膠輪路軌自動旅客運輸系統(tǒng)車間移動供電方式比較及應(yīng)用案例分析

齊浩然 田方友 崔 練

(1. 中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖；2. 威斯翰(北京)科技有限公司，100029 , 北京//第一作者，助理工程師)

移動供電技術(shù)在起重機械、自動倉儲系統(tǒng)、自動化生產(chǎn)線、港口等行業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1]。出于安全考慮，采用接觸軌供電的軌道交通系統(tǒng)，其接觸軌一般不敷設(shè)在檢修區(qū)內(nèi)[2]。為保證軌旁維修人員的安全，提高列車檢修效率，降低接觸軌授流方式對工作人員帶來的電擊風(fēng)險[3]，需要采用安全而高效的方式輔助列車出入庫。隨著軌道交通技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)引進了移動供電技術(shù)，并在青島、昆明、武漢、深圳等地的城市軌道交通領(lǐng)域中得以應(yīng)用，效果良好[4]。

移動供電技術(shù)在軌道交通車輛段維護車間的應(yīng)用主要有2種方式：電纜拖令系統(tǒng)(簡稱“拖令系統(tǒng)”)和滑接輸電裝置(簡稱“滑觸線”)。前者是利用滾輪滑車、軌道和柔性電纜實現(xiàn)移動供電；后者是利用集電小車或集電器的電刷與滑接輸電導(dǎo)體滑動接觸，向移動受電設(shè)備提供電能的饋電裝置[5]。目前，國內(nèi)在軌道交通領(lǐng)域?qū)@2種技術(shù)的選擇研究較少，本文基于膠輪路軌自動旅客運輸(APM)系統(tǒng)車輛的供電特點，對這2種移動供電方式的適用性進行研究。

1 APM系統(tǒng)車輛的供電特點

APM系統(tǒng)車輛供電采用側(cè)接觸式接觸軌供電方式，配電系統(tǒng)為+375 V和-375 V直流電壓組成的三軌系統(tǒng)配置，如圖1所示。因此，車間不具備供電軌供電牽引的條件，需要設(shè)置移動供電系統(tǒng)。相應(yīng)地，在車體外側(cè)地板面高度附近設(shè)置了車間電源插座。

圖1 APM車輛側(cè)接觸式接觸軌供電方式

與常規(guī)地鐵制式的接觸軌授流方式不同，APM列車編組形式靈活，存在單編組運行的可能，其供電模式的轉(zhuǎn)換要綜合考慮移動供電系統(tǒng)服務(wù)范圍、供電軌正負極方向、車輛集電靴間距、車間電源插座位置、供電電纜長度、絕緣過渡軌、列車安全制動距離的布置等因素，進行精細化設(shè)計。

2 移動供電方式性能比較

2. 1 拖令系統(tǒng)

拖令系統(tǒng)主要由滑車、軌道、拖令電纜、供電電纜和插頭等組成。拖令電纜懸垂在滑車上，滑車通過滾輪在軌道上行走，將動力電源經(jīng)匯流箱傳給供電電纜和專用插頭，最終傳輸給車輛，為車輛提供牽引和靜調(diào)用電，如圖2所示。

2. 2 滑觸線

滑觸線主要由集電小車、滑接輸電導(dǎo)線及附屬結(jié)構(gòu)單元等組成。集電小車上帶有集電器，通過與導(dǎo)電軌滑接進行取電，將動力電源經(jīng)供電電纜及專用插頭輸送到列車上，如圖3所示。

2. 3 拖令系統(tǒng)和滑觸線的性能對比

拖令系統(tǒng)和滑觸線這2種移動供電型式針對APM系統(tǒng)的適用性有一定的區(qū)別，二者在使用環(huán)境、導(dǎo)電方式、操作和維護等方面的綜合性能對比如表1所示。

圖2 拖令系統(tǒng)示意圖

圖3 滑觸線示意圖

表1 拖令系統(tǒng)與滑觸線的綜合性能對比

3 拖令系統(tǒng)和滑觸線的應(yīng)用案例分析

3. 1 拖令系統(tǒng)的應(yīng)用案例分析

上海軌道交通浦江線采用固定的4節(jié)編組，列車總長約51 m，線路的重修庫布置如圖4所示。車間移動供電布置在重修線的兩側(cè)，安裝高度5 m左右，為列車出入庫提供牽引動力。庫內(nèi)線路長約63 m，股道兩邊設(shè)有墻柱。

深圳寶安機場APM線采用了靈活的車輛編組，其土建規(guī)模按4節(jié)編組預(yù)留。檢修庫長65 m，布置如圖5所示。庫內(nèi)根據(jù)工藝需求采用移動供電，安裝高度5 m左右，為列車出入庫提供動力支持。股道兩邊設(shè)有墻柱，股道中間設(shè)有拖令系統(tǒng)安裝所需的鋼立柱。

圖4 上海軌道交通浦江線車輛段布置圖

圖5 深圳寶安機場APM線車輛段布置圖

浦江線和寶安機場APM線的車輛段檢修線長度均不超過100 m，移動供電系統(tǒng)服務(wù)范圍較小，拖令系統(tǒng)相比滑觸線安裝方便、成本較小、操作簡單，因此選用了拖令系統(tǒng)。

3. 2 滑觸線的應(yīng)用案例分析

香港國際機場APM系統(tǒng)的TRC線(第三跑道擴建線)采用固定的6節(jié)編組形式，列車總長76.5 m，車輛段內(nèi)設(shè)有4條檢修線，布置如圖6所示。車間的移動供電系統(tǒng)安裝在車輛段內(nèi)的吊柱和橫支撐上，安裝高度約3.8 m。檢修線最短122 m，最長204 m，存在彎弧區(qū)段。

圖6 香港國際機場TRC線車輛段布置圖

拖令系統(tǒng)因自身的結(jié)構(gòu)特點約束，TRC線庫內(nèi)檢修線的長度超過100 m，會帶來過多的電纜滑車組合，以及不同組合下的行駛阻力；而滑觸線只有一個集電小車與導(dǎo)電軌滑接，其行駛阻力相比拖令系統(tǒng)較小。同時，TRC線車輛段內(nèi)移動電源的安裝高度3.8 m，低于表1中建議的5 m，不適合采用拖令系統(tǒng)。因此，TRC線選用了滑觸線作為其移動電源系統(tǒng)，可供其他類似工程參考借鑒。

3. 3 拖令系統(tǒng)和滑觸線的方案對比

針對長度為100 m以上的車輛段檢修庫，本文從工藝操作上對這2種移動供電型式進行對比研究。

3. 3. 1 拖令系統(tǒng)

按通常的設(shè)計，拖令系統(tǒng)的行駛阻力主要來自于電纜滑車滾輪與走行軌鋼結(jié)構(gòu)間的摩擦阻力。以100 m為例，為保證懸垂深度和離地高度能滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范，電纜滑車須配備30個左右。

F1=(m1+m2)gμ1

(1)

式中:

F1——摩擦阻力；

m1——滑車總質(zhì)量；

m2——電纜總質(zhì)量；

g——重力加速度；

μ1——摩擦系數(shù)。

按滑車質(zhì)量為6 kg/個，電纜質(zhì)量為2 kg/m，懸垂深度2 m進行計算；滑車滾輪采用鋼輪，不考慮匯流箱等部件的質(zhì)量，懸垂深度取2 m，μ1取0.15，可計算出理論的摩擦阻力F1約為630 N左右。

3. 3. 2 滑觸線

按常規(guī)設(shè)計，滑觸線的行駛阻力主要來自于集電小車走形輪與走形軌鋼結(jié)構(gòu)間的摩擦阻力。

F2=mgμ2

(2)

式中：

F2——摩擦阻力；

m——集電小車質(zhì)量；

g——重力加速度；

μ2——摩擦系數(shù)。

集電小車質(zhì)量按50 kg計算；滾輪采用合成樹脂材質(zhì)，μ2取0.6～0.8，則理論摩擦阻力F2約為300～400 N。

以上計算基于檢修線100 m的軌道長度，拖令系統(tǒng)小車采用摩擦系數(shù)小的鋼輪，滑觸線小車采用摩擦系數(shù)較大的合成樹脂膠輪進行對比的。結(jié)果表明，拖令系統(tǒng)的行駛阻力遠大于滑觸線的行駛阻力。若軌道長度加大，如香港機場TRC線車輛段的最長股道長達204 m，拖令系統(tǒng)的阻力將隨之增加到近1 300 N，遠大于滑觸線的行駛阻力，這無疑給維修人員的操作帶來極大的困難。

4 移動電源系統(tǒng)相關(guān)問題探討

針對不同的使用環(huán)境，可基于移動電源系統(tǒng)的使用環(huán)境、空間需求、行駛阻力和成本等因素選用合適的型式。在項目執(zhí)行過程中，可結(jié)合具體工程條件，如列車編組形式、設(shè)備安裝空間、供電過渡段布置、潮濕有塵的環(huán)境等，從安裝位置、軌道設(shè)置、電纜長度和插頭保護等方面進行精細化設(shè)計。

4. 1 安裝位置

上海軌道交通浦江線APM車輛采用固定編組形式，車輛插座采用車輛兩側(cè)間隔布置，第1、第3節(jié)車廂的車輛插座布置在一位側(cè)，第2、第4節(jié)車廂插座布置在二位側(cè)，兩側(cè)均可接插頭。所以拖令系統(tǒng)布置時，可以根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇有墻柱的一側(cè)安裝拖令系統(tǒng)軌道。

深圳寶安機場APM線的車輛采用靈活編組，車間電源插座均布在同一側(cè)，所以拖令系統(tǒng)的安裝要考慮車輛插座的位置。因此，不能借鑒上海軌道交通浦江線拖令系統(tǒng)的布置方案，須在股道中間加裝拖令系統(tǒng)鋼立柱支撐，如圖7所示，以確保拖令系統(tǒng)安裝在APM列車插座一側(cè)，從而避免了拖令系統(tǒng)“異”側(cè)布置時供電電纜的“跨接”。

圖7 深圳寶安機場APM線拖令系統(tǒng)布置方案

4. 2 移動供電系統(tǒng)軌道設(shè)置

拖令系統(tǒng)和滑觸線作為車輛段人工作業(yè)區(qū)內(nèi)的移動供電系統(tǒng)，其設(shè)備的安裝應(yīng)盡可能遠離人員的可觸碰范圍，以確保人員作業(yè)安全。因而，安裝高度建議在5 m左右。

同時，考慮列車移動時滑車或集電小車的受力方向，軌道應(yīng)盡可能地靠近列車軌道中心線，與列車之間保持較小的間隔。如果移動供電系統(tǒng)所服務(wù)的軌道兩旁設(shè)置有移動式架車機，則應(yīng)考慮車輛在出入庫過程中供電電纜與架車機是否存在干涉的可能。

4. 3 供電電纜長度設(shè)置

作為牽引APM列車用的移動供電系統(tǒng)，其供電電纜一般較粗，過長的電纜不僅會造成拖地磨損，過重的電纜也會對人員操作造成一定的影響。因此，供電電纜的長度設(shè)計應(yīng)充分考慮移動供電系統(tǒng)軌道的布置高度，以及與軌道中心的橫向間隔。另外，針對APM系統(tǒng)可單節(jié)編組運營的特殊情況，還應(yīng)考慮過渡軌位置、車輛集電靴間距以及人工駕駛狀態(tài)下制動安全距離等因素，以綜合確定其供電電纜的長度。

4. 4 移動供電系統(tǒng)的供電電纜插頭

接車插頭選型應(yīng)與列車車間電源插座型號相匹配。插頭與供電電纜間的連接可根據(jù)具體情況選擇在工廠內(nèi)壓接或現(xiàn)場壓接。此外，對于潮濕多塵的使用環(huán)境，插頭應(yīng)有防塵防水功能，建議可在移動系統(tǒng)附近設(shè)置虛擬插座，以保護插頭。