大連軌道交通金州線車輛弓網(wǎng)受流試驗(yàn)及分析

于延霞 丁 鋒

（大連機(jī)車車輛有限公司，116022，大連∥第一作者，高級(jí)工程師）

對(duì)于一條即將建設(shè)的城市軌道交通（以下簡為“城軌”）線路來說，車輛的供電受流方式是首先要考慮的問題。目前，城軌車輛供電受流有第三軌供電受流和架空接觸網(wǎng)受電弓受流兩種形式，選擇時(shí)需對(duì)這兩種形式進(jìn)行利弊分析。目前的技術(shù)發(fā)展及第三軌供電受流的缺點(diǎn)，決定了采用架空接觸網(wǎng)受電弓受流具有很大的優(yōu)越性。

弓網(wǎng)受流時(shí)線路和車輛系統(tǒng)都需要協(xié)調(diào)弓網(wǎng)關(guān)系。受電弓的損壞與接觸網(wǎng)的故障兩者間有時(shí)互為因果關(guān)系：受電弓的損壞可能造成接觸網(wǎng)的故障，而接觸網(wǎng)的故障或質(zhì)量原因也可造成受電弓的損壞。因此，通過對(duì)受電弓的試驗(yàn)和實(shí)時(shí)檢測(cè)，有利于協(xié)調(diào)受電弓及接觸網(wǎng)關(guān)系并及時(shí)檢修、維護(hù)，達(dá)到減少弓網(wǎng)故障的目的。為此，大連金州線車輛在金州線進(jìn)行了弓網(wǎng)受流試驗(yàn)和檢測(cè)。試驗(yàn)和檢測(cè)結(jié)果滿足TB／T 1456—2004《鐵路應(yīng)用－機(jī)車車輛－干線機(jī)車車輛受電弓特性和試驗(yàn)》及IEC 60494—2—2002《軌道交通－機(jī)車車輛－地鐵與輕軌車輛受電弓特性和試驗(yàn)》的要求，弓網(wǎng)協(xié)調(diào)性很好。

1 城軌車輛受流形式比較

第三軌供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性較好，遭雷擊率較低，使用壽命長；在安裝、維護(hù)上的費(fèi)用和工作量要低于架空接觸網(wǎng)（相同電壓下），無需配備專用的接觸網(wǎng)系統(tǒng)搶修機(jī)械；視覺上污染小，對(duì)景觀破壞影響小。但是，第三軌供電系統(tǒng)也存在以下問題：①第三軌系統(tǒng)距地面很近，無法做到全方位的人員接近防護(hù)；②電力操作規(guī)程所規(guī)定的斷電標(biāo)志（打開斷路器，有明顯的斷路點(diǎn)、掛地線等）在第三軌系統(tǒng)實(shí)行存在問題，對(duì)日常維護(hù)或緊急情況下的旅客疏散造成困難；③第三軌系統(tǒng)在運(yùn)行軌道岔處留有間隙，形成斷電區(qū)，造成電拉弧多，在某些環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)列車中斷運(yùn)行的情況，需要使用跳線電纜臨時(shí)搭接或其他列車救援；④斷電區(qū)多造成供電品質(zhì)差，EMI（電磁干擾）問題突出，降低了信號(hào)設(shè)備以及通信設(shè)備的可靠性；⑤第三軌系統(tǒng)中的絕緣器件由于直流電場(chǎng)的吸附作用和距地面很近等原因容易被污染，而自然風(fēng)和雨水無法對(duì)絕緣器件產(chǎn)生自潔作用，故其需要經(jīng)常清掃，否則極易發(fā)生絕緣子閃絡(luò)事故，影響行車；⑥受電靴多，噪聲大，受電靴磨耗大；⑦列車不能隨時(shí)脫離電源，緊急情況下不易保證安全，同時(shí)也不利于直通運(yùn)行；⑧由于接觸軌的不連續(xù)性，受流器在滑入接觸軌時(shí)會(huì)受到?jīng)_擊，當(dāng)列車速度過高時(shí)，沖擊力較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞受流器，因此，采用接觸軌受流方式時(shí)列車的最高運(yùn)行速度較低。國內(nèi)第三軌供電的地鐵列車運(yùn)行極限速度為90km／h。

架空接觸網(wǎng)由于在高空架設(shè)，自然風(fēng)和雨水能對(duì)絕緣子產(chǎn)生自潔作用，相對(duì)減少了絕緣子的清潔工作量；接觸網(wǎng)架空斷電區(qū)少，沒有斷電拉?。徊捎媒佑|網(wǎng)的城軌列車的運(yùn)行極限速度為140km／h，滿足城軌列車高速運(yùn)行要求。接觸網(wǎng)供電受流系統(tǒng)也有一些問題，如：由于其作業(yè)面較高，運(yùn)營維護(hù)須配備專用的維護(hù)檢修車輛；接觸網(wǎng)暴露在地面上的部分影響了城市景觀。

從目前城軌發(fā)展趨勢(shì)來看，采用架空接觸網(wǎng)受電弓受流的線路越來越多，第三軌受流器受流只在特殊線路環(huán)境要求下采用。

大連金州線列車為一動(dòng)一拖編組，最高運(yùn)行速度為120km／h，整個(gè)線路多為高架線路且為郊區(qū)線，因此大連金州線選用架空接觸網(wǎng)受電弓受流形式。

2 城軌車輛弓網(wǎng)受流試驗(yàn)和檢測(cè)的重要性

為保證牽引電流順利流通，受電弓和接觸線之間必須有一定的接觸壓力。弓網(wǎng)實(shí)際接觸壓力由以下4部分組成：①靜態(tài)接觸壓力——受電弓升弓系統(tǒng)施加于滑板使之向上的垂直力；②動(dòng)態(tài)接觸壓力——由于接觸懸掛存在彈性差異，接觸線在受電弓抬升作用下會(huì)產(chǎn)生不同程度的上升，從而使受電弓在運(yùn)行中上下振動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)與其本身歸算質(zhì)量相關(guān)的上下交變的壓力；③氣動(dòng)力——受電弓在運(yùn)行中受空氣流作用產(chǎn)生的一個(gè)隨速度增加而迅速增加的力；④受電弓阻尼力——受電弓各關(guān)節(jié)在升降弓過程中產(chǎn)生的阻力。

弓網(wǎng)接觸壓力可直觀反映受電弓滑板和接觸線間的接觸情況，它必須符合正態(tài)分布規(guī)律，且只能在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。弓網(wǎng)接觸壓力太小會(huì)增加離線率，太大會(huì)使滑板和接觸線間產(chǎn)生較大的機(jī)械磨耗。為保證受電弓具有可靠的受流質(zhì)量，應(yīng)盡量減小受電弓的歸算質(zhì)量，增加接觸懸掛的彈性均勻性。另外，滑板的質(zhì)量和機(jī)電性能對(duì)受流質(zhì)量影響很大。

受電弓的損壞與接觸網(wǎng)的故障密不可分。受電弓損壞可能造成接觸網(wǎng)故障，而接觸網(wǎng)故障或質(zhì)量原因也可造成受電弓損壞。通過對(duì)受電弓進(jìn)行試驗(yàn)和實(shí)時(shí)檢測(cè)，既可及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)受電弓故障，也可通過受電弓的打碰痕跡判斷接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。這有利于受電弓及接觸網(wǎng)的及時(shí)檢修、維護(hù)，從而減少弓網(wǎng)故障。

3 大連金州線車輛弓網(wǎng)受流試驗(yàn)

大連金州線車輛弓網(wǎng)受流試驗(yàn)包括靜態(tài)性能試驗(yàn)和弓網(wǎng)受流性能試驗(yàn)。

3.1 受電弓靜態(tài)性能試驗(yàn)

受電弓靜態(tài)性能試驗(yàn)要進(jìn)行靜態(tài)壓力、升降系統(tǒng)檢查、橫向剛度試驗(yàn)三項(xiàng)。

3.1.1 靜態(tài)壓力測(cè)試

在車頂安裝專用的試驗(yàn)支架，用負(fù)荷測(cè)試傳感器和計(jì)算機(jī)組成的測(cè)力裝置進(jìn)行測(cè)定。受電弓的靜態(tài)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 受電弓的靜態(tài)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可以看出，上升壓力平均最大值為65.02N、最小值為62.92N，下降壓力平均最大值為81.29N、最小值為76.42N，滿足在工作高度范圍內(nèi)壓力差不大于10N的標(biāo)準(zhǔn)要求；同一高度最大壓力差為16.75N，滿足標(biāo)準(zhǔn)中壓力差不大于18N的要求。因此，試驗(yàn)符合IEC—60494—2—2002《軌道交通－機(jī)車車輛－地鐵與輕軌車輛受電弓特性和試驗(yàn)》附件B的規(guī)定。

3.1.2 升降弓時(shí)間特性試驗(yàn)

在車頂上安裝限位支架，用電秒表測(cè)試受電弓在額定壓力的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下的升降弓時(shí)間，觀察受電弓的動(dòng)作狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果為：

（1）平穩(wěn)升到最高工作高度，無有害的沖擊。

（2）從落弓高度到最高工作高度，受電弓從開始動(dòng)作到完全升起的時(shí)間不大于10s，滿足試驗(yàn)大綱要求；在工作范圍的任何高度降弓時(shí)，降弓起始動(dòng)作迅速，無有害的沖擊。

3.1.3 橫向剛度試驗(yàn)

受電弓位于最高高度，在受電弓框架頂端左右兩側(cè)分別施加300N的力，測(cè)量其兩側(cè)的位移。測(cè)得左右兩側(cè)的橫向剛度位移均為17mm，兩側(cè)位移保持均衡，取消力后無永久變形。300N作用力下，受電弓兩側(cè)的橫向剛度位移符合IEC—60494—2—2002《軌道交通－機(jī)車車輛－地鐵與輕軌車輛受電弓特性和試驗(yàn)》中小于20mm的規(guī)定。

3.2 弓網(wǎng)受流性能試驗(yàn)

弓網(wǎng)受流性能試驗(yàn)在大連金州線上進(jìn)行，可以直接檢測(cè)弓網(wǎng)受流情況。試驗(yàn)包括離線（火花）測(cè)定，硬點(diǎn)（受電弓滑板所受的垂向加速度）測(cè)試，受電弓滑板運(yùn)行軌跡（接觸線動(dòng)態(tài)高度）等。因當(dāng)時(shí)金州線條件限制，弓網(wǎng)受流性能試驗(yàn)只能在80km／h以下進(jìn)行，所以試驗(yàn)記錄為80km／h以下速度等級(jí)。

3.2.1 離線（火花）測(cè)定

在受電弓車頂附近安裝離線（火花）測(cè)量儀，測(cè)定離線火花發(fā)生的地點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)離線次數(shù)。記錄不同車速運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，考核弓網(wǎng)受流質(zhì)量。離線次數(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。測(cè)試中無一次最大離線時(shí)間大于100ms，滿足火花次數(shù)不大于1次／160m、一次最大離線時(shí)間不大于100ms的要求。

表2 不同速度時(shí)的離線情況統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 硬點(diǎn)（受電弓滑板所受的垂向加速度）測(cè)量

在受電弓上安裝硬點(diǎn)測(cè)量裝置，測(cè)試受電弓運(yùn)行時(shí)所受的沖擊加速度，考核和檢測(cè)受電弓運(yùn)行的安全性。接觸網(wǎng)硬點(diǎn)測(cè)試統(tǒng)計(jì)見表3。由試驗(yàn)可知，實(shí)際測(cè)試的硬點(diǎn)很小，滿足測(cè)試垂向加速度不大于490m／s2（50 g）的要求。

表3 接觸網(wǎng)硬點(diǎn)（不同車速下受電弓的垂向沖擊加速度）測(cè)試統(tǒng)計(jì) m／s2

3.2.3 受電弓滑板運(yùn)行軌跡（接觸線動(dòng)態(tài)高度）測(cè)量

在車頂安裝激光測(cè)距器，動(dòng)態(tài)測(cè)量受電弓滑板的運(yùn)行軌跡，同時(shí)測(cè)量出接觸線動(dòng)態(tài)最大高度、最小高度以及接觸線一跨內(nèi)的振動(dòng)幅度。試驗(yàn)測(cè)試的接觸網(wǎng)高差見表4。

表4 不同車速時(shí)的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)高差 mm

由表4可見，接觸網(wǎng)高差較小，無超過試驗(yàn)大綱規(guī)定的150mm的點(diǎn)，滿足接觸導(dǎo)線最大垂直振幅2A≤150mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.4 受電弓運(yùn)行狀態(tài)圖像監(jiān)視

在車頂安裝攝像機(jī)，監(jiān)視弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，并與有關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像合成。圖像顯示大連金州線弓網(wǎng)受流協(xié)調(diào)，弓網(wǎng)安全。

弓網(wǎng)受流性能測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法是以接觸網(wǎng)的跨距作為基本統(tǒng)計(jì)單位，在每一跨內(nèi)，分析統(tǒng)計(jì)出硬點(diǎn)測(cè)試的最大值，接觸線的最大動(dòng)態(tài)高度、最小動(dòng)態(tài)高度和動(dòng)態(tài)高度差，離線（火花）次數(shù)和離線時(shí)間等。為了掌握全部試驗(yàn)速度等級(jí)和整個(gè)試驗(yàn)區(qū)段的弓網(wǎng)受流性能，作出了典型試驗(yàn)速度（速度級(jí)80km／h）下的全程硬點(diǎn)散點(diǎn)圖（見圖1）。從硬點(diǎn)散點(diǎn)圖可以看出大連金州線的硬點(diǎn)高于300m／s2的很少，弓網(wǎng)條件協(xié)調(diào)。

圖1 全程硬點(diǎn)散點(diǎn)圖（速度級(jí)80km／h）

各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存貯。弓網(wǎng)受流性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)除用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)外，還可采用圖像合成技術(shù)，將受電弓運(yùn)行狀態(tài)圖像與對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)合成，錄像保存，便于以后分析。

4 結(jié)論

綜上所述，大連金州線車輛弓網(wǎng)受流試驗(yàn)和檢測(cè)結(jié)論滿足TB／T 1456—2004《鐵路應(yīng)用－機(jī)車車輛－干線機(jī)車車輛受電弓特性和試驗(yàn)》及IEC 60494—2—2002《軌道交通－機(jī)車車輛－地鐵與輕軌車輛受電弓特性和試驗(yàn)》各項(xiàng)要求，弓網(wǎng)受流狀態(tài)穩(wěn)定，磨耗小，安全性高。

［1］ 馬良驥.受電弓機(jī)構(gòu)綜合及優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.成都：西南交通大學(xué)，1988.