LIU Juan, et al. Contact rail flexible overall insulation bracket: China, CN 202053910 U[P]. 2011.

[34] 劉峰濤. 城軌交通中三軌系統(tǒng)有限元模型及其動力特性[J]. 電氣化鐵道, 2013, 24(5): 45-47. LIU Fengtao. Three-rail system finite element model and its dynamic characteristics in urban rail transit[J]. Electric railway, 2013, 24(5): 45-47.

[35] 于龍, 杜奎生, 占棟, 等. 城市軌道交通接觸軌檢測系統(tǒng)及其檢測方法: 中國, CN 102897192 A[P]. 2013. YU Long, DU Kuisheng, ZHAN Dong, et al. Urban rail transit track detection system and its detection method: China, CN 102897192 A[P]. 2013.

[36] 馮超. 接觸軌幾何參數(shù)高精度動態(tài)測量方法研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2014. FENG Chao. Study of high precision dynamic measurement method of contact rail geometric parameters[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2014.

[37] 梁虎, 壽煥忠, 曹正文, 等. 一種軌道交通接觸測量裝置及測量方法: 中國, CN 103863357 [P]. 2014. LIANG Hu, SHOU Huanzhong, CAO Zhengwen, et al. Modern urban rail transit: China, CN 103863357[P]. 2014.

[38] 張愛明, 鐘聲標, 張曉良. 廣州地鐵綜合檢測車第三軌檢測系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通, 2013(6): 30-33. ZHANG Aiming, ZHONG Shengbiao, ZHANG Xiaoliang. Third rail inspection system of comprehensive inspection vehicle in guangzhou metro[J]. Urban mass transit, 2013(6): 30-33.

[39] 滕騰. 隨機振動下受電靴與第三軌接觸振動規(guī)律研究[D].北京: 北京交通大學(xué), 2012. TENG Teng. Research on contact vibration law between collector shoe and third rail under random vibration[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2012.

[40] 黃洪斌. 隨機振動下集電靴/第三軌接觸振動及噪聲研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2014. HUANG Hongbin. Research on contact vibration and noise between collector and third rail under random vibration[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2014.

[41] 王振云, 王振全, 李相泉. 受流器與接觸軌匹配特性研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通, 2011(6): 55-57. WANG Zhenyun, WANG Zhenquan, LI Xiangquan.Research on matching characteristics of collector shoe and contact rail[J]. Urban mass transit, 2011(6): 55-57.

[42] 楊曉艷. 基于分形理論的集電靴/第三軌動態(tài)接觸特性研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2015. YANG Xiaoyan. Research on dynamic contact charac-teristics of current collector /third rail based on fractal theory[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2015.

[43] 李國富. 第三軌集電系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2015. LI Guofu. Study on rigid-flexble coupling dynamics of third rail current collection system[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2015.

[44] 李偉. 城軌車輛集電靴與三軌的匹配研究與分析[J]. 技術(shù)與市場, 2016, 23(5): 48-49. LI Wei. Research and analysis on matching of urban rail vehicle collection shoe and three rails[J]. Technology and market, 2016, 23(5): 48-49.

[45] 王文嬌. 受流器與接觸軌端部彎頭接觸特性分析[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報, 2014(1): 34-38. WANG Wenjiao. Analysis on contact characteristics between collector and third rail end[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2014(1): 34-38.

[46] WESTON P F, STEWART E, ROBERTS C, et al. Measuring the dynamic interaction between electric vehicle shoegear and the third rail[J]. IET International Conference on Railway Engineering 2008 (ICRE 2008), 2008.

[47] STEWART E, WESTON P, HILLMANSEN S, et al. Using bogie-mounted sensors to understand the dynamics of third rail current collection systems. proceedings of the institution of mechanical engineers-part F[J]. Journal of rail and rapid transit, 2011: 219-225.

[48] GREEN S R, HICKSON D, WARD D, et al. Monitoring the DC third rail interface using an in-service train[C]// 5th IET Conference on Railway Condition Monitoring and Non-Destructive Testing (RCM 2011), 2011.

[49] 陳聯(lián)彬. 地鐵第三軌及其集電靴的測量系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通, 2005(1): 52-55. CHEN Lianbing. Subway track and the third collection of shoes measuring system[J]. Modern urban transit, 2005(1): 52-55.

[50] 張玉峰. 第三軌參數(shù)檢測及評價系統(tǒng)研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2006. ZHANG Yufeng. Research on parameter detection and evaluation system for conduct rail of rail transit[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2006.

[51] 張會青, 王淼. 地鐵列車用受流臂載荷性能研究[J]. 電力機車與城軌車輛, 2015(2): 20-22. ZHANG Huiqing, WANG Miao. Research on Loading Performance of current collector for metro vehicle[J]. Electric locomotives & mass transit vehicles, 2015(2): 20-22.

[52] 陳宏和, 馬沂文, 張陸軍. 地鐵車輛集電靴與接觸軌間的摩擦試驗分析. 電力機車與城市車輛, 2004, 27(3): 34-36. CHEN Honghe, MA Yiwen, ZHANG LuJun.Analysis of abrasion test between metro vehicle’s collector shoe and contact rail[J].Electric locomotives & mass transit vehicles, 2004, 27(3): 34-36.

[53] 李鵬, 杜三明, 孫樂民. 載電條件下鉻青銅/純銅摩擦副摩擦磨損性能研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報, 2003, 23(3): 250-252. LI Peng, DU Sanming, SUN Leming. Friction and wear behavior of bronze/cu pair in the presence of electric current[J].Tribology, 2003, 23(3): 250-252.

[54] 馬沂文, 陳宏和, 張陸軍. 地鐵車輛鐵制受流靴的研制[J]. 機車電傳動, 2004(4): 34-36. MA Yiwen, CHEN Honghe, ZHANG Lujun. Development of iron collector shoe for metro vehicles[J]. Electric drive for locomotives, 2004(4): 34-36.

[55] 張錦志. 耐磨鋁青銅集電靴組織性能研究及金屬型模具設(shè)計[D]. 焦作: 河南理工大學(xué), 2010. ZHANG Jinzhi. Study of structure properties and metal mold design of aluminum-bronze collector shoe[D]. Jiaozuo: Henan Polytechnic University, 2010.

[56] KIM Yeonsu. Development of a third rail type current collecting shoegear for the rubber tired AGT system[C]. World congress on railway research, 2001.

[57] Standard for third rail current collection equipment periodic inspection and maintenance: APTA RT-S-VIM- 001-02[S].US: The American Public Transportation Asso-ciation, 2004.

[58] DC Conductor rail energy subsystem and interfaces to rolling stock subsystem: GL/RT1212[S]. UK: Rail Safety and Standards Board Limited. 2015.

[59] Rolling stock subsystem and interfaces to DC conductor rail energy subsystem: GL/RT 2113[S]. UK: Rail Safety and Standards Board Limited, 2015.

[60] 地鐵設(shè)計規(guī)范: GB 50157[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社. 2013. Code for design of metro: GB 50157[S]. Beijing: China Architecture & Building Press. 2013.

[61] 軌道交通第三軌集電靴: GB/T 32589[S]. 北京: 中國標準出版社, 2016. Railway application-Third-rail current collector: GB/T 32589[S]. Beijing: Standards Press of China. 2016.

（編輯：王艷菊）

A Technology Survey of the Current Collector and the Conductor Rail Power Supply System

LI Kunpeng1, 3, 4, HUANG Deliang2, GUAN Jinfa1, CHEN Weijie2, FENG Chao3, 4, CHEN Jigang3, 4

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2. Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510000; 3. Guangzhou Metro Design and Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510000; 4.National Engineering Laboratory for System Safety and Operation Assurance of Urban Rail Transit, Guangzhou 510000)

This paper introduces a structural improvement, current status, and standard construction of current collectors and conductor rails, and the test and simulation technology of the interface between current collector and conductor rail. Additionally, the development direction of the current collector and conductor rail system is predicted. There are many kinds of current acceptors. A general mechanical model has not yet been developed. Furthermore, the dynamic performance of the test rig of the current collector must be constructed to obtain the key mechanical parameters. The dynamic measurement device for the current collector and conductor rail system must be further calibrated to ensure the accuracy of the test data. The dynamic simulation of current collector and conductor rail system requires actual data for verification. The standard of the interface between current collector and conductor rail needs must also be further improved.

urban rail transit; current collector; conductor rail; structure; simulation; measurement; standard

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.018

U231；N945.12

A

1672-6073(2018)05-0092-09

2017-11-18

2018-01-11

李鯤鵬，男，博士研究生，教授級高工，從事軌道交通領(lǐng)域供電系統(tǒng)的研究，leo-likunpeng@qq.com

國家自然科學(xué)基金（U1534209）