城市軌道交通弓網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析與建議

關(guān)金發(fā)，吳積欽

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都　610031)

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城市軌道交通弓網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析與建議

關(guān)金發(fā)，吳積欽

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031)

摘要：既有城軌受電弓與接觸網(wǎng)的類型較多，兩者之間的配合問題尤為突出?？偨Y(jié)國內(nèi)外城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，存在內(nèi)容描述較少，剛?cè)峤佑|網(wǎng)未分開規(guī)定，指標(biāo)參數(shù)相差較大，系統(tǒng)性不強等問題?？偨Y(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究文獻，發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)設(shè)計階段對弓網(wǎng)接口的設(shè)計不足，弓網(wǎng)維修階段存在機械故障較多，弓網(wǎng)仿真缺少實測數(shù)據(jù)確認(rèn)等問題。最后針對城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的不足，對未來進一步研究工作提出若干建議。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；受電弓；接觸網(wǎng)；研究現(xiàn)狀

截止到2014年12月，全國已開通城市軌道交通線路運營里程已達3173 km。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，深圳地鐵1、11號線，北京地鐵14號線等工程均采用受電弓與接觸網(wǎng)受流方式。城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。

既有城軌弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計、運維技術(shù)已有一定的經(jīng)驗積累，但存在一些問題，如：城軌接觸網(wǎng)的懸掛類型較多，有剛性懸掛、雙承雙導(dǎo)簡單鏈型懸掛、彈性吊索簡單懸掛，同一條線路上受電弓需要適應(yīng)一種或幾種接觸懸掛，弓網(wǎng)接口適配性增加了弓網(wǎng)設(shè)計復(fù)雜性；弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)未成體系，標(biāo)準(zhǔn)對弓網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)范細(xì)節(jié)不足；施工驗收階段未有相應(yīng)的靜態(tài)、動態(tài)驗收標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計施工的不足使得弓網(wǎng)動態(tài)性能降低，加大運維難度。

首先概述城軌接觸網(wǎng)、受電弓的結(jié)構(gòu)及運行特點，對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做歸納與比較，然后調(diào)研國內(nèi)外有關(guān)城軌弓網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，在充分了解現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計、施工、運維幾個階段總結(jié)現(xiàn)有弓網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題，并提出解決當(dāng)前問題的相關(guān)建議。

1城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1　城軌接觸網(wǎng)

剛性接觸網(wǎng)因其接觸線無張力，不用設(shè)置下錨裝置，不會發(fā)生斷線事故，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(yīng)用于隧道內(nèi)的接觸網(wǎng)布置。城軌列車車庫段內(nèi)車速較慢，沒有必要使用簡單鏈型懸掛，改用更為經(jīng)濟的彈吊加簡單懸掛的方式。城軌接觸網(wǎng)的懸掛形式要綜合線路條件和運行速度，選擇采用剛性、柔性懸掛，不同地段的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)見表1。

表1　接觸網(wǎng)懸掛選型及組合方式

1.2　城軌受電弓

城軌受電弓需要同時適應(yīng)柔性和剛性接觸網(wǎng)，故對其結(jié)構(gòu)性能要求比較高，一般隧道內(nèi)由于凈空的限制，受電弓工作在較低的工作高度，不利于受電弓性能的發(fā)揮，若與剛性接觸網(wǎng)配合，弓網(wǎng)接觸剛度較大，滑板與接觸線的磨耗比柔性接觸網(wǎng)大。對于剛?cè)徇^渡、膨脹接頭、關(guān)節(jié)式過渡、道岔段等接觸網(wǎng)特殊斷面，對于受電弓的服役性能有不可忽視的影響。

城軌受電弓均是單臂受電弓，由于生產(chǎn)廠家不同，受電弓的結(jié)構(gòu)也各不相同，框架結(jié)構(gòu)上有使用上框架為鋁合金材料，下框架為鋼材的，也有全部框架結(jié)構(gòu)均為鋼材；傳動結(jié)構(gòu)有彈簧式的，也有氣囊式的；弓頭及懸架的樣式更是多種多樣，弓頭懸架有彈簧片式、彈簧盒式，也有橡膠彈簧式的，但一般弓角均與弓頭懸架一體；弓頭滑板的有效工作長度也不一，有使用長度為1 250 mm的受電弓，也有使用長度為800 mm的；弓頭的結(jié)構(gòu)不一，導(dǎo)致弓頭的輪廓不一。

雖然城軌受電弓的型號比較多，但均需滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21561.2[1]的要求。

由于城軌受電弓的形式多樣，接觸網(wǎng)的設(shè)計應(yīng)首先確認(rèn)地鐵線路使用哪種型號的受電弓，根據(jù)該受電弓的參數(shù)來設(shè)計與之匹配的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，才能保證弓網(wǎng)系統(tǒng)的良好受流。

2城軌弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外針對城軌弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的涉及內(nèi)容較少且分散，針對性不強，除受電弓有單獨標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，接觸網(wǎng)的規(guī)范較籠統(tǒng)，未分剛性、柔性懸掛分別說明，系統(tǒng)性和專業(yè)性不強，尚未形成健全的標(biāo)準(zhǔn)體系。以下僅對有涉及城軌弓網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)進行一些歸納與比較。

歐洲弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系是對弓網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)范，其中包括弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計、性能評估、動態(tài)測試、動態(tài)仿真，其各部分之間關(guān)系見文獻[2]。但其中的內(nèi)容大部分是針對國鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)，因為EN標(biāo)準(zhǔn)主要是促進歐洲鐵路互聯(lián)互通，歐盟境內(nèi)鐵路運營一體化。TSI 2011/274/EU[3]是歐洲委員會關(guān)于普速鐵路能源子系統(tǒng)在歐洲互聯(lián)互通的指令性要求，其中弓網(wǎng)系統(tǒng)部分與歐洲弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系中的要求是一致的。

歐洲鐵路技術(shù)規(guī)范中有關(guān)城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)主要體現(xiàn)在DC1.5 kV的接觸網(wǎng)規(guī)定中，如：EN50206—2[4]是有關(guān)城軌受電弓的技術(shù)要求；EN50367[5]和TSI 2011/274/EU中對不同電壓制式進行分類，并指出城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)條款。但EN50119[6]及其他相關(guān)歐標(biāo)并未針對城軌架空接觸網(wǎng)進行單獨說明。

UIC 799[7]僅針對速度為160～250 km/h的直流弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)進行規(guī)定。

IEEE1629[8]是有關(guān)城軌直流架空接觸網(wǎng)的性能要求標(biāo)準(zhǔn)，比較全面地規(guī)定了受電弓、接觸網(wǎng)的技術(shù)要求以及規(guī)定了受電弓的各項試驗，包括：形式試驗、常規(guī)試驗、故障試驗、現(xiàn)場試驗、單項試驗。

中國的城軌弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)GB/T 21561.2、GB 50157、GBT 7928、GBT 10411、GB 50490[9-12]。

GB/T 21561.2與EN50206—2的內(nèi)容一致。

地鐵車輛通用技術(shù)條件中對于弓網(wǎng)系統(tǒng)的要求僅一條“受流器或受電弓應(yīng)受流狀態(tài)良好，受流時對受流器或供電設(shè)備均無損傷或異常磨耗，受電弓的接觸壓力為100～140 N”。

地鐵設(shè)計規(guī)范中未對架空接觸網(wǎng)與第三軌進行分開說明，剛性接觸網(wǎng)與第三軌除了一些定性的要求，沒有詳細(xì)的介紹，但其中指出“本規(guī)定是為了保證列車運行時，具有良好的弓網(wǎng)關(guān)系，以減少弓網(wǎng)的不均勻磨耗和燒蝕，避免接觸導(dǎo)線斷線”，說明弓網(wǎng)關(guān)系是必須要引起重視的。

城軌交通直流牽引供電系統(tǒng)中規(guī)定了接觸網(wǎng)的最小安全凈距，架空接觸網(wǎng)的坡度，拉出值的布置方式，隧道內(nèi)外接觸線最低高度。

城市軌道交通技術(shù)規(guī)范中有關(guān)接觸網(wǎng)有5條定性要求。

比較以上標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)：IEEE與歐標(biāo)的動態(tài)接觸力范圍一致，當(dāng)運行速度小于200 km/h時均為0～300 N，但UIC 799為0～350 N。國內(nèi)外有關(guān)靜態(tài)接觸力范圍則不一致，見表2，中國靜態(tài)接觸力并未給出標(biāo)稱值，歐標(biāo)中的標(biāo)準(zhǔn)值雖是90 N，但停車時變?yōu)?40 N，對于既有城軌受電弓難以實現(xiàn)，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(wǎng)的設(shè)計坡度比國外的接觸網(wǎng)小，見表3，若按照GBT10411的要求，中國接觸網(wǎng)平順性比國外的要高；同樣是DC1.5 kV等級的電壓制式，中國的最小安全凈距比國外的大，見表4，說明中國接觸網(wǎng)絕緣考慮的安全余量更大。中國接觸網(wǎng)設(shè)計要求比較高，但由于弓網(wǎng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)涉及的內(nèi)容不多，有待進一步健全。

表2　受電弓靜態(tài)接觸力　N

表3　接觸網(wǎng)設(shè)計坡度要求

表4　帶電體對建筑物等最小安全凈距　mm

3城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)的研究狀況

研究城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)的文獻較多，主要是從以下幾個方面進行論述：弓網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計；現(xiàn)場故障的形式及原因分析；弓網(wǎng)系統(tǒng)的實驗室測試及現(xiàn)場試驗；弓網(wǎng)系統(tǒng)的仿真建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1　弓網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計

弓網(wǎng)系統(tǒng)概述及評價類文獻主要針對城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)用前景、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)研究等方面對弓網(wǎng)系統(tǒng)進行概述。

文獻[14]論述不同受電方式的接觸網(wǎng)組成及特點，為城軌接觸網(wǎng)的選型提供參考依據(jù)。

文獻[15]針對西安地鐵中存在地裂縫問題，研究該區(qū)域的接觸網(wǎng)懸掛方式，形成接觸網(wǎng)特殊設(shè)計方案。

文獻[16]分析中國城軌接觸網(wǎng)的現(xiàn)狀，提出基于外部、內(nèi)部、工程評價的接觸網(wǎng)評價體系。

文獻[17]提出一種適應(yīng)地鐵柔性接觸網(wǎng)的線岔檢調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。

弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計階段除考慮一般或特殊設(shè)計外，弓網(wǎng)接口設(shè)計也應(yīng)引起重視，在接觸網(wǎng)的設(shè)計前應(yīng)提供受電弓類型及結(jié)構(gòu)參數(shù)，作為接觸網(wǎng)的設(shè)計依據(jù)。

3.2　弓網(wǎng)故障及維修

文獻[18-21]針對地鐵剛性接觸網(wǎng)在運營中出現(xiàn)的問題，提出相應(yīng)的處理辦法。

文獻[22-24]根據(jù)現(xiàn)場接觸線、滑板的磨耗情況提出相應(yīng)抑制接觸線、滑板磨損的措施。地鐵運行實踐表明，剛性接觸網(wǎng)的接觸線和受電弓滑板磨耗較柔性接觸網(wǎng)的磨耗要嚴(yán)重得多，剛性接觸網(wǎng)部分區(qū)段和部件磨耗嚴(yán)重，最嚴(yán)重區(qū)段受電弓滑板已能夠接觸到匯流排。

文獻[25]通過對深圳地鐵1號線高架段接觸網(wǎng)存在的若干問題進行分析，提出了相應(yīng)的整改方案。

城軌弓網(wǎng)故障中以接觸線與滑板磨耗比較普遍，說明弓網(wǎng)的機械配合需要進行調(diào)整，如適當(dāng)增加匯流排定位線夾彈性，或把既有門型懸掛改成懸臂懸掛匯流排，或調(diào)整受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)，總之為優(yōu)化兩者的動力相互作用，須調(diào)整兩者中一方或雙方結(jié)構(gòu)。

3.3　弓網(wǎng)系統(tǒng)試驗

弓網(wǎng)試驗是優(yōu)化弓網(wǎng)接口的基礎(chǔ)，充分掌握既有弓網(wǎng)機械或電氣匹配關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不匹配區(qū)段，重點排查相關(guān)區(qū)段的接觸網(wǎng)參數(shù)，預(yù)防潛在故障，并進一步為弓網(wǎng)仿真提供基礎(chǔ)驗證數(shù)據(jù)。

弓網(wǎng)系統(tǒng)試驗是研究弓網(wǎng)關(guān)系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，對弓網(wǎng)系統(tǒng)接口的研究有重要的研究價值。

文獻[26]使用地鐵檢測車對地鐵柔性接觸網(wǎng)進行預(yù)防性檢測，文中就檢測設(shè)備的精度與可靠性提出了相應(yīng)建議。

文獻[27]在實驗室內(nèi)建立剛性匯流排—滑板—電流試驗臺，通過測試相應(yīng)工況，研究剛性接觸網(wǎng)與滑板的接觸過程，該試驗臺的滑板是可移動的，能模擬一定的運行速度，根據(jù)電接觸理論、摩擦理論，得到接觸網(wǎng)與受電弓的接觸行為與各自參數(shù)密切相關(guān)，電氣磨耗與轉(zhuǎn)化電流、電阻有關(guān)，機械磨耗與材料摩擦有關(guān)。

文獻[28-29]針對廣州地鐵3號線速度為120 km/h的區(qū)間、成都地鐵1號線速度為90 km/h的區(qū)間進行受電弓與剛性接觸網(wǎng)的動態(tài)性能測試，檢測項目包括弓網(wǎng)接觸力、弓頭框架的振動、滑板的溫升等情況。

3.4　弓網(wǎng)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

被確認(rèn)后的弓網(wǎng)仿真技術(shù)也是研究城軌弓網(wǎng)關(guān)系的重要途徑之一，且其輸入和邊界可以自行設(shè)定，是優(yōu)化弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要手段。

尚未見有關(guān)受電弓與雙承雙導(dǎo)懸掛接觸網(wǎng)的仿真研究文獻。研究城軌受電弓與剛性接觸網(wǎng)仿真的文獻較多。

文獻[30-32]建立受電弓與剛性接觸網(wǎng)動態(tài)仿真模型，受電弓利用simpack建立剛體模型，剛性接觸網(wǎng)利用有限元軟件建立柔性體模型，通過改變仿真參數(shù)，優(yōu)化弓網(wǎng)動態(tài)性能，設(shè)計出Y型截面剛性懸掛，該新型懸掛的線路速度設(shè)計達110 km/h。

文獻[33-34]為了適應(yīng)更高速度的剛?cè)徇^渡結(jié)構(gòu)，設(shè)計一種新型結(jié)構(gòu)，通過跑車試驗，論證該結(jié)構(gòu)的運行性能能達130 km/h。文獻[35]針對剛性接觸網(wǎng)的關(guān)節(jié)式絕緣過渡段進行弓網(wǎng)建模及仿真，優(yōu)化該處的弓網(wǎng)動態(tài)性能。

文獻[36]提出剛性接觸網(wǎng)的不平順對弓網(wǎng)受流有影響，高速運行時容易引發(fā)離線現(xiàn)象。文獻[37]給出剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)的等效數(shù)學(xué)模型，并分析影響等效模型的參數(shù)，但并未給出弓網(wǎng)仿真模型。文獻[38]利用有限元法，分析8 m跨距的剛性接觸網(wǎng)模態(tài)，得到剛性接觸網(wǎng)的固有頻率。文獻[39-46]中的剛性接觸網(wǎng)等效為具有匯流排截面的梁，懸掛點為具有一定剛度的彈簧，受電弓為集中質(zhì)量模型，文中研究懸掛結(jié)構(gòu)質(zhì)量，運行速度，跨距，匯流排坡度，弓網(wǎng)接觸剛度，受電弓弓頭質(zhì)量對弓網(wǎng)動態(tài)性能的影響，但并未研究錨段關(guān)節(jié)、拉出值、變化速度對弓網(wǎng)動態(tài)性能的影響。

弓網(wǎng)仿真是優(yōu)化弓網(wǎng)接口的重要工具，經(jīng)過確認(rèn)后的弓網(wǎng)仿真，改變邊界條件或初始條件，得到不同參數(shù)組合工況，比較不同工況的動力性能指標(biāo)，尋找弓網(wǎng)的最佳匹配參數(shù)，為弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計和維修改造提供優(yōu)化方案。

4城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)的建議

城軌弓網(wǎng)理論研究、振動測試、弓網(wǎng)仿真、維修技術(shù)已有一定的研究，但弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)尚未形成體系，且標(biāo)準(zhǔn)中參數(shù)取值不同標(biāo)準(zhǔn)要求不一致，需要進一步確認(rèn)，設(shè)計階段對于弓網(wǎng)接口及適配性研究較少，運維階段多為機械故障，取決于弓網(wǎng)振動響應(yīng)，應(yīng)加深弓網(wǎng)作用機理研究。針對城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題，建議進一步開展以下課題研究。

(1)城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立。參照國鐵、歐洲、國際電工委員會的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對于城軌接觸網(wǎng)設(shè)計、施工、驗收、維修全壽命周期各階段提出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。重點研究受電弓與接觸網(wǎng)的接口要求，從電氣和機械兩方面規(guī)范弓網(wǎng)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。

(2)針對接觸網(wǎng)懸掛類型的多樣，研究適應(yīng)剛性、柔性接觸網(wǎng)的受電弓結(jié)構(gòu)，減少受電弓滑板的磨耗，延長受電弓設(shè)備的壽命；反之，針對某種型號的受電弓，設(shè)計與之電氣、機械性能匹配的接觸網(wǎng)，延長接觸網(wǎng)設(shè)備的壽命。

(3)對于弓網(wǎng)系統(tǒng)運營過程中出現(xiàn)的故障建立故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)，對設(shè)計、施工、驗收資料歸檔到維修系統(tǒng)當(dāng)中，根據(jù)歸檔資料及日常維修過程，評估弓網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)，為弓網(wǎng)維修提供決策支持。

(4)對于弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的試驗技術(shù)和仿真技術(shù)的研究需要進一步加強。重點研究弓網(wǎng)接口的電熱特性和動態(tài)特性；利用試驗和仿真手段解決剛性接觸網(wǎng)與受電弓之間磨耗較嚴(yán)重問題；利用弓網(wǎng)仿真，優(yōu)化適應(yīng)某種型號或多種型號受電弓的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；結(jié)合優(yōu)化后的弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)，研究列車運行速度到160 km/h的城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)，縮短城市長區(qū)間運行時間，提高運營效率。

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Analysis of Pantograph-Catenary System of Urban Transit and Suggestions

GUAN Jin-fa， WU Ji-qin

(College of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：There are many types of pantograph and catenary in urban transit system and the matching of the two becomes a challenge. Researches on standards of pantograph and catenary system fall short of detailed specification， while rigid catenary and soft catenary are not separated， index and parameter differ in great margin and systematicness is insufficient. The review of relevant research papers indicates the inadequateness of the design in the interface of catenary and pantograph， frequent mechanical failure in maintenance and the lack of experimental confirmation of simulation. Finally some suggestions for future researches are provided in perspective of the inadequateness of the researches on urban rail pantograph and catenary system.

Key words：Urban rail transit; Pantograph; Overhead contact system; Research status

作者簡介：關(guān)金發(fā)(1986—)，男，博士研究生，主要研究領(lǐng)域為鐵路弓網(wǎng)關(guān)系，E-mail：kwanjinfa@163.com。

基金項目：中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃(2013J010-B)

收稿日期：2015-01-27； 修回日期：2015-06-05

中圖分類號：U239.5； U225

文獻標(biāo)識碼：DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.032

文章編號：1004-2954(2016)01-0144-04